用于非固态不透明试样冲击试验的低温靶装置及试验方法与流程

本发明涉及冲击试验领域，具体涉及一种用于非固态不透明试样冲击试验的低温靶装置及其试验方法。

背景技术：

冲击试验是一种常见的实验方法，由冲击试验获得的冲击波波速d可作为其他学科研究的基础数据，如超高压极端条件下需要合成新材料以及生成新的物理现象时，作为研究超高压极端条件重要参数之一的雨贡纽参数，其计算就需要用到冲击波波速d。

现有对冲击波在非固态(气态、液态)试样中的传播速度，即冲击波波速d的测定，由于非固态试样的不可接触性，常采用dps激光测速的方式，利用对被测物体进行两次有特定时间间隔的激光测距，取得在该一时段内被测物体的移动距离，从而得到该被测物体的移动速度。

但是对于非固态试样，如果其本身的状态是不透明的或者在冲击试验过程中变得不透明，因激光无法对不透明样液体产生回光(即激光发射出去能够反射回来的光)，那么就不能采用激光直接测量冲击波波速d，这就为非固态试样的冲击波波速d测量提出了挑战。

技术实现要素：

针对现有技术存在的上述不足，本发明公开了一种用于非固态不透明试样冲击试验的低温靶装置，通过在样品室上下加载交错的透明窗体，利用窗体始终保持透明的特性替代试样的上下液面，当冲击波达到窗体位置时，激光能够感知回光的信号变化，从而记录当前时间点，并根据样品室的厚度以及各时间点形成的时间差来求出该试样的冲击波速度，本申请为非固态不透明试样冲击波实验的冲击波速度采集提供了方便易行的装置和方案，使得采集的冲击速度准确可靠，对冲击实验研究具有重要意义。

本发明通过下述技术方案实现：

一种用于非固态不透明试样冲击试验的低温靶装置，包括测速系统、靶体组件和光纤固定组件；靶体组件包括第一靶体、第二靶体和样品室；第一靶体包括第一靶座、设于第一靶座中的第一内腔以及固接于第一内腔底部的第一窗体；第二靶体包括第二靶座、在第二靶座上同向贯通开设的第二通孔和注液孔、固接于第二靶座尾端且封堵于第二通孔孔口的第二窗体、以及固接于第二窗体且位于第二通孔对侧的反光膜；第二靶体扣接于第一靶体头端并封堵于第一内腔的开口，使第二靶体与第一内腔之间所留间隙形成样品室；注液孔指向样品室；第一窗体与第二窗体都为透明材质且相互交错以及分别位于样品室的顶部和底部；光纤固定组件包括光纤固定座、第一光纤、第二光纤和固定管；光纤固定组件通过固定管穿设于第二通孔中；光纤固定座固接并封堵于固定管尾端管口，并沿轴向分别贯通开设第二照射孔、以及位于第二照射孔周围且与第一光纤一一对应的第一照射孔；第一光纤和第二光纤的一端均与测速系统进行连接，另一端均由固定管头端进入并分别穿设入第一照射孔和第二照射孔；第一光纤发射激光经第一照射孔射入第一窗体并由样品室底部返回；第二光纤发射激光经第二照射孔射入第二窗体并由反光膜返回。

进一步的，第一窗体至少两块并环形阵列于样品室底部周缘；第二窗体位于样品室顶部中心；第二照射孔设于光纤固定座中心，第一照射孔环形阵列于第二照射孔周围。

进一步的，第一窗体设置两块。

进一步的，第一窗体与第二窗体选用lif材料进行制作。

进一步的，第一窗体和第二窗体均通过dg—4胶水粘接，并分别固定于第一内腔和第二靶座。

进一步的，光纤固定组件还包括多个透镜；一部分透镜和第一光纤分别嵌装并封堵第一照射孔的两端孔口；另一部分透镜和第二光纤分别嵌装并封堵第二照射孔的两端孔口。

进一步的，第一内腔为阶梯孔结构，且大孔段为螺纹孔小孔段为光面孔，第一窗体固接于第一内腔的小孔底部；

第二靶座为阶梯轴结构，且大轴段为螺纹轴，小轴段为光面轴，第二通孔由第二靶座的大轴段至小轴段贯穿；第二窗体固接于第二靶座小轴段的端部；

第二靶体扣接于第一靶体具体为：第一内腔大孔段与第二窗体大轴段进行螺纹连接；

第二靶座的小轴段穿设入第一内腔的小孔段；第二靶座的小轴段与第一内腔的小孔段之间预留横截面为“u”形的“u”型腔；“u”型腔的底腔构成样品室，注液孔孔口正对“u”型腔的环腔。

进一步的，第一靶体还包括冷却室；冷却室设于第一靶座中，且环设于第一内腔周围，在冷却室上开设有分别作为出口和入口的两个冷却孔，冷却孔外接冷却管，通过一个冷却孔注入冷却剂，另一个冷却孔流出冷却剂而构成循环冷却系统。

