RU2664969C1 - Стенд для исследования параметров взаимодействия лазерного излучения с конструкционными материалами - Google Patents
Стенд для исследования параметров взаимодействия лазерного излучения с конструкционными материалами Download PDFInfo
- Publication number
- RU2664969C1 RU2664969C1 RU2017128969A RU2017128969A RU2664969C1 RU 2664969 C1 RU2664969 C1 RU 2664969C1 RU 2017128969 A RU2017128969 A RU 2017128969A RU 2017128969 A RU2017128969 A RU 2017128969A RU 2664969 C1 RU2664969 C1 RU 2664969C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- measuring
- parameters
- laser
- power
- test bench
- Prior art date
Links
- 230000005855 radiation Effects 0.000 title claims abstract description 43
- 239000000463 material Substances 0.000 title claims abstract description 26
- 238000012360 testing method Methods 0.000 title claims abstract description 26
- 230000003993 interaction Effects 0.000 title claims abstract description 12
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims abstract description 37
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims abstract description 28
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims abstract description 20
- 230000006870 function Effects 0.000 claims abstract description 6
- 238000009826 distribution Methods 0.000 claims description 8
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 claims description 5
- 230000001678 irradiating effect Effects 0.000 claims description 4
- 238000013480 data collection Methods 0.000 claims description 2
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 abstract description 5
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 2
- 239000000523 sample Substances 0.000 description 45
- 238000000034 method Methods 0.000 description 27
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 13
- 230000006378 damage Effects 0.000 description 10
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 10
- 230000008569 process Effects 0.000 description 8
- 230000008859 change Effects 0.000 description 3
- 230000008520 organization Effects 0.000 description 3
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 3
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 2
- 238000009529 body temperature measurement Methods 0.000 description 2
- 238000011161 development Methods 0.000 description 2
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 2
- 239000005433 ionosphere Substances 0.000 description 2
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 2
- 230000008018 melting Effects 0.000 description 2
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 2
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000002679 ablation Methods 0.000 description 1
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 1
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 description 1
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 238000007664 blowing Methods 0.000 description 1
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 1
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 1
- 238000002485 combustion reaction Methods 0.000 description 1
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 1
- 230000001066 destructive effect Effects 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 239000010432 diamond Substances 0.000 description 1
- 229910003460 diamond Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000428 dust Substances 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 1
- 230000007717 exclusion Effects 0.000 description 1
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 1
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 1
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 1
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 1
- 238000004093 laser heating Methods 0.000 description 1
- 238000003913 materials processing Methods 0.000 description 1
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 1
- 238000013208 measuring procedure Methods 0.000 description 1
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 1
- 238000009659 non-destructive testing Methods 0.000 description 1
- 238000003825 pressing Methods 0.000 description 1
- 239000010453 quartz Substances 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 230000004044 response Effects 0.000 description 1
- 230000002441 reversible effect Effects 0.000 description 1
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 1
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N silicon dioxide Inorganic materials O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000000779 smoke Substances 0.000 description 1
- 230000001502 supplementing effect Effects 0.000 description 1
- 230000001360 synchronised effect Effects 0.000 description 1
- 230000001131 transforming effect Effects 0.000 description 1
- 238000002834 transmittance Methods 0.000 description 1
- 238000012800 visualization Methods 0.000 description 1
- 238000003466 welding Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N25/00—Investigating or analyzing materials by the use of thermal means
- G01N25/18—Investigating or analyzing materials by the use of thermal means by investigating thermal conductivity
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
- G01J5/00—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry
- G01J5/02—Constructional details
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Immunology (AREA)
- Pathology (AREA)
- Investigating Or Analyzing Materials Using Thermal Means (AREA)
Abstract
Изобретение относится к области измерительной техники и касается стенда для исследования параметров взаимодействия лазерного излучения (ЛИ) с конструкционными материалами (КМ). Стенд включает в себя лазер, оптическую систему, светоделительный элемент, систему контроля параметров ЛИ, систему регистрации теплофизических и оптических параметров ИО, систему сбора и обработки зарегистрированных данных и системы управления измерительным стендом. Светоделительный элемент разделяет ЛИ на рабочий и контрольный потоки. В системе контроля параметров ЛИ измеритель мощности вынесен в отдельный измерительный узел и дополнен экраном и видеокамерой высокого разрешения, направленной на экран. Система регистрации состоит из измерительной полусферы, по дугам которой расположены фотодетекторы и термодатчики спектрометра, тепловизора, а также двух пирометров, расположенных с лицевой и тыльной сторон ИО. Функции средства для изменения мощности ЛИ и средства для обеспечения модуляции ЛИ реализуются с помощью системы управления измерительным стендом. Технический результат заключается в расширении функциональных возможностей стенда и повышении точности измерений. 1 ил.
Description
При создании новых конструкционных материалов ядерной энергетики, аэрокосмической техники и других отраслей для оценки их преимуществ по сравнению с известными материалами, необходимо определять теплофизические и оптические характеристики этих новых материалов.
