專利名稱：數(shù)字激光動態(tài)焦散線實驗方法和系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種動態(tài)光測力學實驗方法，特別涉及一種研究裂紋尖端奇異性和應(yīng)力集中程度的數(shù)字激光動態(tài)焦散線實驗方法以及實現(xiàn)此方法的系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
在國內(nèi)外針對斷裂問題的研究中，光測斷裂力學是動態(tài)斷裂研究中首選的實驗方法，它主要包括動態(tài)光彈、動態(tài)焦散線、云紋及云紋干涉法、CGS(相干梯度傳感方法)等實驗方法。除了焦散線實驗方法，在遇到因裂紋尖端附近區(qū)域應(yīng)力急劇變化導致的裂紋尖端應(yīng)力奇異性問題外，其它實驗方法都遇到了許多具體困難。而在焦散線實驗方法中，焦散斑的特征長度為裂紋尖端的應(yīng)力強化程度提供了一種定量的度量，其測試技術(shù)簡單、精度高， 可以確定關(guān)于時間、裂紋長度、裂紋傳播速度和裂紋尖端的動態(tài)應(yīng)力強度因子等參數(shù)，是宏觀斷裂參數(shù)測量的有效手段，在動態(tài)斷裂力學研究中得到了廣泛應(yīng)用，形成了獨特的光測斷裂力學測試技術(shù)。在高速的動態(tài)斷裂過程中，比如沖擊和爆炸加載情況下，由于物體中的裂紋擴展速度非?？?，而要捕捉并記錄下其裂紋尖端焦散斑的變化情景，對高速攝影裝置的要求非常高。目前國內(nèi)外大多采用單幅高速攝影機，比如北京大學研制的多火花式高速攝影系統(tǒng) (CGS型)。該攝影系統(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力閃光來照明，使底片曝光，記錄下實驗過程。由該高速攝影系統(tǒng)、 場鏡組合、光電校核裝置、加載裝置和控制器等組成了動態(tài)焦散線實驗系統(tǒng)，實現(xiàn)了高速動態(tài)斷裂中裂紋擴展的觀測與記錄。但是，由于該實驗系統(tǒng)需要延遲控制器、光電裝置等來控制和校核火花的放電時刻，導致攝影的效果不易控制；且采用的底片為傳統(tǒng)的光學物理膠片，對實驗人員的操作要求較嚴格；這些導致實驗的成功率不高。隨著科學技術(shù)的發(fā)展，特別是隨著數(shù)碼技術(shù)的進步，對動態(tài)焦散線實驗系統(tǒng)進行改進，就成為必然。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于建立數(shù)字激光動態(tài)焦散線實驗系統(tǒng)，實現(xiàn)數(shù)字激光動態(tài)焦散線實驗設(shè)備的創(chuàng)新。本發(fā)明所述的數(shù)字激光動態(tài)焦散線實驗方法，具體的技術(shù)步驟如下首先，選取激光器作為實驗光源。選用激光器作為實驗光源設(shè)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；另一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。在實驗中，通過采用與數(shù)碼高速攝影機光感應(yīng)最匹配波長對應(yīng)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，使焦散線的呈現(xiàn)過程更直觀、明了。
接著，利用擴束鏡將激光器發(fā)出的線光束變成面光束，再經(jīng)場鏡將面光束變成平行光后，入射到試件，最后，經(jīng)另一場鏡將平行光匯聚到對應(yīng)位置上的數(shù)碼高速攝影機上。此過程中，激光發(fā)出持續(xù)、穩(wěn)定、高亮的光波，經(jīng)過擴束鏡變線光束為面光束后，再經(jīng)場鏡組合將其變?yōu)槠叫泄獠⑷肷涞皆嚰蛥⒖计矫嫣帯Ｔ谠嚰艿捷d荷之前，試件沒有變形，光束沿原方向傳播。數(shù)碼高速攝影機不會采集此時的試件圖像信息，數(shù)碼高速攝影機處于不工作狀態(tài)。