專利名稱：切向氣流下材料激光反射率動態(tài)測量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型屬于光學(xué)領(lǐng)域的測量裝置，涉及一種切向氣流下材料激光反射率動態(tài)
測量裝置。
背景技術(shù)：
激光與材料的相互作用都首先是從材料對入射激光能量反射和吸收開始的，材料對激光的初始反射特性與激光工作體制(連續(xù)、脈沖、重頻等)、激光波長，以及材料種類、表面狀況、輻照環(huán)境等因素有關(guān)。在激光加工、表面清洗等作用過程中，通過各種耦合機制吸收激光能量的材料將產(chǎn)生熱學(xué)、力學(xué)、化學(xué)等響應(yīng)，材料的這些物理、化學(xué)等響應(yīng)導(dǎo)致其表面性質(zhì)發(fā)生變化，將反過來影響材料對激光能量的反射特性?？梢?，影響材料在激光輻照過程中反射率變化的因素很多，且時常是多種影響因素耦合在一起，故很難從理論的角度對其進行定量描述，目前，主要依靠實驗的方法對材料激光輻照過程中反射率的變化情況進行測量。因此，發(fā)展或改進反射率實驗測試裝置就成為激光技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域中較為重要的工作。由于激光在軍事、民用領(lǐng)域有著廣泛的用途和廣闊的拓展前景，如激光焊接、激光清洗、激光切割等，因此，國、內(nèi)外一直都很重視材料激光反射率測量裝置及方法的建立及改進，以滿足相關(guān)激光技術(shù)應(yīng)用的需求，如量熱計裝置、輻射計裝置及反射計裝置等。其中，積分球反射計和半橢球反射計是激光輻照材料過程中反射率動態(tài)測量較為常用的裝置，與密閉容器、旋轉(zhuǎn)平臺等器件相結(jié)合，可用于對不同組份氣體靜態(tài)環(huán)境、壓力、入射角度等多種激光加工實際條件下，材料在激光輻照過程中反射率的動態(tài)測量。當待測材料表面存在氣流時，將影響材料對激光能量的吸收效率，最后對加熱效果產(chǎn)生影響，這在定性上不 難理解，但在如何定量測量氣流作用對激光加熱過程的影響，以及由于該影響導(dǎo)致的材料反射率參數(shù)的變化，仍然是測量材料在氣流作用下反射率參數(shù)所需要解決的問題。目前，從國內(nèi)外公開報道的文獻來看，以建立或改進適用于靜態(tài)環(huán)境下，材料激光反射率測量裝置或測試技術(shù)為主，尚未見到可進行材料表面存在切向氣流時，激光輻照過程中材料反射率動態(tài)變化測量裝置的相關(guān)報道，所謂切向氣流，即氣流方向平行于光滑材料表面方向。為得到切向氣流條件下的材料激光能量耦合系數(shù)，實現(xiàn)激光與材料相互過程中最優(yōu)激光參數(shù)的準確預(yù)估，進而減少激光加工成本及提高能源利用效率，亟需一種切向氣流條件下，激光輻照材料過程中對其表面反射率動態(tài)變化進行測量的裝置。

實用新型內(nèi)容為獲取切向氣流條件下，激光與金屬材料相互作用過程中的能量耦合系數(shù)，本實用新型提供了一種切向氣流下材料激光反射率動態(tài)測量裝置及方法。本實用新型所述切向氣流下材料激光反射率動態(tài)測量裝置，包括試驗段和收集測量裝置，所述試驗段包括測試材料放置區(qū)；其特征在于:還包括吹氣系統(tǒng)和半橢球反射計，所述測試材料放置區(qū)和收集測量裝置的測量口分別位于所述半橢球反射計的第一焦點和第二焦點處；所述試驗段還包括與吹氣系統(tǒng)連接的氣道，氣道包括氣道出氣口和氣道進氣口，所述氣道的出氣方向平行于放置在測試材料放置區(qū)的測試材料外表面。優(yōu)選的，所述吹氣系統(tǒng)包括順次相連的截止閥、減壓閥、球閥、節(jié)流閥、安全閥；所述安全閥的出口與試驗段氣道進氣口連接，所述截止閥的入口與外置氣源連接。