自由端面运动速度测试系统

摘要

本发明公开了一种自由端面速度测试系统，它主要由连续激光器、柱面凸透镜、可调狭缝、光电二极管和数字示波器等组成。它是利用被测自由端面在受力变形时的挡光而造成光电二极管光通量的变化，进而引起的电压信号的变化来计算自由端面的运动速度随时间变化的空间分布，根据位置时间关系通过程序快速计算处理，得出自由端面的运动速度。本发明不受冲击压力大小的影响，采用连续激光器作为探测光源，以每2ns记录一次自由端面的位置信号，所以能够做到准连续测量，记录自由端面运动的整个过程；系统结构简单，成本低，激光的利用率高，可广泛应用于自由端面的速度测量。

权利要求

1.一种自由端面运动速度测试系统，它包括激光器、光学组件、光电二极管、数字示波器[9]及电子计算机[12]，其特征是系统采用两个激光器，一个探测用的连续激光器[1]和提供作用力的脉冲激光器[2]，其中探测用的连续激光器[1]与第一柱面凸透镜[2]、第二柱面凸透镜[3]、狭缝[4]、聚焦透镜[6]、滤波片[13]以及第一光电二极管[7]依次设置在同一个光路上，由第一柱面凸透镜[2]、第二柱面凸透镜[3]、狭缝[4]、聚焦透镜[6]、滤波片[13]构成光学组件，第一光电二极管[7]带有放大电路，其输出端与数字示波器[9]的接收端相连，数字示波器[9]的输出接电子计算机[12]；脉冲激光器[11]位于狭缝[4]与聚焦透镜[6]之间光路的垂直上方，在该脉冲激光器[11]的光路上设置有分光镜[10]，分光镜的反射光路上设置有第二光电二极管[8]，第二光电二极管[8]的输出与数字示波器[9]的接收端相连，以触发示波器[9]；被测自由端面[5]要平行于探测光路且与脉冲激光器的光路相垂直。

2.根据权利要求1所述自由端面运动速度测试系统，其特征是被测自由端面[5]受力后的端面运动的方向与测试光路相互垂直。

3.根据权利要求1或2所述的自由端面速度测试系统，其特征是狭缝[4]为可调狭缝。

说明书

一技术领域

本发明涉及一种光学测量装置，特别是一种用于自由端面运动速度测试的光学测试系统。

二背景技术

现有技术对于冲击波作用下自由面运动速度的测量，大多采用光电探针测量激波到达自由面及刚出自由面一点的时间差，然后有两点之间的距离来推算自由面运动速度。《高压物理学报》2005年9月第19卷第3期中报道了由王荣波等发表的题为“两种光纤探针在冲击波作用下的时间响应特性”文章，其结构主要是由光纤探针、探针定位器、光纤、光电倍增管、高频电缆和数字示波器组成。系统的光纤探针技术利用了融凝石英在受到冲击压缩是会产生很高的冲击温度，同时产生光辐射这一特性作为产生信号的机理，其测量原理是，当自由端面到达光纤端面时，光纤探针产生一个瞬时光信号，这个光信号经光纤传输到光电探测器，变换为电信号，再由示波器记录，通过判读就可以知道自由端面到达光纤探针的时刻。这里光纤探针获得的是自由端面到达某个空间位置的时间信息。在自由端面行进的方向上，可以设置两根有一定间距的光纤探针，通过测量两根光纤探针的信号时间间隔，计算出自由端面在此区间的平均速度。还可以设置大量的、端面在一个平面的光纤探针，根据各个光纤探针光信号的时刻，结合自由端面速度，就可以描绘出在某个空间位置的自由端面的形变。但上述系统的适用范围比较小，受冲击压力的约束，自发光光纤探针只适合冲击压力大于70GPa时使用，其光信号的响应为1-3ns，闪光隙光纤探针只适合冲击压力在10-30GPa之间使用，其光信号的响应为2-7ns，而且传输光纤色散对信号的展宽、光电倍增管的脉冲上升时间、高频电缆对信号前沿的拉宽效应以及示波器的脉冲上升时间对输出电信号的上升时间都有影响。信号在时间上是非连续的，安放的探针的数量受体积的影响，同一过程只能安放几个至多十几个探针，信号数据难免丢失，且探针数量多时，要求示波器也有相应的数量。同时还需要精度较高的光纤探针定位器

