專利名稱：數(shù)字激光爆炸加載動光彈實驗系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及ー種動態(tài)光測力學實驗裝置，特別涉及ー種研究爆炸應カ波的數(shù)字激光爆炸加載動光彈實驗系統(tǒng)。
背景技術：
動光彈實驗是采用光學靈敏性材料制成與實物相似的模型，在動載荷作用下，用偏振光照射，在底板上直接記錄模型中應カ等差線的ー種光學測量方法。它具有很強的直觀性，能直接獲得固體介質(zhì)中應力波的傳播、迭加，以及裂紋與應力波相互作用的動態(tài)過程中瞬間應カ分布圖，可以真實反映出動態(tài)過程的信息與規(guī)律。在動態(tài)光弾性研究中，國內(nèi)通常采用多火花式動光彈儀。該系統(tǒng)是在背景很暗的條件下，讓高速斷裂過程在快門打開著的相機前進行，用一次歷程極短的強カ閃光來照明， 使底片曝光，記錄下光彈的實驗過程，相當于多通道靜態(tài)光彈儀接續(xù)工作，不會因像移而產(chǎn)生圖像模糊的問題，因而可獲得清晰的應力條紋圖像。但由于該實驗系統(tǒng)需延遲控制器及光電裝置來控制和校核火花的放電時刻，導致攝影時機不易把控；同時，光通過光彈模型吋，產(chǎn)生視差，總幅數(shù)較少，攝影頻率較低，給后期分析處理帶來困難。在國外，也有采用靜態(tài)光彈儀與轉(zhuǎn)鏡式高速分幅相機結合的系統(tǒng)，即在高速攝影系統(tǒng)中加入偏振光場，由于該系統(tǒng)的測試靈敏度低，無法獲得清晰的應力條紋圖像。工作吋，上述兩種設備采用的都是傳統(tǒng)的物理膠片作為記錄介質(zhì)，對實驗人員的操作和經(jīng)驗要求較高，實驗成功率低，成本高，不利于開展更深一歩地研究。如何解決上述問題，強化和改進動態(tài)光彈實驗系統(tǒng)，就成為本實用新型的主要目的。
發(fā)明內(nèi)容隨著數(shù)碼技術的發(fā)展，本實用新型g在建立ー種數(shù)字激光爆炸加載動光彈實驗系統(tǒng)，將高速數(shù)碼攝影與靜態(tài)光彈系統(tǒng)相結合，變物理膠片為數(shù)碼照片，實現(xiàn)動態(tài)光彈實驗系統(tǒng)的創(chuàng)新、發(fā)展和升級。本實用新型是通過以下技術方案實現(xiàn)的本實用新型所述的數(shù)字激光爆炸加載動光彈實驗系統(tǒng)，具體包括激光器、擴束鏡、場鏡組合、左1/4波片、右1/4波片、檢偏鏡、爆炸加載裝置、起爆器、數(shù)碼高速攝影機和電腦。激光器的照射端與擴束鏡相對應，擴束鏡與場鏡相對應，場鏡組合使擴束鏡傳出的面光束變成平行光后，再經(jīng)匯聚后傳出。左1/4波片、右1/4波片和檢偏鏡沿著激光照射方向順序排列在場鏡組合的平行光區(qū)域內(nèi)；爆炸加載裝置位于左、右1/4波片之間；數(shù)碼高速攝影機位于場鏡組合輸出端的焦點上；起爆器采用同步信號連接的方式分別與爆炸加載裝置和數(shù)碼高速攝影機連接；電腦連接在數(shù)碼高速攝影機的輸出端口上。選用激光器作為實驗光源設備，是基于激光的定向性和高亮度特點來考慮的。因為用數(shù)碼高速攝影機記錄動態(tài)過程有兩個要求一個是曝光時間要足夠短；另ー個是要求照明光足夠強，以保證足夠的曝光量。激光完全符合上述兩點要求。