Существует множество методов определения оптических и теплофизических свойств материалов в широком диапазоне изменяемых параметров, но они имеют недостатки, которые не позволяют применять эти методы в ряде важных исследований.
Изучение теплоемкости, тепло- и температуропроводности, оптических свойств веществ в зависимости от температуры позволяет не только определить области практического использования новых материалов, обладающих уникальными характеристиками, но и служит основой для дальнейшего развития высокотемпературной физики твердого тела и современных технологий лазерной обработки материалов.
Поэтому предложен универсальный комплексный метод нагрева образцов лазерным излучением. В результате, в одном эксперименте определяется целый комплекс параметров таких как теплоемкость, теплопроводность, коэффициент отражения, излучательная способность и их зависимости от времени и температуры, унос массы, зависимость мощности ЛИ от времени, распределение температуры в образце, потери энергии на отражение ЛИ и тепловое излучение от образца, что позволяет изучить характер воздействия ЛИ на образец и разработать модель взаимодействия лазерного излучения с различными материалами, которую можно описать балансовым уравнением квазистационарного процесса термохимического разрушения тонкого слоя:
где L, с и ρ - толщина, теплоемкость и плотность образца, K - коэффициент пропускания излучения продуктами разрушения образца; R - коэффициент отражения лазерного излучения исследуемого материала; Wp - плотность мощности падающего лазерного излучения, ε - коэффициент черноты; σ - постоянная Стефана-Больцмана; Ts - температура поверхности мишени в зоне воздействия; m' - массовая скорость разрушения материала; НТХ - теплота процесса термохимического разрушения; λ - коэффициент теплопроводности, α - коэффициент конвективного охлаждения, Т0 - температура окружающей среды.
Также при исследовании взаимодействия ЛИ с веществом, важным является процесс трансформации энергии ЛИ в другие виды энергии.
где ЕЛИ - полная энергия ЛИ воздействующая на образец, Еотр - энергия, отраженная лицевой поверхностью образца на рабочей длине лазера, Eтепл - остаточная тепловая энергия, Eизл - энергия теплового излучения лицевой поверхности образца, ЕР - энтальпия разрушения материала образца.
При взаимодействии лазерного излучения с материалами следует учитывать, что с ростом температуры облучаемой поверхности происходит их термодеструкция и абляция. Сложность исследования таких процессов заключается в том, что они зачастую сопровождаются возникновением оптически плотных и сильноизлучающих факелов продуктов разрушения материала, которые могут экранировать зону поглощения в материале образца и существенно усложнять баланс энергии, искажать диагностику и разрушать оборудование (в случае использования фотометрической сферы при высокотемпературных испытаниях, например).
Таким образом, технической проблемой является разработка стенда, позволяющего провести комплексное измерение параметров (оптических и теплофизических) конструкционного материала (КМ) при нагреве лазерным излучением.
Изобретение относится к измерительной технике в области взаимодействия мощного лазерного излучения (ЛИ) с конструкционными материалами (КМ) и касается способа измерения теплофизических и оптических параметров материалов при воздействии лазерного излучения.
Известен способ бесконтактного неразрушающего контроля теплофизических свойств материалов и устройство для его осуществления (патент РФ №2211446, G01N 25/18 опубликовано 27.08.2003[1]). В способе бесконтактного измерения теплофизических свойств материалов перемещают два термоприемника и источник энергии (измерительную головку) над исследуемым (испытуемым) образцом (ИО) без воздействия на него источника энергии, измеряют первым термоприемником температуру на поверхности исследуемого образца и синхронно с этим электрическим термометром измеряют температуру окружающей среды, после чего по полученным результатам определяют коэффициент, равный произведению коэффициентов степени черноты поверхности исследуемого образца и прозрачности окружающей среды, разделяющей поверхность исследуемого образца и измерительную головку, далее воздействуют на исследуемый образец тепловыми импульсами от точечного подвижного источника энергии, осуществляя с помощью оптического затвора частотно-импульсную модуляцию лазерного луча. Способ реализован в устройстве бесконтактного измерения теплофизических свойств материалов, содержащем точечный подвижный источник тепловой энергии и термоприемник, сфокусированные на поверхность тела, вычитающее устройство, усилитель мощности, реверсивный двигатель, микропроцессор, механизм перемещения источника энергии и термоприемника относительно исследуемого образца. Устройство дополнительно содержит второй термоприемник, жестко связанный с первым термоприемником и источником энергии (лазером), электрический термометр, усилитель, три аналого-цифровых преобразователя, цифроаналоговый преобразователь, управляемый делитель частоты, оптический затвор, генератор тактовых импульсов и индикатор.
Недостаток заявляемого устройства состоит в отсутствии информации об оптических параметрах; использовании подвижных элементов в измерительной части стенда, что понижает точность и приводит к необходимости регистрировать скорость передвижения термоприемников; из теплофизических характеристик определяются только коэффициенты температуропроводности и теплопроводности; только бесконтактный метод определения температуры поверхности образца и окружающей среды; величина первого заданного значения избыточной температуры задается равной 20% от температуры термодеструкции исследуемого материала («температура термодеструкции для каждого исследуемого материала является справочной величиной и берется из справочника до начала эксперимента»), при этом такие данные для вновь разработанных КМ могут быть не известны.
