專利名稱：超音速切向氣流下材料激光反射率動態(tài)測量裝置及方法
超音速切向氣流下材料激光反射率動態(tài)測量裝置及方法技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明屬于光學(xué)領(lǐng)域的測量裝置及測量方法，涉及一種超音速切向氣流下材料激光反射率動態(tài)測量裝置及方法。
背景技術(shù)：
激光與材料的相互作用都首先是從材料對入射激光能量反射和吸收開始的，材料對激光的初始反射特性與激光工作體制(連續(xù)、脈沖、重頻等)、激光波長，以及材料種類、表面狀況、輻照環(huán)境等因素有關(guān)。在激光加工、表面清洗等作用過程中，通過各種耦合機(jī)制吸收激光能量的材料將產(chǎn)生熱學(xué)、力學(xué)、化學(xué)等響應(yīng)，材料的這些物理、化學(xué)等響應(yīng)導(dǎo)致其表面性質(zhì)發(fā)生變化，將反過來影響材料對激光能量的反射特性?？梢?，影響材料在激光輻照過程中反射率變化的因素很多，且時常是多種影響因素耦合在一起，故很難從理論的角度對其進(jìn)行定量描述，目前，主要依靠實驗的方法對材料激光輻照過程中反射率的變化情況進(jìn)行測量。因此，發(fā)展或改進(jìn)反射率實驗測試裝置就成為激光技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域中較為重要的工作。
由于激光在軍事、民用領(lǐng)域有著廣泛的用途和廣闊的拓展前景，如激光焊接、激光清洗、激光切割等，因此，國、內(nèi)外一直都很重視材料激光反射率測量裝置及方法的建立及改進(jìn)，以滿足相關(guān)激光技術(shù)應(yīng)用的需求，如量熱計裝置、輻射計裝置及反射計裝置等。其中，積分球反射計和半橢球反射計是激光輻照材料過程中反射率動態(tài)測量較為常用的裝置，與密閉容器、旋轉(zhuǎn)平臺等器件相結(jié)合，可用于對不同組份氣體靜態(tài)環(huán)境、壓力、入射角度等多種激光加工實際條件下，材料在激光輻照過程中反射率的動態(tài)測量。
當(dāng)待測材料表面存在超音速氣流時，將影響材料對激光能量的吸收效率，最后對加熱效果產(chǎn)生影響，這在定性上不難理解，但在如何定量測量氣流作用對激光加熱過程的影響，以及由于該影響導(dǎo)致的材料反射率參數(shù)的變化，仍然是測量材料在氣流作用下反射率參數(shù)所需要解決的問題。
目前，從國內(nèi)外公開報道的文獻(xiàn)來看，以建立或改進(jìn)適用于靜態(tài)環(huán)境下，材料激光反射率測量裝置或測試技術(shù)為主，尚未見到可進(jìn)行材料表面存在切向氣流時，激光輻照過程中材料反射率動態(tài)變化測量裝置的相關(guān)報道，所謂切向氣流，即氣流方向平行于光滑材料表面方向。
為得到切向氣流條件下的材料激光能量耦合系數(shù)，實現(xiàn)激光與材料相互過程中最優(yōu)激光參數(shù)的準(zhǔn)確預(yù)估，進(jìn)而 減少激光加工成本及提高能源利用效率，亟需一種切向氣流條件下，激光輻照材料過程中對其表面反射率動態(tài)變化進(jìn)行測量的裝置。發(fā)明內(nèi)容
為獲取切向氣流條件下，激光與金屬材料相互作用過程中的能量耦合系數(shù)，本發(fā)明提供了一種超音速切向氣流下材料激光反射率動態(tài)測量裝置及方法。
本發(fā)明所述超音速切向氣流下材料激光反射率動態(tài)測量裝置，包括收集測量裝置和試驗段，所述試驗段包括測試材料放置區(qū)；
