專利名稱：一種檢測(cè)超高應(yīng)變率下材料表面動(dòng)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(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種檢測(cè)超高應(yīng)變率下材料表面動(dòng)態(tài)響應(yīng)的方法和裝置。它利用高功率(109w/cm2)短脈沖(ns級(jí))激光高應(yīng)變率(IO7s-1)動(dòng)態(tài)直接加載試樣的表面，利用PVDF壓電薄膜檢測(cè)激光加載過(guò)程中材料表面的動(dòng)態(tài)應(yīng)變，根據(jù)采集的動(dòng)態(tài)應(yīng)變曲線分析超高應(yīng)變率下材料的動(dòng)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(qiáng)化技術(shù)是一種利用高功率(109w/cm2)短脈沖(ns級(jí))激光與材料相互作用過(guò)程中產(chǎn)生的高壓沖擊應(yīng)力波(GPa級(jí))的力效應(yīng)來(lái)改善金屬機(jī)械性能的一種表面改性技術(shù)。激光加載過(guò)程的平均應(yīng)變率可達(dá)IO6 IO7s-1,這是目前實(shí)驗(yàn)室所能實(shí)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(dòng)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(guò)檢測(cè)激光沖擊過(guò)程中材料表面的動(dòng)態(tài)應(yīng)變曲線來(lái)研究材料在超高應(yīng)變率下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。激光誘導(dǎo)等離子沖擊波具有作用時(shí)間短(ns級(jí))、壓力大(GPa級(jí))的特點(diǎn)，給實(shí)驗(yàn)測(cè)量材料表面的動(dòng)態(tài)應(yīng)變帶來(lái)了很大的困難。傳統(tǒng)的動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)量方式基本上是利用電阻應(yīng)變片組成測(cè)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(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)。例如專利CN201096560公開了一種沖壓模具動(dòng)態(tài)應(yīng)力應(yīng)變測(cè)量裝置，包括應(yīng)變花、電阻式應(yīng)變片、電橋盒、動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀、位移傳感器、工業(yè)計(jì)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(jì)方式，都會(huì)影響動(dòng)態(tài)測(cè)量的精度和范圍，同時(shí)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(dòng)態(tài)響應(yīng)頻率較低，無(wú)法對(duì)超高應(yīng)變率下材料的動(dòng)態(tài)應(yīng)變進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)。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(dòng)態(tài)響應(yīng)快(ns量級(jí))、頻響范圍寬(0.1Hz 幾個(gè)GHz)和靈敏度高的優(yōu)點(diǎn)。不但可以應(yīng)用于沖擊壓力的測(cè)量，同時(shí)也可用于平面動(dòng)態(tài)應(yīng)變的測(cè)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(qiáng)化技術(shù)的檢測(cè)超高應(yīng)變率下材料表面動(dòng)態(tài)響應(yīng)的方法；本發(fā)明還同時(shí)提供了一種檢測(cè)超高應(yīng)變率下材料表面動(dòng)態(tài)響應(yīng)的裝置。本發(fā)明是通過(guò)如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:一種檢測(cè)超高應(yīng)變率下材料表面動(dòng)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(shí)時(shí)采集兩個(gè)PVDF壓電薄膜的壓電信號(hào)，并將所述壓電信號(hào)轉(zhuǎn)換成應(yīng)變信號(hào);(4)根據(jù)所述應(yīng)變信號(hào)分析高應(yīng)變率下材料的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。本發(fā)明還提供了一種檢測(cè)超高應(yīng)變率下材料表面動(dòng)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(hào)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(cè)工件的表面；所述待檢測(cè)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(duì)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(tái)和進(jìn)給機(jī)構(gòu)，工作臺(tái)安裝在進(jìn)給機(jī)構(gòu)上，夾具安裝在工作臺(tái)上，待檢測(cè)工件安裝在夾具內(nèi)；進(jìn)給機(jī)構(gòu)與電控柜相連，通過(guò)工控機(jī)的控制可實(shí)現(xiàn)工作臺(tái)的X-Y平面運(yùn)動(dòng)；所述信號(hào)采集系統(tǒng)包括兩個(gè)PVDF壓電薄膜、兩個(gè)電阻、光電二極管和示波器，兩個(gè)PVDF壓電薄膜分別粘貼在待檢測(cè)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(gè)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(hào)；示波器的輸出端與工控機(jī)相連，利用工控機(jī)對(duì)示波器的輸出信號(hào)進(jìn)行計(jì)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(qiáng)化技術(shù)的檢測(cè)超高應(yīng)變率下材料表面動(dòng)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(dòng)態(tài)直接加載試樣表面，利用PVDF壓電薄膜檢測(cè)激光加載過(guò)程中材料表面的動(dòng)態(tài)應(yīng)變，根據(jù)動(dòng)態(tài)應(yīng)變曲線分析材料在超高應(yīng)變率下的動(dòng)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(guò)程的平均應(yīng)變率可達(dá)IO6 IO7s-1,屬于非接觸加載，能實(shí)現(xiàn)多次重復(fù)加載。同時(shí)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(cè)激光加載過(guò)程中材料表面的動(dòng)態(tài)應(yīng)變，根據(jù)動(dòng)態(tài)應(yīng)變曲線分析材料在超高應(yīng)變率下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。PVDF壓電薄膜粘貼在沖擊光斑區(qū)域外，同時(shí)待檢測(cè)工件表面涂布有與沖擊光斑面積對(duì)應(yīng)的吸收層，避免了激光沖擊熱效應(yīng)對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。(3)本發(fā)明的測(cè)量原理明確，設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，響應(yīng)頻率高，測(cè)量精度高。


