RU2685072C1

RU2685072C1 - Method to investigate combustion process of metal powders or their mixtures

Info

Publication number: RU2685072C1
Application number: RU2018124660A
Authority: RU
Inventors: Федор Александрович Губарев; Линь Ли; Андрей Владимирович Мостовщиков; Александр Петрович Ильин
Priority date: 2018-07-06
Filing date: 2018-07-06
Publication date: 2019-04-16

Abstract

FIELD: physics.SUBSTANCE: invention relates to quantum electronics, namely to nondestructive inspection and diagnostics by optical methods, and can be used for investigation of processes of high-temperature burning of powders of metals, as well as processes of interaction of laser radiation with substance. Disclosed method of studying the combustion process of powders of metals or mixtures thereof involves igniting an examination object, focusing of radiation of laser amplifier operating in superlight mode on object of investigation, collection and direction of signal reflected from it to input of laser brightness amplifier, where it is amplified and projected onto a digital camera, the image of which is transmitted to a personal computer, where they are presented in digital form for image processing and analysis, wherein laser superlight luminance pulse is synchronized with digital camera exposure. Simultaneously initiation of combustion process in pre-compacted powder by means of focused radiation of initiation laser, fixing the beginning of the initiating radiation action by one photodiode, illuminating the surface of the object with focused radiation of the brightness amplifier, amplified reflected radiation, scaled by intensity, recording complete radiation with a second photodiode, recording monochromatic radiation with a digital camera. Signal strength of the second photodiode is determined from the intensity of the signal of the surface of the powder during and after exposure to the radiation of the initiating laser, and the timing of the combustion process is determined from the shape of the signal of the second photodiode.EFFECT: possibility of simultaneous initiation of combustion process and obtaining quantitative information on time characteristics of combustion processes of powders of metals and their mixtures in real time.1 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к области квантовой электроники, а именно неразрушающему контролю и диагностике оптическими методами, и может быть использовано для исследования процессов высокотемпературного горения порошков металлов, а также процессов взаимодействия лазерного излучения с веществом.The invention relates to the field of quantum electronics, namely, non-destructive testing and diagnostics by optical methods, and can be used to study the processes of high-temperature combustion of metal powders, as well as the processes of interaction of laser radiation with matter.

Известен способ исследования высокотемпературных процессов при взаимодействии лазерного излучения с веществом с помощью лазерного проекционного микроскопа, [Абрамов Д.В., Галкин А.Ф., Жаренова С.В., Климовский И.И., Прокошев В.Г, Шаманская Е.Л. Визуализация с помощью лазерного монитора взаимодействия лазерного излучения с поверхностью стекло- и пироуглерода // Известия Томского политехнического университета, Т. 312, № 2, 2008. – Р. 97–101]. С помощью Nd-YAG лазера осуществляют нагрев поверхности углеродного образца. Усилитель яркости на парах меди формирует оптические изображения области лазерного воздействия, изображения регистрируют CMOS-сенсором. Максимальная частота съемки системы регистрации изображения составляет 5000 кадров в секунду, частота работы лазерного усилителя составляет 16 кГц. There is a method of studying high-temperature processes in the interaction of laser radiation with a substance using a laser projection microscope, [Abramov DV, Galkin AF, Zharenova SV, Klimovsky II, Prokoshev V.G., Shamanskaya E. L. Visualization with the help of a laser monitor of the interaction of laser radiation with the surface of glass and pyrocarbon // Bulletin of Tomsk Polytechnic University, T. 312, № 2, 2008. - P. 97–101]. Using the Nd-YAG laser, the surface of the carbon sample is heated. The amplifier of brightness on copper vapor forms optical images of the laser exposure area, the images are recorded with a CMOS sensor. The maximum shooting frequency of the image registration system is 5,000 frames per second, the frequency of the laser amplifier is 16 kHz.