Известна установка для определения оптических и теплофизических свойств твердых тел в широком диапазоне температур (так называемый стенд для исследования параметров взаимодействия ЛИ с КМ) (статья - О.Г. Царькова. Оптические и теплофизические свойства металлов, керамик и алмазных пленок при высокотемпературном лазерном нагреве. РАН, Труды института общей физики им. A.M. Прохорова, том 60, 2004 [2]), выбранная в качестве прототипа, содержащая: лазер с длиной волны 1.064 мкм; систему контроля параметров ЛИ, содержащую обтюратор, обеспечивающий модуляцию ЛИ, измеритель мощности ЛИ (фотодиод), аттенюатор для изменения мощности ЛИ, состоящий из комплекта диэлектрических зеркал; систему формирования пятна в виде двух отражающих зеркал с собирающей линзой между ними, систему регистрации параметров ИО (теплофизических и оптических), содержащую по крайней мере один пирометр для определения яркостной температуры ИО; термопары для измерения истинной температуры; фотодетекторы для измерения отраженного от поверхности ИО излучения; фотометрическую сферу с расположенными в нижней части кварцевыми волокнами для определения отраженного от ИО и от внутренней поверхности сферы ЛИ; систему сбора (после регистрации) и обработки зарегистрированных (экспериментальных данных) (компьютерную систему сбора и обработки данных по 5-ти независимым каналам).
Недостатками этого устройства является его ограниченные возможности из-за сложности, длительности, а также низкой точности процедуры проведения измерений, а именно:
- изменение мощности в ходе эксперимента производится с помощью аттенюатора, состоящего из комплекта диэлектрических зеркал, что значительно усложняет эксперимент;
- измерение параметров ЛИ ограничиваются измерением мощности ЛИ, для чего используется фотодиод, прокалиброванный по измерителю мощности, что не дает полной информации о параметрах лазера, таких как фактический диаметр пучка, распределение интенсивности в пучке (что вносит дополнительную погрешность в измерения);
- для определения теплофизических характеристик, таких как теплоемкость, теплопроводность и температуропроводность, используется метод импульсного нагрева лицевой поверхности ИО, что обеспечивается за счет обтюратора, что усложняет установку и не дает возможности смодулировать лазерные импульсы на фоне греющего ЛИ;
- для определения оптических характеристик используется метод регистрации отраженного от образца и от внутренней поверхности фотометрической сферы, что недостаточно характеризует состояние поверхности нагретого образца и дает лишь косвенные данные об энергетической характеристике излучающего тела, не позволяет получить информацию об интегральной излучательной способности ИО.
- наличие фотометрической сферы приводит к громоздкости измерений и получению неполной информация о параметрах взаимодействия ЛИ.
Технический результат заключается в расширении функциональных возможностей стенда благодаря расширению температурного диапазона проводимых экспериментов, упрощению процедуры измерений в части, касающейся контроля параметров ЛИ и регистрации параметров ИО, при повышении точности измерений и за счет одновременного определения комплекса характеристик любых образцов КМ в широком диапазоне мощностей и температур, что приводит к обеспечению универсальности измерений.
Данный технический результат достигается за счет того, что в отличие от известного стенда для исследования параметров взаимодействия ЛИ с КМ, содержащего лазер; оптическую систему для формирования пятна требуемой геометрии на ИО; систему контроля параметров ЛИ, содержащую измеритель мощности ЛИ, фотодетектор, средство для изменения мощности ЛИ и средство для обеспечения модуляции ЛИ; систему регистрации теплофизических и оптических параметров ИО, содержащую по крайней мере один пирометр для определения яркостной температуры ИО, термопары для измерения истинной температуры и фотодетекторы для измерения отраженного от поверхности ИО излучения; систему сбора и обработки зарегистрированных данных, в предложенном стенде оптическая система для формирования пятна требуемой геометрии на ИО является телескопической оптической системой; за телескопической оптической системой расположен оптический элемент, разделяющий ЛИ на рабочий поток ЛИ, облучающий ИО, и вспомогательный контрольный поток ЛИ; в системе контроля параметров ЛИ измеритель мощности вынесен в отдельный измерительный узел, где измеритель мощности дополнен экраном и видеокамерой высокого разрешения, направленной на экран, причем измерительный узел расположен таким образом, чтобы обеспечить возможностью измерения относительного распределения интенсивности в пятне и эффективной площади воздействия ЛИ во вспомогательном контрольном потоке ЛИ; система регистрации параметров ИО состоит из измерительной полусферы, по дугам которой расположены помимо фотодетекторов термодатчики, а также двух пирометров, один из которых расположен с лицевой поверхности ИО (на которую падает ЛИ), другой- с тыльной, и дополнительно содержит спектрометр для определения спектральных характеристик в широком диапазоне длин волн и тепловизор для определения температурного поля ИО.; системы контроля параметров ЛИ и регистрации параметров ИО связаны с соответствующей системой сбора и обработки данных; лазер, системы контроля, регистрации и сбора и обработки данных связаны с системой управления измерительным стендом, причем функции средства для изменения мощности ЛИ и средства для обеспечения модуляции ЛИ реализуются с помощью системы управления измерительным стендом.
