一种金属试件表面激光反射率测量装置及方法

摘要

本发明属于激光效应测试技术领域，涉及一种金属试件表面反射率测量装置及方法。本发明提供的装置包括测量积分球和背景积分球，测量积分球和背景积分球的连接处设置有贯通的试件安装孔；测量积分球上安装有测量光电探测器，背景积分球上安装有背景光电探测器；测量积分球上还设置有激光入孔，激光入孔位于与试件安装孔相对的另一侧球壁上。本发明通过设置串形的积分球组，采用测量积分球和背景积分球分别获取测量信号和背景热辐射信号，经过数据处理得到真实的反射率系数，克服了金属试件表面在高温下热辐射信号对反射率测量的影响。

权利要求

1.一种金属试件表面激光反射率测量方法，其特征在于，通过金属试件表面激光反射率测量装置进行测量，所述金属试件表面激光反射率测量装置包括测量积分球和背景积分球，所述测量积分球和背景积分球的连接处设置有贯通的试件安装孔；所述测量积分球上安装有测量光电探测器，所述背景积分球上安装有背景光电探测器；所述测量积分球上还设置有激光入孔，所述激光入孔位于与试件安装孔相对的另一侧球壁上；测量方法包括以下步骤：

1】将激光器对准激光入孔，设定激光功率P和出光时长T；

2】将标准测试板放置于试件安装孔上，加载激光；

3】记录测量光电探测器随时间的变化信号V0s(t)和背景光电探测器随时间的变化信号V0b(t)；然后，关闭激光，取下标准测试板；

4】将待测金属试件放置于试件安装孔上，加载激光；所述待测金属试件为厚度小于5mm的薄片结构；

5】记录测量光电探测器随时间的变化信号V1s(t)和背景光电探测器随时间的变化信号V1b(t)；然后，关闭激光，取下待测金属试件；

6】根据公式k＝(V1s(t)-V1b(t))/(V0s(t)-V0b(t))计算得到激光功率为P条件下的金属试件表面反射率系数k；

7】改变激光加载功率P和出光时长T，重复执行步骤1-6】得到不同输入条件下的金属试件表面反射率系数k；

8】将金属试件表面反射率系数k与标准测试板的反射率相乘得到待测金属试件的表面激光反射率。

2.根据权利要求1所述的金属试件表面激光反射率测量方法，其特征在于：所述标准测试板为反射率已知的惰性金属板或无机材料板。

3.根据权利要求1或2所述的金属试件表面激光反射率测量方法，其特征在于：激光器的激光入射方向与标准测试板或待测金属试件的法线方向的夹角为α，其中0°﹤α≦8°。

4.根据权利要求3所述的金属试件表面激光反射率测量方法，其特征在于：所述待测金属试件的两个表面采用相同的处理工艺制成。

5.根据权利要求4所述的金属试件表面激光反射率测量装置，其特征在于：所述测量积分球和背景积分球为一体式结构，所述试件安装孔处的球壁上设置有试件安装槽。

6.根据权利要求5所述的金属试件表面激光反射率测量装置，其特征在于：所述测量积分球和背景积分球的结构尺寸及内表面处理工艺均相同。

说明书

一种金属试件表面激光反射率测量装置及方法

技术领域

[0001] 本发明属于激光效应测试技术领域，涉及一种金属试件表面反射率测量装置及方法。

背景技术

[0002] 研究激光与金属材料耦合规律时，通常需要测量得到效应试件的表面反射率系数随激光功率和出光时长的关系。较为常用的方法是如图1所示的积分球测量方案：第一步将标准测试板放置在积分球4内部，测量得到激光1加载在标准测试板上的光电探测器5的响应信号，第二步将效应试件3放置在积分球4内部，测量得到激光1加载在效应试件3的光电探测器5的响应信号，二者相比即为效应试件3的表面反射率系数。在实际应用中由于效应试件在激光加载过程中温度升高，对外热辐射加强，而这部分热辐射信号会混叠在有效信号中被积分球上的光电探测器测量，影响到测量结果的准确性，尤其是当试件被激光加载至高温时，反射率测量的误差变得非常大。