Данный способ не позволяет провести количественную оценку характеристик наблюдаемых процессов в режиме реального времени, данные о процессе могут быть получены только после обработки видеозаписи с использованием специального программного обеспечения, в видеозаписи могут возникать пропущенные кадры. This method does not allow a quantitative assessment of the characteristics of the observed processes in real time, data on the process can be obtained only after processing the video with the use of special software; in the video, missing frames can occur.

Известен способ исследования процесса горения нанопорошка алюминия в воздухе путем лазерного инициирования [Medvedev V., Tsipilev V., Reshetov A., Ilyin A.P. Conditions of millisecond laser ignition and thermostability for ammonium perchlorate/aluminum mixtures // Propellants, Explosives, Pyrotechnics, Vol. 42, No 3, 2017. – Р. 243-246]. Используют неодимовый лазер с длиной волны 1,06 мкм, работающий в квазинепрерывном режиме. Путем изменения мощности излучения лазера определяют пороговые значения мощности. Время воздействия задают длительностью инициирующего лазерного импульса. Наблюдение за процессом осуществляют визуально невооруженным глазом. There is a method of studying the combustion process of aluminum nanopowder in the air by laser initiation [Medvedev V., Tsipilev V., Reshetov A., Ilyin A.P. Conditions of millisecond laser mixture and thermostability for ammonium perchlorate / aluminum mixtures // Propellants, Explosives, Pyrotechnics, Vol. 42, No 3, 2017. R. 243-246]. A neodymium laser with a wavelength of 1.06 μm operating in a quasi-continuous mode is used. By changing the laser radiation power determine the threshold power values. The exposure time is set by the duration of the initiating laser pulse. Observation of the process is carried out visually with the naked eye.

Однако с помощью этого способа невозможно вести наблюдение поверхности образцов с температурами несколько тысяч градусов, в частности, второй стадии горения нанопорошка алюминия. Интенсивная фоновая засветка препятствует изучению процесса в режиме реального времени. Количественная оценка временных параметров процесса горения при наблюдении невооруженным глазом практически невозможна. However, using this method it is impossible to observe the surface of samples with temperatures of several thousand degrees, in particular, the second stage of burning aluminum nanopowder. Intensive background illumination impedes the study process in real time. Quantitative assessment of the time parameters of the combustion process when observed with the naked eye is practically impossible.

Известен способ исследования процесса горения смеси крупнодисперсных порошков металлов [Evtushenko G.S., Trigub M.V., Gubarev F.A., Evtushenko T.G., Torgaev S.N., Shiyanov D.V. Laser monitor for non-destructive testing of materials and processes shielded by intensive background lighting // Review of Scientific Instruments, 2014, Vol. 85, 033111-1–033111-5], включающий фокусировку излучения лазерного усилителя, работающего в режиме сверхсветимости, на объекте исследования отраженный от него сигнал собирают и направляют на вход лазерного усилителя, где его усиливают и проецируют системой формирования изображения на высокоскоростную CCD-камеру. Изображение с высокоскоростной CCD-камеры передают в персональный компьютер, где представляют в цифровом виде для обработки и анализа изображения. Импульс сверхсветимости лазерного усилителя синхронизуют с экспозицией высокоскоростной CCD-камеры и изменяют скорость съемки высокоскоростной CCD-камеры путем формирования синхроимпульса с частотой, кратной неизменной частоте работы лазерного усилителя. Поджиг смеси порошков металлов осуществляют с помощью нагретой спирали или открытого огня.There is a method of studying the combustion process of a mixture of coarse powders of metals [Evtushenko G.S., Trigub M.V., Gubarev F.A., Evtushenko T.G., Torgaev S.N., Shiyanov D.V. Laser monitor for non-destructive testing of materials and processes by intensive background lighting // Review of Scientific Instruments, 2014, Vol. 85, 033111-1–033111-5], which includes focusing the radiation of a laser amplifier operating in superluminance mode, at the object of study, the signal reflected from it is collected and sent to the input of the laser amplifier, where it is amplified and projected by the imaging system onto a high-speed CCD camera . The image from the high-speed CCD camera is transmitted to a personal computer, where it is digitally processed for image processing. The laser amplifier superlight luminance pulse is synchronized with the exposure of a high-speed CCD camera and changes the shooting speed of a high-speed CCD camera by generating a sync pulse with a frequency that is the same as the frequency of the laser amplifier. Ignition of a mixture of metal powders is carried out using a heated spiral or open flame.