Проблема сложности стенда-прототипа связана с наличием в прототипе обтюратора (обеспечение последовательности быстрых переключений ЛИ). В заявленном стенде упрощение и ускорение процедуры измерений связано с тем, что модуляция производится в программе управления лазером. Упрощение системы контроля параметров ЛИ, а именно, в части, касающейся изменения мощности, где в прототипе мощность изменяется с помощью аттенюатора, состоящего из комплекта диэлектрических зеркал, достигается в заявленном случае тем, что значение мощности испускаемого ЛИ задается в программе управления лазером. Программа управления лазером дает информацию о статусе лазера, позволяет составить лазерную программу - последовательность специальных команд (задание уровня мощности лазерного излучения, скорость нарастания и спада мощности ЛИ, модуляция ЛИ и т.д.), осуществляет оперативный контроль выходной мощности лазера. При этом обеспечивается повышение точности за счет исключения из измерительной процедуры аттенюатора и обтюратора, имеющих место в прототипе.
Системы контроля параметров ЛИ и регистрации параметров ИО связаны с соответствующей системой сбора и обработки данных, информация с которых поступает на управляющий компьютер.
Системы контроля параметров ЛИ и регистрации параметров ИО связаны с соответствующей системой сбора и обработки данных, информация с которых поступает на управляющий компьютер.
С точки зрения повышения точности мощность ЛИ в прототипе измеряется фотодиодом, прокалиброванным по измерителю мощности, что не дает полной информации о параметрах лазера. В заявленном стенде точность повышена, благодаря тому, что измеритель мощности (мощность/энергия ЛИ), фотодетектор (форма импульса лазера с точностью до десятка наносекунд) камера, и экран, на который с помощью оптического элемента (клин) отводится часть ЛИ объединены в отдельный измерительный узел, и таким образом обеспечена возможность точно определить распределение интенсивности в пучке; измерить относительное распределение интенсивности в пятне и эффективную площадь воздействия ЛИ, из которых точно определяется значение плотности мощности на ИО в каждой точке зоны воздействия и в каждый момент времени.
С точки зрения упрощения процедуры по сравнению с прототипом, где используют фотометрическую сферу (что громоздко, не позволяет проводить высокотемпературные эксперименты, т.к. фотометрическая сфера разрушится, и дает неполную информацию о параметрах взаимодействия ЛИ), в заявленном стенде используется интегральная полусфера, по дугам которой расположены различные датчики, имеется возможность наблюдать за процессом (в частности, для этого предусмотрена видеокамера).
Для повышения точностей измерения температуры поверхности, облучаемой ЛИ, целесообразно определение спектральных характеристик в широком диапазоне длин волн, поэтому в стенд введен спектрометр.
Таким образом, достигнут заявленный технический результат - расширение функциональных возможностей стенда (обеспечение универсальности) за счет совокупности предложенных усовершенствований:
- организации системы контроля параметров ЛИ, где задание параметров ЛИ (изменение мощности и модуляция ЛИ) осуществлено с помощью системы управления лазерным стендом и измерение мощности производится в отдельного узла измерения мощности, работающем во вспомогательном контрольном потоке ЛИ;
- организации системы регистрации теплофизических и оптических параметров ИО путем использования измерительная интегральной полусферы с расположенными на ней всевозможными датчиками;
- организации системы управления измерительным стендом.
На фиг. представлена принципиальная схема исследовательского стенда, где:
1 - оптическая система;
2 - оптический элемент (клин);
3 - измеритель мощности ли;
4 - фотодетектор;
5 - экран;
6 - видеокамера высокого разрешения;
7 - измерительная полусфера;
8 - ИО;
9 - блок фотодетекторов;
10 - термодатчики;
11 - пирометр с рабочей поверхности ИО;
12 - спектрометр;
13 - термопары;
14 - пирометр с тыльной поверхности ИО;
15 - тепловизор;
16 - видеокамера;
17 - система сбора и обработки данных;
18 - система управления измерительным стендом;
19 - лазер малой мощности;
20 - фотодетектор.