優(yōu)選的，所述吹氣系統(tǒng)至少具備如下特征之一:A.所述截止閥與減壓閥連接處還有第一壓力表；B.所述減壓閥和球閥連接處還有第二壓力表。優(yōu)選的，所述氣道出氣口處有氣流整形區(qū)，所述氣流整形區(qū)內(nèi)徑小于氣道其他區(qū)域內(nèi)徑，氣流整形區(qū)氣流通路前后部內(nèi)徑大于氣流整形區(qū)氣流通路中部內(nèi)徑，所述氣流整形區(qū)的氣流通路緊貼所述測試材料放置區(qū)一側(cè)。優(yōu)選的，所述氣道出氣口處有氣流整形區(qū)，所述氣流整形區(qū)內(nèi)徑均一，且小于氣道其他區(qū)域內(nèi)徑，所述氣流整形區(qū)的氣流通路緊貼所述測試材料放置區(qū)一側(cè)。優(yōu)選的，所述試驗段的測試材料放置區(qū)為敞開式。優(yōu)選的，所述試驗段通過螺栓或卡槽方式固定連接在半橢球反射計的外殼上。優(yōu)選的，還包 括與測量口連接的收集測量裝置，所述收集測量裝置為積分球和設(shè)置在積分球探測口的光電探測器。優(yōu)選的，所述試驗段出氣口端面與半橢球反射計內(nèi)壁平滑連接且內(nèi)壁表面持平。采用本實用新型所述的切向氣流下材料激光反射率動態(tài)測量裝置，可獲取切向氣流條件下激光與金屬材料相互作用過程中材料反射率的動態(tài)變化趨勢曲線，該裝置可方便、快捷地更換氣源和試驗段類型，實現(xiàn)在不同氣流組份和不同氣流速度下，材料與激光相互作用過程中反射率變化的動態(tài)測量，獲得材料激光能量耦合系數(shù)，可為激光切割、激光清洗等激光加工過程中優(yōu)化激光參數(shù)提供依據(jù)，達到提高激光能量利用效率、降低加工成本等經(jīng)濟利益。

圖1示出本實用新型一種具體實施方式
的主示圖；圖2示出本實用新型一種具體實施方式
的側(cè)視圖；圖3示出本實用新型又一種具體實施方式
的側(cè)視圖圖4示出本實用新型所述吹氣系統(tǒng)的具體實施方式
各部件連接關(guān)系圖；圖5示出本實用新型的一種工作方式示意圖；各圖中附圖標記名稱為:1.試驗段2.半橢球反射計3.氣道進氣口 4.氣道出氣口 5.氣流整形區(qū)6.測試材料放置區(qū)7.第一焦點8.激光入射口 9.第二焦點11.加熱激光束12.探測激光束21.截止閥22.減壓閥23.球閥24.節(jié)流閥25.安全閥27.第一壓力表28.第二壓力表29.氣源。
具體實施方式
[0028]
以下結(jié)合附圖，對本實用新型的具體實施方式
作進一步的詳細說明。當材料表面存在較高速切向氣流時，可影響材料對激光能量的吸收效率，改變激光加熱效應(yīng)。本實用新型應(yīng)用于材料測量領(lǐng)域，用于測量金屬或其它材料對激光的反射率，特別是在待測材料表面存在切向氣流條件下的反射率。如圖1至3所示，本實用新型所述切向氣流下材料激光反射率動態(tài)測量裝置，包括試驗段I和測量口，所述試驗段包括測試材料放置區(qū)6，還包括吹氣系統(tǒng)和半橢球反射計2，所述測試材料放置區(qū)6和測量口分別位于所述半橢球反射計的第一焦點7和第二焦點9處；所述試驗段還包括與吹氣系統(tǒng)連接的氣道，氣道包括氣道出氣口 4和氣道進氣口 3，所述氣道的出氣方向平行于放置在測試材料放置區(qū)6的測試材料外表面。半橢球反射計是本領(lǐng)域內(nèi)常用的一種反射率測量裝置，半橢球反射計的內(nèi)壁表面處于鏡面狀態(tài)，根據(jù)橢圓體構(gòu)造和橢圓的光學(xué)性質(zhì)，利用半橢球反射計存在的兩個焦點，在半橢球的一個焦點放置光源，可以在另一個焦點收集經(jīng)過反射后的反射光。