Способ позволяет визуально наблюдать процесс горения, сопровождающийся интенсивной фоновой засветкой, записывать изображения и видео в память компьютера, которое необходимо в последующем обработать с помощью специальной программы для получения информации. Однако этот способ не позволяет инициировать процесс горения синхронно с усилением яркости и цифровой записью изображений и количественно оценивать характеристики наблюдаемых процессов в режиме реального времени.The method allows you to visually observe the combustion process, accompanied by intense background illumination, to record images and video in the computer's memory, which must be subsequently processed using a special program for obtaining information. However, this method does not allow to initiate the combustion process synchronously with the increase in brightness and digital recording of images and to quantify the characteristics of the observed processes in real time.

Техническим результатом предложенного способа является возможность одновременно инициировать процесс горения и получать количественную информацию о временных характеристиках процессов горения порошков металлов и их смесей в режиме реального времени.The technical result of the proposed method is the ability to simultaneously initiate the combustion process and obtain quantitative information about the temporal characteristics of the combustion processes of metal powders and their mixtures in real time.

Cпособ исследования процесса горения порошков металлов или их смесей, также как в прототипе, включает поджиг объекта исследования, фокусировку излучения лазерного усилителя, работающего в режиме сверхсветимости на объекте исследования, сбор и направление сигнала, отраженного от него, на вход лазерного усилителя яркости, где его усиливают и проецируют на цифровую камеру, изображение которой передают в персональный компьютер, где представляют в цифровом виде для обработки и анализа изображений, причем импульс сверхсветимости лазерного усилителя синхронизуют с экспозицией цифровой камеры.The method of studying the combustion process of metal powders or their mixtures, as well as in the prototype, involves igniting the object of study, focusing the radiation of a laser amplifier operating in superluminance at the object of study, collecting and directing the signal reflected from it to the input of the laser amplifier of brightness, where amplify and project to a digital camera, the image of which is transmitted to a personal computer, where they are presented in digital form for processing and analyzing images, and the pulse of superlighting laser is silica gel synchronized with the exposure of the digital camera.

Согласно изобретению одновременно в предварительно спрессованном порошке инициируют процесс горения с помощью сфокусированного излучения инициирующего лазера, фиксируют момент начала воздействия инициирующего излучения одним фотодиодом, освещают поверхность объекта сфокусированным излучением усилителя яркости, усиливают отраженное излучение, масштабируют по интенсивности, регистрируют полное излучение вторым фотодиодом, регистрируют монохроматическое излучение цифровой камерой. По интенсивности сигнала второго фотодиода судят об отражательной способности поверхности порошка во время и после воздействия излучением инициирующего лазера, а по форме сигнала второго фотодиода судят о временных параметрах процесса горения.According to the invention, simultaneously in a pre-pressed powder, the combustion process is initiated using focused radiation of the initiating laser, the moment of onset of the initiation of exposure to one photodiode is recorded, the object's surface is illuminated by a focused brightness amplifier radiation, the reflected radiation is amplified, the second photodiode is recorded, the monochromatic radiation is recorded digital camera radiation. The signal intensity of the second photodiode is judged on the reflectivity of the powder surface during and after exposure to the initiating laser, and the waveform of the second photodiode is judged on the time parameters of the combustion process.