Оптическая система 1 для формирования пятна требуемой геометрии на ИО 8 в виде телескопической оптической системы; за телескопической оптической системой расположен оптический элемент 2, разделяющий ЛИ на рабочий поток ЛИ, облучающий ИО, и вспомогательный контрольный поток ЛИ; в системе контроля параметров ЛИ измеритель мощности 3 вынесен в отдельный измерительный узел, где измеритель мощности дополнен экраном 5 и видеокамерой 6 высокого разрешения, направленной на экран; система регистрации параметров ИО состоит из измерительной полусферы 7, по дугам которой расположены помимо блока фотодетекторов (ФД) 9 термодатчики 10, а также двух пирометров, один из которых 11 расположен с лицевой поверхности ИО (на которую падает ЛИ), другой 14 - с тыльной, и дополнительно содержит спектрометр 12 и тепловизор 15 для определения температурного поля ИО.; системы контроля параметров ЛИ и регистрации параметров ИО связаны с соответствующей системой сбора и обработки данных 17; лазер, системы контроля, регистрации и сбора и обработки данных связаны с системой управления измерительным стендом 18.
Стенд реализован следующим образом.
Испытуемый образец 8 располагается в центре измерительной полусферы 7, таким образом, чтобы его лицевая поверхность была ориентирована нормально к направлению ЛИ.
Для того, чтобы в одном эксперименте можно было измерить весь набор оптических и теплофизических параметров объекта, а также получить всестороннюю картину процесса, в предлагаемом стенде использованы:
- телескопическая оптическая система 1 (для формирования пятна требуемой геометрии), состоящая из двух линз, размещенных на расстоянии друг от друга равном сумме их фокусных расстояний, так что увеличение пятна ЛИ соответствовало отношению фокусных расстояний используемых элементов;
- система контроля параметров ЛИ, состоящая из измерителя мощности/энергии 3, фотодетектора 4, экрана 5 и видеокамеры высокого разрешения 6, организованных в виде отдельного измерительного узла; а также средство изменения мощности ЛИ и средство модуляции ЛИ, причем реализация их функций заложена в системе управления измерительным стендом 18
- система регистрации параметров объекта исследования, состоящая из измерительной интегральной полусферы 7, по дугам которой располагаются термодатчики 10 и блок фотодетекторов 9, с интерференционными фильтрами (как на рабочую длину волны лазера, так и для пирометрических измерений температуры), двух пирометров И и 14, спектрометра 12, термопар 13, и, дополнительно, тепловизора 15 и видеокамеры 16;
- системы контроля параметров ЛИ и регистрации параметров ИО связаны с соответствующей системой сбора и обработки данных 17.
- система управления измерительным стендом 18, реализующая функцию средства изменения мощности ЛИ и средства модуляции ЛИ, а также обеспечивающая передачу и обработку всех данных, полученных в ходе проведенного эксперимента
Точное значение мощности ЛИ и пространственного распределения интенсивности лазерного пучка, а также форма импульса, необходимые для определения плотности мощности и энергии на образце, в предлагаемом стенде измеряется путем использования системы контроля параметров ЛИ в состав которой входит измеритель мощности/энергии, фотодетектор, экран и видеокамера высокого разрешения (измерительный узел), средства изменения мощности и модуляции ЛИ, причем функции средства изменения мощности и модуляции ЛИ выведены в систему управления стендом (по сравнению с прототипом). Часть ЛИ (вспомогательный контрольный поток ЛИ) с помощью клина отводится в измерительный узел, расположенный таким образом, чтобы обеспечить возможностью измерения относительного распределения интенсивности в пятне и эффективной площади воздействия ЛИ во вспомогательном контрольном потоке ЛИ, а часть (рабочий поток ЛИ, облучающий ИО) направляется на ИО. Внутри измерительного узла часть ЛИ с помощью клина отводится на мелкозернистый бумажный экран, а часть - в измеритель мощности/энергии. Длительность ЛИ (форма сигнала/импульса) определялась по изменению сигнала на кремниевом фотодиоде, направленном на измеритель мощности. Изображение на экране в течение нагрева образца регистрировалось с помощью видеокамеры высокого разрешения. Обработка изображения с камеры позволяет снимать профиль ЛИ в заданном сечении, строить зависимость I(x), а также измерять эффективную площадь воздействия.
Для реализации метода одновременного измерения оптических и теплофизических характеристик исследуемого образца на стенде предусмотрена система регистрации параметров объекта исследования (испытуемого образца).
Чтобы определить теплофизические параметры образца, такие как теплоемкость, теплопроводность и температуропроводность, а также определить излучательную способность исследуемого материала, необходимы температурные измерения.
Измерение яркостных температур (с лицевой и тыльной стороны образца) производится блоком фотодетекторов и/или промышленными яркостными пирометрами. Измерения производятся посредством регистрации электрических сигналов с каналов блока фотодетекторов, линейно зависящих от мощности оптического излучения исследуемого объекта в разных участках спектра, принимаемого фотодетекторами фотометрического блока. По значениям напряжений рассчитываются яркостные температуры. Применение промышленных пирометров позволяет расширить диапазон регистрируемых температур и за счет расширения спектрального диапазона повысить точность измерений, также введение в схему измерений оптического пирометра с областью визирования не превышающей размер рабочей зоны равномерного нагрева ИО позволяет повысить точности измерений, поскольку температурное поле в центре рабочей зоны нагрева однородно.