最后，設(shè)置數(shù)碼高速攝影機上的拍攝參數(shù)，使參數(shù)設(shè)置符合數(shù)碼高速攝影機對加載過程的拍攝需要，并以參考平面為數(shù)碼高速攝影機的聚焦平面進行對焦。當啟動與試件固定的加載裝置時，同時控制數(shù)碼高速攝影機開始記錄，完成成像過程，而電腦也會同步收集數(shù)碼高速攝影機拍攝的圖像信息，匯總、比較、分析后展現(xiàn)在顯示屏上，實驗過程完成。此過程中，試件施加荷載后，試件發(fā)生變形，在變形區(qū)光的傳播方向會發(fā)生偏轉(zhuǎn)， 這樣在試件后的某些位置處，光強將發(fā)生變化，出現(xiàn)了暗斑(即為焦散斑)，由于激光為連續(xù)照射，同時，數(shù)碼高速攝影機為連續(xù)拍攝，故這個動態(tài)變化過程被高速攝影機完全記錄下來，為后期的對比、甄別提供了便利，避免了以往圖像采集時曝光不準確、成像效果差、圖像采集時間不易把控的弊端。其中，數(shù)碼高速攝影機采用CCD元件，把光信號轉(zhuǎn)換為電信號，并存儲起來，再通過電腦監(jiān)視器顯示出來，實現(xiàn)了用數(shù)字記錄焦散線的過程。激光器與數(shù)碼高速攝影機組成的高速攝影系統(tǒng)，實現(xiàn)了對焦散線的動態(tài)數(shù)字記錄，保證了對動態(tài)過程的連續(xù)觀測。通過調(diào)節(jié)數(shù)碼高速攝影機的拍攝參數(shù)，便可實現(xiàn)對不同動態(tài)裂紋擴展現(xiàn)象的清晰記錄，取代了傳統(tǒng)的延遲控制和光電校核設(shè)備，拍攝精準度高、拍攝效果好、拍攝可控性強。一種數(shù)字激光動態(tài)焦散線實驗系統(tǒng)，包括激光器、擴束器、場鏡組合、加載裝置、同步控制開關(guān)、數(shù)碼高速攝影機和電腦。激光器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不同實驗要求的需要，從而完成激光器的型號選擇。為充分利用激光的特性，在激光器的照射通路上首先設(shè)有擴束器，擴束器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。場鏡組合位于擴束器的后續(xù)光路傳送通道上，場鏡組合將擴束器傳導出的面光束變成平行光后，再經(jīng)匯聚后傳出。試件位于場鏡組合的平行光區(qū)域內(nèi)，保證了試件照射過程和后期圖像采集過程的準確性。數(shù)碼高速攝影機位于場鏡組合輸出端的焦點上，其負責對試件圖像的隨時采集， 記錄試件加載后的裂紋擴展過程。試件固定在加載裝置上，加載裝置包括沖擊加載和爆炸加載，以實現(xiàn)試件動態(tài)裂紋的擴展。為進一步保證記錄過程及時、有效，在加載裝置和數(shù)碼高速攝影機之間還連接有同步控制開關(guān)。隨著加載裝置的啟動，同步控制開關(guān)同步控制數(shù)碼高速攝影機開啟，使得數(shù)碼高速攝影機的記錄過程可以與動態(tài)裂紋加載過程相配合，在激光的連續(xù)、穩(wěn)定照射下，對裂紋擴展過程進行及時、準確記錄。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(guān)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)觀察焦散線擴展過程提供了方便。本發(fā)明所述的數(shù)字激光動態(tài)焦散線實驗方法和系統(tǒng)，其有益效果包括I、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，在普通實驗室內(nèi)即可進行實驗操作，得到清晰且連續(xù)的焦散線圖像。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)對不同實驗場景下焦散線的實時記錄。3、數(shù)碼照片的實現(xiàn)，大大降低了試驗成本，且使得后期的數(shù)據(jù)處理和對比分析過程變的簡單、方便。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，因而大大增加了實驗的穩(wěn)定性，實驗效果好且試驗成功率高。