В процессе горения порошков происходит изменение химического состава, изменение фаз и морфологии продуктов горения. Это приводит к изменению поверхности объекта исследования, в частности коэффициента отражения и отражательной способности. Усилитель яркости обладает свойством усиления излучения на определенной длине волны, то есть он одновременно является узкополосным фильтром. Если объект исследования излучает или отражает свет с определенной длиной волны, этот свет будет усилен. Процесс горения протекает при температуре не болеe 3000 °С. Таким образом, энергия пламени на длине волны усилителя яркости в десятки раз меньше порога усиления. In the process of burning powders, there is a change in the chemical composition, a change in the phases and morphology of the products of combustion. This leads to a change in the surface of the object of study, in particular the reflection coefficient and reflectivity. The brightness amplifier has the property of amplifying radiation at a specific wavelength, that is, it is also a narrow-band filter at the same time. If the object of study emits or reflects light with a specific wavelength, this light will be amplified. The combustion process takes place at a temperature not higher than 3000 ° C. Thus, the flame energy at the wavelength of the brightness amplifier is tens of times less than the gain threshold.

В предлагаемом устройстве усилитель яркости является одновременно и осветителем, и усилителем. Импульсный режим работы усилителя яркости позволяет освещать объект исследования достаточно интенсивным светом, но значительно меньшим порога его возгорания. При малых входных сигналах усилитель яркости имеет значительный коэффициент усиления (10-100), позволяющий получать на выходе сигнал, достаточный для регистрации быстродействующим вторым фотодиодом. В результате напряжение на выходе второго фотодиода, наблюдаемое с помощью осциллографа, находится в соответствии с изменением средней яркости сигнала усилителя яркости, а соответственно, с изменением отражающей способности поверхности объекта исследования, попадающей в область зрения усилителя.In the proposed device, the brightness amplifier is both an illuminator and an amplifier. The pulse mode of operation of the brightness amplifier allows to illuminate the object of study with a sufficiently intense light, but considerably lower than the threshold of its ignition. With small input signals, the brightness amplifier has a significant gain (10-100), which allows to obtain at the output a signal sufficient for registration with a high-speed second photodiode. As a result, the voltage at the output of the second photodiode, observed with an oscilloscope, is in accordance with the change in the average brightness of the signal of the brightness amplifier, and accordingly, with the change in the reflectivity of the surface of the object of study that falls into the field of view of the amplifier.

На фиг. 1 представлена схема устройства для исследования процесса горения порошков металлов или их смесей.FIG. 1 shows a diagram of a device for studying the process of burning powders of metals or their mixtures.

На фиг. 2 представлены кривые изменения интенсивности сигнала усилителя яркости, зарегистрированные вторым фотодиодом (сплошные линии 1 - 4) и полученные путем усреднения яркости кадров, записанных на цифровую камеру (пунктирные линии 1´ – 4´), где а) - при наблюдении и инициировании горения порошка в центральной области образцов; б) – при инициировании горения порошка у края образцов и наблюдении в их центральной области.FIG. 2 shows the intensity curves of the brightness amplifier signal recorded by the second photodiode (solid lines 1–4) and obtained by averaging the brightness of frames recorded on a digital camera (dotted lines 1´ - 4´), where a) when observing and initiating powder burning in the central area of the samples; b) - when initiating the burning of the powder at the edge of the samples and observed in their central region.

