[发明专利]激光空化射流力冲击作用的检测方法及装置

说明书

技术领域

本发明设计一种检测方法及装置，尤其是一种激光空化射流力冲击作用的检测方法及装置。

背景技术

激光与液体相互作用过程中，当激光能量密度超过液体的击穿阀值时，液体会被“光学击穿”，在击穿的区域产生高温高压的等离子体。当等离子体膨胀时会形成超音速的等离子冲击波，同时由于高温造成的液体汽化会产生气体空泡，即激光的空泡空化现象。空化在液体中形成的空洞称为“空穴”：球形空穴称为空泡；较大的空穴称为空腔。气泡空化所产生的冲击空蚀作用，能造成强冲击波及高速射流，作用于附近固体壁面，会产生材料去除。这种空化射流冲击作用是机械设计和制造、船舶制造、水利设施和流体力学研究等领域的重要问题。

目前研究空泡空化现象的实验手段主要有高速摄影法、光偏转法、干涉法及其压电换能器探测法等。高速摄影法，设备昂贵，且时间分辨率不高，适合研究空泡的运动规律，而无法提供分辨时间短于微秒量级的特性分析；光延时法虽然时间精度较高，但研究的时间范围小，适合于研究等离子体冲击波的衰减规律和空泡的初期膨胀过程，不适合于分析空泡的后期脉动特性；光偏转法，虽然具有较高的时间分辨率和空间分辨率，但是由于激光冲击置于水槽中的金属薄板时，金属薄板在受到激光冲击作用的同时也会受到水的阻力和其他因素的作用，影响测量结果。而采用压电换能探测法需要将压电传感器固定于被测物体上，必将影响被测物的力学特性和应力变形，从而导致产生检测误差。

本发明提出了一种采用电涡流传感器非接触测量被冲击物体变形的检测方法和装置。电涡流传感器是利用感应电涡流原理，当带有高频电流的线圈靠近被测金属时，线圈上的高频电流所产生的高频电磁场便在金属表面上产生感应电流，电磁学上称之为电涡流。电涡流效应与被测金属间的距离及电导率、磁导率、几何尺寸、电流频率等参数有关。通过电路参数的变化可将被测金属相对于传感器探头之间的距离变化转换为电压或电流变化，检测结果准确，装置结构简单。利用电涡流传感器测量因悬臂梁金属薄板形变产生的位移变化，具有较高的灵敏度。

发明内容

针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种激光空化射流力冲击作用的检测方法与装置，对高能量激光冲击水中靶材时，等离子体产生的冲击作用和空泡空化诱导所产生的高速射流力进行非接触检测。

本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。

一种激光空化射流力冲击作用的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）采用一端固定于水槽侧壁的等强度悬臂梁金属薄板作为靶材，水槽中充入液体，使液面与所述金属薄板的下表面接触；调节位于所述金属薄板上方的电涡流位移传感器探头与所述金属薄板的初始间隙；

（2）激光器发出的激光，光路调制及传输系统的分光镜反射部分激光至PIN光电二极管，经PIN光电二极管转化为电信号、并传输至示波器作为采集数据的同步触发信号；透过分光镜的一部分激光经衰减片组调节作用于所述金属薄板的激光能量、而不改变其空间分布，然后用反射镜改变激光光束的方向，最后由凹透镜和凸透镜对激光扩束并垂直聚焦于所述金属薄板的下表面上，所述金属薄板受到空泡空化的射流冲击力作用，发生变形、离开水面；

（3）位于所述金属薄板上方的电涡流位移传感器探头，检测所述金属薄板与探头之间的间距变化引起的电压变化，得到所述金属薄板产生的形变：l=U/S，根据材料的弹性形变形公ε=σ/E，以及所述金属薄板的应力σ=M/W，计算出激光空化射流力的冲击作用P=UEW/SL，

其中，1为所述金属薄板受应力冲击作用产生的应变，U为电涡流位移传感器输出的电压，S为电涡流位移传感器的平均灵敏度，ε为所述金属薄板所受的应变，σ为所述金属薄板所受的应力，E为所述金属薄板的材料弹性模量，M为被测点的力矩，M=PL，P为所述金属薄板受到的冲击力，L为力的作用点到固定点的距离，W为抗弯截面系数，W=b h²/6，b为所述金属薄板的宽度，h为所述金属薄板的厚度。

优选地，将所述金属薄板受激光冲击作用前的位置定义为空间“零”位置。

优选地，所述激光器输出的激光为脉冲激光，所述脉冲激光的参数为：单脉冲能量在0.1～1焦耳、脉冲时间为10纳秒、频率为1～10赫兹、波长为1064纳米。