Измерения истинной температуры с тыльной стороны образца проводятся при помощи термопар. Измерение амплитудных параметров температуры твердых тел, нагретых лазерным излучением осуществляются путем регистрации значений входных сигналов, пропорциональных изменениям термоэлектродвижущей силы на выходе термопар. Термопары крепятся к тыльной поверхности образца при помощи зачеканки, точечной сварки или посредством плотного прижатия в зависимости от типа образца.
Измерения временной зависимости температуры на тыльной поверхности образца после того, как лицевая сторона подверглась воздействию модулированного импульсного нагрева дают возможность определения всех трех теплофизических величин - теплоемкости, теплопроводности и температуропроводности. С помощью системы управления лазером в составе системы управления измерительным стендом происходит нагрев образца ЛИ постоянной интенсивности с модуляцией излучения короткими импульсами высокой интенсивности при синхронном измерении параметров ЛИ и температуры тыльной поверхности образца с помощью малоинерционных термопар. Такой метод нагрева образца таким модулированным ЛИ является усовершенствованным импульсным методом определения теплофизических характеристик (по отношению к импульсному методу в прототипе), и позволяет в одном испытании определить теплофизические характеристики исследуемого материала в широком диапазоне температуры - от нормальных температур до плавления. Чтобы избежать погрешности, вносимой теплопотерями на конвекцию и тепловое излучение, в экспериментах по определению теплофизических характеристик исследуемых материалов используются короткие лазерные импульсы, вызывающие малые температурные отклики.
Измерение спектральной и истинной температуру лицевой поверхности исследуемого материала осуществляется введением в измерительный стенд матричного ПЗС-спектрометра в качестве измерителя спектра теплового излучения нагретого тела, направленного на лицевую поверхность образца, что позволяет расширить температурный диапазон исследований, поскольку диапазон измеряемой спектрометром температуры поверхности от 2000 до 4500 К.
Для регистрации температурного поля (и изменения во времени) образца в процессе нагрева на стенде предусмотрен тепловизор, входящий в состав системы измерения параметров ИО.
На стенде предусмотрено в системе регистрации параметров ИО устройство для измерения индикатрисы рассеянного лазерного Ротр. .Для измерения плотности мощности отраженного ЛИ используется несколько фотодетекторов, приемные головки которых располагаются под различными углами θ к нормали поверхности образца. Для точного задания положения фотодетекторов в разных точках пространства они размещаются на измерительной интегральной полусфере. Для регистрации потока отраженного ЛИ применяется многоканальный фотодиодный блок, в каждом канале измерений которого используются фотодиоды с усилительной схемой на операционном усилителе. Для выделения доли отраженного ЛИ на этих каналах установлены фильтры на рабочую длину волны лазера. Кроме того, в качестве опорного канала для измерения индикатрисы отражения лазерного излучения используется измеритель мощности.
ЛИ падает нормально на образец, который расположен в геометрическом центре измерительной полусферы (ИП). При помощи оптоволоконного кабеля, торец которого размещен на измерительной полусфере, отраженное образцом в данном направлении излучение лазера направляется в блок фототодетекторов. Пройдя через фильтр, излучение попадает на приемную площадку фотодиода и создает электрический сигнал. Этот сигнал усиливается фотодиодным усилителем. Электрический сигнал с фотодатчика регистрируется автоматизированной системой сбора и обработки экспериментальных данных. Затем зарегистрированные электрические сигналы преобразуются во временные зависимости плотности мощности отраженного ЛИ для каждого рабочего угла. По измеренной плотности мощности отраженного в этих направлениях ЛИ определяется индикатриса отражения. Введение в схему измерений термодатчиков позволяет измерить в ходе эксперимента индикатрису рассеянного, отраженного и теплового излучения от образца и факела, тем самым определить тепловые потери.
Для определения излучательной способности различных КМ были использованы экспериментальные данные, полученные при синхронном измерении термодинамической температуры образца и яркостной температуры нагретой поверхности образца с последующей обработкой полученной информации.
Измерения полной мощности излучения от образца и факела, равной сумме мощности теплового излучения и отраженного лазерного излучения, проводятся с помощью системы термодатчиков, устанавливаемых под различными углами к образцу на измерительной полусфере, позволяющими одинаково эффективно поглощать излучение в широком диапазоне длин волн и выполнять измерения с достаточной точностью точностью.
Система сбора и обработки данных состоит из двух каналов (АЦП) и связана с системой контроля параметров ЛИ и системой регистрации параметров образца, соответственно. Полученные в ходе эксперимента данные передаются на управляющий компьютер, который является системой управления измерительным стендом, служащей для последующих расчетов и визуализации полученных результатов. В основу работы системы управления измерительным стендом заложен алгоритм, позволяющий одному оператору провести эксперимент и получить целый комплекс параметров.