激光器的具體型號主要以激光波長與數(shù)碼高速攝影機感光波長是否匹配為標準進行選擇，同時，兼顧激光強度是否滿足試件實驗的不同要求，從而完成激光器的型號選擇。在具體實驗中，采用與數(shù)碼高速攝影機光感應最匹配波長對應的激光作為實驗光源，以保證曝光效果，保證拍攝質(zhì)量，同時，還可有效實現(xiàn)對試件物體的持續(xù)、穩(wěn)定、高亮度照射，實現(xiàn)正常環(huán)境條件下的拍攝需要，使光彈條紋的呈現(xiàn)更直觀、明了。為充分利用激光的特性，在激光器的照射通路上首先設有擴束鏡，擴束鏡將激光的線光束擴散為面光束，形成光源的發(fā)散，為后續(xù)有效照射和準確照射做準備。場鏡組合位于擴束鏡的后續(xù)光路傳送通道上，場鏡組合為兩個相對放置的凸透 鏡，前端凸透鏡的外側與擴束鏡相對應，后端凸透鏡的外側焦點與數(shù)碼高速攝影機相對。其中，前端凸透鏡將擴束鏡傳導出的面光束變成平行光后，再經(jīng)后端凸透鏡匯聚后傳出。平行光可保證試件照射過程和后期圖像采集過程的準確性。左1/4波片、右1/4波片和檢偏鏡位于場鏡組合的前端凸透鏡與后端凸透鏡之間，由于激光本身為偏振光，即滿足了光彈中對入射光是偏振光的要求，其中，左1/4波片用于產(chǎn)生圓偏振光，右1/4波片及檢偏鏡負責還原圓偏振光為平面偏振光。當然，為保證圓偏振光場的形成質(zhì)量，在圓偏振光場中還可包括起偏鏡，起偏鏡可放置于前端凸透鏡和左1/4波片之間，其作為實驗過程的備選設備待用。爆炸加載裝置設置于左1/4波片和右1/4波片之間，試件被固定在爆炸加載裝置上。常用的爆炸加載裝置為U形結構，在U形結構頂部兩側設有卡持端，試件被卡持端卡持在U形結構內(nèi)側，既利于固定安裝，又方便使用。其中，試件在被固定之前，首先對其開設炮孔，炮孔內(nèi)裝填藥包，并布設起爆線，起爆線與起爆器相連。利用爆炸加載裝置的卡持端對炮孔兩端及試件進行封堵并卡持，使試件位置相對固定，并為最后起爆做準備。隨著數(shù)碼技術的進步，本實用新型采用數(shù)碼高速攝影機進行試件光彈條紋信息的記錄，其避免了以往拍攝過程對膠片的依賴，拍攝成本大幅降低。數(shù)碼高速攝影機設置于場鏡組合中后端凸透鏡的輸出端焦點上，其負責對試件圖像進行隨時采集，記錄試件上光彈條紋的變化過程。其中，為保證拍攝質(zhì)量，數(shù)碼高速攝影機的光感應波長應與激光器的激光波長相匹配，拍攝中，只需改變數(shù)碼高速攝影機的拍攝參數(shù)即可實現(xiàn)對不同實驗場景下光彈條紋的清晰、連續(xù)記錄，性能穩(wěn)定，操作可靠。而為保證拍攝過程及時、有效，起爆器采用同步信號傳送的方式分別與爆炸加載裝置和數(shù)碼高速攝影機連通，啟動藥包爆炸的同時開啟快門開始記錄，避免了不同步造成的拍攝滯后和拍攝質(zhì)量下降的危險，操作簡單、使用方便。為使數(shù)碼圖像可以被快速采集和利用，在數(shù)碼高速攝影機的輸出端口上還連接有電腦，電腦可以通過相關軟件對采集的圖像進行處理，并經(jīng)匯總、對比后在顯示屏上顯示出來。電腦可以使拍攝到的圖像清晰、逼真、直觀地再現(xiàn)，對后續(xù)光彈條紋的判讀提供了方便。