基于反射率變化的金屬材料表面動態(tài)溫度點測量系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種基于反射率變化的金屬材料表面動態(tài)溫度點測量系統(tǒng)，包括加熱光源，所述加熱光源連接有金屬樣品，金屬樣品上鍍有金屬膜層材料，金屬樣品設(shè)置在加熱光源射出的加熱激光束的路徑上，金屬樣品連接有反射光強變化測試系統(tǒng)，反射光強變化測試系統(tǒng)連接有光電轉(zhuǎn)換觸發(fā)器。本系統(tǒng)可獲取具有高熱導(dǎo)率特性、致使無法焊接熱電偶的如鋁合金、銅等常用金屬材料表面的動態(tài)溫度數(shù)據(jù)，實現(xiàn)金屬材料激光輻照熱效應(yīng)的分析與評估，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(dá)到提高激光能量利用效率、降低加工成本等經(jīng)濟(jì)利益。
【專利說明】
基于反射率變化的金屬材料表面動態(tài)溫度點測量系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本實用新型屬于光學(xué)領(lǐng)域的測量系統(tǒng)，具體涉及一種基于反射率變化的金屬材料表面動態(tài)溫度點測量系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]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。激光輻照金屬材料產(chǎn)生的熱效應(yīng)是激光與材料相互作用諸多效應(yīng)中的一種，溫度作為熱效應(yīng)中重要的表征參量，是材料激光輻照效應(yīng)及機(jī)理研究中需要首要測量的參量。因此，國、內(nèi)外一直都很重視金屬材料表面動態(tài)溫度測量系統(tǒng)與方法的建立及改進(jìn)，以滿足相關(guān)激光技術(shù)應(yīng)用的需求。
[0003]目前，國內(nèi)、外針對激光與材料相互作用研究中溫度效應(yīng)參數(shù)的測量，多以使用熱電偶、紅外熱像儀和輻射高溫計等器件或設(shè)備為主。鋁合金、銅等作為較為常用的金屬材料，由于其熱導(dǎo)率大的熱物理特性，現(xiàn)有的熱電偶焊接方式(放電焊接、激光焊接、氬弧焊接等)無法將熱電偶穩(wěn)固在材料未受激光輻照表面，實施測量。另外利用熱電偶對材料溫度的測量需要將其穩(wěn)固在測量位置，具有一定的空間尺寸要求，同時利用熱電偶進(jìn)行溫度測量，探頭與測量點達(dá)到溫度平衡需要一定的時間，使得其無法較好地獲取如材料在納秒時間尺度范圍內(nèi)的瞬態(tài)溫度變化歷史。紅外熱像儀對溫度的測量，需要以準(zhǔn)確地知道材料的發(fā)射率為前提，具有一定的局限性，同時產(chǎn)品級紅外熱像儀在測量響應(yīng)時間相對較慢，多為毫秒量級，無法滿足高于毫秒量級時間尺度范圍下的瞬態(tài)溫度測量；同時產(chǎn)品級紅外熱像儀響應(yīng)時間越快，儀器價格也越昂貴。輻射高溫計可較好地使用于2000K以上的溫度范圍，但對于室溫至1000K這一溫度范圍無法實現(xiàn)準(zhǔn)確測量。
【實用新型內(nèi)容】
[0004]為得到激光輻照過程中，具有高熱導(dǎo)率、致使無法焊接熱電偶如鋁合金、銅等金屬材料未受激光輻照表面關(guān)注點的動態(tài)溫度數(shù)據(jù)，本實用新型提供了基于反射率變化的金屬材料表面動態(tài)溫度點測量系統(tǒng)。
[0005]本實用新型通過下述技術(shù)方案實現(xiàn):
[0006]基于反射率變化的金屬材料表面動態(tài)溫度點測量系統(tǒng)，包括加熱光源，所述加熱光源連接有金屬樣品，光束是傳輸作用于實驗靶樣品上形成連接，金屬樣品上鍍有金屬膜層材料，金屬樣品設(shè)置在加熱光源射出的加熱激光束的路徑上，金屬樣品連接有反射光強變化測試系統(tǒng)，反射光強變化測試系統(tǒng)連接有光電轉(zhuǎn)換觸發(fā)器。為得到激光輻照過程中，鋁合金、銅等具有高熱導(dǎo)率特性，致使無法焊接熱電偶材料未受激光輻照表面關(guān)注點的動態(tài)溫度數(shù)據(jù)，實現(xiàn)材料激光輻照熱效應(yīng)的準(zhǔn)確評估，進(jìn)而減少激光加工成本及提高能源利用效率，亟需一種金屬材料表面動態(tài)溫度變化的測量系統(tǒng)，用于更好地揭示材料激光輻照效應(yīng)機(jī)理與熱效應(yīng)評估。目前，從國內(nèi)外公開報道的文獻(xiàn)來看，尚未見到解決上述問題的技術(shù)。將待測金屬實驗樣品其中一表面拋光后噴鍍鏡面狀態(tài)的金屬膜層材料，為待測金屬實驗樣品激光作用過程中，提供金屬膜層材料隨溫度變化的反射光強變化數(shù)據(jù)，本方案在激光輻照金屬樣品的同時，同步測量被輻照金屬樣品非激光輻照表面上鍍有金屬膜層材料的反射光強來獲取反射率變化數(shù)據(jù)，通過鏡面狀態(tài)金屬膜層材料反射率與溫度定標(biāo)數(shù)據(jù)唯一對應(yīng)關(guān)系，來獲取激光輻照過程中被輻照金屬樣品的動態(tài)溫度數(shù)據(jù)，而且使得獲得的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性高。
