非接触式瞬态测量微岩石飞片飞行速度的装置制造方法
【专利摘要】本实用新型公开了非接触式瞬态测量微岩石飞片飞行速度的装置。该测量装置包括驱动激光发生器，驱动激光发生器后设置分光镜，经分光镜之后的一路光路中依次设置聚光透镜、微岩石飞片飞行腔；由分光镜分光后的另一路光路中依次设置高频光电接收器Ⅰ和示波器；该测量装置还包括高频片激光发生器，在高频片激光发生器后设置空间滤波器，经空间滤波器的片激光经过微岩石飞片飞行腔，进入高频光电接收器Ⅱ，最后到达示波器。本实用新型优点在于采用厚度为30μm的片激光，可以测量直径1mm量级、厚度1～10μm量级的微岩石飞片，测试飞片飞行速度的范围为0~8km/s，测试精度误差低于9%。
【专利说明】
【技术领域】
[0001] 本实用新型涉及一种非接触式瞬态测量微岩石飞片飞行速度的装置，属于微岩石 飞片的飞行速度测试【技术领域】。 非接触式瞬态测量微岩石飞片飞行速度的装置
【背景技术】
[0002] 岩石在爆炸或高速撞击等冲击载荷作用下会产生微岩石飞片，微岩石飞片通常具 有以下特点：1)直径为1mm量级，厚度为1?10 μ m量级；2)终极速度高达数km / S，甚至 更高；3)加速度高达101? / s2量级，而且在发射后20ns左右的时间内即被加速到终极速 度的95%;4)具有光学不透明性。由于微岩石飞片体积小、速度高，所以在超高应变率下材 料动态响应研究、材料物态方程研究、炸药安全引爆研究以及空间碎片研究等领域，微岩石 飞片飞行速度的原位、精确测量是其关键技术之一
[0003] 目前测速方法较多，但应用于试验研究都有一定的不足。PVDF (聚偏二氟乙烯)压 电传感器测速方法操作简单，但PVDF是一种耗费性材料，不利于长期密集开展试验研究； 更为重要的是，在开展飞片的超高速撞击效应研究时，这种测速方式为间接测速，不能实时 观测每次撞击的速度，且试验误差较大。石英晶体测速法相对于PVDF测速法试验材料利用 率较高，但是与PVDF测速一样，该方法也是一种间接测量方法，不能实时观测每次撞击的 速度，且试验误差较大。VISAR (Velocity Interferometer System for Any Reflector)测 速法的测速精度较高，但是价格不菲，并且与前面的两种方法类似均为间接测量方法。条纹 相机测速法可以观测飞片飞行的完整性和飞片的速度，且精度较高，缺点是价格昂贵，国内 尚未掌握该技术的核心且技术持有国对我国实施技术封锁。Ramesh和Kelkar提出了采用 激光光幕连续测量气炮驱动的飞片的空间位置，从而得到其速度历史的技术，该技术为非 接触式测量，测量精度高。但是对于微小飞片，由于其厚度较小，尚不能直接使用该技术，所 以改进该技术来测试微小飞片的瞬态速度势在必行。
【发明内容】
[0004] 针对上述存在的问题，本实用新型的目的在于提供一种非接触式瞬态测量微岩石 飞片飞行速度的装置。该测量装置具有实时测量和测量精度高的特点。
[0005] 本实用新型是通过以下技术方法实现的，一种非接触式瞬态测量微岩石飞片飞行 速度的装置，其特征在于，该测量装置包括驱动激光发生器，驱动激光发生器后设置分光 镜，经分光镜之后的一路光路中依次设置聚光透镜、微岩石飞片飞行腔；由分光镜分光后的 另一路光路中依次设置高频光电接收器I和示波器；该测量装置还包括高频片激光发生 器，在高频片激光发生器后设置空间滤波器，经空间滤波器的片激光经过微岩石飞片飞行 腔，进入高频光电接收器II，最后到达示波器。
[0006] 本实用新型的优点是提供一种微小飞片飞行速度非接触式瞬态测量系统。本实用 新型采用厚度为30 μ m的片激光，可以测量直径1_量级、厚度1?10 μ m量级的微岩石飞 片，测试飞片飞行速度的范围为〇~8 km/s，可拓展到10km/S以上，并且测试精度误差低于 9% 〇
【专利附图】
【附图说明】
[0007] 图1为本实用新型的装置结构框图。
[0008] 图中：1为驱动激光发生器，2为分光镜，3为聚光透镜，4为微岩石飞片飞行腔，5 为空间滤波器，6为高精度片激光发生器，7为高频光电接收器I，8为高频光电接收器II，9 为示波器。
[0009] 图2为微岩石飞片飞行腔4结构示意图。
[0010] 图中：4_1为微岩石飞片飞行腔底，4-2为微岩石飞片飞行腔盖，4-3为飞片靶，4-4 为激光光幕。
[0011] 图3为试验记录的原始曲线。
