專利名稱：一種激光沖擊強化過程中沖擊波壓力測量系統(tǒng)和方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種激光沖擊強化過程中沖擊波壓カ測量系統(tǒng)和方法。
背景技術：
激光沖擊強化(Laser shock peening，LSP)是ー種有效利用高功率密度激光對金屬材料進行表面改性的機械處理方法。它利用短脈沖激光與金屬材料表面相互作用形成的高幅值沖擊波對材料沖擊表面附近區(qū)域進行加工硬化，形成殘余壓應力，來提高材料的疲勞壽命、耐磨損和抗腐蝕等機械性能。激光誘導的壓力特征是激光沖擊強化過程中的一個關鍵因素，它直接決定沖擊強化的效果。一般認為，激光誘導的峰值壓カ在2-2. 5倍的材料Hugoniot彈性極限(Hugoniotelastic limit, HEL)值時，可以得到比較好的強化效果，超過2. 5倍HEL時，沖擊區(qū)域表面的最大塑性應變反而減小。激光沖擊強化誘導的壓カ特征具有短瞬時、高幅值等特點。如圖I所示，在ns量級半峰寬(Full width at half maximum, FWHM)、GW/cm2量級峰值功率密度的短脈沖強激光作用下，誘導的等離子體壓カ特征的半峰寬時間約為激光功率密度的FWHM的2 3倍左右，壓カ峰值可以達到幾個GPa。為了搞清楚激光沖擊強化過程中的壓カ特征，需要對激光誘導的壓カ特征，包括峰值壓カ和半峰寬時間進行實驗測量，從而獲得エ藝參數(shù)對壓カ特征的影響，對激光沖擊強化的效果進行直接評估。通過以上的描述可知，激光誘導的壓カ特征具有時間短、峰值壓カ高的特點，壓カ變化快、頻率高。對具有這樣特征的沖擊壓カ進行測量時，常規(guī)測量手段采用如石英晶體壓力計以及錳銅計等，由于受到的測量量程、測量精度以及頻響等方面的制約，在實驗中難以準確測量。近年來，PVDF壓電薄膜傳感被逐步應用到激光誘導的壓力測量。PVDF壓電薄膜傳感器是利用PVDF薄膜的壓電特性實現(xiàn)壓力的測量。當PVDF薄膜受到外壓カ差Ap作用吋，PVDF薄膜內部的正負電荷將分離，分別在上下表面聚集。通過對電荷量進行測量，就可以建立起壓カAp與表面電荷量A Q之間的關系A Q=K* A Ap0其中A為壓力作用的有效面積，K為PVDF薄膜的壓電系數(shù)，表示單位面積單位壓カ產(chǎn)生的電荷量，單位為C/N。PVDF傳感器由于兩個表面的壓カ差產(chǎn)生的電荷需要經(jīng)過外部電路進行采集，從而利用壓電特性得到?jīng)_擊波特征。PVDF的外部測量電路分為電流模式和電荷模式(或稱電壓模式)。電流模式采用50 Q電阻與PVDF并聯(lián)放電，示波器采集電阻兩端的電壓來間接得到放電電荷。這種電路的好處是頻率響應高，但是進行高壓測量時，測量的電壓值容易超量程。電荷模式直接采用電荷積分器對電荷進行測量，但是對于高頻響壓カ測量時，由于電荷積分器帶寬的限制，不能準確反映壓カ的時間分布特性。激光沖擊強化誘導的壓カ特征幅值高，頻響快。因此，采用電流模式對壓カ特征進行測量。通常采用電流測量模式對沖擊靶體背表面位置的壓カ進行測量。由于沖擊波需要經(jīng)過靶體傳播到背表面，其壓カ幅值和半峰寬時間都會發(fā)生改變，需要建立沖擊表面壓カ的直接測量方法。另外，由于激光誘導的壓カ幅值較高，采用電流測量模式對激光誘導的壓カ進行測量時，會出現(xiàn)測量限幅的問題。
發(fā)明內容
針對現(xiàn)有技術存在的問題，本發(fā)明的目的在于提供一種激光沖擊強化過程中沖擊波壓カ測量系統(tǒng)和方法，在確保壓力測量精度的同時，能夠解決PVDF對較高壓カ測量時限幅的問題。本發(fā)明的一種激光沖擊強化過程中沖擊波壓カ測量系統(tǒng)包括依次串聯(lián)的第一電阻、第三電阻和第二電阻，PVDF傳感器的一端連接在所述第一電阻和第三電阻之間，另ー端連接在所述第一電阻和第二電阻之間；示波器的一端連接在所述第三電阻和第二電阻之 間，另一端連接在所述第一電阻和第二電阻之間；其中，所述第一電阻、第二電阻和第三電阻如下條件
ILxi Ii+It)R1/ (R2+R3) < I, ^ ~^<50f2。本發(fā)明的一種激光沖擊強化過程中沖擊波壓カ測量的方法包括如下步驟I)將激光沖擊強化過程中沖擊波壓カ測量系統(tǒng)的PVDF傳感器分別置于厚度為hi和h2的鋁膜的底端，然后通過激光對鋁膜進行輻照，產(chǎn)生等離子體壓カ2)經(jīng)過對厚度為Ii1和h2的鋁膜的測量，得到厚度為Ii1時測量得到的峰值壓カ為O1，半峰寬時間為T1;厚度為、時測量得到的峰值壓カ為O2，半峰寬時間為T2;則激光誘導的壓カ峰值Om和半峰寬時間Tni為