[0007]反射光強變化測試系統(tǒng)包括探測激光束、積分球、光電探測器和數(shù)據(jù)采集記錄存貯器，在探測激光束的路徑上安裝有分束鏡，光電探測器安裝在積分球外壁上，且光電探測器與數(shù)據(jù)采集記錄存貯器連接，數(shù)據(jù)采集記錄存貯器與光電轉(zhuǎn)換觸發(fā)器連接;探測激光束作用于金屬膜層材料表面的光束大小為百微米量級，視為點測量;探測激光束經(jīng)分束鏡后垂直作用于金屬膜層材料表面以及被引至積分球內(nèi)，其反射光束的光強變化為垂直角度狀態(tài)。積分球是反射光強變化的收集裝置，光電探測器是反射光強變化的測量器件，其設(shè)置在積分球探測口，設(shè)置在積分球探測口的光電探測器開始測量金屬膜層材料反射光強的變化信號的同時，數(shù)據(jù)采集記錄存貯器同步采集與記錄變化信號數(shù)據(jù)。上述部件都是現(xiàn)有成熟產(chǎn)品，能夠在市場上直接購買得到。
[0008]加熱光源射出的加熱激光束的路徑上設(shè)置有分光鏡，通過分光鏡將光束引導(dǎo)至金屬樣品未鍍有金屬膜層材料的表面和光電轉(zhuǎn)換觸發(fā)器上。加熱激光束輸出作用于金屬樣品材料表面的同時，加熱激光束觸發(fā)光電轉(zhuǎn)換觸發(fā)器，致使設(shè)置在積分球探測口的光電探測器開始同步測量金屬膜層材料反射光強的變化信號。光電轉(zhuǎn)換觸發(fā)器能夠?qū)⒔饘倌硬牧戏瓷涔庾兓盘枌崿F(xiàn)同步測量，分光鏡是現(xiàn)有成熟產(chǎn)品，能夠在市場上直接購買得到。
[0009]本實用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下的優(yōu)點和有益效果:本系統(tǒng)可獲取具有高熱導(dǎo)率特性、致使無法焊接熱電偶的如鋁合金、銅等常用金屬材料表面的動態(tài)溫度數(shù)據(jù)，實現(xiàn)金屬材料激光輻照熱效應(yīng)的分析與評估，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(dá)到提高激光能量利用效率、降低加工成本等經(jīng)濟(jì)利益。
【附圖說明】
[0010]此處所說明的附圖用來提供對本實用新型實施例的進(jìn)一步理解，構(gòu)成本申請的一部分，并不構(gòu)成對本實用新型實施例的限定。在附圖中:
[ΟΟ??]圖1為本實用新型結(jié)構(gòu)不意圖；
[0012]圖2為探測波長為488nm時金膜材料反射率與溫度的定標(biāo)關(guān)系圖。
[0013]附圖中標(biāo)記及對應(yīng)的零部件名稱:
[0014]1-加熱激光束，2-分光鏡，3-金屬樣品，4-金屬膜層材料，5-分束鏡，6_探測激光束，7-積分球，8-光電探測器，9-數(shù)據(jù)采集記錄存貯器，10-光電轉(zhuǎn)換觸發(fā)器，11-導(dǎo)引光。
【具體實施方式】
[0015]為使本實用新型的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚明白，下面結(jié)合實施例和附圖，對本實用新型作進(jìn)一步的詳細(xì)說明，本實用新型的示意性實施方式及其說明僅用于解釋本實用新型，并不作為對本實用新型的限定。
[0016]實施例:
[0017]如圖1所示，將加熱激光束輻照的金屬樣品3的其中一個表面光學(xué)拋光，利用蒸鍍或磁控濺射的方式在該表面噴鍍微米量級厚度的金屬膜層材料4，形成待測金屬實驗樣品，本實施例優(yōu)選金作為膜層材料。待測金屬實驗樣品被加熱激光束I作用前，將探測激光束6通過分束鏡5垂直作用至待測金屬實驗樣品鍍有金膜層材料表面的關(guān)注點，光束直徑為百微米量級，其反射光再次通過分束鏡5被引至積分球7內(nèi)；光電探測器8與數(shù)據(jù)采集記錄存貯器9連接，使其處于待測狀態(tài)。
