本发明专利技术公开一种针对强激光驱动的冲击效应试验的多物理场测量系统，包括纳秒级分辨率的光纤激光多普勒干涉测速系统、纳秒级响应时间的PVDF瞬态压力测试系统、高速图像采集系统以及激光能量、脉宽和光束质量实时监测系统。本发明专利技术通过多种高速、高分辨率的测试手段的协同与协调，对多个物理场（速度、压力、图像）进行实时测量，可对激光驱动爆炸与冲击试验过程进行较全面的表征。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及爆炸与冲击效应领域，特别是涉及ー种针对强激光驱动的冲击效应试验的多物理场测量系统。
技术介绍
激光驱动爆炸与冲击是爆炸与冲击动力学研究的发展方向，是力学学科的前沿领域。通过激光驱动开展爆炸与冲击研究，在效率、安全性、精细测量技术的配备上具有明显的优势。特别是激光驱动爆炸与冲击可以获得常规的爆炸与冲击手段所不能达到的超高压力(GPa量级以上)、超短脉冲(ns量级)、高冲击速度(km/s量级)和超高应变率(106/s量级以上)，是开展尖端科技研究不可或缺的手段。 激光驱动的爆炸与冲击产生的强动载荷具有高強度、短历时和小尺度的特点，对測量技术和测试装备提出了更高的要求。最近，高速摄影技木、X闪光照相技术、高速数字示波器以及相关的传感器、光源和快电子学设备已经开始应用于爆炸与冲击实验。诊断技术发展的主流是以激光和光电子学技术为基础的快响应、高分辨率、高灵敏度的非接触测量技术，例如各种激光干涉测量和光谱技术(速度和位移干涉仪、VISAR (任意反射面测速)、FPI等)、散斑技术、激光诱导荧光和拉曼光谱技术、光学窗ロ技术等。迄今为止，激光驱动的冲击波压力的准确测量问题都没能得到很好的解決。激光诱导的冲击波压カ高(GPa量级)，作用时间短(纳秒量级)，衰减快，普通的压电石英传感器、锰铜传感器等由于受到量程、频响和尺寸的限制，測量结果不能令人满意。近年来，PVDF(聚偏ニ氟こ烯)压电薄膜传感器的出现成为对波剖面测量的一次革命，其最大特点是响应快(为纳秒量级)，测压范围大(可达20GPa以上)。国内这方面的工作开展较晩，目前多是利用PVDF薄膜手工制作不同的传感器进行应用研究，尚未形成标准化、商业化的PVDF传感器。自由表面速度测量是爆炸与冲击实验研究的另一重点与难点。在LSP(激光冲击強化)研究中，通常激光脉宽为几个纳秒，压カ持续作用时间为十几个纳秒，弾性前驱波到达毫米量级厚度的靶材背表面所需的时间约为ー两百个纳秒，在十几个纳秒内自由表面速度就由几米毎秒上升至数百米毎秒。因此，LSP自由表面测速对测试设备的灵敏度、时间分辨率和频率响应范围都提出了非常高的要求。Berther等人曾经尝试采用VISAR进行测量，但未能观察到数值计算能够模拟出的弹性前驱波。Arrigoni等人采用Fabry-Perot干涉仪初步观测到了 LSP背表面弾性前驱波，但Fabry-Perot干涉仪价格过于昂贵。综上所述，激光驱动的爆炸和冲击具有超短脉冲、超高压力、高冲击速度和超高应变率的特点，相关测试手段还远未发展成熟。目前，国内在纳秒级响应时间的压力传感器的研制还处于起步阶段，装备于实验室的高速摄影和VISAR系统也难以满足高速、高分辨率的需求。
技术实现思路
针对现有测试手段难以满足激光驱动的爆炸和冲击实验的缺陷，本专利技术提供ー种高精度的多物理场同步实时测量系统，可对激光驱动爆炸与冲击试验过程进行较全面和较准确的表征。为了解决上述技术问题，本专利技术提供一种针对强激光驱动的冲击效应试验的多物理场测量系统，包括光纤激光多普勒干涉测速系统、PVDF瞬态压力测试系统、高速图像采集系统以及激光能量、脉宽和光束质量实时监测系统，其中，所述光纤激光多普勒干涉测速系统用于对强激光驱动的运动靶面质点速度进行测量，其测速范围为10° 104m/S量级，测量时间分辨率为纳秒量级；所述PVDF瞬态压力测试系统用于强激光驱动的冲击波压力测量，测量量程为25GPa，时间分辨率为纳秒量级；所述高速图像采集系统用于对试验过程中的靶体运动以及介质扰动时序过程进行图像采集；所述激光能量、脉宽和光束质量实时监测系统用于每一次试验的激光能量记录、 脉宽波形记录与功率密度空间分布记录；以及，通过脉宽波形的上升前沿作为触发，实现多场同步实时测量。优选地，上述系统具有以下特点所述光纤激光多普勒干涉测速系统包括通讯激光器、光纤环形器、聚焦透镜、探测器和示波器，其中，通讯激光器、光纤环形器、探测器和示波器依次相连，聚焦透镜与光纤环形器相连；所述通讯激光器用于发射通讯激光至光纤环形器的第一端口 ；所述光纤环形器用于将接收到的通讯激光从其第二端口发送至聚焦透镜，以及，将接收到的参考光和信号光从其第三端口发送至探测器；所述聚焦透镜用于将接收到的通讯激光的一部分作为参考光从其端面反射回所述光纤环形器的第二端口，另一部分输出至运动靶面；并将从运动靶面反射回的信号光发送至光纤环形器的第二端口；所述探测器用于探测所述参考光和信号光产生的差拍干涉信号，并发送至示波器；所述示波器用于记录所述差拍干涉信号，并将所记录的差拍干涉信号发送至所述控制系统。