其特征在于:還包括吹氣系統(tǒng)和半橢球反射計，所述測試材料放置區(qū)和收集測量裝置的測量口分別位于所述半橢球反射計的第一焦點(diǎn)和第二焦點(diǎn)處；
所述試驗段還包括與吹氣系統(tǒng)連接的氣道，氣道包括氣道出氣口和氣道進(jìn)氣口，所述氣道的出氣方向平行于測試材料放置區(qū)的放置表面。優(yōu)選的，所述吹氣系統(tǒng)包括順次相連的截止閥、減壓閥、球閥、節(jié)流閥、安全閥；所述安全閥的出口與試驗段氣道進(jìn)氣口連接，所述截止閥的入口與外置氣源連接。優(yōu)選的，所述吹氣系統(tǒng)至少具備如下特征之一:
A.所述截止閥與減壓閥連接處還有第一壓力表；
B.所述減壓閥和球閥連接處還有第二壓力表。優(yōu)選的，所述氣道出氣口處有氣流整形區(qū)，所述氣流整形區(qū)內(nèi)徑小于氣道其他區(qū)域內(nèi)徑，氣流整形區(qū)氣流通路前后部內(nèi)徑大于氣流整形區(qū)氣流通路中部內(nèi)徑，所述氣流整形區(qū)的氣流通路緊貼所述測試材料放置區(qū)一側(cè)。優(yōu)選的，所述試驗段的測試材料放置區(qū)為敞開式。優(yōu)選的，所述試驗段通過螺栓或卡槽方式固定連接在半橢球反射計的外殼上。優(yōu)選的，所述收集測量裝置為積分球和設(shè)置在積分球探測口的光電探測器。

優(yōu)選的，所述試驗段出氣口端面與半橢球反射計內(nèi)壁平滑連接且與內(nèi)壁表面持平。超音速切向氣流下材料激光反射率動態(tài)測量方法，基于如上所述任一項所述的超音速切向氣流下材料激光反射率動態(tài)測量裝置，包括如下步驟:
101.將待測測試材料放置在測試材料放置區(qū)上，打開吹氣裝置，在測試材料外表面形成穩(wěn)定的切向氣流，所述測試材料外表面無突起無凹陷；
102.將加熱激光束和探測激光束對準(zhǔn)第一焦點(diǎn)入射在測試材料表面；
103.利用收集測量裝置收集第二焦點(diǎn)處匯聚的激光并測量。優(yōu)選的，所述步驟101中形成的切向氣流為超音速。優(yōu)選的，所述步驟102中加熱激光束11和探測激光束12的入射角度不同。采用本發(fā)明所述的超音速切向氣流下材料激光反射率動態(tài)測量裝置及方法，可獲取切向氣流條件下激光與金屬材料相互作用過程中材料反射率的動態(tài)變化趨勢曲線，該裝置可方便、快捷地更換氣源和試驗段類型，實現(xiàn)在不同氣流組份和不同氣流速度下，材料與激光相互作用過程中反射率變化的動態(tài)測量，獲得材料激光能量耦合系數(shù)，可為激光切割、激光清洗等激光加工過程中優(yōu)化激光參數(shù)提供依據(jù)，達(dá)到提高激光能量利用效率、降低加工成本等經(jīng)濟(jì)利益。


圖1示出本發(fā)明一種具體實施方式
的主示 圖2示出本發(fā)明一種具體實施方式
的側(cè)視 圖3示出本發(fā)明所述吹氣系統(tǒng)的具體實施方式
各部件連接關(guān)系 圖4示出本發(fā)明的一種工作方式示意 各圖中附圖標(biāo)記名稱為:1.試驗段2.半橢球反射計3.氣道進(jìn)氣口 4.氣道出氣口5.氣流整形區(qū)6.測試材料放置區(qū)7.第一焦點(diǎn)8.激光入射口 9.第二焦點(diǎn)11.加熱激光束12.探測激光束21.截止閥22.減壓閥23.球閥24.節(jié)流閥25.安全閥27.第一壓力表28.第二壓力表29.氣源。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖，對本發(fā)明的具體實施方式