[0012] 图4为数据处理获得飞片飞行的时间-电压曲线。
【具体实施方式】
[0013] 下面结合附图和实例对本实用新型【具体实施方式】做进一步详细说明：
[0014] 1、组装测量系统，具体步骤如下：
[0015] (1)将激光发生器、聚光透镜架固定到基座上；
[0016] (2)将高频光电接收器固定到接收器接口的外侧，聚光及滤光筒固定到接收器接 口的内侧；
[0017] (3)调节激光发生器出激光出口距离中心线（即标定丝杆接口的中轴线）185mm，用 擦镜纸确认中心线处的激光光幕与基座底面垂直，调节微调螺母激光光幕对准光电接收器 正中；
[0018] (4)调节聚光透镜的，使聚焦后的激光仍然保持对中；
[0019] (5)将微岩石飞片飞行腔安装在飞片靶及靶板之间，并在飞片靶及微岩石飞片飞 行腔之间夹一层相纸，相纸用双面胶粘于飞片靶上，调节飞片靶位置，使激光发生器发射的 激光正对着微岩石飞片飞行腔；
[0020] (6)调节测速激光的中心正对着微岩石飞片飞行腔的狭缝(此过程通过示波器监 控，将示波器调至直流耦合状态，移动精密移动平台，使示波器输出电压最大即可）；
[0021] 本实用新型装置对微岩石飞片飞行速度进行非接触式瞬态测量原理如下：
[0022] 驱动激光经过分光镜后，微弱的反射光经过高频光电接收器进入示波器的通道1， 产生触发信号1，触发信号1产生的时间即为飞片发射的初始时刻，高速飞行的飞片通过片 激光时，光电接收器会产生一个向下的脉冲，示波器通道2产生触发信号2。片激光厚度为 30 μ m，宽0· 5mm ;片激光与飞片祀之间的距离设为2mm。片激光厚度的选择是基于微小飞片 厚度薄、直径小的特点，5 μ m厚、1mm直径的飞片可以造成最大输出1/6的变化，方便探测。
[0023] 片激光和飞片靶之间的距离?/通过微岩石飞片飞行腔的微岩石飞片飞行腔底的 厚度来控制，一旦光路校准完毕后，每次试验只要将飞片靶紧贴微岩石飞片飞行腔底即可。
[0024] 通过记录两触发信号之间的时间差」?和飞片靶到传感器之间的距离?/即可得到 飞片的平均速度
[0025] v=d/A t
[0026] 2、用测微丝杆精确标定片激光和飞片靶之间的距离?/，在测微丝杆刚好遮挡片激 光时，记录测微丝杆读数测微丝杆与飞片靶完全接触时，记录测微丝杆读数于是得 到飞片飞行距离为：?/ =?/；_?4=1. 015±0. 03 μ m。
[0027] 3、启动试验仪器，确认各部分工作正常，进行试验，记录试验数据。
[0028] 4、数据处理，得到飞片的速度，具体步骤如下：
[0029] (1)试验得到典型的原始试验结果如附图3所示。
[0030] (2)示波器的频响为2. 5G/S，所以示波器时间误差为^ =4. 0s，取主激光信号的 峰值点对应的时刻为G=20. 4±0. 4ns，即飞片起飞时刻，如附图4所示。
[0031] (3)将测速激光原始信号减去系统干扰信号，消除系统干扰。
[0032] (4)为准确得到飞片到达时刻&即信号的下降起点，对修正后信号的下降段进行 线性拟合，拟合结果为：
[0033] -(1.80x10* ±2.53> +(5.21 χ10-1± 6.69xlCT1)
[0034] 前段直线段为：
[0035] =1.65x10-1 ±1.05 X1CT1
[0036] 考虑到传感器的上升时间为10ns，由此计算到信号下降时刻为G=197. 5 ± 10. 0ns。
[0037] (5)飞片的飞行时间 ?= i7=177 ± 10ns。
[0038] (6)最后得到飞片的速度为κ=5. 73±0. 37km/s，最大相对误差为6. 4%。
【权利要求】
1. 一种非接触式瞬态测量微岩石飞片飞行速度的装置，其特征在于，该测量装置包括 驱动激光发生器，驱动激光发生器后设置分光镜，经分光镜之后的一路光路中依次设置聚 光透镜、微岩石飞片飞行腔；由分光镜分光后的另一路光路中依次设置高频光电接收器I 和示波器；该测量装置还包括高频片激光发生器，在高频片激光发生器后设置空间滤波器， 经空间滤波器的片激光经过微岩石飞片飞行腔，进入高频光电接收器II，最后到达示波器。
【文档编号】G01P3/36GK203894248SQ201420267939
【公开日】2014年10月22日 申请日期:2014年5月23日 优先权日:2014年5月23日
【发明者】夏开文, 陈荣, 孙立强, 于长一, 李嘉 申请人:天津大学