[00? 8]利用導(dǎo)引光11將加熱激光束I通過分光鏡2分束，實現(xiàn)一束被引至待測金屬實驗樣品未鍍有金膜層材料的表面;另一束被引至光電轉(zhuǎn)換觸發(fā)器10，使得加熱激光束I輻照待測金屬實驗樣品時，金膜層材料反射光變化信號能夠同時被設(shè)置在積分球探測口的光電探測器8測量，且同步被數(shù)據(jù)采集記錄存貯器9采集、記錄。
[0019]實驗測量時，打開加熱光源輸出加熱激光束I，加熱激光束I加熱測試金屬材料的同時，光電轉(zhuǎn)換觸發(fā)器10被加熱激光束I作用，快速形成電觸發(fā)信號，使得設(shè)置在積分球探測口的光電探測器8同步測量金膜層材料反射光強變化信號，且數(shù)據(jù)采集記錄存貯器9同步采集與記錄金膜層材料反射光強的變化數(shù)據(jù)，通過金膜層材料已知初始反射率與對應(yīng)反射光強電壓數(shù)據(jù)形成的對比系數(shù)，可計算出金屬樣品激光加熱過程中，鍍有金膜層材料的反射率變化數(shù)據(jù)。基于金膜材料反射率與溫度的一一定標(biāo)對應(yīng)關(guān)系，如圖2所示，可為金膜材料的金膜反射率隨溫度變化定標(biāo)曲線，探測光束波長488nm，可得到金膜層材料的溫度變化數(shù)據(jù)，由于金膜層材料為微米量級，該溫度可視為激光輻照過程中，金屬實驗樣品未受激光輻照表面關(guān)注點的動態(tài)溫度數(shù)據(jù)。
[0020]以上所述的【具體實施方式】，對本實用新型的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本實用新型的【具體實施方式】而已，并不用于限定本實用新型的保護(hù)范圍，凡在本實用新型的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本實用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項】
1.基于反射率變化的金屬材料表面動態(tài)溫度點測量系統(tǒng)，其特征在于，包括加熱光源，所述加熱光源連接有金屬樣品(3)，金屬樣品(3)上鍍有金屬膜層材料(4)，金屬樣品(3)設(shè)置在加熱光源射出的加熱激光束(I)的路徑上，金屬樣品(3)連接有反射光強變化測試系統(tǒng)，反射光強變化測試系統(tǒng)連接有光電轉(zhuǎn)換觸發(fā)器(10)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于反射率變化的金屬材料表面動態(tài)溫度點測量系統(tǒng)，其特征在于，所述反射光強變化測試系統(tǒng)包括探測激光束(6)、積分球(7)、光電探測器(8)和數(shù)據(jù)采集記錄存貯器(9)，在探測激光束(6)的路徑上安裝有分束鏡(5)，光電探測器(8)安裝在積分球(7)外壁上，且光電探測器(8)與數(shù)據(jù)采集記錄存貯器(9)連接，數(shù)據(jù)采集記錄存貯器(9)與光電轉(zhuǎn)換觸發(fā)器(10)連接。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于反射率變化的金屬材料表面動態(tài)溫度點測量系統(tǒng)，其特征在于，所述加熱光源射出的加熱激光束(I)的路徑上設(shè)置有分光鏡(2)，通過分光鏡(2)將光束引導(dǎo)至金屬樣品(3)未鍍有金屬膜層材料(4)的表面和光電轉(zhuǎn)換觸發(fā)器(10)上。4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于反射率變化的金屬材料表面動態(tài)溫度點測量系統(tǒng)，其特征在于，所述探測激光束(6)作用于金屬膜層材料(4)表面的光束大小為百微米量級，視為點測量。5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于反射率變化的金屬材料表面動態(tài)溫度點測量系統(tǒng)，其特征在于，所述探測激光束(6)經(jīng)分束鏡(5)后垂直作用于金屬膜層材料(4)表面以及被引至積分球(7)內(nèi)，其反射光束的光強變化為垂直角度狀態(tài)。
【文檔編號】G01J5/10GK205679319SQ201620604913
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年6月20日 公開號201620604913.9, CN 201620604913, CN 205679319 U, CN 205679319U, CN-U-205679319, CN201620604913, CN201620604913.9, CN205679319 U, CN205679319U
【發(fā)明人】張永強, 譚福利, 賀佳, 張黎, 唐小松, 陶彥輝, 匡學(xué)武, 李建明
【申請人】中國工程物理研究院流體物理研究所