專利名稱：一種檢測超高應變率下材料表面動態響應的方法和裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及材料測量技術領域，特別涉及一種檢測超高應變率下材料表面動態響應的方法和裝置。它利用高功率(109w/cm2)短脈沖(ns級)激光高應變率(IO7s-1)動態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應變，根據采集的動態應變曲線分析超高應變率下材料的動態響應。
背景技術：
材料的應變率 變化范圍可分為四類:蠕變(應變率范圍ιοΛ—1 IO-fV1X準靜態(KTfV1 10°8_0、高應變率(K^s—1 IO4s-1)和超高應變率(IO4s-1 IO8s-1 )。激光沖擊強化技術是一種利用高功率(109w/cm2)短脈沖(ns級)激光與材料相互作用過程中產生的高壓沖擊應力波(GPa級)的力效應來改善金屬機械性能的一種表面改性技術。激光加載過程的平均應變率可達IO6 IO7s-1,這是目前實驗室所能實現的最高壓力和應變率水平。激光誘導的沖擊波為研究材料在超高應變率和極高壓力下的本構行為、動態斷裂以及沖擊波傳播規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應變曲線來研究材料在超高應變率下的動態響應。激光誘導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應變帶來了很大的困難。傳統的動態應變測量方式基本上是利用電阻應變片組成測量電橋形式，結合相應的外圍電路，采用調頻的方式形成動態應變測量系統。例如專利CN201096560公開了一種沖壓模具動態應力應變測量裝置，包括應變花、電阻式應變片、電橋盒、動態應變儀、位移傳感器、工業計算機等。然而，電阻應變片本身的機械滯后特性以及外圍電路的設計方式，都會影響動態測量的精度和范圍，同時電阻應變片和外圍電路的響應頻率相比超高應變率下材料的動態響應頻率較低，無法對超高應變率下材料的動態應變進行實時檢測。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別在于其具有良好的韌性，可以根據需要加工成任意面積、形狀的結構。它具有動態響應快(ns量級)、頻響范圍寬(0.1Hz 幾個GHz)和靈敏度高的優點。不但可以應用于沖擊壓力的測量，同時也可用于平面動態應變的測量。
發明內容
本發明的目的是提出一種基于PVDF壓電薄膜技術和激光沖擊強化技術的檢測超高應變率下材料表面動態響應的方法；本發明還同時提供了一種檢測超高應變率下材料表面動態響應的裝置。本發明是通過如下技術方案實現的:一種檢測超高應變率下材料表面動態響應的方法，包括以下步驟:(1)在材料表面預先劃定的激光沖擊光斑區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，使材料處于超高應變率加載；所述材料表面的光斑區域與預先劃定的激光沖擊光斑區域一致；(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換成應變信號;(4)根據所述應變信號分析高應變率下材料的動態響應。本發明還提供了一種檢測超高應變率下材料表面動態響應的裝置，包括激光系統、支撐架、夾具系統、信號采集系統、定位系統、電控柜和工控機；所述激光系統包括脈沖激光器、擴束鏡、反光鏡和聚焦鏡，擴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相連，脈沖激光器發出的激光束經擴束鏡、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；所述定位系統安裝在支撐架上，用于發射出定位激光束；所述定位系統與電控柜相連；電控柜與工控機相連；所述夾具系統包括夾具、工作臺和進給機構，工作臺安裝在進給機構上，夾具安裝在工作臺上，待檢測工件安裝在夾具內；進給機構與電控柜相連，通過工控機的控制可實現工作臺的X-Y平面運動；所述信號采集系統包括兩個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域外的光斑徑向方向和垂直徑向方向，所述電阻并聯在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信號；示波器的輸出端與工控機相連，利用工控機對示波器的輸出信號進行計算處理。本發明提出一種基于PVDF壓電薄膜技術和激光沖擊強化技術的檢測超高應變率下材料表面動態響應的方法與裝置。它利用高功率短脈沖激光高應變率動態直接加載試樣表面，利用PVDF壓電薄膜檢測激光加載過程中材料表面的動態應變，根據動態應變曲線分析材料在超高應變率下的動態響應。本發明具有如下有益效果:(I)本發明利用高功率短脈沖激光沖擊材料表面，使材料處于超高應變率加載。加載過程的平均應變率可達IO6 IO7s-1,屬于非接觸加載，能實現多次重復加載。同時激光參數可調，方便改變加載條件。(2)本發明利用PVDF壓電薄膜檢測激光加載過程中材料表面的動態應變，根據動態應變曲線分析材料在超高應變率下的動態響應。PVDF壓電薄膜粘貼在沖擊光斑區域外，同時待檢測工件表面涂布有與沖擊光斑面積對應的吸收層，避免了激光沖擊熱效應對測量結果的影響。(3)本發明的測量原理明確，設備結構簡單，響應頻率高，測量精度高。