进一步的，第二靶体还包括温度孔；温度孔为设于第二通孔一侧的盲孔，在温度孔内设置有温度传感器。

进一步的，第一靶体还包括隔板；隔板贴敷于第一靶座底面；反光膜采用能反射激光的铝片或铜片材质制作；第一靶座和第二靶座均采用金属材质制作；光纤固定座采用铜材进行制作。

上述用于非固态不透明试样冲击试验的低温靶装置，测速系统包括相互间进行通信连接的dps激光测速仪和示波器，dps激光测速仪用于发射激光，示波器用于接收信号，第一光纤和第二光纤的一端均与测速系统的dps激光测速仪进行连接。

采用上述低温靶装置对非固态不透明试样进行冲击试验的试验方法，包括如下步骤：

步骤s100：将用于冲击试验的轻气炮和测速系统分别设置于靶体组件的左右两侧，并将靶体组件通过靶架装夹固定；

步骤s200：将光纤固定组件插入靶体组件的第二通孔中，并调整光纤固定组件在靶体组件中的位置；调整好位置后用胶水填充固定管和第二通孔之间的间隙，使光纤固定组件固定；

步骤s300：通过冷却室上开设的冷却孔向第一靶体上的冷却室注入冷却液，使冷却室的温度降至设定温度；

步骤s400：接入注液管于注液孔的孔口处，向样品室内通入液态氮气或氢气试样直至注满，使试样液位至少达到反光膜处；

步骤s500：开通测速系统，dps激光测速仪通过第一光纤、第二光纤发射激光；

步骤s600：启动轻气炮向靶体组件的外端发射弹丸，弹丸撞击靶体组件底部并形成冲击波，然后冲击波传递至样品室，以样品室中的试样作为介质继续进行传递，采集冲击波在样品试样中的冲击波波速d。

在上述对非固态不透明试样进行冲击试验的试验方法中，在步骤s500中：dps激光测速仪发射激光经第一光纤至第一窗体，再由样品室底部回光反射至第一光纤；

dps激光测速仪发射激光经第二光纤至第二窗体，再由反光膜反射至第二光纤。

在步骤s600中：

轻气炮发射弹丸撞击靶体组件时，此时形成的冲击波先传递至样品室底部上下两侧的第一窗体，第一窗体受冲击产生运动，经第一窗体产生的回光也跟随移动，通过示波器记录样品室底部上侧第一窗体产生运动的时间点t1、以及样品室底部下侧第一窗体产生的回光跟随移动的时间点t2；

同时冲击波将以样品室中的试样为介质，继续传递至反光膜处，反光膜受冲击也将产生移动，通过示波器记录反光膜产生移动的时间点t3；由下面的公式求得冲击波波速d，

式中：d为样品室的厚度。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

本发明通过在样品室的上部加载透明窗体以及下部两侧加载透明窗体的方式，利用窗体始终保持透明的特性，当冲击波达到窗体位置时，激光能够感知回光的信号变化，从而记录当前时间点，并根据样品室的厚度以及各时间点形成的时间差来求出该试样的冲击波速度，本申请为非固态不透明试样冲击波实验的冲击波速度采集提供了方便易行的装置和方案，使得采集的冲击速度准确可靠，对冲击实验研究具有重要意义。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明一个实施例的整体布局图；

图2为本发明一个实施例的靶体组件结构示意图；

图3为本发明一个实施例的第一靶体结构示意图；

图4为本发明一个实施例的第二靶体结构示意图；

图5为本发明一个实施例的光纤固定组件与测速系统连接示意图；

图6为本发明一个实施例的样品室结构及周围配置图；

图7为本发明一个实施例的发生冲击时其中一个第一窗体接收冲击信号的时间点；

图8为本发明一个实施例的发生冲击时另一个第一窗体接收冲击信号的时间点；

图9为本发明一个实施例的发生冲击时第二窗体接收冲击信号的时间点；

附图中标记及对应的零部件名称：

10-靶体组件、10a-第一靶体、10a1-第一靶座、10a2-隔板、10a3-第一窗体、10a4-冷却室、10a5-第一内腔、10b-第二靶体、10b1-温度孔、10b2-第二靶座、10b3-第二窗体、10b4-反光膜、10b5-第二通孔、10b6-注液孔、10c-样品室、20-光纤固定组件、201-透镜、202-光纤固定座、203a-第一光纤、203b-第二光纤、204-固定管、30-测速系统、301-dps激光测速仪、302-示波器、40-靶架、50-注液管、60-轻气炮

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

在一些实施例中，如图1所示的一种用于非固态不透明试样冲击试验的低温靶装置，总体结构依次包括从左至右的靶体组件10、光纤固定组件20和测速系统30。测速系统30包括相互间进行通信连接的dps激光测速仪301和示波器302。dps激光测速仪301可以发射激光，示波器302用于接收信号。

如图2所示，靶体组件10包括第一靶体10a、第二靶体10b和样品室10c。第一靶体10a包括图3所示的第一靶座10a1、设于第一靶座10a1中的第一内腔10a5以及固接于第一内腔10a5底部的第一窗体10a3。

