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一種檢測超高應(yīng)變率下材料表面動態(tài)響應(yīng)的方法和裝置的制作方法

文檔序號:6179358閱讀:585來源:國知局
專利名稱:一種檢測超高應(yīng)變率下材料表面動態(tài)響應(yīng)的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明涉及材料測量技術(shù)領(lǐng)域,特別涉及一種檢測超高應(yīng)變率下材料表面動態(tài)響應(yīng)的方法和裝置。它利用高功率(109w/cm2)短脈沖(ns級)激光高應(yīng)變率(IO7s-1)動態(tài)直接加載試樣的表面,利用PVDF壓電薄膜檢測激光加載過程中材料表面的動態(tài)應(yīng)變,根據(jù)采集的動態(tài)應(yīng)變曲線分析超高應(yīng)變率下材料的動態(tài)響應(yīng)。
背景技術(shù)
材料的應(yīng)變率 變化范圍可分為四類:蠕變(應(yīng)變率范圍ιοΛ—1 IO-fV1X準(zhǔn)靜態(tài)(KTfV1 10°8_0、高應(yīng)變率(K^s—1 IO4s-1)和超高應(yīng)變率(IO4s-1 IO8s-1 )。激光沖擊強化技術(shù)是一種利用高功率(109w/cm2)短脈沖(ns級)激光與材料相互作用過程中產(chǎn)生的高壓沖擊應(yīng)力波(GPa級)的力效應(yīng)來改善金屬機(jī)械性能的一種表面改性技術(shù)。激光加載過程的平均應(yīng)變率可達(dá)IO6 IO7s-1,這是目前實驗室所能實現(xiàn)的最高壓力和應(yīng)變率水平。激光誘導(dǎo)的沖擊波為研究材料在超高應(yīng)變率和極高壓力下的本構(gòu)行為、動態(tài)斷裂以及沖擊波傳播規(guī)律提供了一種十分有效的加載手段。因此,可以通過檢測激光沖擊過程中材料表面的動態(tài)應(yīng)變曲線來研究材料在超高應(yīng)變率下的動態(tài)響應(yīng)。激光誘導(dǎo)等離子沖擊波具有作用時間短(ns級)、壓力大(GPa級)的特點,給實驗測量材料表面的動態(tài)應(yīng)變帶來了很大的困難。傳統(tǒng)的動態(tài)應(yīng)變測量方式基本上是利用電阻應(yīng)變片組成測量電橋形式,結(jié)合相應(yīng)的外圍電路,采用調(diào)頻的方式形成動態(tài)應(yīng)變測量系統(tǒng)。例如專利CN201096560公開了一種沖壓模具動態(tài)應(yīng)力應(yīng)變測量裝置,包括應(yīng)變花、電阻式應(yīng)變片、電橋盒、動態(tài)應(yīng)變儀、位移傳感器、工業(yè)計算機(jī)等。然而,電阻應(yīng)變片本身的機(jī)械滯后特性以及外圍電路的設(shè)計方式,都會影響動態(tài)測量的精度和范圍,同時電阻應(yīng)變片和外圍電路的響應(yīng)頻率相比超高應(yīng)變率下材料的動態(tài)響應(yīng)頻率較低,無法對超高應(yīng)變率下材料的動態(tài)應(yīng)變進(jìn)行實時檢測。PVDF壓電薄膜是一種新型的高分子壓電材料,與一般壓電材料的區(qū)別在于其具有良好的韌性,可以根據(jù)需要加工成任意面積、形狀的結(jié)構(gòu)。它具有動態(tài)響應(yīng)快(ns量級)、頻響范圍寬(0.1Hz 幾個GHz)和靈敏度高的優(yōu)點。不但可以應(yīng)用于沖擊壓力的測量,同時也可用于平面動態(tài)應(yīng)變的測量。