專利名稱：自由端面運動速度測試系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光學(xué)測量裝置，特別是一種用于自由端面運動速度測試的光學(xué)測 試系統(tǒng)。 二
背景技術(shù)：
現(xiàn)有技術(shù)對于沖擊波作用下自由面運動速度的測量，大多采用光電探針測量激波 到達(dá)自由面及剛出自由面一點的時間差，然后有兩點之間的距離來推算自由面運動速 度?！陡邏何锢韺W(xué)報》2005年9月第19巻第3期中報道了由王榮波等發(fā)表的題為"兩種 光纖探針在沖擊波作用下的時間響應(yīng)特性"文章，其結(jié)構(gòu)主要是由光纖探針、探針定位 器、光纖、光電倍增管、高頻電纜和數(shù)字示波器組成。系統(tǒng)的光纖探針技術(shù)利用了融凝 石英在受到?jīng)_擊壓縮是會產(chǎn)生很高的沖擊溫度，同時產(chǎn)生光輻射這一特性作為產(chǎn)生信號 的機(jī)理，其測量原理是，當(dāng)自由端面到達(dá)光纖端面時，光纖探針產(chǎn)生一個瞬時光信號， 這個光信號經(jīng)光纖傳輸?shù)焦怆娞綔y器，變換為電信號，再由示波器記錄，通過判讀就可 以知道自由端面到達(dá)光纖探針的時刻。這里光纖探針獲得的是自由端面到達(dá)某個空間位 置的時間信息。在自由端面行進(jìn)的方向上，可以設(shè)置兩根有一定間距的光纖探針，通過 測量兩根光纖探針的信號時間間隔，計算出自由端面在此區(qū)間的平均速度。還可以設(shè)置 大量的、端面在一個平面的光纖探針，根據(jù)各個光纖探針光信號的時刻，結(jié)合自由端面 速度，就可以描繪出在某個空間位置的自由端面的形變。但上述系統(tǒng)的適用范圍比較小， 受沖擊壓力的約束，自發(fā)光光纖探針只適合沖擊壓力大于70GPa時使用，其光信號的響 應(yīng)為l-3ns，閃光隙光纖探針只適合沖擊壓力在10-30GPa之間使用，其光信號的響應(yīng)為 2-7ns，而且傳輸光纖色散對信號的展寬、光電倍增管的脈沖上升時間、高頻電纜對信號 前沿的拉寬效應(yīng)以及示波器的脈沖上升時間對輸出電信號的上升時間都有影響。信號在 時間上是非連續(xù)的，安放的探針的數(shù)量受體積的影響，同一過程只能安放幾個至多十幾 個探針，信號數(shù)據(jù)難免丟失，且探針數(shù)量多時，要求示波器也有相應(yīng)的數(shù)量。同時還需 要精度較高的光纖探針定位器 三

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是提供一種不受沖擊壓力約束、能連續(xù)、無接觸無損傷測量，且結(jié)構(gòu)簡單、頻率響應(yīng)快、測量范圍廣的自由端面運動速度測試系統(tǒng)
本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的，自由端面運動速度測試系統(tǒng)，它包括 激光器、光學(xué)組件、光電二極管、數(shù)字示波器及電子計算機(jī)等，其特征是系統(tǒng)采用兩個 分別用于測試和提供作用力的探測激光器和脈沖激光器，其中探測激光器與光學(xué)組件的 兩個柱面凸透鏡、狹縫、聚焦透鏡、濾波片以及一個光電二極管依次設(shè)置在同一個光路 上，該光電二極管帶有放大電路，其輸出端與數(shù)字示波器的接收端相連，數(shù)字示波器的 輸出接電子計算禾幾；脈沖激光器位于狹縫與聚焦透鏡之間光路的垂直上方，在該激光器 的光路上設(shè)置有分光鏡，分光鏡的反射光路上設(shè)置有另一個光電二極管，該光電二極管 的輸出(起觸發(fā)示波器的作用)與數(shù)字示波器的接收端相連。