作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。當(dāng)材料表面存在較高速切向氣流時，可影響材料對激光能量的吸收效率，改變激光加熱效應(yīng)。本發(fā)明應(yīng)用于材料測量領(lǐng)域，用于測量金屬或其它材料對激光的反射率，特別是在待測材料表面存在切向氣流條件下的反射率。如圖1至2所示，本發(fā)明所述超音速切向氣流下材料激光反射率動態(tài)測量裝置，包括收集測量裝置和試驗段I，所述試驗段包括測試材料放置區(qū)6，還包括吹氣系統(tǒng)和半橢球反射計2，所述測試材料放置區(qū)6和收集測量裝置的測量口分別位于所述半橢球反射計的第一焦點(diǎn)7和第二焦點(diǎn)8處；所述試驗段還包括與吹氣系統(tǒng)連接的氣道，氣道包括氣道出氣口和氣道進(jìn)氣口，所述氣道的出氣方向平行于測試材料放置區(qū)6的放置表面。半橢球反射計是本領(lǐng)域內(nèi)常用的一種反射率測量裝置，半橢球反射計的內(nèi)壁表面處于鏡面狀態(tài)，根據(jù)橢圓體構(gòu)造和橢圓的光學(xué)性質(zhì)，利用半橢球反射計存在的兩個焦點(diǎn)，在半橢球的一個焦點(diǎn)放置光源，可以在另一個焦點(diǎn)收集經(jīng)過反射后的反射光。將表面光滑，無凸臺凹陷的測試材料放置在所述試驗段的測試材料放置區(qū)，試驗段的氣道出口的出氣方向平行于放置在測試材料外表面，試驗段氣道入口與吹氣系統(tǒng)連接，開始測量之前，先打開·吹氣系統(tǒng)，吹氣系統(tǒng)的氣流經(jīng)過試驗段氣道的整流之后，從氣道出口噴出平行于測試材料外·表面方向的均勻氣流。待形成穩(wěn)定均勻的切向氣流后，將探測激光對準(zhǔn)位于半橢球反射計的第一焦點(diǎn)處的測試材料入射，測試材料外表面即為測試材料的激光輻照面，測試材料表面的反射光經(jīng)半橢球反射計內(nèi)壁反射后，匯聚到第二焦點(diǎn)8，被位于第二焦點(diǎn)8的收集測量裝置的測量口收集，并完成對收集的反射率相關(guān)信息的測量。吹氣系統(tǒng)用于產(chǎn)生均勻氣流從試驗段吹入，并可調(diào)整氣流種類和氣流流量，具體的，本發(fā)明所述吹氣系統(tǒng)包括順次相連的截止閥21、減壓閥22、球閥23、節(jié)流閥24、安全閥25 ;所述安全閥25的出口與試驗段I氣道進(jìn)氣口 3連接，所述截止閥21的入口與外置氣源29連接。所謂順次相連，即如圖3所示，截止閥的入口連接外置氣源，出口連接減壓閥的入口，減壓閥的出口連接后續(xù)的球閥的入口，球閥出口連接節(jié)流閥入口，節(jié)流閥出口連接安全閥入口，安全閥與試驗段氣道的進(jìn)氣口連接。其中截止閥用于連通和切斷氣源；減壓閥用于降低氣源壓力至管路工作壓力；球閥用于實驗結(jié)束后迅速截斷氣流，起一定保護(hù)作用 ’節(jié)流閥可調(diào)節(jié)吹氣裝置流量，進(jìn)而調(diào)節(jié)穩(wěn)定段氣流總壓，安全閥用于確保管路運(yùn)行安全。在上述吹氣系統(tǒng)中，為使吹氣系統(tǒng)更好的工作，可以在截止閥和減壓閥的連接處設(shè)置第一壓力表27，用于監(jiān)測外置氣源的輸出氣壓，還可以在減壓閥和球閥連接處設(shè)置第二壓力表28，用于監(jiān)測管路工作壓力，為調(diào)節(jié)工作壓力提供參考。第一壓力表27和第二壓力表28可以單獨(dú)使用，也可以一起使用。通過更換與截止閥連接的外置氣源29，可以實現(xiàn)切向氣流氣體種類的迅速更換，例如可以使用氮?dú)?、惰性氣體等作為氣源29進(jìn)行吹氣測量測試材料的對應(yīng)反射率。