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提出一種基于PVDF壓電薄膜技術(shù)和激光沖擊強化技術(shù)的檢測超高應(yīng)變率下材料表面動態(tài)響應(yīng)的方法;本發(fā)明還同時提供了一種檢測超高應(yīng)變率下材料表面動態(tài)響應(yīng)的裝置。本發(fā)明是通過如下技術(shù)方案實現(xiàn)的:一種檢測超高應(yīng)變率下材料表面動態(tài)響應(yīng)的方法,包括以下步驟:(1)在材料表面預(yù)先劃定的激光沖擊光斑區(qū)域外分別沿光斑徑向方向和垂直徑向方向粘貼PVDF壓電薄膜;
(2)利用高功率短脈沖激光沖擊材料表面,使材料處于超高應(yīng)變率加載;所述材料表面的光斑區(qū)域與預(yù)先劃定的激光沖擊光斑區(qū)域一致;(3)實時采集兩個PVDF壓電薄膜的壓電信號,并將所述壓電信號轉(zhuǎn)換成應(yīng)變信號;(4)根據(jù)所述應(yīng)變信號分析高應(yīng)變率下材料的動態(tài)響應(yīng)。本發(fā)明還提供了一種檢測超高應(yīng)變率下材料表面動態(tài)響應(yīng)的裝置,包括激光系統(tǒng)、支撐架、夾具系統(tǒng)、信號采集系統(tǒng)、定位系統(tǒng)、電控柜和工控機(jī);所述激光系統(tǒng)包括脈沖激光器、擴(kuò)束鏡、反光鏡和聚焦鏡,擴(kuò)束鏡和反光鏡安裝在支撐架上,脈沖激光器與電控柜和工控機(jī)相連,脈沖激光器發(fā)出的激光束經(jīng)擴(kuò)束鏡、反光鏡和聚焦鏡后匯聚在待檢測工件的表面;所述待檢測工件的表面涂布有吸收層,所述吸收層的涂布面積與激光光斑面積對應(yīng);所述定位系統(tǒng)安裝在支撐架上,用于發(fā)射出定位激光束;所述定位系統(tǒng)與電控柜相連;電控柜與工控機(jī)相連;所述夾具系統(tǒng)包括夾具、工作臺和進(jìn)給機(jī)構(gòu),工作臺安裝在進(jìn)給機(jī)構(gòu)上,夾具安裝在工作臺上,待檢測工件安裝在夾具內(nèi);進(jìn)給機(jī)構(gòu)與電控柜相連,通過工控機(jī)的控制可實現(xiàn)工作臺的X-Y平面運動;所述信號采集系統(tǒng)包括兩個PVDF壓電薄膜、兩個電阻、光電二極管和示波器,兩個PVDF壓電薄膜分別粘貼在待檢測工件表面沖擊光斑區(qū)域外的光斑徑向方向和垂直徑向方向,所述電阻并聯(lián)在PVDF壓電薄膜的兩極;兩個PVDF壓電薄膜均與示波器相連,光電二極管的一端與示波器相連,另一端接收激光作為示波器的觸發(fā)信號;示波器的輸出端與工控機(jī)相連,利用工控機(jī)對示波器的輸出信號進(jìn)行計算處理。本發(fā)明提出一種基于PVDF壓電薄膜技術(shù)和激光沖擊強化技術(shù)的檢測超高應(yīng)變率下材料表面動態(tài)響應(yīng)的方法與裝置。它利用高功率短脈沖激光高應(yīng)變率動態(tài)直接加載試樣表面,利用PVDF壓電薄膜檢測激光加載過程中材料表面的動態(tài)應(yīng)變,根據(jù)動態(tài)應(yīng)變曲線分析材料在超高應(yīng)變率下的動態(tài)響應(yīng)。本發(fā)明具有如下有益效果:(I)本發(fā)明利用高功率短脈沖激光沖擊材料表面,使材料處于超高應(yīng)變率加載。加載過程的平均應(yīng)變率可達(dá)IO6 IO7s-1,屬于非接觸加載,能實現(xiàn)多次重復(fù)加載。同時激光參數(shù)可調(diào),方便改變加載條件。(2)本發(fā)明利用PVDF壓電薄膜檢測激光加載過程中材料表面的動態(tài)應(yīng)變,根據(jù)動態(tài)應(yīng)變曲線分析材料在超高應(yīng)變率下的動態(tài)響應(yīng)。PVDF壓電薄膜粘貼在沖擊光斑區(qū)域外,同時待檢測工件表面涂布有與沖擊光斑面積對應(yīng)的吸收層,避免了激光沖擊熱效應(yīng)對測量結(jié)果的影響。(3)本發(fā)明的測量原理明確,設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單,響應(yīng)頻率高,測量精度高。