三发明内容

本发明目的是提供一种不受冲击压力约束、能连续、无接触无损伤测量，且结构简单、频率响应快、测量范围广的自由端向运动速度测试系统

本发明的目的是通过以下技术方案实现的，自由端面运动速度测试系统，它包括激光器、光学组件、光电二极管、数字示波器及电子计算机等，其特征是系统采用两个分别用于测试和提供作用力的探测激光器和脉冲激光器，其中探测用的连续激光器与第一柱面凸透镜、第二柱面凸透镜、狭缝、聚焦透镜、滤波片以及第一光电二极管依次设置在同一个光路上，由第一柱面凸透镜、第二柱面凸透镜、狭缝、聚焦透镜、滤波片构成光学组件，第一光电二极管带有放大电路，其输出端与数字示波器的接收端相连，数字示波器的输出接电子计算机；脉冲激光器位于狭缝与聚焦透镜之间光路的垂直上方，在该脉冲激光器的光路上设置有分光镜，分光镜的反射光路上设置有第二光电二极管，该光电二极管的输出(起触发示波器的作用)与数字示波器的接收端相连，以触发示波器；被测自由端面要平行于探测光路且与脉冲激光器的光路相垂直。

本发明是利用被测自由端面在受力变形时的挡光情况，引进入光电二极管的光通量的变化，进而引起的电压信号的变化来计算自由端面的运动速度随时间变化的空间分布，计算得出自由端面的运动速度。它利用一个高能激光器垂直给被测自由端面一个作用力，使被测自由端面的作用点沿激光照射方向产生位移，同时由一连续激光器将激光束经柱面透镜后变成狭长的片状激光柱垂直照射在自由端面的运动方向，在其受力运动方向上，由自由端面位移后的挡光量变化就会导致光电管接收到的电信号变化，数据经数字示波器采集，再由计算机处理数据，计算得出自由端面的运动速度。本发明利用两个柱面凸透镜将激光束拉伸为片状激光柱，提高探测激光的利用率，降低了对激光器能量的要求；另外，在测试光电二极管前增加了窄带滤波片，可以挡住其它光线对光电管输出信号的影响。

本发明与现有技术相比其显著的优点是：(1)利用光通量随时间的变化来推算出自由端面的运动速度，它不受冲击压力大小的影响，能够准确测量出自由端面的空间状态；(2)该系统采用的连续激光器作为探测光源，可以每2ns记录一次自由端面的位置信号，给出位置-时间信号，能够做到连续测量，记录自由端面运动的整个过程；(3)本发明的测试方法不受冲击压力大小的影响，测试系统光信号的上升时间可以忽略不计，电信号的上升时间为1ns，响应时间优于现有的光纤探针技术的2-7ns；(4)利用两个柱面凸透镜将激光束拉伸为片状激光柱，提高了探测激光的利用率，降低了对激光器能量的要求，由原来的100mw的探测光要求降低至20mw；(5)该系统结构简单紧凑，成本底，可重复使用。能广泛用于各种外力作用下自由面运动速度的测量。

本发明的具体结构由以下的附图和实施例给出。

四附图说明

附图是根据本发明所述自由端面运动速度测试系统的工作原理示意图。

五具体实施方式

下面结合附图，以测量强激光冲击下靶材的变形为例，对本发明作进一步详细描述。

参见附图，根据本发明制作的自由端面运动速度测试系统，主要由探测激光器1和脉冲激光器11、柱面凸透镜2，柱面凸透镜3、狭缝4、聚焦透镜6、带放大电路的光电二极管7、触发用光电二极管8、示波器9、分光镜10、电子计算机12和单色滤波片13组成。本实施例中探测激光器1为半导体连续激光器，其功率为20mw，输出功率变化小于0.01mw，波长为532nm，脉冲激光器11选择高能激光器，它的单脉冲的能量为300mJ，脉宽为10ns，波长为1064nm，狭缝4为可调狭缝，它可以根据被测区域的大小调整狭缝大小。柱面凸透镜2和柱面凸透镜3、可调狭缝4、聚焦透镜6以及带放大电路的光电二极管7依次设在同一光路上。半导体激光器1发出的连续激光经过柱面凸透镜2和柱面凸透镜3后被放大为狭长的片状激光柱。高能脉冲激光器11位于可调狭缝4与聚焦凸透镜6之间光路上的垂直方向，被测靶材(即自由端面)5为铜膜，厚度为40um，它在测试时置于可调狭缝4与聚焦透镜6之间测试光与作用光的接合部并与探测光平行，使其受力后的运动方向与测试光路的方向相互垂直。当高能脉冲激光器11发射出激光作用在靶材5上时，形成冲击波，冲击被测靶材5，使被测靶材5在运动过程中形成沿作用力方向的变形突起，突起的靶材5即会挡住由半导体激光器1发出的激光柱。挡光量的变化引起光电二极管及放大电路7输出的电压信号的变化，由示波器9记录下来，输入计算机12处理后就能得到靶材5的空间分布随时间的变化。在脉冲激光器11光路上设置分光镜10，光电二极管8位于分光镜10的反射光路上接受反射光，其输出的电信号与数字示波器9的接收端相连，它主要为示波器9提供触发信号。

本发明适用的被测自由端面可以是靶材在激光冲击下的运动端面，也可是子弹，发动机涡轮等自由端面的运动速度。