本發(fā)明所述試驗段用于將吹氣系統(tǒng)送出的氣流整形為具有穩(wěn)定速度和方向均一的切向氣流，試驗段具有氣道和氣道進(jìn)氣口及氣道出氣口，試驗段具有測試材料放置區(qū)以放置測試材料，并使試驗段送出的切向氣流從氣道出氣口以平行于測試材料外表面的方向送出，氣道出氣口可以設(shè)置在測試材料放置區(qū)鄰近處。所述測試材料放置區(qū)與氣道出氣口側(cè)壁最好具備一定高度差，該高度差為測試材料厚度，使測試材料放置好后，測試材料)外表面與氣道出氣口側(cè)壁處于同一平面，達(dá)到最佳測試環(huán)境。為在測試材料表面形成均勻穩(wěn)定的超音速切向氣流，如圖2所示，本發(fā)明所述試驗段優(yōu)選的具備如下特征:所述氣道出氣口 3處有氣流整形區(qū)5，所述氣流整形區(qū)5內(nèi)徑小于氣道其他區(qū)域內(nèi)徑，氣流整形區(qū)氣流通路前后部內(nèi)徑大于氣流整形區(qū)氣流通路中部內(nèi)徑，氣流整形區(qū)的氣流通路緊貼所述測試材料放置區(qū)一側(cè)。通過上述對氣道整形區(qū)的內(nèi)徑先收縮再擴(kuò)大，并調(diào)節(jié)吹氣系統(tǒng)送出氣流的總壓，可以使氣道出氣口處形成均勻穩(wěn)定的超音速切向氣流，實現(xiàn)在超音速切向氣流條件下測量測試材料的激光反射率。優(yōu)選的，如圖2所示，試驗段出氣口端面與半橢球反射計內(nèi)壁平滑連接且與內(nèi)壁表面持平，其目的是避免試驗段出氣口遮擋，保證測試材料表面反射的探測激光可全部反射到第二個焦點(diǎn)處。所述試驗段的測試材料放置區(qū)優(yōu)選為敞開式設(shè)計，即測試材料放置區(qū)不再需要用于氣流整形的管道側(cè)壁，與封閉式試驗段相比，敞開式試驗段是以穩(wěn)定的大氣環(huán)境壓力做為試驗段靜壓，根據(jù)總靜壓公式并指定馬赫數(shù)即可得到滿足敞開式試驗段運(yùn)行的穩(wěn)定段總壓。另外，與封閉式試驗段相比，敞開式試驗段操作空間大大，便于測試樣品的安裝。所述試驗段通過螺栓或卡槽方式固定連接在半橢球反射計的外殼上，方便快速拆卸安裝。優(yōu)選的，本發(fā)明所述收集測量裝置為積分球和設(shè)置在積分球探測口的光電探測器。積分球的進(jìn)光口作為所述收集測量裝置的測量口設(shè)置在半橢球反射計的第二焦點(diǎn)處，通過進(jìn)光口進(jìn)入積分球內(nèi)部的激光束，經(jīng)過其內(nèi)壁涂覆具有高反射系數(shù)的涂層多次無規(guī)則漫反射，使其內(nèi)壁各處具有相等的光照度，布設(shè)在探測口處的光電探測器，將測量到進(jìn)入積分球內(nèi)部激光束功率的變化情況。本發(fā)明專利所述超音速切向氣流下材料激光反射率動態(tài)測量裝置中，來自樣品材料表面反射的激光束將進(jìn)入積分球內(nèi)部被收集，通過光電探測器測量其功率變化數(shù)據(jù)，通過計算便可獲得反射率的動態(tài)變化曲線，最終實現(xiàn)與探測激光波長相同的激光束輻照切向氣流條件下金屬材料反射率變化的動態(tài)測量。切向氣流下激光輻照金屬材料反射率動態(tài)測量方法，基于上述超音速切向氣流下材料激光反射率動態(tài)測量裝置基本實現(xiàn)方式及各個優(yōu)選實施方案，包括如下步驟:
101.將待測測試材料放置在測試材料放置區(qū)6上，打開吹氣裝置，在測試材料外表面形成穩(wěn)定的切向氣流，所述測試材料外表面無突起無凹陷；
102.將加熱激光束11和探測激光束12對準(zhǔn)第一焦點(diǎn)7入射在測試材料表面；
