[发明专利]数字激光动态焦散线实验方法和系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种动态光测力学实验方法，特别涉及一种研究裂纹尖端奇异性和应力集中程度的数字激光动态焦散线实验方法以及实现此方法的系统。

背景技术

在国内外针对断裂问题的研究中，光测断裂力学是动态断裂研究中首选的实验方法，它主要包括动态光弹、动态焦散线、云纹及云纹干涉法、CGS(相干梯度传感方法)等实验方法。除了焦散线实验方法，在遇到因裂纹尖端附近区域应力急剧变化导致的裂纹尖端应力奇异性问题外，其它实验方法都遇到了许多具体困难。而在焦散线实验方法中，焦散斑的特征长度为裂纹尖端的应力强化程度提供了一种定量的度量，其测试技术简单、精度高，可以确定关于时间、裂纹长度、裂纹传播速度和裂纹尖端的动态应力强度因子等参数，是宏观断裂参数测量的有效手段，在动态断裂力学研究中得到了广泛应用，形成了独特的光测断裂力学测试技术。

在高速的动态断裂过程中，比如冲击和爆炸加载情况下，由于物体中的裂纹扩展速度非常快，而要捕捉并记录下其裂纹尖端焦散斑的变化情景，对高速摄影装置的要求非常高。目前国内外大多采用单幅高速摄影机，比如北京大学研制的多火花式高速摄影系统(CGS型)。该摄影系统是在背景很暗的条件下，让高速断裂过程在快门打开着的相机前进行，用一次历程极短的强力闪光来照明，使底片曝光，记录下实验过程。由该高速摄影系统、场镜组合、光电校核装置、加载装置和控制器等组成了动态焦散线实验系统，实现了高速动态断裂中裂纹扩展的观测与记录。但是，由于该实验系统需要延迟控制器、光电装置等来控制和校核火花的放电时刻，导致摄影的效果不易控制；且采用的底片为传统的光学物理胶片，对实验人员的操作要求较严格；这些导致实验的成功率不高。

随着科学技术的发展，特别是随着数码技术的进步，对动态焦散线实验系统进行改进，就成为必然。

发明内容

本发明的目的在于建立数字激光动态焦散线实验系统，实现数字激光动态焦散线实验设备的创新。

本发明所述的数字激光动态焦散线实验方法，具体的技术步骤如下：

首先，选取激光器作为实验光源。

选用激光器作为实验光源设备，是基于激光的定向性和高亮度特点来考虑的。因为用数码高速摄影机记录动态过程有两个要求：一个是曝光时间要足够短；另一个是要求照明光足够强，以保证足够的曝光量。激光完全符合上述两点要求。在实验中，通过采用与数码高速摄影机光感应最匹配波长对应的激光作为实验光源，以保证曝光效果，保证拍摄质量，同时，还可有效实现对试件物体的持续、稳定、高亮度照射，使焦散线的呈现过程更直观、明了。

接着，利用扩束镜将激光器发出的线光束变成面光束，再经场镜将面光束变成平行光后，入射到试件，最后，经另一场镜将平行光汇聚到对应位置上的数码高速摄影机上。

此过程中，激光发出持续、稳定、高亮的光波，经过扩束镜变线光束为面光束后，再经场镜组合将其变为平行光并入射到试件和参考平面处。在试件受到载荷之前，试件没有变形，光束沿原方向传播。数码高速摄影机不会采集此时的试件图像信息，数码高速摄影机处于不工作状态。

最后，设置数码高速摄影机上的拍摄参数，使参数设置符合数码高速摄影机对加载过程的拍摄需要，并以参考平面为数码高速摄影机的聚焦平面进行对焦。当启动与试件固定的加载装置时，同时控制数码高速摄影机开始记录，完成成像过程，而电脑也会同步收集数码高速摄影机拍摄的图像信息，汇总、比较、分析后展现在显示屏上，实验过程完成。

此过程中，试件施加荷载后，试件发生变形，在变形区光的传播方向会发生偏转，这样在试件后的某些位置处，光强将发生变化，出现了暗斑(即为焦散斑)，由于激光为连续照射，同时，数码高速摄影机为连续拍摄，故这个动态变化过程被高速摄影机完全记录下来，为后期的对比、甄别提供了便利，避免了以往图像采集时曝光不准确、成像效果差、图像采集时间不易把控的弊端。

其中，数码高速摄影机采用CCD元件，把光信号转换为电信号，并存储起来，再通过电脑监视器显示出来，实现了用数字记录焦散线的过程。激光器与数码高速摄影机组成的高速摄影系统，实现了对焦散线的动态数字记录，保证了对动态过程的连续观测。通过调节数码高速摄影机的拍摄参数，便可实现对不同动态裂纹扩展现象的清晰记录，取代了传统的延迟控制和光电校核设备，拍摄精准度高、拍摄效果好、拍摄可控性强。

一种数字激光动态焦散线实验系统，包括激光器、扩束器、场镜组合、加载装置、同步控制开关、数码高速摄影机和电脑。