將表面光滑，無凸臺凹陷的測試材料放置在所述試驗段的測試材料放置區(qū)，試驗段的氣道出口的出氣方向平行于放置在測試材料外表面，試驗段氣道入口與吹氣系統(tǒng)連接，開始測量之前，先打開吹氣系統(tǒng)，吹氣系統(tǒng)的氣流經(jīng)過試驗段氣道的整流之后，從氣道出口噴出平行于測試材料外表面方向的均勻氣流。待形成穩(wěn)定均勻的切向氣流后，將探測激光對準位于半橢球反射計的第一焦點處的測試材料入射，測試材料外表面即為測試材料的激光輻照面，測試材料表面的反射光經(jīng)半橢球反射計內(nèi)壁反射后，匯聚到第二焦點9，被位于第二焦點9的測量口收集，并完成對收集的反射率相關(guān)信息的測量。吹氣系統(tǒng)用于產(chǎn)生均勻氣流從試驗段吹入，并可調(diào)整氣流種類和氣流流量，具體的，本實用新型所述吹氣系統(tǒng)包括順次相連的截止閥21、減壓閥22、球閥23、節(jié)流閥24、安全閥25 ;所述安全閥25的出口與試驗段I氣道進氣口 3連接，所述截止閥21的入口與外置氣源29連接。所謂順次相連，即如圖4所示，截止閥的入口連接外置氣源，出口連接減壓閥的入口，減壓閥的出口連接后續(xù)的球閥的入口，球閥出口連接節(jié)流閥入口，節(jié)流閥出口連接安全閥入口，安全閥與試驗段氣道的進氣口連接。其中截止閥用于連通和切斷氣源；減壓閥用于降低氣源壓力至管路工作壓力；球閥用于實驗結(jié)束后迅速截斷氣流，起一定保護作用 ’節(jié)流閥可調(diào)節(jié)吹氣裝置流量，進而調(diào)節(jié)穩(wěn)定段氣流總壓，安全閥用于確保管路運行安全。在上述吹氣系統(tǒng)中，為使吹氣系統(tǒng)更好的工作，可以在截止閥和減壓閥的連接處設(shè)置第一壓力表27，用于監(jiān)測外置氣源的輸出氣壓，還可以在減壓閥和球閥連接處設(shè)置第二壓力表28，用于監(jiān)測管路工作壓力，為調(diào)節(jié)工作壓力提供參考。第一壓力表27和第二壓力表28可以單獨使用，也可以一起使用。通過更換與截止閥連接的外置氣源29，可以實現(xiàn)切向氣流氣體種類的迅速更換，例如可以使用氮氣、惰性氣體等作為氣源29進行吹氣測量測試材料的對應(yīng)反射率。本實用新型所述試驗段用于將吹氣系統(tǒng)送出的氣流整形為具有穩(wěn)定速度和方向均一的切向氣流，試驗段具有氣道和氣道進氣口及氣道出氣口，試驗段具有測試材料放置區(qū)以放置測試材料，并使試驗段送出的切向氣流從氣道出氣口以平行于測試材料外表面的方向送出，氣道出氣口可以設(shè) 置在測試材料放置區(qū)鄰近處。所述測試材料放置區(qū)與氣道出氣口側(cè)壁最好具備一定高度差，該高度差為測試材料厚度，使測試材料放置好后，測試材料外表面與氣道出氣口側(cè)壁處于同一平面，達到最佳測試環(huán)境。為在測試材料表面形成均勻穩(wěn)定的超音速切向氣流，如圖3所示，本實用新型所述試驗段優(yōu)選的具備如下特征:所述氣道出氣口 3處有氣流整形區(qū)5，所述氣流整形區(qū)5內(nèi)徑小于氣道其他區(qū)域內(nèi)徑，氣流整形區(qū)氣流通路前后部內(nèi)徑大于氣流整形區(qū)氣流通路中部內(nèi)徑，氣流整形區(qū)的氣流通路緊貼所述測試材料放置區(qū)一側(cè)。通過上述對氣道整形區(qū)的內(nèi)徑先收縮再擴大，并調(diào)節(jié)吹氣系統(tǒng)送出氣流的總壓，可以使氣道出氣口處形成均勻穩(wěn)定的超音速切向氣流，實現(xiàn)在超音速切向氣流條件下測量測試材料的激光反射率。:另一種優(yōu)選實施方式如圖2所示，所述氣流整形區(qū)5內(nèi)徑均一，且均小于氣道其他區(qū)域內(nèi)徑，所述氣流整形區(qū)的氣流通路緊貼所述測試材料放置區(qū)一側(cè)。通過上述對氣道整形區(qū)的內(nèi)徑收收縮，并調(diào)節(jié)吹氣系統(tǒng)送出氣流的總壓，可以使氣道出氣口處形成均勻穩(wěn)定的亞聲速切向氣流，實現(xiàn)在亞聲速切向氣流條件下測量測試材料激光反射率。