103.利用收集測量裝置收集第二焦點(diǎn)8處匯聚的激光并測量。測量開始前，確定測試材料放置區(qū)和收集測量裝置的測量口分別位于半橢球反射計2的第一焦點(diǎn)7和第二焦點(diǎn)8處，使吹氣裝置工作，調(diào)節(jié)氣流參數(shù)使測試材料外表面形成穩(wěn)定的切向氣流， 隨后從半橢球反射計的激光入射口 8處射入加熱激光束11和探測激光束12，入射方向?qū)?zhǔn)位于測試材料上半橢球反射計第一焦點(diǎn)7，加熱激光束11功率較大，用于對測試材料進(jìn)行加熱，探測激光束12功率遠(yuǎn)小于加熱激光束11，探測激光束12入射在測試材料外表面上的半橢球反射計的第一焦點(diǎn)后，測試材料表面的反射光經(jīng)半橢球反射計內(nèi)壁反射后，匯聚在半橢球反射計2的第二焦點(diǎn)8，所述收集測量裝置位于第二焦點(diǎn)8的測量口收集匯聚在第二焦點(diǎn)處的探測激光束并測量，通過計算得出測試材料的反射率參數(shù)。加熱激光束和探測激光束的入射角度最好不同，以避免兩束激光光路中光學(xué)元件空間位置的相互干擾。加熱激光束和探測激光束的波長頻率可以相同，也可以不同。步驟101中所述的切向氣流流速可以設(shè)置為超音速，以測量超音速條件下的測試材料激光反射率參數(shù)。通過調(diào)節(jié)吹氣裝置中氣流控制組件實施氣流流量控制，即可實現(xiàn)所關(guān)心切向氣流速度條件下 ，激光與材料相互作用過程中反射率的動態(tài)測量。采用本發(fā)明所述的超音速切向氣流下材料激光反射率動態(tài)測量裝置及方法，可獲取切向氣流條件下激光與金屬材料相互作用過程中材料反射率的動態(tài)變化趨勢曲線，該裝置可方便、快捷地更換氣源和試驗段類型，實現(xiàn)在不同氣流組份和不同氣流速度下，材料與激光相互作用過程中反射率變化的動態(tài)測量，獲得材料激光能量耦合系數(shù)，可為激光切割、激光清洗等激光加工過程中優(yōu)化激光參數(shù)提供依據(jù)，達(dá)到提高激光能量利用效率、降低加工成本等經(jīng)濟(jì)利益。前文所述的為本發(fā)明的各個優(yōu)選實施例，各個優(yōu)選實施例中的優(yōu)選實施方式如果不是明顯自相矛盾或以某一優(yōu)選實施方式為前提，各個優(yōu)選實施方式都可以任意疊加組合使用，所述實施例以及實施例中的具體參數(shù)僅是為了清楚表述發(fā)明人的發(fā)明驗證過程，并非用以限制本發(fā)明的專利保護(hù)范圍，本發(fā)明的專利保護(hù)范圍仍然以其權(quán)利要求書為準(zhǔn)，凡是運(yùn)用本發(fā)明的說明書及附圖內(nèi)容所作的等同結(jié)構(gòu)變化，同理均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.超音速切向氣流下材料激光反射率動態(tài)測量裝置，包括收集測量裝置和試驗段(1)，所述試驗段(I)包括測試材料放置區(qū)(6)； 其特征在于:還包括吹氣系統(tǒng)和半橢球反射計(2)，所述測試材料放置區(qū)和收集測量裝置的測量口分別位于所述半橢球反射計的第一焦點(diǎn)(8)和第二焦點(diǎn)(9)處； 所述試驗段還包括與吹氣系統(tǒng)連接的氣道，氣道包括氣道出氣口(4)和氣道進(jìn)氣口(3)，所述氣道的出氣方向平行于測試材料放置區(qū)(6)的放置表面。
2.如權(quán)利要求1所述的超音速切向氣流下材料激光反射率動態(tài)測量裝置，其特征在于:所述吹氣系統(tǒng)包括順次相連的截止閥(21)、減壓閥(22)、球閥(23)、節(jié)流閥(24)、安全閥(25 );所述安全閥(25 )的出口與試驗段氣道進(jìn)氣口( 3 )連接，所述截止閥(21)的入口與外置氣源(29)連接。