本發(fā)明是利用被測自由端面在受力變形時的擋光情況，引進(jìn)入光電二極管的光通量 的變化，進(jìn)而引起的電壓信號的變化來計算自由端面的運動速度隨時間變化的空間分 布，計算得出自由端面的運動速度。它利用一個高能激光器垂直給被測自由端面一個作 用力，使被測自由端面的作用點沿激光照射方向產(chǎn)生位移，同時由一連續(xù)激光器將激光 束經(jīng)柱面透鏡后變成狹長的片狀激光柱垂直照射在自由端面的運動方向，在其受力運動 方向上，由自由端面位移后的擋光量變化就會導(dǎo)致光電管接收到的電信號變化，數(shù)據(jù)經(jīng) 數(shù)字示波器采集，再由計算機(jī)處理數(shù)據(jù)，計算得出自由端面的運動速度。本發(fā)明利用兩 個柱面凸透鏡將激光束拉伸為片狀激光柱，提高探測激光的利用率，降低了對激光器能 量的要求；另外，在測試光電二極管前增加了窄帶濾波片，可以擋住其它光線對光電管 輸出信號的影響。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比其顯著的優(yōu)點是(1)利用光通量隨時間的變化來推算出自 由端面的運動速度，它不受沖擊壓力大小的影響，能夠準(zhǔn)確測量出自由端面的空間狀態(tài)； (2)該系統(tǒng)采用的連續(xù)激光器作為探測光源，可以每2ns記錄一次自由端面的位置信 號，給出位置-時間信號，能夠做到連續(xù)測量，記錄自由端面運動的整個過程；(3)本 發(fā)明的測試方法不受沖擊壓力大小的影響，測試系統(tǒng)光信號的上升時間可以忽略不計， 電信號的上升時間為lns，響應(yīng)時間優(yōu)于現(xiàn)有的光纖探針技術(shù)的2-7ns; (4)利用兩個柱 面凸透鏡將激光束拉伸為片狀激光柱，提高了探測激光的利用率，降低了對激光器能量 的要求，由原來的100mw的探測光要求降低至20mw; (5)該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單緊湊，成本 底，可重復(fù)使用。能廣泛用于各種外力作用下自由面運動速度的測量。
4本發(fā)明的具體結(jié)構(gòu)由以下的附圖和實施例給出。 四


附圖是根據(jù)本發(fā)明所述自由端面運動速度測試系統(tǒng)的工作原理示意圖。 五
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖，以測量強(qiáng)激光沖擊下靶材的變形為例，對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。 參見附圖，根據(jù)本發(fā)明制作的自由端面運動速度測試系統(tǒng)，主要由探測激光器1 和脈沖激光器ll、柱面凸透鏡2，柱面凸透鏡3、狹縫4、聚焦透鏡6、帶放大電路的光 電二極管7、觸發(fā)用光電二極管8、示波器9、分光鏡IO、電子計算機(jī)12和單色濾波片 13組成。本實施例中探測激光器1為半導(dǎo)體連續(xù)激光器，其功率為20mw，輸出功率變 化小于0.01mw，波長為532nm,脈沖激光器11選擇高能激光器，它的單脈沖的能量為 300mJ，脈寬為10ns，波長為1064nm，狹縫4為可調(diào)狹縫，它可以根據(jù)被測區(qū)域的大 小調(diào)整狹縫大小。柱面凸透鏡2和柱面凸透鏡3、可調(diào)狹縫4、聚焦透鏡6以及帶放大 電路的光電二極管7依次設(shè)在同一光路上。半導(dǎo)體激光器1發(fā)出的連續(xù)激光經(jīng)過柱面凸 透鏡2和柱面凸透鏡3后被放大為狹長的片狀激光柱。