优选地，上述系统具有以下特点所述PVDF瞬态压力测试系统包括PVDF传感器、示波器和三个电阻，其中，PVDF传感器与第一电阻并联，所述第一电阻的一端连接第三电阻，另一端连接第二电阻；所述第二电阻的一端与第一电阻相连，另一端与第三电阻相连；所述第二电阻与所述示波器并联。优选地，上述系统具有以下特点所述第一电阻、第二电阻和第三电阻如下条件R1/ (R2+R3) < I， , ~< 50Q。A7 + Aj + 1\'飞优选地，上述系统具有以下特点所述激光能量、脉宽和光束质量实时监测系统包括光电探测器、示波器、能量计、光路系统和电荷耦合器件(CCD);其中，所述光电探測器，用于测量衰减后的激光脉宽波形；所述示波器，其与光电探测器相连，用于记录衰减后的激光脉宽波形，并利用脉宽波形的上升前沿作为触发，控制多物理场实时测量的同步进行；所述能量计，用于记录单脉冲激光能量；所述光路系统，包含棱镜等光学器件，用于对激光能量进行衰减；所述CCD，与所述光路系统相连，用于记录激光功率密度的空间分布，进ー步分析其光束质量。 本专利技术通过多种高速、高分辨率的测试手段的协同与协调,对多个物理场(速度、压力、图像)进行实时测量，可对激光驱动爆炸与冲击试验过程进行较全面的表征。其中自由表面速度和冲击波压カ测量的时间分辨率为纳秒量级，自由表面速度测量的范围为IO0^IOVs量级，冲击波压カ测量的量程为25GPa。附图说明图I为本专利技术实施例的强激光驱动的爆炸与冲击效应试验平台示意图；图2为本专利技术实施例的多物理测量系统示意图；图3为本专利技术实施例的光纤激光多普勒干涉测速系统示意图；图4为本专利技术实施例的PVDF瞬态压カ测试系统示意图。具体实施例方式下文中将结合附图对本专利技术的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意組合。本专利技术可以对具有强瞬态特征的速度、压力、图像等多个物理场进行同步测量，实现对激光驱动爆炸与冲击实验过程的较全面表征。在本专利技术中，采用如下技术以激光和光电子学技术为基础的快响应(纳秒)、高分辨率(微米)、高灵敏度的非接触測量在线技术，包括光纤激光多普勒干涉测速、纳秒级响应的PVDF压カ测量、激光脉宽、能量及光束质量测量、高速图像测量、高带宽数据采集等技木。如图I所示，本专利技术实施例的强激光驱动的爆炸与冲击效应试验平台，包括依次相连的驱动系统、试验环境和多物理測量系统，以及与所述驱动系统、试验环境和多物理测量系统分别相连的控制系统，其中，所述驱动系统以短脉冲(脉宽为纳秒量级)、高能量激光器为主体，用于将强激光(单脉冲本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种针对强激光驱动的冲击效应试验的多物理场测量系统，其特征在于，包括光纤激光多普勒干涉测速系统、PVDF瞬态压力测试系统、高速图像采集系统以及激光能量、脉宽和光束质量实时监测系统，其中，所述光纤激光多普勒干涉测速系统用于对强激光驱动的运动靶面质点速度进行测量，其测速范围为100～104m/s量级，测量时间分辨率为纳秒量级；所述PVDF瞬态压力测试系统用于强激光驱动的冲击波压力测量，测量量程为25GPa，时间分辨率为纳秒量级；所述高速图像采集系统用于对试验过程中的靶体运动以及介质扰动时序过程进行图像采集；所述激光能量、脉宽和光束质量实时监测系统用于每一次试验的激光能量记录、脉宽波形记录与功率密度空间分布记录；以及，通过脉宽波形的上升前沿作为触发，实现多场同步实时测量。
【技术特征摘要】
1.一种针对强激光驱动的冲击效应试验的多物理场测量系统，其特征在于，包括光纤激光多普勒干涉测速系统、PVDF瞬态压力测试系统、高速图像采集系统以及激光能量、脉宽和光束质量实时监测系统，其中， 所述光纤激光多普勒干涉测速系统用于对强激光驱动的运动靶面质点速度进行测量，其测速范围为10° 104m/s量级，测量时间分辨率为纳秒量级； 所述PVDF瞬态压力测试系统用于强激光驱动的冲击波压力测量，测量量程为25GPa，时间分辨率为纳秒量级； 所述高速图像采集系统用于对试验过程中的靶体运动以及介质扰动时序过程进行图像米集； 所述激光能量、脉宽和光束质量实时监测系统用于每一次试验的激光能量记录、脉宽波形记录与功率密度空间分布记录；以及，通过脉宽波形的上升前沿作为触发，实现多场同步实时测量。2.如权利要求I所述的系统，其特征在于，所述光纤激光多普勒干涉测速系统包括通讯激光器、光纤环形器、聚焦透镜、探测器和示波器，其中，通讯激光器、光纤环形器、探测器和示波器依次相连，聚焦透镜与光纤环形器相连； 所述通讯激光器用于发射通讯激光至光纤环形器的第一端口； 所述光纤环形器用于将接收到的通讯激光从其第二端口发送至聚焦透镜，以及，将接收到的参考光和信号光从其第三端口发送至探测器； 所述聚焦透镜用于将接收到的通讯激光的一部分作为参考光从其端面反射回所...
【专利技术属性】
技术研发人员：黄晨光，宋宏伟，吴先前，魏延鹏，
申请(专利权)人：中国科学院力学研究所，
类型：发明
国别省市：
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