3.如權(quán)利要求2所述的超音速切向氣流下材料激光反射率動態(tài)測量裝置，其特征在于:所述吹氣系統(tǒng)至少具備如下特征之一: A.所述截止閥與減壓閥連接處還有第一壓力表(27); B.所述減壓閥和球閥連接處還有第二壓力表(28)。
4.如權(quán)利要求1所述的超音速切向氣流下材料激光反射率動態(tài)測量裝置，其特征在于:所述氣道出氣口(4)處有氣流整形區(qū)(5)，氣流整形區(qū)內(nèi)徑小于氣道其他區(qū)域內(nèi)徑，氣流整形區(qū)氣流通路前后部內(nèi)徑大于氣流整形區(qū)氣流通路中部內(nèi)徑，且所述氣流整形區(qū)的氣流通路緊貼所述測 試材料放置區(qū)一側(cè)。
5.如權(quán)利要求1所述的超音速切向氣流下材料激光反射率動態(tài)測量裝置，其特征在于:所述試驗段的測試材料放置區(qū)(6)為敞開式。
6.如權(quán)利要求1所述的超音速切向氣流下材料激光反射率動態(tài)測量裝置，其特征在于:所述收集測量裝置為積分球和設(shè)置在積分球探測口的光電探測器。
7.如權(quán)利要求1所述的超音速切向氣流下材料激光反射率動態(tài)測量裝置，其特征在于:所述試驗段出氣口端面與半橢球反射計內(nèi)壁平滑連接且與內(nèi)壁表面持平。
8.超音速切向氣流下材料激光反射率動態(tài)測量方法，基于權(quán)利要求1至7任一項所述的超音速切向氣流下材料激光反射率動態(tài)測量裝置，包括如下步驟: 101.將待測測試材料放置在測試材料放置區(qū)(6)上，打開吹氣裝置，在測試材料外表面形成穩(wěn)定的切向氣流，所述測試材料外表面無突起無凹陷； 102.將加熱激光束(11)和探測激光束(12)對準(zhǔn)第一焦點(diǎn)(7)入射在測試材料表面； 103.利用收集測量裝置收集第二焦點(diǎn)(8)處匯聚的激光并測量。
9.如權(quán)利要求8所述的超音速切向氣流下材料激光反射率動態(tài)測量方法，其特征在于:所述步驟101中形成的切向氣流為超音速。
10.如權(quán)利要求8或9所述的超音速切向氣流下材料激光反射率動態(tài)測量方法，其特征在于:所述步驟102中加熱激光束(11)和探測激光束(12)的入射角度不同。
全文摘要
超音速切向氣流下材料激光反射率動態(tài)測量裝置，包括收集測量裝置和試驗段，所述試驗段包括測試材料放置區(qū)，還包括吹氣系統(tǒng)和半橢球反射計，所述測試材料放置區(qū)和收集測量裝置的測量口分別位于所述半橢球反射計的第一焦點(diǎn)和第二焦點(diǎn)處；所述試驗段還包括與吹氣系統(tǒng)連接的氣道，氣道包括氣道出氣口和氣道進(jìn)氣口，所述氣道的出氣方向平行于測試材料放置區(qū)的放置表面。本發(fā)明還提供一種基于上述裝置的超音速切向氣流下材料激光反射率動態(tài)測量方法。采用本發(fā)明所述的超音速切向氣流下材料激光反射率動態(tài)測量裝置及方法，可獲取切向氣流條件下激光與金屬材料相互作用過程中材料反射率的動態(tài)變化趨勢曲線。
文檔編號G01N21/17GK103234912SQ201310132570
公開日2013年8月7日 申請日期2013年4月17日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月17日
發(fā)明者張永強(qiáng), 譚福利, 趙劍衡, 張黎, 陶彥輝, 任澤斌, 秦紅崗 申請人:中國工程物理研究院流體物理研究所