Способ исследования процесса горения порошков металлов или их смесей осуществлен с помощью устройства (фиг. 1), которое содержит инициирующий лазер 1, на оптической оси которого последовательно расположены механический затвор 2, первая светоделительная пластина 3, первая двояковыпуклая линза 4 и объект исследования 5, установленный на линейном трансляторе 6. Первый фотодиод 7 установлен напротив первой светоделительной пластины 3 под углом к оптической оси лазера, равном углу отражения первой светоделительной пластины 3. На оптической оси усилителя яркости 8 с одной стороны расположены первый объектив 9 и объект исследования 5, а с другой стороны – вторая светоделительная пластина 10, нейтральный фильтр 11, второй объектив 12, полосовой фильтр 13 и цифровая камера 14.The method for studying the combustion of metal powders or their mixtures is carried out using a device (Fig. 1), which contains an initiating laser 1, on the optical axis of which a mechanical shutter 2, the first beam-splitting plate 3, the first biconvex lens 4 and the object of study 5 installed are sequentially located on a linear translator 6. The first photodiode 7 is installed opposite the first beam-splitting plate 3 at an angle to the optical axis of the laser, equal to the angle of reflection of the first beam-splitting plate 3. On the optical axis y The luminance filter 8 on the one hand houses the first lens 9 and the object of study 5, and on the other hand the second beam-splitting plate 10, the neutral filter 11, the second lens 12, the band-pass filter 13 and the digital camera 14.

На оптической оси второго фотодиода 15 последовательно расположены диффузор 16, вторая двояковыпуклая линза или объектив 17, нейтральный светофильтр 18, вторая светоделительная пластина 10. Цифровая камера 14 подключена к персональному компьютеру 19. Вход синхроимпульсов цифровой камеры 14 подключен к формирователю импульсов 20 (ФИ), который соединен оптоволоконным кабелем с оптическим преобразователем 21 (ОП). Вход включения записи цифровой камеры 14 соединен с контроллером 22 (К).On the optical axis of the second photodiode 15 there are successively located a diffuser 16, a second biconvex lens or lens 17, a neutral light filter 18, a second beam-splitting plate 10. Digital camera 14 is connected to a personal computer 19. The sync pulse input of digital camera 14 is connected to a pulse shaper 20 (FI), which is connected by fiber optic cable to an optical converter 21 (OP). Input enable recording digital camera 14 is connected to the controller 22 (K).

Первый 7 и второй 15 фотодиоды соединены с цифровым осциллографом 23 (ОСЦ), который связан с персональным компьютером 19 (ПК). Задающий генератор 24 (ЗГ) подключен к оптическому преобразователю 21 (ОП), который соединен оптоволоконным кабелем с источником высоковольтных импульсов 25 (ИВИ), который подключен к усилителю яркости 8. Механический затвор 2 соединен с контролером 22. The first 7 and second 15 photodiodes are connected to a digital oscilloscope 23 (OCC), which is connected to a personal computer 19 (PC). The master oscillator 24 (SG) is connected to an optical converter 21 (OP), which is connected by a fiber optic cable to a source of high-voltage pulses 25 (IVI), which is connected to a brightness amplifier 8. A mechanical shutter 2 is connected to a controller 22.