圖I為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)原理圖。
具體實施例方式本發(fā)明的中心思想是通過改變攝影記錄設(shè)備，采用激光器和數(shù)碼高速攝影機組合的高速攝影系統(tǒng)，與焦散線實驗系統(tǒng)相結(jié)合，得到激光數(shù)碼焦散線照片，實現(xiàn)動態(tài)焦散線實驗設(shè)備和方法的突破。下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進一步詳細的描述如圖I所示，本發(fā)明所述的數(shù)字激光動態(tài)焦散線實驗方法，首先，選取激光器I作為實驗光源，激光器I發(fā)出穩(wěn)定、持續(xù)地激光后，經(jīng)擴束鏡2變?yōu)槌室欢ń嵌劝l(fā)散的面光束， 該光束經(jīng)過左場鏡3后變?yōu)槠叫泄猓⑷肷涞皆嚰?，光束再經(jīng)右場鏡4匯聚后，進入數(shù)碼高速攝影機5的鏡頭中。接著，設(shè)置數(shù)碼高速攝影機5上的拍攝參數(shù)，使其滿足加載實驗過程的具體需要，同時，調(diào)整數(shù)碼高速攝影機5的鏡頭對參考平面7處的像進行拍攝，即對焦平面在參考平面7處。然后啟動加載裝置，同時，通過同步控制開關(guān)9控制數(shù)碼高速攝影機 5開始記錄。在加載裝置的作用下，試件6發(fā)生變形，在變形區(qū)，光的傳播方向會發(fā)生偏轉(zhuǎn)， 在試件6后的參考平面7處，光強將發(fā)生變化，出現(xiàn)暗斑，即焦散斑，這些變化被數(shù)碼高速攝影機5全程記錄下后，最終，形成圖像發(fā)送到電腦8中，電腦8對圖像處理、匯總、對比后在顯示器上顯示出來，從而得出裂紋尖端應(yīng)力集中程度隨時間變化過程和裂紋擴展的行為參數(shù)，至此，整個實驗過程完成。其過程中，激光器I的照射為持續(xù)、穩(wěn)定、高亮度的照射，并且選擇的激光波長與數(shù)碼高速攝影機5光感應(yīng)波長相匹配，保證了曝光強度和連續(xù)拍攝的需要。此實驗方法不僅使動態(tài)焦散線的觀察過程方便、簡單，還大大縮短了實驗周期，提高了實驗準確性和精確度。下面對實現(xiàn)本實驗方法的數(shù)字激光動態(tài)焦散線實驗系統(tǒng)做進一步的描述如圖I所示，一種數(shù)字激光動態(tài)焦散線實驗系統(tǒng)，包括激光器I、擴束器2、場鏡組合、加載裝置、同步控制開關(guān)9、數(shù)碼高速攝影機5和電腦8。其中，場鏡組合包括對應(yīng)擺放的左場鏡3和右場鏡4，左場鏡3和右場鏡4通常為凸透鏡。激光器I的位置與擴束器2 相對應(yīng)，擴束器2位于激光器I和場鏡組合之間。左場鏡3負責將擴束器2傳出的面光束變成平行光束后，再經(jīng)右場鏡4匯聚傳出。試件6放于左場鏡3和右場鏡4之間的平行光區(qū)域內(nèi)。數(shù)碼高速攝影機5位于右場鏡4輸出端的焦點上，數(shù)碼高速攝影機5的鏡頭對參考平面7處的像進行拍攝，即對焦平面在參考平面7處。試件6固定在加載裝置上，為保證加載過程和拍攝過程同步進行，完整記錄焦散斑產(chǎn)生過程，在加載裝置和數(shù)碼高速攝影機5 之間還連接有同步控制開關(guān)9。電腦8則連接在數(shù)碼高速攝影機5的輸出端口上，電腦8可隨時接收并處理拍攝到的圖像。使用時，開啟激光器1，將激光通過擴束器2轉(zhuǎn)換成帶有一定角度的面光束，然后， 再經(jīng)左場鏡3轉(zhuǎn)換成平行光束后，照射在試件6表面上，接著，右場鏡4將平行光束再次聚焦后傳送到數(shù)碼高速攝影機5的鏡頭上。調(diào)整數(shù)碼高速攝影機5的控制參數(shù)與具體實驗要求相符，以參考平面7為對焦平面完成試件6的對焦過程，并保持與電腦8的連通狀態(tài)，設(shè)備調(diào)試完成。當啟動加載裝置時，同步控制開關(guān)9同時控制數(shù)碼高速攝影機5開啟，隨著焦散斑的出現(xiàn)，數(shù)碼高速攝影機5實時記錄其發(fā)生和擴展過程，并隨時將圖像發(fā)送到電腦8 中，通過電腦8中相應(yīng)軟件的分析、比對后，將結(jié)果最終呈現(xiàn)在顯示器上。其整個過程操作簡單、使用方便，實驗結(jié)果精準、可靠。