圖1是本發明所述檢測裝置的結構示意圖；圖2是本發明所述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是經計算得到的高應變率下2024鋁合金表面的應變-時間曲線1.激光器2.擴束鏡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.進給機構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。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發明提出的方法及裝置的細節和工作情況作進一步說明，以下實施例用來說明本發明，但不限制本發明。本發明提供了一種檢測超高應變率下材料表面動態響應的方法，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應變，根據動態應變曲線分析材料在超高應變率下的動態響應。該方法包括以下步驟:(I)激光加載前，在材料表面預先劃定的激光沖擊光斑區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，使材料處于超高應變率加載；所述材料表面的光斑區域與預先劃定的激光沖擊光斑區域一致； (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換成應變信號；PVDF壓電薄膜的壓電效應分為壓電橫向效應和壓電縱向效應兩種。前者是指壓電材料與薄膜面平行的伸縮振動效應，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，通常用d33表示。PVDF壓電薄膜的電荷輸出是它所有方向的應變在極化方向上作用的響應。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為應變(j=1 3)，d3J為壓電應變常數(j=l 3)。PVDF壓電薄膜粘貼在激光沖擊光斑區域外，檢測的是激光沖擊過程中光斑周圍區域材料的動態響應，垂直于膜面的振動效應可以忽略不計。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一電阻R，用光電二極管接收激光作為不波器的觸發信號。在t時刻PVDF壓電薄膜上轉移電荷Q(t)與
電壓信號V (t)之間滿足:
權利要求
1.一種檢測超高應變率下材料表面動態響應的方法，其特征在于，包括以下步驟: (1)在材料表面預先劃定的激光沖擊光斑區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，使材料處于超高應變率加載；所述材料表面的光斑區域與預先劃定的激光沖擊光斑區域一致； (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換成應變信號； (4)根據所述應變信號分析高應變率下材料的動態響應。
2.根據權利要求1所述的檢測超高應變率下材料表面動態響應的方法，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域面積對應的吸收層。
3.—種檢測超高應變率下材料表面動態響應的裝置，其特征在于，包括激光系統、支撐架、夾具系統、信號采集系統、定位系統、電控柜和工控機； 所述激光系統包括脈沖激光器、擴束鏡、反光鏡和聚焦鏡，擴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相連，脈沖激光器發出的激光束經擴束鏡、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； 所述定位系統安裝在支撐架上，用于發射出定位激光束；所述定位系統與電控柜相連；電控柜與工控機相連； 所述夾具系統包括夾具、工作臺和進給機構，工作臺安裝在進給機構上，夾具安裝在工作臺上，待檢測工件安裝在夾具內；進給機構與電控柜相連，通過工控機的控制可實現工作臺的X-Y平面運動； 所述信號采集系統包括兩個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域外的光斑徑向方向和垂直徑向方向，所述電阻并聯在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信號；示波器的輸出端與工控機相連，利用工控機對示波器的輸出信號進行計算處理。
全文摘要
本發明提出了一種檢測超高應變率下材料表面動態響應的方法，包括(1)在材料表面預先劃定的激光沖擊光斑區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換成應變信號；(4)根據所述應變信號分析高應變率下材料的動態響應。本發明屬于非接觸加載，能實現多次重復加載；同時激光參數可調，方便改變加載條件。本發明的測量原理明確，設備結構簡單，響應頻率高，測量精度高。本發明還同時提供了一種檢測超高應變率下材料表面動態響應的裝置。
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 優先權日2013年1月14日
發明者馮愛新, 施芬, 薛偉, 顧永玉 申請人:溫州大學, 江蘇大學