В качестве лазера 1 использован, например, твердотельный лазер с диодной накачкой с длиной волны излучения 532 нм. Механическим затвором 2 может быть, затвор фирмы Thorlabs SHB1. Использован линейный транслятор 6, обеспечивающий линейное перемещение с ручной регулировкой, например, 7T173-25 фирмы Standa. В качестве первого 7 и второго 15 фотодиода могут быть использованы быстродействующие фотодиоды Thorlabs DET10A/M с временем отклика 1 нс. Усилитель яркости 8 выполнен на основе активного элемента на парах бромида меди. Нейтральный фильтр 11 представляет собой, например, нейтральное стекло марки НС-9 [http://www.elektrosteklo.ru/Color_Glass_Spectral_Transmittance.pdf]. В качестве задающего генератора 24 (ЗГ) использован генератор SFG-72120 фирмы GW Instek. Оптический преобразователь 21 (ОП) выполнен на основе комплектов оптоэлектронных устройств Avago Technologies HFBR-RXXYYY Series. Источник высоковольтных импульсов 25 (ИВИ) выполнен по схеме с импульсным зарядом накопительной емкости [Троицкий В.О., Димаки В.А., Филонов А.Г. Источник питания для лазера на парах бромида меди // Приборы и техника эксперимента. 2016. № 3. - С. 57-60]. Может быть использован контроллер затвора фирмы Thorlabs в качестве контроллера 22 (К). Цифровая камера 14 –камера HiSpec 1 фирмы Fastec.As laser 1, for example, a solid-state diode-pumped laser with an emission wavelength of 532 nm is used. Mechanical shutter 2 may be a Thorlabs SHB1 shutter. A linear translator 6 was used, which provides linear movement with manual adjustment, for example, Standa 7T173-25. As the first 7 and second 15 photodiodes, high-speed photodiodes Thorlabs DET10A / M with a response time of 1 ns can be used. The amplifier 8 brightness is made on the basis of the active element on the pairs of copper bromide. The neutral filter 11 is, for example, a neutral glass brand NS-9 [http://www.elektrosteklo.ru/Color_Glass_Spectral_Transmittance.pdf]. The SFG-72120 generator from GW Instek was used as the master oscillator 24 (SG). Optical converter 21 (OP) is based on Avago Technologies HFBR-RXXYYY Series optoelectronic device kits. The source of high-voltage pulses 25 (IVI) is made according to the scheme with a pulsed charge of the storage capacitance [Troitsky V.O., Dimaki V.A., Filonov AG Power supply for copper bromide vapor laser // Instruments and Experimental Technique. 2016. № 3. - p. 57-60]. A Thorlabs shutter controller may be used as a 22 (K) controller. Digital camera 14 - HiSpec 1 from Fastec.

Исследовали образцы нанопорошка алюминия весом 3 г в форме параллелепипеда с размерами 20х8х3 мм.Samples of aluminum nanopowder weighing 3 g in the form of a parallelepiped with dimensions of 20x8x3 mm were investigated.

После вывода устройства на номинальный режим работы, образец 5 поместили на линейный транслятор 6, с помощью которого настроили резкость изображения поверхности, наблюдая его на мониторе компьютера 19 (ПК) при использовании цифровой камеры 14. Затем настроили положение инициирующего лазера 1 при его минимальной мощности в 5 мВт и открытом механическом затворе. При настройке луч инициирующего лазера 1 направляли в область инициирования горения. После настройки затвор закрывали. При закрытом затворе устанавливали мощность инициирующего лазера 1 на уровне, достаточном для инициирования процесса горения, например, 100-200 мВт в непрерывном режиме. Контроллер 22 (К) по заданию оператора формировал импульс, который открывал механический затвор 2 и включал запись на цифровой камере 14. После открытия механического затвора 2, излучение с помощью линзы 4 фокусировалось на объекте исследования 5. Первая светоделительная пластина 3 отражала часть излучения, которое поступало на первый фотодиод 7. Таким образом, первый фотодиод 7 регистрировал начало воздействия инициирующего излучения на объект исследования 5.After outputting the device to the nominal mode of operation, sample 5 was placed on the linear translator 6, with which the surface image was adjusted sharply, observing it on the computer monitor 19 (PC) using the digital camera 14. Then the position of the initiating laser 1 was adjusted at its minimum power 5 mW and open mechanical shutter. When setting up, the beam of the initiating laser 1 was directed to the region of combustion initiation. After setting the shutter closed. With the shutter closed, the power of the initiating laser 1 was set at a level sufficient to initiate the combustion process, for example, 100–200 mW in continuous mode. The controller 22 (K), as instructed by the operator, formed a pulse that opened the mechanical shutter 2 and started recording on the digital camera 14. After opening the mechanical shutter 2, the radiation using lens 4 focused on the object of study 5. The first beam splitting plate 3 reflected a part of the radiation, which arrived at the first photodiode 7. Thus, the first photodiode 7 recorded the beginning of the impact of the initiating radiation on the object of study 5.

Спустя некоторое время после начала воздействия, образец 5 порошка загорелся, и происходили изменения его поверхности.Some time after the onset of exposure, sample 5 of the powder caught fire, and changes in its surface occurred.