權(quán)利要求
1.數(shù)字激光動態(tài)焦散線實驗方法，其特征在于，具體步驟包括，a)選取激光器作為實驗光源；b)利用擴束鏡將激光器發(fā)出的線光束變成面光束，再經(jīng)場鏡將面光束變成平行光后， 入射到試件上，最后，經(jīng)另一場鏡將平行光匯聚到對應(yīng)位置上的數(shù)碼高速攝影機上；c)設(shè)置數(shù)碼高速攝影機上的拍攝參數(shù)，以參考平面為標準進行聚焦，啟動與試件固定的加載裝置，同時控制數(shù)碼高速攝影機記錄；d)電腦收集數(shù)碼高速攝影機拍攝的圖像信息，匯總并比較分析后展現(xiàn)在顯示屏上，實驗過程完成。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的數(shù)字激光動態(tài)焦散線實驗方法，其特征在于，所述激光器的照射過程為持續(xù)、穩(wěn)定、高亮度的照射。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的數(shù)字激光動態(tài)焦散線實驗方法，其特征在于，所述激光器的激光波長與數(shù)碼高速攝影機光感應(yīng)波長相匹配。
4.一種用于實現(xiàn)權(quán)利要求I所述實驗方法的數(shù)字激光動態(tài)焦散線實驗系統(tǒng)，其特征在于，包括激光器、擴束器、場鏡組合、加載裝置、同步控制開關(guān)、數(shù)碼高速攝影機和電腦，所述激光器的位置與擴束器相對應(yīng)，擴束器位于激光器和場鏡組合之間；所述場鏡組合使擴束器傳出的面光束變成平行光后，再經(jīng)匯聚后傳出，試件位于場鏡組合的平行光區(qū)域內(nèi)；所述數(shù)碼高速攝影機位于場鏡組合輸出端的焦點上；所述試件固定在加載裝置上；所述同步控制開關(guān)連接在加載裝置和數(shù)碼高速攝影機之間，同步控制開關(guān)控制數(shù)碼高速攝影機的開啟；所述電腦連接在數(shù)碼高速攝影機的輸出端口上。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的數(shù)字激光動態(tài)焦散線實驗系統(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(cè)與擴束器相對應(yīng)，后端凸透鏡的外側(cè)焦點與數(shù)碼高速攝影機相對。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種數(shù)字激光動態(tài)焦散線實驗方法和系統(tǒng)，包括激光器、擴束鏡、場鏡組合、加載裝置、同步控制開關(guān)、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)擴束鏡轉(zhuǎn)換后成為面光束，又經(jīng)場鏡組合變換成平行光束入射到試件表面，最后經(jīng)匯聚傳送到數(shù)碼高速攝影機的鏡頭中。隨著加載裝置的啟動，同步控制數(shù)碼高速攝影機開啟，完成試件上裂紋擴展過程的動態(tài)記錄，即數(shù)碼動態(tài)焦散線記錄。該系統(tǒng)可以對沖擊、爆破等動態(tài)斷裂實驗過程進行光測力學分析，且光路系統(tǒng)簡單、操作方便，不僅實驗成本低、周期短，而且可以對整個斷裂過程進行連續(xù)觀測，提高了實驗的精確度。
文檔編號G01N3/30GK102539254SQ201110366309
公開日2012年7月4日 申請日期2011年11月18日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月18日
發(fā)明者岳中文, 楊仁樹, 楊立云, 王雁冰 申請人:中國礦業(yè)大學(北京)