[发明专利]一种激光冲击强化过程中冲击波压力测量系统和方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种激光冲击强化过程中冲击波压力测量系统和方法。

背景技术

激光冲击强化（Laser shock peening,LSP）是一种有效利用高功率密度激光对金属材料进行表面改性的机械处理方法。它利用短脉冲激光与金属材料表面相互作用形成的高幅值冲击波对材料冲击表面附近区域进行加工硬化，形成残余压应力，来提高材料的疲劳寿命、耐磨损和抗腐蚀等机械性能。

激光诱导的压力特征是激光冲击强化过程中的一个关键因素，它直接决定冲击强化的效果。一般认为，激光诱导的峰值压力在2-2.5倍的材料Hugoniot弹性极限（Hugoniot elastic limit,HEL）值时，可以得到比较好的强化效果，超过2.5倍HEL时，冲击区域表面的最大塑性应变反而减小。

激光冲击强化诱导的压力特征具有短瞬时、高幅值等特点。如图1所示，在ns量级半峰宽（Full width at half maximum,FWHM）、GW/cm²量级峰值功率密度的短脉冲强激光作用下，诱导的等离子体压力特征的半峰宽时间约为激光功率密度的FWHM的2~3倍左右，压力峰值可以达到几个GPa。

为了搞清楚激光冲击强化过程中的压力特征，需要对激光诱导的压力特征，包括峰值压力和半峰宽时间进行实验测量，从而获得工艺参数对压力特征的影响，对激光冲击强化的效果进行直接评估。

通过以上的描述可知，激光诱导的压力特征具有时间短、峰值压力高的特点，压力变化快、频率高。对具有这样特征的冲击压力进行测量时，常规测量手段采用如石英晶体压力计以及锰铜计等，由于受到的测量量程、测量精度以及频响等方面的制约，在实验中难以准确测量。

近年来，PVDF压电薄膜传感被逐步应用到激光诱导的压力测量。PVDF压电薄膜传感器是利用PVDF薄膜的压电特性实现压力的测量。当PVDF薄膜受到外压力差Δp作用时，PVDF薄膜内部的正负电荷将分离，分别在上下表面聚集。通过对电荷量进行测量，就可以建立起压力Δp与表面电荷量ΔQ之间的关系ΔQ=K·A·Δp。其中A为压力作用的有效面积，K为PVDF薄膜的压电系数，表示单位面积单位压力产生的电荷量，单位为C/N。PVDF传感器由于两个表面的压力差产生的电荷需要经过外部电路进行采集，从而利用压电特性得到冲击波特征。

PVDF的外部测量电路分为电流模式和电荷模式（或称电压模式）。电流模式采用50Ω电阻与PVDF并联放电，示波器采集电阻两端的电压来间接得到放电电荷。这种电路的好处是频率响应高，但是进行高压测量时，测量的电压值容易超量程。电荷模式直接采用电荷积分器对电荷进行测量，但是对于高频响压力测量时，由于电荷积分器带宽的限制，不能准确反映压力的时间分布特性。激光冲击强化诱导的压力特征幅值高，频响快。

因此，采用电流模式对压力特征进行测量。通常采用电流测量模式对冲击靶体背表面位置的压力进行测量。由于冲击波需要经过靶体传播到背表面，其压力幅值和半峰宽时间都会发生改变，需要建立冲击表面压力的直接测量方法。另外，由于激光诱导的压力幅值较高，采用电流测量模式对激光诱导的压力进行测量时，会出现测量限幅的问题。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种激光冲击强化过程中冲击波压力测量系统和方法，在确保压力测量精度的同时，能够解决PVDF对较高压力测量时限幅的问题。

本发明的一种激光冲击强化过程中冲击波压力测量系统包括：依次串联的第一电阻、第三电阻和第二电阻，PVDF传感器的一端连接在所述第一电阻和第三电阻之间，另一端连接在所述第一电阻和第二电阻之间；示波器的一端连接在所述第三电阻和第二电阻之间，另一端连接在所述第一电阻和第二电阻之间；其中，所述第一电阻、第二电阻和第三电阻如下条件：