圖1是本發(fā)明所述檢測(cè)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(shí)間曲線圖；圖4是經(jīng)計(jì)算得到的高應(yīng)變率下2024鋁合金表面的應(yīng)變-時(shí)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(cè)工件9.夾具10.工作臺(tái)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(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)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(shuō)明，以下實(shí)施例用來(lái)說(shuō)明本發(fā)明，但不限制本發(fā)明。本發(fā)明提供了一種檢測(cè)超高應(yīng)變率下材料表面動(dòng)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(cè)激光加載過(guò)程中材料表面的動(dòng)態(tài)應(yīng)變，根據(jù)動(dòng)態(tài)應(yīng)變曲線分析材料在超高應(yīng)變率下的動(dòng)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(shí)時(shí)采集兩個(gè)PVDF壓電薄膜的壓電信號(hào)，并通過(guò)計(jì)算式將所述壓電信號(hào)轉(zhuǎn)換成應(yīng)變信號(hào)；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(dòng)效應(yīng)，通常用d31，d32來(lái)表示；后者是指壓電材料垂直于膜面的縱向振動(dòng)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?cè)跇O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(cè)的是激光沖擊過(guò)程中光斑周圍區(qū)域材料的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，垂直于膜面的振動(dòng)效應(yīng)可以忽略不計(jì)。輸出電荷Q= Cd31 ε 1+d32 ε 2)EpvdfS0示波器輸出的是電壓信號(hào)，連接示波器時(shí)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(hào)。在t時(shí)刻PVDF壓電薄膜上轉(zhuǎn)移電荷Q(t)與
電壓信號(hào)V (t)之間滿足:
權(quán)利要求
1.一種檢測(cè)超高應(yīng)變率下材料表面動(dòng)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(shí)時(shí)采集兩個(gè)PVDF壓電薄膜的壓電信號(hào)，并將所述壓電信號(hào)轉(zhuǎn)換成應(yīng)變信號(hào)； (4)根據(jù)所述應(yīng)變信號(hào)分析高應(yīng)變率下材料的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的檢測(cè)超高應(yīng)變率下材料表面動(dòng)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(cè)工件表面涂布一與激光沖擊光斑區(qū)域面積對(duì)應(yīng)的吸收層。
3.—種檢測(cè)超高應(yīng)變率下材料表面動(dòng)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(hào)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(cè)工件的表面；所述待檢測(cè)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(duì)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(tái)和進(jìn)給機(jī)構(gòu)，工作臺(tái)安裝在進(jìn)給機(jī)構(gòu)上，夾具安裝在工作臺(tái)上，待檢測(cè)工件安裝在夾具內(nèi)；進(jìn)給機(jī)構(gòu)與電控柜相連，通過(guò)工控機(jī)的控制可實(shí)現(xiàn)工作臺(tái)的X-Y平面運(yùn)動(dòng)； 所述信號(hào)采集系統(tǒng)包括兩個(gè)PVDF壓電薄膜、兩個(gè)電阻、光電二極管和示波器，兩個(gè)PVDF壓電薄膜分別粘貼在待檢測(cè)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(gè)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(hào)；示波器的輸出端與工控機(jī)相連，利用工控機(jī)對(duì)示波器的輸出信號(hào)進(jìn)行計(jì)算處理。
全文摘要
本發(fā)明提出了一種檢測(cè)超高應(yīng)變率下材料表面動(dòng)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(shí)時(shí)采集兩個(gè)PVDF壓電薄膜的壓電信號(hào)，并將所述壓電信號(hào)轉(zhuǎn)換成應(yīng)變信號(hào)；(4)根據(jù)所述應(yīng)變信號(hào)分析高應(yīng)變率下材料的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。本發(fā)明屬于非接觸加載，能實(shí)現(xiàn)多次重復(fù)加載；同時(shí)激光參數(shù)可調(diào)，方便改變加載條件。本發(fā)明的測(cè)量原理明確，設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，響應(yīng)頻率高，測(cè)量精度高。本發(fā)明還同時(shí)提供了一種檢測(cè)超高應(yīng)變率下材料表面動(dòng)態(tài)響應(yīng)的裝置。
文檔編號(hào)G01N27/00GK103105416SQ20131001337
公開日2013年5月15日 申請(qǐng)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(qǐng)人:溫州大學(xué), 江蘇大學(xué)