С помощью задающего генератора 24 (ЗГ), оптического преобразователя 21 (ОП) и источника высоковольтных импульсов 25 (ИВИ) формировали импульсы накачки усилителя яркости 8, которые создавали излучение сверхсветимости усилителя яркости 8, которое фокусировали на объекте исследования 5 при помощи первого объектива 9, перемещая объект исследования 5 на линейном трансляторе 6. Отраженный от объекта исследования 5 сигнал собирали и направляли на вход усилителя яркости 8 объективом 9. Проходя через активную среду усилителя яркости 8, сигнал усиливался. Часть света с помощью второй светоделительной пластины 10 направлялась в сторону второго фотодиода 15, при этом масштабировалось по интенсивности с помощью нейтрального светофильтра 18, и проецировалось второй двояковыпуклой линзой 17 через диффузор 16 на второй фотодиод 15. Другая часть излучения с выхода усилителя яркости 8 проходила через вторую светоделительную пластину 10, масштабировалась с помощью нейтрального светофильтра 11, и проецировалась вторым объективом 12 через полосовой фильтр 13 на матрицу цифровой камеры 14. Последовательность кадров цифровой камеры 14 передавалась в персональный компьютер 19 (ПК) для последующего хранения и обработки. Using a master oscillator 24 (SG), an optical transducer 21 (OP) and a source of high-voltage pulses 25 (IVI), pump pulses of the brightness amplifier 8 were generated, which created the radiation of the superlightness of the brightness amplifier 8, which was focused on the object of study 5 using the first objective 9, moving the object of study 5 on the linear translator 6. The signal reflected from the object of study 5 was collected and sent to the input of the brightness amplifier 8 by the lens 9. Passing through the active medium of the brightness amplifier 8, the signal was amplified. Part of the light using the second beam-splitting plate 10 was directed towards the second photodiode 15, while scaling in intensity using a neutral light filter 18, and projected by the second biconvex lens 17 through the diffuser 16 to the second photodiode 15. Another part of the radiation from the output of the brightness amplifier 8 passed through the second beam-splitting plate 10, was scaled using a neutral light filter 11, and was projected by the second lens 12 through a band-pass filter 13 onto the matrix of the digital camera 14. The sequence l frame of the digital camera 14 was transferred to a personal computer 19 (PC) for subsequent storage and processing.

Усилитель яркости 8 работал в импульсно-периодическом режиме, который реализовывался путем формирования высоковольтных импульсов. Каждый импульс производил изображение объекта исследования 5, средняя яркость которого регистрировалась вторым фотодиодом 15. Таким образом, на выходе второго фотодиода 15 формировалась последовательность импульсов с частотой работы усилителя яркости 8 20 кГц, и амплитудой, соответствующей отраженному от поверхности объекта исследования 5 излучению. Огибающая этой последовательности импульсов на выходе второго фотодиода 15 дала информацию об изменении отражательной способности поверхности объекта исследования 5 в зоне наблюдения (фиг. 2). Сигналы с первого 7 и второго 15 фотодиодов отображались на осциллографе 23 (ОСЦ) и передавались в персональный компьютер 19 (ПК) для последующего хранения или обработки.Amplifier of brightness 8 worked in a pulse-periodic mode, which was realized by forming high-voltage pulses. Each pulse produced an image of the object of study 5, the average brightness of which was recorded by the second photodiode 15. Thus, at the output of the second photodiode 15, a sequence of pulses was formed with an operating frequency of the brightness amplifier 8 20 kHz and an amplitude corresponding to the radiation reflected from the surface of the object of study 5. The envelope of this pulse sequence at the output of the second photodiode 15 gave information about the change in the reflectivity of the surface of the object of study 5 in the observation zone (Fig. 2). The signals from the first 7 and second 15 photodiodes were displayed on an oscilloscope 23 (OCC) and transmitted to a personal computer 19 (PC) for subsequent storage or processing.

