CN208239178U - 基于激光双面辐照加热的高温力学性能测试系统 - Google Patents
基于激光双面辐照加热的高温力学性能测试系统 Download PDFInfo
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Abstract
本实用新型属于力学测试系统领域，涉及一种基于激光双面辐照加热的高温力学性能测试系统。本实用新型克服了现有加热方式存在的加热速率慢、加热温度范围小、加热温度不准确等缺陷。本实用新型测试系统包括：激光器和热像仪，还包括微透镜阵列、透镜、石墨、半反半透镜和全反镜组；微透镜阵列的数量为两个，分为第一微透镜阵列和第二微透镜阵列；激光器用于提供激光光源，激光光束依次经过第一微透镜阵列、第二微透镜阵列、透镜和石墨；从石墨出来的激光光束经过半反半透镜，一部分激光光束穿过半反半透镜直接辐照到试件的前表面，另一部分激光光束被半反半透镜反射到全反镜组上，全反镜组再将激光光束反射到试件的后表面。
Description
技术领域
本实用新型属于力学测试技术领域，涉及一种基于激光加热的高温力学性能测试系统。
背景技术
材料的力学特性温度相关性一直是材料工程应用中的重要参数。
目前测试材料高温力学性能的方法主要是通过控制电热丝或电热管(盘) 的电压，使被加热件的温度上升至目标温度，后用电子万能试验机进行力学测试，这些加热方式存在明显的不利因素，由于加热过程存在明显热传递，使电热管的温度明显高于被加热件的温度，这种明显的温度梯度而导致额外的热惯量，进而导致在温度交替试验中存在明显的温度过冲，所以这种加热方式存在加热速率慢、加热温度范围小、加热温度不准确等弊端。另外，在试验的过程中，这种加热方式一样对试样大小有限制，而且很难实现在位加热等缺点。
发明内容
为解决背景技术中存在的技术问题，本实用新型提供了一种基于激光双面辐照加热的高温力学性能测试系统，可以对试件前后表面同时、均匀加热，该系统具有加热均匀、控温精度高，测试温度范围广，加热率高等特点。
本实用新型解决上述问题的技术方案是，一种基于激光双面辐照加热的高温力学性能测试系统，包括激光器和热像仪，其特殊之处在于：
还包括微透镜阵列、透镜、石墨、半反半透镜和全反镜组；微透镜阵列的数量为两个，分为第一微透镜阵列和第二微透镜阵列；石墨用于限定激光光束的尺寸；热像仪的数量为两个，分为第一热像仪和第二热像仪；
所述激光器用于提供激光光源，激光光束依次经过第一微透镜阵列、第二微透镜阵列、透镜和石墨；从石墨出射的激光光束经过半反半透镜，一部分激光光束穿过半反半透镜直接辐照到试件的前表面，另一部分激光光束被半反半透镜反射到全反镜组上，全反镜组再将激光光束反射到试件的后表面；
第一热像仪和第二热像仪分别用于监测试件前表面、后表面在激光辐照下的温升。
以上为本实用新型的基本结构，基于该基本结构，本实用新型还做出以下优化改进：
进一步地，上述所述第一微透镜阵列与第二微透镜阵列规格相同；所述微透镜阵列的形状为正方形，尺寸为10mm×10mm，阵列规格为9×9，微透镜阵列上阵列的微透镜尺寸为1015um方形透镜，阵列间距15um，微透镜的曲率半径范围为50mm～120mm。
进一步地，上述全反镜组中的全反镜直径范围20mm～200mm。
进一步地，上述透镜的通光孔径范围20mm～200mm。
进一步地，上述微透镜阵列上的微透镜曲率半径为70mm。
进一步地，上述石墨为中心带有通孔的正方形石墨，边长范围为 30mm～60mm；中心通孔形状为正方形，通孔边长范围为5mm～20mm。
进一步地，上述激光器的功率范围为100W～3000W且功率连续可调。
同时，本实用新型还公开了一种基于上述激光双面辐照加热的高温力学性能测试系统的测试方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：
1)对激光器发出的激光光束先进行匀化，然后再整形为均匀的准直光，再利用石墨对准直光进行限定，限定后的准直光与试件尺寸一致；
2)使被石墨限定的激光光束再经过半反半透镜，其中，一部分激光光束通过半反半透镜辐照到试件的前表面，再利用全反镜组将另一部分由半反半透镜反射的激光光束反射到试件的后表面；