圖1是本發(fā)明所述檢測裝置的結(jié)構(gòu)示意圖;圖2是本發(fā)明所述PVDF壓電薄膜粘貼示意圖;圖3是示波器輸出的電壓-時間曲線圖;圖4是經(jīng)計算得到的高應(yīng)變率下2024鋁合金表面的應(yīng)變-時間曲線1.激光器2.擴(kuò)束鏡3.反光鏡4.聚焦鏡5.支撐架6.PVDF壓電薄膜7.吸收層
8.待檢測工件9.夾具10.工作臺11.進(jìn)給機(jī)構(gòu)12.光電二極管13.電阻14.示波器15.定位裝置16.電控柜17.工控機(jī)。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明提出的方法及裝置的細(xì)節(jié)和工作情況作進(jìn)一步說明,以下實施例用來說明本發(fā)明,但不限制本發(fā)明。本發(fā)明提供了一種檢測超高應(yīng)變率下材料表面動態(tài)響應(yīng)的方法,利用高功率短脈沖激光沖擊材料表面,使材料處于超高應(yīng)變率加載,利用PVDF壓電薄膜檢測激光加載過程中材料表面的動態(tài)應(yīng)變,根據(jù)動態(tài)應(yīng)變曲線分析材料在超高應(yīng)變率下的動態(tài)響應(yīng)。該方法包括以下步驟:(I)激光加載前,在材料表面預(yù)先劃定的激光沖擊光斑區(qū)域外分別沿光斑徑向方向和垂直徑向方向粘貼PVDF壓電薄膜;(2)利用高功率短脈沖激光沖擊材料表面,使材料處于超高應(yīng)變率加載;所述材料表面的光斑區(qū)域與預(yù)先劃定的激光沖擊光斑區(qū)域一致; (3 )用示波器實時采集兩個PVDF壓電薄膜的壓電信號,并通過計算式將所述壓電信號轉(zhuǎn)換成應(yīng)變信號;PVDF壓電薄膜的壓電效應(yīng)分為壓電橫向效應(yīng)和壓電縱向效應(yīng)兩種。前者是指壓電材料與薄膜面平行的伸縮振動效應(yīng),通常用d31,d32來表示;后者是指壓電材料垂直于膜面的縱向振動效應(yīng),通常用d33表示。PVDF壓電薄膜的電荷輸出是它所有方向的應(yīng)變在極化方向上作用的響應(yīng)。輸出電荷Q= Σ d3JEPVDF ε」S,式中S為PVDF壓電薄膜電極所覆蓋的面積(m2),EPVDF為PVDF壓電薄膜的彈性模量(N/m2),ε j為應(yīng)變(j=1 3),d3J為壓電應(yīng)變常數(shù)(j=l 3)。PVDF壓電薄膜粘貼在激光沖擊光斑區(qū)域外,檢測的是激光沖擊過程中光斑周圍區(qū)域材料的動態(tài)響應(yīng),垂直于膜面的振動效應(yīng)可以忽略不計。輸出電荷Q= Cd31 ε 1+d32 ε 2)EpvdfS0示波器輸出的是電壓信號,連接示波器時在PVDF壓電薄膜的兩極并聯(lián)一電阻R,用光電二極管接收激光作為不波器的觸發(fā)信號。在t時刻PVDF壓電薄膜上轉(zhuǎn)移電荷Q(t)與
電壓信號V (t)之間滿足:
權(quán)利要求