[0003] 文献“反射率测量中的热辐射影响及其消除方法，强激光与粒子束，2011，Vol.23(7)，p1767-1770”公开了一种双探测器的积分球测量方法来消除金属材料热辐射对反射率测量干扰的方法，采用1064nm激光器发射的激光束辐照在金属材料表面，金属材料表面的反射光和热辐射被积分球收集并匀化，第一光电探测器和第二光电探测器用于测量匀化后的光强，其中第一光电探测器前装有1064nm窄带滤光片，第二光电探测器前装有1319nm窄带滤光片。测量金属材料的反射率时，采集激光加载过程金属材料升温时间段及激光加载过后降温时间段中第一光电探测器和第二光电探测器的信号，利用激光加载后金属材料降温时间段第一光电探测器和第二光电探测器的数据进行标定，得到标定关系曲线。再利用激光加载段中第二光电探测器的测量数据求出第一光电探测器中热辐射的分量，继而求出激光加载段第一光电探测器中反射率分量。文献所述方法忽略了金属材料升温和降温过程中表面氧化造成的发射率变化，降温段的热辐射定标曲线理论上不能严格描述升温段的热辐射信号，带来了较大的测量不确定度。

发明内容

[0004] 为了解决现有的效应试件表面反射率测量方法测量结果不准确的技术问题，本发明提供一种克服了热辐射信号干扰的金属试件表面激光反射率测量装置及方法。

[0005] 本发明的技术解决方案是：一种金属试件表面激光反射率测量装置，其特殊之处在于：包括测量积分球和背景积分球，所述测量积分球和背景积分球的连接处设置有贯通的试件安装孔；所述测量积分球上安装有测量光电探测器，所述背景积分球上安装有背景光电探测器；所述测量积分球上还设置有激光入孔，所述激光入孔位于与试件安装孔相对的另一侧球壁上。

[0006] 上述测量积分球和背景积分球为一体式结构，所述试件安装孔处的球壁上设置有试件安装槽。

[0007] 上述测量积分球和背景积分球的结构尺寸及内表面处理工艺均相同。

[0008] 本发明还提供一种金属试件表面激光反射率测量方法，其特殊之处在于：包括以下步骤：

[0009] 1】将激光器对准激光入孔，设定激光功率P和出光时长T；

[0010] 2】将标准测试板放置于试件安装孔上，加载激光；

[0011] 3】记录测量光电探测器随时间的变化信号V0s(t)和背景光电探测器随时间的变化信号V0b(t)；然后，关闭激光，取下标准测试板；

[0012] 4】将待测金属试件放置于试件安装孔上，加载激光；

[0013] 5】记录测量光电探测器随时间的变化信号V1s(t)和背景光电探测器随时间的变化信号V1b(t)；然后，关闭激光，取下待测金属试件；

[0014] 6】根据公式k＝(V1s(t)-V1b(t))/(V0s(t)-V0b(t))计算得到激光功率为P条件下的金属试件表面反射率系数k；

[0015] 7】改变激光加载功率P和出光时长T，重复执行步骤1-6】得到不同输入条件下的金属试件表面反射率系数k；

[0016] 8】将金属试件表面反射率系数k与标准测试板的反射率相乘得到待测金属试件的表面激光反射率。

[0017] 上述标准测试板为反射率已知的惰性金属板或无机材料板。

[0018] 较佳的，激光器的激光入射方向与标准测试板或待测金属试件的法线方向的夹角为α，其中0°﹤α≦8°。

[0019] 上述待测金属试件为厚度小于5mm的薄片结构。

[0020] 上述待测金属试件的两个表面采用相同的处理工艺制成。

[0021] 本发明的有益效果在于：

[0022] (1)本发明将金属试件制备成薄片状，前后表面具有相同的初始状态，在相同的温度历程下具有相同的氧化状态，使金属试件在激光辐照过程中前后表面具有相同的温升过程，因而具有相同的热辐射信号，通过设置串形的积分球组，采用测量积分球和背景积分球分别获取测量信号和背景热辐射信号，经过数据处理得到真实的反射率系数，克服了金属试件表面在高温下热辐射信号对反射率测量的影响。

[0023] (2)本测量装置和方法适用于不同的激光靶面光斑形状和光强分布，在测量中不使用滤光片，具有操作简单，适用范围广、布放试件方便的特点，尤其适用于大批量试件的测量标定。