Горение образцов нанопорошка алюминия протекало в две стадии. Сигнал второго фотодиода 15 позволил идентифицировать следующие фазы процесса горения. При наблюдении в области воздействия (фиг. 2, а): I – прогрев порошка в области воздействия, порошок темнеет; II – начало первой стадии горения, спекание нанопорошка в более крупные частицы, увеличение отражательной способности; III – поверхность в области наблюдения практически не изменилась, первая волна горения прошла в других областях образца; IV – вторая волна в области наблюдения, повышение отражательной способности; IV, V – высокотемпературная стадия горения; VI – остывание. При наблюдении в стороне от области воздействия (фиг. 2, б): I – нагрев и усадка образца по мере приближения тепловой волны; II – прохождение волны горения в области наблюдения; III - первая волна горения проходит в других областях образца, IV, V – высокотемпературная стадия горения.The burning of samples of aluminum nanopowder proceeded in two stages. The signal of the second photodiode 15 allowed to identify the next phase of the combustion process. When observed in the area of impact (Fig. 2, a): I - heating the powder in the area of impact, the powder darkens; II - the beginning of the first stage of combustion, sintering the nanopowder into larger particles, an increase in reflectivity; III - the surface in the area of observation practically did not change, the first wave of combustion passed in other areas of the sample; IV - the second wave in the field of observation, increased reflectivity; IV, V - high-temperature stage of combustion; VI - cooling. When observed away from the area of impact (Fig. 2, b): I - heating and shrinkage of the sample as the heat wave approaches; II - the passage of a combustion wave in the field of observation; III - the first wave of combustion takes place in other areas of the sample; IV, V is the high-temperature stage of combustion.

Из фиг. 2 следует, что сигналы фотодиода 15 находятся в соответствии с расчётами средней яркости кадров видеозаписи. Среднюю яркость изображения рассчитывали для верификации сигнала регистрируемого вторым фотодиодом 15 в персональном компьютере 19 (ПК) с использованием программного продукта Matlab. Изменение яркости изображения визуально сравнивали с видеоизображениями, что показало соответствие временных характеристик процесса, наблюдаемых оператором (движение поверхности, прохождение волн горения, агломерация, остывание) с изменением средней яркости изображения. Таким образом, средняя яркость изображения является информативным параметром для оценки процесса горения порошка металла.From FIG. 2 it follows that the signals of the photodiode 15 are in accordance with the calculations of the average brightness of the frames of the video. The average brightness of the image was calculated to verify the signal detected by the second photodiode 15 in a personal computer 19 (PC) using the Matlab software. The change in the brightness of the image was visually compared with the video images, which showed that the time characteristics of the process observed by the operator (surface movement, passage of combustion waves, agglomeration, cooling) corresponded to a change in the average brightness of the image. Thus, the average brightness of the image is an informative parameter for assessing the process of burning metal powder.

Claims

The method of studying the combustion process of metal powders or their mixtures, including ignition of the object of study, focusing the radiation of a laser amplifier operating in superlight mode at the object of study, collecting and directing the signal reflected from it to the input of the laser brightness amplifier, where it is amplified and projected onto a digital the camera, the image of which is transmitted to a personal computer, where they represent it in digital form for processing and analyzing images, and the pulse of the superlight of the laser amplifier is synchronized with a digital camera exposure, characterized in that simultaneously in a pre-pressed powder they initiate the combustion process using focused radiation of the initiating laser, fix the start of the initiation of the initiation radiation by one photodiode, illuminate the surface of the object with the focused radiation of the brightness amplifier, enhance the reflected radiation, scale in intensity, register the total radiation with the second photodiode, record the monochromatic radiation with a digital camera, intensively ti signal of the second photodiode is judged the reflectivity of the powder surface during and after exposure to the triggering of the laser radiation, and the shape signal of the second photodiode judge time parameters of the combustion process.