1.一種檢測超高應(yīng)變率下材料表面動態(tài)響應(yīng)的方法,其特征在于,包括以下步驟: (1)在材料表面預(yù)先劃定的激光沖擊光斑區(qū)域外分別沿光斑徑向方向和垂直徑向方向粘貼PVDF壓電薄膜; (2)利用高功率短脈沖激光沖擊材料表面,使材料處于超高應(yīng)變率加載;所述材料表面的光斑區(qū)域與預(yù)先劃定的激光沖擊光斑區(qū)域一致; (3)實時采集兩個PVDF壓電薄膜的壓電信號,并將所述壓電信號轉(zhuǎn)換成應(yīng)變信號; (4)根據(jù)所述應(yīng)變信號分析高應(yīng)變率下材料的動態(tài)響應(yīng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的檢測超高應(yīng)變率下材料表面動態(tài)響應(yīng)的方法,其特征在于,步驟(I)之前還包括:在待檢測工件表面涂布一與激光沖擊光斑區(qū)域面積對應(yīng)的吸收層。
3.—種檢測超高應(yīng)變率下材料表面動態(tài)響應(yīng)的裝置,其特征在于,包括激光系統(tǒng)、支撐架、夾具系統(tǒng)、信號采集系統(tǒng)、定位系統(tǒng)、電控柜和工控機(jī); 所述激光系統(tǒng)包括脈沖激光器、擴(kuò)束鏡、反光鏡和聚焦鏡,擴(kuò)束鏡和反光鏡安裝在支撐架上,脈沖激光器與電控柜和工控機(jī)相連,脈沖激光器發(fā)出的激光束經(jīng)擴(kuò)束鏡、反光鏡和聚焦鏡后匯聚在待檢測工件的表面;所述待檢測工件的表面涂布有吸收層,所述吸收層的涂布面積與激光光斑面積對應(yīng); 所述定位系統(tǒng)安裝在支撐架上,用于發(fā)射出定位激光束;所述定位系統(tǒng)與電控柜相連;電控柜與工控機(jī)相連; 所述夾具系統(tǒng)包括夾具、工作臺和進(jìn)給機(jī)構(gòu),工作臺安裝在進(jìn)給機(jī)構(gòu)上,夾具安裝在工作臺上,待檢測工件安裝在夾具內(nèi);進(jìn)給機(jī)構(gòu)與電控柜相連,通過工控機(jī)的控制可實現(xiàn)工作臺的X-Y平面運動; 所述信號采集系統(tǒng)包括兩個PVDF壓電薄膜、兩個電阻、光電二極管和示波器,兩個PVDF壓電薄膜分別粘貼在待檢測工件表面沖擊光斑區(qū)域外的光斑徑向方向和垂直徑向方向,所述電阻并聯(lián)在PVDF壓電薄膜的兩極;兩個PVDF壓電薄膜均與示波器相連,光電二極管的一端與示波器相連,另一端接收激光作為示波器的觸發(fā)信號;示波器的輸出端與工控機(jī)相連,利用工控機(jī)對示波器的輸出信號進(jìn)行計算處理。
全文摘要
本發(fā)明提出了一種檢測超高應(yīng)變率下材料表面動態(tài)響應(yīng)的方法,包括(1)在材料表面預(yù)先劃定的激光沖擊光斑區(qū)域外分別沿光斑徑向方向和垂直徑向方向粘貼PVDF壓電薄膜;(2)利用高功率短脈沖激光沖擊材料表面,使材料處于超高應(yīng)變率加載;(3)實時采集兩個PVDF壓電薄膜的壓電信號,并將所述壓電信號轉(zhuǎn)換成應(yīng)變信號;(4)根據(jù)所述應(yīng)變信號分析高應(yīng)變率下材料的動態(tài)響應(yīng)。本發(fā)明屬于非接觸加載,能實現(xiàn)多次重復(fù)加載;同時激光參數(shù)可調(diào),方便改變加載條件。本發(fā)明的測量原理明確,設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單,響應(yīng)頻率高,測量精度高。本發(fā)明還同時提供了一種檢測超高應(yīng)變率下材料表面動態(tài)響應(yīng)的裝置。
文檔編號G01N27/00GK103105416SQ20131001337
公開日2013年5月15日 申請日期2013年1月14日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月14日
發(fā)明者馮愛新, 施芬, 薛偉, 顧永玉 申請人:溫州大學(xué), 江蘇大學(xué)
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