3)利用第一热像仪和第二热像仪分别监测试件前后表面在激光辐照下的温升；
4)待试件达到平衡温度后用电子万能试验机开始对试件8进行力学测试。
进一步地，上述步骤1)中，对激光器发出的激光光束进行匀化，是通过让激光光束依次通过第一微透镜阵列和第二微透镜阵列来实现。
进一步地，上述步骤1)中，把匀化后的激光光束整形为准直光，是利用透镜进行整形。
试件为复合材料或金属材料，其形状为长条状，试件的长为150mm～250mm，宽为1～10mm，厚0.5mm～1mm；复合材料试件厚度优选 0.5mm，金属试件厚度优选1mm。
本实用新型的优点：
1、本实用新型提出了一种基于激光双面辐照加热的高温力学性能测试系统，该系统利用激光器对试件进行双面加热，试件加热均匀性好且温度控制精度高。
2、本实用新型基于均匀激光双面辐照加热的高温力学性能测试系统，该测试系统只利用了一台激光器便实现对试件的均匀、双面加热，不仅节省了成本，而且使系统简单、高效、可靠、安全，同时避免了复杂光路对试验的干扰。
3、本实用新型特别适用于厚度1mm以下的金属试件，如铝合金、钢、钛合金等；也特别适用于0.5mm以下的复合材料，如碳纤维/环氧复合材料、Kevlar/环氧复合材料等，本实用新型对这种特别的试件具有加热均匀、升温速率高、控温精度高等优点。
附图说明
图1是本实用新型激光双面辐照加热的高温力学性能测试系统示意图；
图2是本实用新型微透镜阵列的结构图；
图3是本实用新型石墨的结构图。
其中：1、激光器；2、热像仪；201、第一热像仪；202、第二热像仪； 3、微透镜阵列；301、第一微透镜阵列；302、第二微透镜阵列；4、透镜； 5、石墨；6、半反半透镜；7、全反镜组；8、试件；9、微透镜；10、中心通孔。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
参见图1，一种基于激光双面辐照加热的高温力学性能测试系统，包括电子万能试验机，还包括激光器1和热像仪2，还包括微透镜阵列3、透镜 4、石墨5、半反半透镜6和全反镜组7。
电子万能试验机设有拉伸系统、压缩系统、辅助夹具以及用于观测和激光束穿过的观察窗。
微透镜阵列3的数量为两个，分为第一微透镜阵列301和第二微透镜阵列302；石墨5用于限定激光光束的尺寸；热像仪2的数量为两个，分为第一热像仪201和第二热像仪202。
激光器1用于提供激光光源，激光光束依次经过第一微透镜阵列301、第二微透镜阵列302、透镜4和石墨5；从石墨5出来的激光光束经过半反半透镜6，一部分激光光束穿过半反半透镜6直接辐照到试件8的前表面，另一部分激光光束被半反半透镜6反射到全反镜组7上，全反镜组7再将激光光束反射到试件8的后表面。
第一热像仪201和第二热像仪202分别用于监测试件8前表面、后表面在激光辐照下的温升。
第一微透镜阵列301与第二微透镜阵列302规格相同；微透镜阵列3的形状为正方形，尺寸为10mm×10mm，阵列规格为9×9，微透镜阵列3上阵列的微透镜的尺寸为1015um的方形透镜，阵列间距15um；微透镜的曲率半径范围为50mm～120mm，优选70mm。
石墨5为中心带有通孔的正方形石墨，边长范围为30mm～60mm；中心通孔形状为正方形，通孔边长范围为5mm～20mm。
全反镜组7中的全反镜直径范围20mm～200mm，全反镜组7的反射率不低于0.995；全反镜组7中全反镜数量为三个，三个全反镜将被半反半透镜6 反射的激光光束反射到试件8的后表面上。
透镜4的通光孔径范围20mm～200mm，焦距范围0.2m～5m。
激光器1采用红外波段，功率范围为100W～3000W且功率连续可调。调节激光器1的出光功率让试件8达到不同平衡温度，实现试件8在不同温度下的力学性能测试。
一种基于激光双面辐照加热的高温力学性能测试方法，包括以下步骤：
1)对激光器1发出的激光光束先进行匀化，然后再整形为均匀的准直光要求准直光束的半发散角小于0.1mrad，再利用石墨5对准直光进行限定，限定后的准直光与试件8尺寸一致；
2)使被石墨5限定的激光光束再经过半反半透镜6，其中，一部分激光光束通过半反半透镜6辐照到试件8的前表面，再利用全反镜组7将另一部分由半反半透镜6反射的激光光束反射到试件8的后表面；形成前后表面同时、均匀辐照；