Kul -/2,(7,Qw=廠,
H1-H2
r n-Kt1Tm= 1 -廠
n'-l從而得到激光誘導的壓カ特征；其中，所述激光沖擊強化過程中沖擊波壓カ測量系統(tǒng)包括依次串聯(lián)的第一電阻、第三電阻和第二電阻，PVDF傳感器的一端連接在所述第一電阻和第三電阻之間，另一端連接在所述第一電阻和第二電阻之間；示波器的一端連接在所述第三電阻和第二電阻之間，另一端連接在所述第一電阻和第二電阻之間；其中，所述第一電阻、第二電阻和第三電阻如下條件
IL-Kill+RAR1/ (R2+R3) < I，-jt~~^ < 50D本發(fā)明通過在PVDF傳感器與采集設備(即示波器)之間搭建等效測量電路。對PVDF電路而言，第二電阻和第三電阻串聯(lián)后與第一電阻并聯(lián)；對采集設備而言，第一電阻和第三電阻串聯(lián)后與第二電阻并聯(lián)。這樣，PVDF兩極放電形成的電流經(jīng)過第二電阻和第三電阻分流，減小了采集設備測量的電壓。同吋，由于測量電路采用電阻模式，保證示波器兩端的等效電阻小于50歐姆，并解決PVDF對較高壓カ測量時限幅。實驗中第一、第二和第三個電阻分別為50歐姆、50歐姆、500歐姆。采用該方法測量得到的電壓峰值為3. 5伏持。而如果采用傳統(tǒng)的測量方法，測量的電壓峰值為38. 5伏特，遠遠超過示波器的測量量程。
圖I為短脈沖強激光誘導的壓カ特征曲線圖；圖2為本發(fā)明的PVDF測量系統(tǒng)；圖3為本發(fā)明實施例激光功率密度時間分布曲線圖；圖4為本發(fā)明實施例鋁膜厚度分別為60iim和IOOiim吋，PVDF測量得到的電路電壓信號曲線圖；圖5為本發(fā)明實施例鋁膜厚度分別為60 ii m和100 y m吋，PVDF測量得到的壓カ時間波形曲線圖。
具體實施例方式如圖2所示，本發(fā)明的測量系統(tǒng)包括依次串聯(lián)的第一電阻R1、第三電阻R3和第ニ電阻R2，PVDF傳感器的一端連接在第一電阻Rl和第三電阻R3之間，另一端連接在第一電阻Rl和第二電阻R2之間；采集設備(即示波器)的一端連接在第三電阻R3和第二電阻R2之間，另一端連接在第一電阻Rl和第二電阻R2之間。其中，第一電阻R1、第二電阻R2和第三電阻R3滿足如下條件
權利要求
1.一種激光沖擊強化過程中沖擊波壓カ測量系統(tǒng)，其特征在于，包括依次串聯(lián)的第ー電阻、第三電阻和第二電阻，PVDF傳感器的一端連接在所述第一電阻和第三電阻之間，另一端連接在所述第一電阻和第二電阻之間；示波器的一端連接在所述第三電阻和第二電阻之間，另一端連接在所述第一電阻和第二電阻之間；其中，所述第一電阻、第二電阻和第三電阻如下條件
2.一種激光沖擊強化過程中沖擊波壓カ測量的方法，其特征在于，包括如下步驟 1)將激光沖擊強化過程中沖擊波壓カ測量系統(tǒng)的PVDF傳感器分別置于厚度為hi和h2的鋁膜的底端，然后通過激光對鋁膜進行輻照，產(chǎn)生等離子體壓カ； 2)經(jīng)過對厚度為Ii1和h2的鋁膜的測量，得到厚度為Ii1時測量得到的峰值壓カ為0p半峰寬時間為t1;厚度為、時測量得到的峰值壓カ為O2，半峰寬時間為t2;則激光誘導的壓カ峰值Qm和半峰寬時間Tni為
全文摘要
本發(fā)明公開了一種激光沖擊強化過程中沖擊波壓力測量系統(tǒng)，包括依次串聯(lián)的第一電阻、第三電阻和第二電阻，PVDF傳感器的一端連接在所述第一電阻和第三電阻之間，另一端連接在所述第一電阻和第二電阻之間；示波器的一端連接在所述第三電阻和第二電阻之間，另一端連接在所述第一電阻和第二電阻之間。本發(fā)明還公開了一種采用上述測量系統(tǒng)進行沖擊波壓力測量的方法。本發(fā)明減小了采集設備測量的電壓。同時，由于測量電路采用電阻模式，保證示波器兩端的等效電阻小于50歐姆，并解決PVDF對較高壓力測量時限幅。
文檔編號G01L5/00GK102778317SQ20121022759
公開日2012年11月14日 申請日期2012年7月2日 優(yōu)先權日2012年7月2日
發(fā)明者吳先前, 宋宏偉, 王曦, 魏延鵬, 黃晨光 申請人:中國科學院力學研究所