高能脈沖激光器11位于可調(diào)狹 縫4與聚焦凸透鏡6之間光路上的垂直方向，被測靶材5為銅膜，厚度為40um，它在 測試時置于可調(diào)狹縫4與聚焦透鏡6之間測試光與作用光的接合部并與探測光平行，使 其受力后的運動方向與測試光路的方向相互垂直。當(dāng)高能脈沖激光器11發(fā)射出激光作 用在耙材5上時，形成沖擊波，沖擊被測靶材5，使被測靶材5在運動過程中形成沿作 用力方向的變形突起，突起的靶材5即會擋住由半導(dǎo)體激光器1發(fā)出的激光柱。擋光量 的變化引起光電二極管及放大電路7輸出的電壓信號的變化，由示波器9記錄下來，輸 入計算機(jī)12處理后就能得到靶材5的空間分布隨時間的變化。在脈沖激光器11光路上 設(shè)置分光鏡IO，光電二極管8位于分光鏡10的反射光路上接受反射光，其輸出的電信 號與數(shù)字示波器9的接收端相連，它主要為示波器9提供觸發(fā)信號。
本發(fā)明適用的被測自由端面可以是靶材在激光沖擊下的運動端面，也可是子彈，發(fā) 動機(jī)渦輪等自由端面的運動速度。
權(quán)利要求
1、一種自由端面運動速度測試系統(tǒng)，它包括激光器、光學(xué)組件、光電管、數(shù)字示波器[9]及電子計算機(jī)[12]，其特征是系統(tǒng)采用兩個激光器，一個用于測試的連續(xù)激光器[1]和提供作用力的脈沖激光器[2]，其中探測用的連續(xù)激光器[1]與光學(xué)組件的柱面凸透鏡[2]、柱面凸透鏡[3]、狹縫[4]、聚焦透鏡[6]、濾波片[13]以及一個光電二極管[7]依次設(shè)置在同一個光路上，光電二極管[7]帶有放大電路，其輸出端與數(shù)字示波器[9]的接收端相連，數(shù)字示波器[9]的輸出接電子計算機(jī)[12]；脈沖激光器[11]位于狹縫[4]與聚焦透鏡[6]之間光路的垂直上方，在該脈沖激光器[11]的光路上設(shè)置有分光鏡[10]，分光鏡的反射光路上設(shè)置有另一個光電二極管[8]，光電二極管[8]的輸出與數(shù)字示波器[9]的接收端相連，以觸發(fā)示波器[9]；被測自由端面[5]要平行于探測光路且與脈沖激光器的光路相垂直。
2、根據(jù)權(quán)利要求所述自由端面運動速度測試系統(tǒng)，其特征是被測自由端面[5]受 力后的端面運動的方向與測試光路相互垂直。
3、根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的自由端面速度測試系統(tǒng)，其特征是狹縫[4]為可 調(diào)狹縫。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種自由端面速度測試系統(tǒng)，它主要由連續(xù)激光器、柱面凸透鏡、可調(diào)狹縫、光電二極管和數(shù)字示波器等組成。它是利用被測自由端面在受力變形時的擋光而造成光電二極管光通量的變化，進(jìn)而引起的電壓信號的變化來計算自由端面的運動速度隨時間變化的空間分布，根據(jù)位置時間關(guān)系通過程序快速計算處理，得出自由端面的運動速度。本發(fā)明不受沖擊壓力大小的影響，采用連續(xù)激光器作為探測光源，以每2ns記錄一次自由端面的位置信號，所以能夠做到準(zhǔn)連續(xù)測量，記錄自由端面運動的整個過程；系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，成本低，激光的利用率高，可廣泛應(yīng)用與自由端面的速度測量。
文檔編號G01P3/64GK101487848SQ20081001925
公開日2009年7月22日 申請日期2008年1月18日 優(yōu)先權(quán)日2008年1月18日
發(fā)明者倪曉武, 罡 戴, 沈中華, 建 陸 申請人:南京理工大學(xué)