本實用新型所述的數(shù)字激光爆炸加載動光彈實驗系統(tǒng)，其有益效果包括1)實驗的可控性和精確度大大提高，且該實驗不需在暗室中進行，在普通室內(nèi)環(huán)境下即可進行實驗操作，得到清晰且連續(xù)的光彈圖像；2)以激光器作為光源，數(shù)碼高速攝影機作為記錄裝置，實驗時只需改變數(shù)碼高速攝影機的拍攝參數(shù)即可實現(xiàn)對不同實驗場景下光彈的實時記錄；3)數(shù)碼照片可以大大降低試驗成本，使后期數(shù)據(jù)處理和對比分析過程簡單化、方便化；4)實驗周期縮短，操作簡單，且觀測方便；5)實驗受環(huán)境因素的影響較少，性能穩(wěn)定、操作可靠，實驗效果好，成功率高。

圖I為本實用新型的結構原理圖；圖2為聚碳酸酯板材在爆炸載荷作用下0-650us的實驗光彈照片。
具體實施方式
本實用新型的中心思想是通過改變攝影記錄設備，采用激光器和數(shù)碼高速攝影機組成高速攝影系統(tǒng)，結合場鏡組合、圓偏振光場、爆炸加載裝置，得到圖像清晰、準確的數(shù)碼光彈照片，實現(xiàn)爆炸加載下動光彈實驗系統(tǒng)的突破。
以下結合附圖對本實用新型做進ー步詳細的描述如圖I所示，ー種數(shù)字激光爆炸加載動光彈實驗系統(tǒng)，包括激光器I、擴束鏡2、前端凸透鏡3、起偏鏡4、左1/4波片5、右1/4波片6、檢偏鏡7、后端凸透鏡8、爆炸加載裝置11、起爆器14、數(shù)碼高速攝影機9和電腦10。其中，激光器I的輸出端與擴束鏡2相對應,擴束鏡2位于激光器I和前端凸透鏡3之間。場鏡組合中的前端凸透鏡3負責將擴束鏡2傳出的面光束變成平行光束后，再經(jīng)后端凸透鏡8匯聚傳出。在前、后端凸透鏡3，8之間，順序放置起偏鏡4、左1/4波片5、右1/4波片6、檢偏鏡7，形成圓偏振光場。爆炸加載裝置11放于左、右1/4波片5，6之間的平行光區(qū)域內(nèi)，試件12固定在爆炸加載裝置11上。試件12上設有炮孔13，并裝填藥包后布設起爆線，起爆線與起爆器14相連。數(shù)碼高速攝影機9位于后端凸透鏡8輸出端的焦點上。為保證加載過程和拍攝過程同步進行，起爆器14采用同步信號傳送的方式分別與爆炸加載裝置11和數(shù)碼高速攝影機9相連，當起爆器14引爆藥包的同時數(shù)碼高速攝影機9開始工作。電腦10連接在數(shù)碼高速攝影機9的輸出端口上，電腦10可隨時接收并處理拍攝到的圖像。實驗開始前，首先選取試件12，在試件12上布設炮孔13、裝填藥包后埋設起爆線，固定試件12在爆炸加載裝置11上，并將起爆器14分別與起爆線和數(shù)碼高速攝影機9同步信號連通。接著，開啟激光器1，將激光通過擴束鏡2轉(zhuǎn)換成帶有一定角度的面光束，然后，經(jīng)前端凸透鏡3轉(zhuǎn)換成平行光束后，通過起偏鏡4和左1/4波片5變?yōu)閳A偏振光，照射在試件12表面，之后，經(jīng)右1/4波片6、檢偏鏡7和后端凸透鏡8將光束再次聚焦后傳送到數(shù)碼高速攝影機9的鏡頭上。調(diào)整數(shù)碼高速攝影機9的控制參數(shù)與具體實驗要求相符，并保持與電腦10的連通狀態(tài)，設備調(diào)試完成，數(shù)碼高速攝影機9處于待啟動狀態(tài)，試件12中沒有應カ波和變形，數(shù)碼高速攝影機9也不會采集到光彈條紋信息。