附图说明

[0024] 图1为传统的金属试件表面激光反射率测量装置图；

[0025] 图2为本发明较佳实施例的金属试件表面激光反射率测量装置图。

[0026] 其中，附图标记如下：1-激光器，2-激光束，3-金属试件，4-积分球，41-测量积分球，42-背景积分球，5-光电探测器，51-测量光电探测器，52-背景光电探测器，6-试件安装孔，7-激光入孔。

具体实施方式

[0027] 本发明提供了一种金属试件表面激光反射率测量装置和方法，通过设置测量积分球和背景积分球分别获取测量信号和背景热辐射信号，数据处理得到真实的反射率系数，克服了金属试件表面在高温下热辐射信号对测量结果的影响。本发明测量装置的较佳实施例结构如图2所示，包括紧邻设置的测量积分球41和背景积分球42，二者连接处设置有贯通的试件安装孔6；试件安装孔6用于放置待测量的金属试件或标准测试板。测量积分球41上安装有测量光电探测器51，背景积分球42上安装有背景光电探测器52；测量积分球41上还设置有激光入孔7，激光入孔7位于与试件安装孔6相对的另一侧球壁上。激光器1发出的激光束2经过激光入孔7入射至金属试件3的表面。

[0028] 测量积分球和背景积分球可以是单独加工后拼接而成的分体式结构，二者拼合处是一个共用的贯通两个积分球内部的试件安装孔。当实际测试过程中，先将测量积分球和背景积分球拆开，安装(或者取出)待测金属试件或标准测试板后，再将两个积分球拼合。

[0029] 较为优选的，测量积分球和背景积分球也可以加工为一体式结构，试件安装孔处的球壁上设置一个试件安装槽。在需要测试时，将待测金属试件或标准测试板插入试件安装槽，完全遮挡住试件安装孔。测试完成后，便将金属试件或标准测试板直接拔出即可。

[0030] 为了消除金属试件3在高温下热辐射信号对测量结果的影响，金属试件3为薄片状，厚度不超过5mm，金属试件3的两个表面采用相同的处理工艺制成，确保两个表面对外热辐射的信号保持一致，同时测量积分球41和背景积分球42的结构尺寸和内表面处理工艺均相同，确保获得的信号幅值基本相同，这样测量积分球41获得的信号是有效的反射信号和金属试件3的前表面热辐射信号，而背景积分球获得的信号是金属试件3后表面热辐射信号，由于金属件很薄且表面处理工艺相同，同时测量积分球41和背景积分球42的响应信号幅值基本相同，故可用二者相减获得有效的反射测量信号。

[0031] 本发明所提供的基于金属试件表面激光反射率测量装置的具体测试方法如下：

[0032] 1】将激光器1对准激光入孔7，设定激光功率P和出光时长T。

[0033] 2】将标准测试板放置于试件安装孔6上，加载激光。标准测试板的反射率值已知且具有较强的抗激光辐照稳定性，一般为惰性金属板或无机材料板。

[0034] 3】记录测量光电探测器随时间的变化信号V0s(t)和背景光电探测器随时间的变化信号V0b(t)；然后，关闭激光，取下标准测试板。

[0035] 4】将待测金属试件放置于试件安装孔上，加载激光；激光器的激光入射方向与标准测试板或待测金属试件的法线方向的夹角为α，其中0°﹤α≦8°，尽量减少光线损失。

[0036] 5】记录测量光电探测器随时间的变化信号V1s(t)和背景光电探测器随时间的变化信号V1b(t)；然后，关闭激光，取下待测金属试件。

[0037] 6】根据公式k＝(V1s(t)-V1b(t))/(V0s(t)-V0b(t))计算得到激光功率为P条件下的金属试件表面反射率系数k。

[0038] 7】改变激光加载功率P和出光时长T，重复执行步骤1-6】得到不同输入条件下的金属试件表面反射率系数k。

[0039] 8】将金属试件表面反射率系数k与标准测试板的反射率相乘得到待测金属试件的表面激光反射率。

[0040] 本发明有效克服了激光加载中热辐射对反射率测量结果的影响，具有操作简单，适用范围广、布放试件方便的特点，尤其适用于大批量试件的测量标定。