Также на стенде предусмотрено измерение интегрального пропускания плазменного факела. Объектом измерений является дымовой, пылегазовый выброс или плазменный факел, полученный при взаимодействии ЛИ с образцом. Задачи определения параметров процессов, связанных с плазменным факелом могут быть решены с помощью спектрометра, лазера малой мощности и фотодатчика. В процессе проведения эксперимента предусмотрена видеокамера для регистрации процесса нагрева, горения, плавления, а также факела и продуктов разрушения.
При необходимости создания дополнительных условий или получения информации о факеле продуктов разрушения на стенде может быть предусмотрена система обдува лицевой поверхности образца потоком воздуха со скоростью до 100 м/с, в состав которой входит нагнетатель воздуха, трубопровод, сужающие сопла и система питания с устройством синхронного включения; вакуумная система для испытания образца в условиях разрежения (P0 ~100 Торр), состоящая из вакуумной камеры, вакуумного насоса, трубопроводов, вентиля и вакуумметра; система предварительного подогрева образца до температуры 300 C°.
Таким образом, в совокупности посредством усовершенствования части функциональных составляющих (система контроля параметров ЛИ и система регистрации параметров ИО) стенда по сравнению с прототипом удалось упростить стенд при повышении точности и информативности измерений и, дополнив стенд системой управления, обеспечить в целом расширение его функциональных возможностей и универсальность измерительного стенда.
Claims (1)
- Стенд для исследования параметров взаимодействия лазерного излучения (ЛИ) с конструкционными материалами (КМ), содержащий лазер; оптическую систему для формирования пятна требуемой геометрии на испытуемом образце (ИО) из КМ; систему контроля параметров ЛИ, содержащую измеритель мощности ЛИ, фотодетектор, средство для изменения мощности ЛИ и средство для обеспечения модуляции ЛИ; систему регистрации теплофизических и оптических параметров ИО, содержащую, по крайней мере, один пирометр для определения яркостной температуры ИО, термопары для измерения истинной температуры и фотодетекторы для измерения отраженного от поверхности ИО излучения; систему сбора и обработки зарегистрированных данных, отличающийся тем, что за телескопической оптической системой расположен оптический элемент, разделяющий ЛИ на рабочий поток ЛИ, облучающий ИО и вспомогательный контрольный поток ЛИ; в системе контроля параметров ЛИ измеритель мощности вынесен в отдельный измерительный узел, где измеритель мощности дополнен экраном и видеокамерой высокого разрешения, направленной на экран, причем измерительный узел расположен во вспомогательном контрольном потоке ЛИ таким образом, чтобы обеспечить возможностью измерения относительного распределения интенсивности в пятне и эффективной площади воздействия ЛИ; система регистрации параметров ИО состоит из измерительной полусферы, по дугам которой расположены помимо фотодетекторов для измерения отраженного от поверхности ИО излучения термодатчики, а также двух пирометров, один из которых расположен с лицевой поверхности ИО, другой - с тыльной и дополнительно содержит спектрометр для определения спектральных характеристик в широком диапазоне длин волн, а также тепловизор; системы контроля параметров ЛИ и регистрации параметров ИО связаны с соответствующей системой сбора и обработки данных; лазер, системы контроля, регистрации и сбора и обработки данных связаны с системой управления измерительным стендом, причем функции средства для изменения мощности ЛИ и средства для обеспечения модуляции ЛИ реализуются с помощью системы управления измерительным стендом.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2017128969A RU2664969C1 (ru) | 2017-08-14 | 2017-08-14 | Стенд для исследования параметров взаимодействия лазерного излучения с конструкционными материалами |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2017128969A RU2664969C1 (ru) | 2017-08-14 | 2017-08-14 | Стенд для исследования параметров взаимодействия лазерного излучения с конструкционными материалами |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2664969C1 true RU2664969C1 (ru) | 2018-08-24 |
Family
ID=63286799
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2017128969A RU2664969C1 (ru) | 2017-08-14 | 2017-08-14 | Стенд для исследования параметров взаимодействия лазерного излучения с конструкционными материалами |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2664969C1 (ru) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2725695C1 (ru) * | 2019-11-19 | 2020-07-03 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Тамбовский государственный университет имени Г.Р. Державина" (ФГБОУ ВО "Тамбовский государственный университет имени Г.Р. Державина, ТГУ им. Г.Р. Державина") | Способ определения температуропроводности оптически прозрачных материалов |
| RU210253U1 (ru) * | 2021-11-23 | 2022-04-04 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Тамбовский государственный университет имени Г.Р. Державина" | Устройство для измерения температуропроводности тонких пластин термографическим методом |
| RU2808750C1 (ru) * | 2022-11-28 | 2023-12-04 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт электрофизики и электроэнергетики Российской академии наук (ИЭЭ РАН) | Устройство для измерения параметров и характеристик источников излучения |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4956538A (en) * | 1988-09-09 | 1990-09-11 | Texas Instruments, Incorporated | Method and apparatus for real-time wafer temperature measurement using infrared pyrometry in advanced lamp-heated rapid thermal processors |