3)利用第一热像仪201和第二热像仪202分别监测试件8前后表面在激光辐照下的温升；
4)待试件8温度达到恒定后，利用电子万能试验机对试件8进行力学加载，可以实现对复合材料和金属材料试件在准确温度下的拉伸、压缩测试，实现对材料强度、弹性模量、泊松比等力学参数的测试。
电子万能试验机上的拉伸系统对试件8依次进行拉伸载荷的加载，并使用CCD相机进行照相采样。同时热像仪2、数据采集仪分别监测获得的环境温度数据、局部点温度以及试件背面的变形和破坏过程的相关数据均上传至计算机，由计算机中的数据分析软件进行该试件的力学性能分析。
上述步骤1)中，对激光器1发出的激光光束进行匀化，是通过让激光光束依次通过第一微透镜阵列301和第二微透镜阵列302来实现。
上述步骤1)中，把匀化后的激光光束整形为准直光，是利用透镜4进行整形。
上述基于激光双面辐照加热的高温力学性能测试系统及方法中，试件8 为复合材料或金属材料，形状为长条状，试件8的长150mm～250mm，宽 1～10mm，厚0.5mm～1mm。
试件8最优方案为：复合材料试件厚度0.5mm，金属试件厚度1mm。本实用新型对这种优选的试件具有加热均匀、升温速率高、控温精度高等优点，同时，此厚度下的试件便于试件加工，控制试件精度。
Claims (7)
1.一种基于激光双面辐照加热的高温力学性能测试系统，包括激光器(1)和热像仪(2)，其特征在于：
还包括微透镜阵列(3)、透镜(4)、石墨(5)、半反半透镜(6)和全反镜组(7)；微透镜阵列(3)的数量为两个，分为第一微透镜阵列(301)和第二微透镜阵列(302)；石墨(5)用于限定激光光束的尺寸；热像仪(2)的数量为两个，分为第一热像仪(201)和第二热像仪(202)；
所述激光器(1)用于提供激光光源，激光光束依次经过第一微透镜阵列(301)、第二微透镜阵列(302)、透镜(4)和石墨(5)；从石墨(5)出射的激光光束经过半反半透镜(6)，一部分激光光束透过半反半透镜(6)辐照到试件(8)的前表面，另一部分激光光束被半反半透镜(6)反射到全反镜组(7)上，全反镜组(7)再将激光光束反射到试件(8)的后表面；
所述第一热像仪(201)和第二热像仪(202)分别用于监测试件(8)前表面、后表面在激光辐照下的温升。
2.根据权利要求1所述的一种基于激光双面辐照加热的高温力学性能测试系统，其特征在于：所述第一微透镜阵列(301)与第二微透镜阵列(302)规格相同；所述微透镜阵列(3)的形状为正方形，尺寸为10mm×10mm，阵列规格为9×9，微透镜阵列(3)上阵列的微透镜尺寸为1015um方形透镜，阵列间距15um，微透镜的曲率半径范围为50mm～120mm。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于激光双面辐照加热的高温力学性能测试系统，其特征在于：所述全反镜组(7)中的全反镜直径范围20mm～200mm。
4.根据权利要求3所述的一种基于激光双面辐照加热的高温力学性能测试系统，其特征在于：所述透镜(4)的通光孔径范围20mm～200mm。
5.根据权利要求4所述的一种基于激光双面辐照加热的高温力学性能测试系统，其特征在于：所述微透镜阵列(3)上的微透镜曲率半径为70mm。
6.根据权利要求5所述的一种基于激光双面辐照加热的高温力学性能测试系统，其特征在于：所述石墨(5)为中心带有通孔的正方形石墨，边长范围为30mm～60mm；中心通孔形状为正方形，通孔边长范围为5mm～20mm。
7.根据权利要求6所述的一种基于激光双面辐照加热的高温力学性能测试系统，其特征在于：所述激光器(1)的功率范围为100W～3000W且功率连续可调。
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| CN108195662A (zh) * | 2018-03-13 | 2018-06-22 | 西北核技术研究所 | 基于激光双面辐照加热的高温力学性能测试系统及方法 |
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