開始實驗，按下起爆器14的控制開關，引爆藥包，同時，觸發(fā)數(shù)碼高速攝影機9，試件12受到爆炸載荷后，應カ波在試件12中傳播，試件12發(fā)生變形，數(shù)碼高速攝影機9連續(xù)采集試件12上的光彈條紋信息，并實時記錄下變化過程，記錄的圖像被發(fā)送到電腦10中，通過電腦10中相應軟件的分析、比對后，其結果最終呈現(xiàn)在顯示器上。如采用上面實施方案進行實驗，得到的實驗光彈照片如圖2所示，其中，炸藥為疊氮化鉛，裝藥量150mg，光彈材料為聚碳酸酷，尺寸為300*300*5mm。由顯示圖像可以看出聚碳酸酯板材在爆炸載荷作用下出現(xiàn)了明顯的光彈條紋，根據(jù)處理評判條紋級數(shù)，即可得到不同時刻試件上的應カ分布情況。由于試件采用的是建材市場上最普通的聚碳酸酯板材，其表現(xiàn)更為明顯的光塑 性，且由于試件加工制作過程中，試件中留有殘余應カ等因素，導致實驗結果不如低速沖擊實驗情況中的條紋清晰。若采用光彈用的環(huán)氧樹脂板材，經(jīng)過嚴格的試件加工エ序，滿足理想的光彈實驗材料要求，實驗結果會更加理想。
權利要求1.數(shù)字激光爆炸加載動光彈實驗系統(tǒng)，其特征在于，包括激光器、擴束鏡、場鏡組合、左1/4波片、右1/4波片、檢偏鏡、爆炸加載裝置、起爆器、數(shù)碼高速攝影機和電腦，所述激光器的照射端與擴束鏡相對應，擴束鏡與場鏡相對應，場鏡組合使擴束鏡傳出的面光束變成平行光后，再經(jīng)匯聚后傳出；所述左1/4波片、右1/4波片和檢偏鏡沿激光照射方向順序排列在場鏡組合的平行光區(qū)域內(nèi)；所述爆炸加載裝置位于左、右1/4波片之間；所述數(shù)碼高速攝影機位于場鏡組合輸出端的焦點上；所述起爆器采用同步信號連接的方式分別與爆炸加載裝置和數(shù)碼高速攝影機連接；所述電腦連接在數(shù)碼高速攝影機的輸出端口上。
2.根據(jù)權利要求I所述的數(shù)字激光爆炸加載動光彈實驗系統(tǒng)，其特征在于，所述場鏡組合包括兩個相對放置的凸透鏡，凸透鏡之間光線保持平行傳送，前端凸透鏡的外側與擴束鏡相對應，后端凸透鏡的外側焦點與數(shù)碼高速攝影機相対。
3.根據(jù)權利要求I所述的數(shù)字激光爆炸加載動光彈實驗系統(tǒng)，其特征在于，還包括起偏鏡，所述起偏鏡位于前端凸透鏡與左1/4波片之間。
專利摘要本實用新型公開了一種數(shù)字激光爆炸加載動光彈實驗系統(tǒng)，包括激光器、擴束鏡、場鏡組合、左1/4波片、右1/4波片、檢偏鏡、爆炸加載裝置、起爆器、數(shù)碼高速攝影機和電腦。激光器發(fā)出持續(xù)的線光束，經(jīng)擴束鏡、場鏡及左1/4波片轉(zhuǎn)換成圓偏振光照射在爆炸加載裝置的試件上，又經(jīng)右1/4波片、檢偏鏡及場鏡匯聚后，照射到數(shù)碼高速攝影機的鏡頭中，最后，經(jīng)起爆器同步引爆和開啟數(shù)碼高速攝影機拍攝，形成爆炸加載圖像。該系統(tǒng)可以對爆破載荷下應力波在試件中的傳播過程、應力時空分布等信息進行記錄分析，光路系統(tǒng)簡單，實驗環(huán)境要求和實驗成本低，周期短，精確度高，實現(xiàn)了整個斷裂過程的連續(xù)觀測。
文檔編號G01L1/24GK202453129SQ201120564648
公開日2012年9月26日 申請日期2011年12月30日 優(yōu)先權日2011年12月30日
發(fā)明者孫強, 楊仁樹, 楊立云, 馬鑫民 申請人:中國礦業(yè)大學(北京)