| RU2211446C2 (ru) * | 2001-06-26 | 2003-08-27 | Тамбовский государственный технический университет | Способ бесконтактного неразрушающего контроля теплофизических свойств материалов и устройство для его осуществления |
| US7444260B2 (en) * | 2006-09-25 | 2008-10-28 | Raad Peter E | Thermography measurement system for conducting thermal characterization of integrated circuits |
-
2017
- 2017-08-14 RU RU2017128969A patent/RU2664969C1/ru active
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4956538A (en) * | 1988-09-09 | 1990-09-11 | Texas Instruments, Incorporated | Method and apparatus for real-time wafer temperature measurement using infrared pyrometry in advanced lamp-heated rapid thermal processors |
| RU2211446C2 (ru) * | 2001-06-26 | 2003-08-27 | Тамбовский государственный технический университет | Способ бесконтактного неразрушающего контроля теплофизических свойств материалов и устройство для его осуществления |
| US7444260B2 (en) * | 2006-09-25 | 2008-10-28 | Raad Peter E | Thermography measurement system for conducting thermal characterization of integrated circuits |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| О.Г. Царькова "Оптические и теплофизические свойства металлов, керамик и алмазных пленок при высокотемпературном лазерном нагреве", РАН, ТРУДЫ ИНСТИТУТА ОБЩЕЙ ФИЗИКИ ИМ. A.M. ПРОХОРОВА, том 60, 2004 г., стр. 30-82. * |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2725695C1 (ru) * | 2019-11-19 | 2020-07-03 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Тамбовский государственный университет имени Г.Р. Державина" (ФГБОУ ВО "Тамбовский государственный университет имени Г.Р. Державина, ТГУ им. Г.Р. Державина") | Способ определения температуропроводности оптически прозрачных материалов |
| RU210253U1 (ru) * | 2021-11-23 | 2022-04-04 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Тамбовский государственный университет имени Г.Р. Державина" | Устройство для измерения температуропроводности тонких пластин термографическим методом |
| RU2808750C1 (ru) * | 2022-11-28 | 2023-12-04 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт электрофизики и электроэнергетики Российской академии наук (ИЭЭ РАН) | Устройство для измерения параметров и характеристик источников излучения |
| RU223970U1 (ru) * | 2023-12-11 | 2024-03-11 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Тамбовский государственный университет имени Г.Р. Державина" | Устройство для измерения ТФХ древесины |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Rozenbaum et al. | A spectroscopic method to measure the spectral emissivity of semi-transparent materials up to high temperature | |
| Liang et al. | Development of a new fiber-optic multi-target multispectral pyrometer for achievable true temperature measurement of the solid rocket motor plume | |
| US6154277A (en) | Absolute intensity measurements in laser induced incandescence | |
| Therssen et al. | Determination of the ratio of soot refractive index function E (m) at the two wavelengths 532 and 1064 nm by laser induced incandescence | |
| CZ285316B6 (cs) | Způsob spektroskopické analýzy roztaveného kovu a zařízení k provádění způsobu | |
| CN106053356B (zh) | 基于辐射量测量的金属凝固点黑体有效发射率测量系统及方法 | |
| Hernandez et al. | Experimental validation of a pyroreflectometric method to determine the true temperature on opaque surface without hampering reflections | |
| RU2664969C1 (ru) | Стенд для исследования параметров взаимодействия лазерного излучения с конструкционными материалами | |
| RU2617725C1 (ru) | Способ определения излучательной способности твердых материалов и устройство для его осуществления | |
| Kappagantula et al. | Determination of the spatial temperature distribution from combustion products: a diagnostic study | |
| Hernandez | A concept to determine the true temperature of opaque materials using a tricolor pyroreflectometer | |
| Wu et al. | A sub-nanosecond pyrometer with broadband spectral channels for temperature measurement of dynamic compression experiments | |
| He et al. | Calibration and verification of streaked optical pyrometer system used for laser-induced shock experiments | |
| Levick et al. | A fibre-optic based laser absorption radiation thermometry (LART) instrument for surface temperature measurement | |
| Hernandez et al. | Development of two-colour pyroreflectometry technique for temperature monitoring of tungsten plasma facing components | |
| CN115639124A (zh) | 用单波长激光实现碳烟浓度测量和原位标定的装置及方法 | |
| Ni et al. | Pyrometric system for temperature measurements of HED matter generated by intense heavy ion beams | |
| Bach et al. | Temperature measurement of particulate surfaces | |
| El Bakali et al. | A fast and versatile method for spectral emissivity measurement at high temperatures | |
| JP2002062197A (ja) | 温度計測装置及び温度計測方法 | |
| Hernandez et al. | True temperature measurement on metallic surfaces using a two-color pyroreflectometer method | |
| Tsvetkov et al. | Method for measuring optical characteristics of opaque and translucent solids at temperatures to 1600° C | |
| JP4812026B2 (ja) | 熱物性測定装置 | |
| RU2727340C1 (ru) | Способ измерения действительной температуры и спектральной излучательной способности объекта | |
| Pawelko et al. | Development of a New Temperature Measurement System for the Observation of Adiabatic Shear Band |