優(yōu)選的，如圖2至3所示，試驗段出氣口端面與半橢球反射計內(nèi)壁平滑連接且內(nèi)壁表面持平，其目的是保證測試材料表面反射的探測激光可全部反射到第二個焦點處。所述試驗段的測試材料放置區(qū)優(yōu)選為敞開式設(shè)計，即測試材料放置區(qū)不再需要用于氣流整形的管道側(cè)壁，與封閉式試驗段相比，敞開式試驗段是以穩(wěn)定的大氣環(huán)境壓力做為試驗段靜壓，根據(jù)總靜壓公式并指定馬赫數(shù)即可得到滿足敞開式試驗段運行的穩(wěn)定段總壓。另外，與封閉式試驗段相比，敞開式試驗段操作空間大大，便于測試樣品的安裝。所述試驗段通過螺栓或卡槽方式固定連接在半橢球反射計的外殼上，方便快速拆卸安裝。優(yōu)選的，本實用新型包括與測量口連接的收集測量裝置，與測量口連接的收集測量裝置為積分球和設(shè)置在積分球探測口的光電探測器。積分球的進光口作為所述收集測量裝置的測量口設(shè)置在半橢球反射計的第二焦點處，通過進光口進入積分球內(nèi)部的激光束，經(jīng)過其內(nèi)壁涂覆具 有高反射系數(shù)的涂層多次無規(guī)則漫反射，使其內(nèi)壁各處具有相等的光照度，布設(shè)在探測口處的光電探測器，將測量到進入積分球內(nèi)部激光束功率的變化情況。本實用新型專利所述切向氣流下材料激光反射率動態(tài)測量裝置中，來自樣品材料表面反射的激光束將進入積分球內(nèi)部被收集，通過光電探測器測量其功率變化數(shù)據(jù)，通過計算便可獲得反射率的動態(tài)變化曲線，最終實現(xiàn)與探測激光波長相同的激光束輻照切向氣流條件下金屬材料反射率變化的動態(tài)測量。如圖5所示，測量開始前，確定測試材料放置區(qū)和收集測量裝置的測量口分別位于半橢球反射計2的第一焦點7和第二焦點9處，使吹氣裝置工作，調(diào)節(jié)氣流參數(shù)使測試材料外表面形成穩(wěn)定的切向氣流，隨后從半橢球反射計的激光入射口 8處射入加熱激光束11和探測激光束12，入射方向?qū)饰挥跍y試材料上半橢球反射計第一焦點7，加熱激光束11功率較大，用于對測試材料進行加熱，探測激光束12功率遠小于加熱激光束11，探測激光束12入射在測試材料外表面上的半橢球反射計的第一焦點后,測試材料表面的反射光經(jīng)半橢球反射計內(nèi)壁反射后，匯聚在半橢球反射計2的第二焦點9，所述收集測量裝置位于第二焦點9的測量口收集匯聚在第二焦點處的探測激光束并測量，通過計算得出測試材料的反射率參數(shù)。通過調(diào)節(jié)吹氣裝置中氣流控制組件實施氣流流量控制，即可實現(xiàn)所關(guān)心切向氣流速度條件下，激光與材料相互作用過程中反射率的動態(tài)測量。采用本實用新型所述的切向氣流下材料激光反射率動態(tài)測量裝置，可獲取切向氣流條件下激光與金屬材料相互作用過程中材料反射率的動態(tài)變化趨勢曲線，該裝置可方便、快捷地更換氣源和試驗段類型，實現(xiàn)在不同氣流組份和不同氣流速度下，材料與激光相互作用過程中反射率變化的動態(tài)測量，獲得材料激光能量耦合系數(shù)，可為激光切割、激光清洗等激光加工過程中優(yōu)化激光參數(shù)提供依據(jù)，達到提高激光能量利用效率、降低加工成本等經(jīng)濟利益。前文所述的為本實用新型的各個優(yōu)選實施例，各個優(yōu)選實施例中的優(yōu)選實施方式如果不是明顯自相矛盾或以某一優(yōu)選實施方式為前提，各個優(yōu)選實施方式都可以任意疊加組合使用，所述實施例以及實施例中的具體參數(shù)僅是為了清楚表述實用新型發(fā)明人的實用新型驗證過程，并非用以限制本實用新型的專利保護范圍，本實用新型的專利保護范圍仍然以其權(quán)利要求書為準，凡是運用本實用新型的說明書及附圖內(nèi)容所作的等同結(jié)構(gòu)變化，同理均應(yīng)包含在本實用新型的 保護范圍內(nèi)。
