[实用新型]数字激光动态焦散线实验系统

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种动态光测力学实验系统，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

本实用新型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。 

本实用新型所述的数字激光动态焦散线实验系统，具体包括激光器、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。 

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。激光器的具体型号主要以激光波长与数码高速摄影机感光波长是否匹配为标准进行选择，同时，兼顾激光强度是否满足试件不同实验要求的需要，从而完成激光器的型号选择。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。 

为充分利用激光的特性，在激光器的照射通路上首先设有扩束器，扩束器与激光器相对应，扩束器位于激光器和场镜组合之间，扩束器将激光的线光束扩散为面光束，形成光源的发散，为后续有效照射和准确照射做准备。 

场镜组合位于扩束器的后续光路传送通道上，场镜组合将扩束器传导出的面光束变成平行光后，再经汇聚后传出。试件位于场镜组合的平行光区域内，保证了试件照射过程和后期图像采集过程的准确性。 

数码高速摄影机位于场镜组合输出端的焦点上，并以参考平面为数码高速摄影机的聚焦平面进行对焦，其负责对试件图像的随时采集，记录试件加载后的裂纹扩展过程。 

试件则被固定在加载装置上，加载装置包括冲击加载和爆炸加载，以实现试件动态裂纹的扩展。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。当试件被施加荷载后，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就被数码高速摄影机完全记录下来，形成焦散斑图像。 

为进一步保证记录过程及时、有效，在加载装置和数码高速摄影机之间连接有同步控制开关。随着加载装置的启动，同步控制开关同步控制数码高速摄影机开启，使得数码高速摄影机的记录过程可以与动态裂纹加载过程相配合，在激光的连续、稳定照射下，对裂纹扩展过程进行及时、准确记录。