權(quán)利要求1.切向氣流下材料激光反射率動態(tài)測量裝置，包括試驗段和測量口，所述試驗段(I)包括測試材料放置區(qū)(6)； 其特征在于:還包括吹氣系統(tǒng)和半橢球反射計(2)，所述測試材料放置區(qū)和測量口分別位于所述半橢球反射計的第一焦點(7)和第二焦點(9)處； 所述試驗段還包括與吹氣系統(tǒng)連接的氣道，氣道包括氣道出氣口(4)和氣道進氣口(3)，所述氣道的出氣方向平行于放置在測試材料放置區(qū)(6)的測試材料外表面。
2.如權(quán)利要求1所述的切向氣流下材料激光反射率動態(tài)測量裝置，其特征在于:所述吹氣系統(tǒng)包括順次相連的截止閥(21)、減壓閥(22)、球閥(23)、節(jié)流閥(24)、安全閥(25)；所述安全閥(25)的出口與試驗段氣道進氣口( 3)連接，所述截止閥(21)的入口與外置氣源(29)連接。
3.如權(quán)利要求2所述的切向氣流下材料激光反射率動態(tài)測量裝置，其特征在于:所述吹氣系統(tǒng)至少具備如下特征之一: A.所述截止閥與減壓閥連接處還有第一壓力表(27); B.所述減壓閥和球閥連接處還有第二壓力表(28)。
4.如權(quán)利要求1所述的切向氣流下材料激光反射率動態(tài)測量裝置，其特征在于:所述氣道出氣口(4)處有氣流整形區(qū)(5)，氣流整形區(qū)內(nèi)徑小于氣道其他區(qū)域內(nèi)徑，氣流整形區(qū)氣流通路前后部內(nèi)徑大于氣流整形區(qū)氣流通路中部內(nèi)徑，且所述氣流整形區(qū)的氣流通路緊貼所述測試材料放置區(qū)一側(cè)。
5.如權(quán)利要求1所述的切向氣流下材料激光反射率動態(tài)測量裝置，其特征在于:所述氣道出氣口(4)處有氣流整形區(qū)(5)，所述氣流整形區(qū)內(nèi)徑均一，且小于氣道其他區(qū)域內(nèi)徑，所述氣流整形區(qū)的氣流通路緊貼所述測試材料放置區(qū)一側(cè)。
6.如權(quán)利要求1所述的切向氣流下材料激光反射率動態(tài)測量裝置，其特征在于:所述試驗段的測試材料放置區(qū)(6)為敞開式。
7.如權(quán)利要求1所述的切向氣流下材料激光反射率動態(tài)測量裝置，其特征在于:還包括與測量口連接的收集測量裝置，所述收集測量裝置為積分球和設(shè)置在積分球探測口的光電探測器。
8.如權(quán) 利要求1所述的切向氣流下材料激光反射率動態(tài)測量裝置，其特征在于:所述試驗段出氣口端面與半橢球反射計內(nèi)壁平滑連接且內(nèi)壁表面持平。
專利摘要切向氣流下材料激光反射率動態(tài)測量裝置，包括試驗段和測量口，所述試驗段包括測試材料放置區(qū)；還包括吹氣系統(tǒng)和半橢球反射計，所述測試材料放置區(qū)和測量口分別位于所述半橢球反射計的第一焦點和第二焦點處；所述試驗段還包括與吹氣系統(tǒng)連接的氣道，氣道包括氣道出氣口和氣道進氣口，所述氣道的出氣方向平行于放置在測試材料放置區(qū)的測試材料外表面。采用本實用新型所述的切向氣流下材料激光反射率動態(tài)測量裝置及方法，可獲取切向氣流條件下激光與金屬材料相互作用過程中材料反射率的動態(tài)變化趨勢曲線。
文檔編號G01N21/55GK203148845SQ20132019515
公開日2013年8月21日 申請日期2013年4月18日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月18日
發(fā)明者張永強, 陶彥輝, 譚福利, 趙劍衡, 張黎, 任澤斌, 秦紅崗 申請人:中國工程物理研究院流體物理研究所