第二靶体10b如图4所示包括第二靶座10b2、在第二靶座10b2上同向贯通开设有第二通孔10b5和注液孔10b6、固接于第二靶座10b2尾端且封堵于第二通孔10b5孔口的第二窗体10b3、以及固接于第二窗体10b3且位于第二通孔10b5对侧的反光膜10b4，反光膜10b4可采用常见的铝片或铜片等任意能够反射激光的材质进行制作，并用胶水粘接在第二窗体10b3底面。由图2和图4可知，第二靶体10b扣接于第一靶体10a头端并封堵于第一内腔10a5的开口，使第二靶体10b与第一内腔10a5之间所留间隙形成样品室10c。注液孔10b6指向样品室10c，通过注液孔10b6向样品室10c注入冲击试验需要的液态氮气、氢气等非固态试样。

第一窗体10a3与第二窗体10b3都为透明材质制作，均用于激光射入后产生回光，并且相互交错以及分别位于样品室10c的顶部和底部。这里需要说明的是，由于本申请装置针对的是液态氮气、氢气等试样，其温度极低，故为了保证本申请装置即使在低温下、以及数兆帕撞击压力下发生的形变可控，以及保证装置在实验过程中的密封性和稳定性，第一靶座10a1和第二靶座10b2均采用金属材质，优选为铝进行制作。

如图5所示，光纤固定组件20包括光纤固定座202、第一光纤203a、第二光纤203b和固定管204。光纤固定组件20通过固定管204如图1所示穿设于第二通孔10b5中，为保证试验需要的工作长度，固定管204制成长圆管结构，此时为了满足准直以及便于插入第二通孔10b5中，常采用硬质材料进行制作固定管204，同时考虑试验对温度有要求，固定管204优选材料聚四氟乙烯纤维玻璃进行制作；当然，如果试验对工作长度要求较低，固定管204也可选用聚四氟乙烯等较软的材料制作，但都应保证固定管204管体整体的准直。

综合对导热性和材料硬度的考虑，光纤固定座202采用铜材进行制作。光纤固定座202如图5所示，以嵌装的方式固接并封堵于固定管204尾端管口，并沿轴向分别贯通开设第二照射孔、以及位于第二照射孔周围的且与第一光纤203a一一对应的第一照射孔。如图1和图5所示，第一光纤203a和第二光纤203b的一端均与dps激光测速仪301进行连接，另一端均由固定管204头端进入并分别穿设入第一照射孔和第二照射孔。

如图5和图6所示，使用本装置进行冲击试验时，由于样品室10c中所注入试样的不透明性，无法产生回光，即激光射入试样后无法直接反射光；故利用第一窗体10a3和第二窗体10b3的透明性，dps激光测速仪301发出的激光，通过第一光纤203a经第一照射孔射入第一窗体10a3，并由样品室10c底部返回；dps激光测速仪301发出的激光，也通过第二光纤203b经第二照射孔射入第二窗体10b3并由反光膜10b4返回。这里需要说明的是，由于冲击试验过程中会产生高压，故第一窗体10a3与第二窗体10b3选用lif材料，即氟化锂材料进行制作，以保证高压环境下的抗变形能力，避免高压环境下发生相变而变得不透明，同时由于使用试样的低温特性，第一窗体10a3与第二窗体10b3均采用dg—4胶水粘接进行固定，以保证低温条件下的粘接性和完好性。

在一些实施例中，如图5所示，由于无法保证样品室10c的设置与激光入射方向的绝对垂直，那么激光射入样品室10c底部的时间也无法绝对一致，故为了保证试验结果尽量趋于真实，故第一窗体10a3至少两块并环形阵列于样品室10c底部周缘；第二窗体10b3位于样品室10c顶部中心；第二照射孔设于光纤固定座202中心，第一照射孔环形阵列于第二照射孔周围。这样，可以采集激光射入每块第一窗体10a3后产生回光的时间点，然后求他们集合的平均值，以保证最终试验所求得的冲击波波速尽量趋近于真实值，具体的试验计算方式将在后面详述。同时，考虑试验成本以及装置整体的易制作性，第一窗体10a3设置两块并如图6所示的对称的设于样品室10底部上侧和底部下侧，而第二窗体10b3则位于样品室10顶部中心。

在一些实施例中，如图1～图4所示，为了使得光纤的工作距离得到充分的延长，第一内腔10a5为阶梯孔结构，且大孔段为螺纹孔，小孔段为光面孔，第一窗体10a3固接于第一内腔10a5的小孔段底部。第二靶座10b2为阶梯轴结构，且大轴段为螺纹轴，小轴段为光面轴，第二通孔10b5由第二靶座10b2的大轴段至小轴段贯穿，这样第二通孔10b5整体呈细长孔结构使得接入其中的光纤得到充分的延长。第二窗体10b3固接于第二靶座10b2小轴段的端部。通过第一内腔10a5大孔段与第二窗体10b3大轴段进行螺纹连接，从而实现第二靶体10b扣接于第一靶体10a。第二靶座10b2的小轴段穿设入第一内腔10a5的小孔段；第二靶座10b2的小轴段与第一内腔10a5的小孔段之间预留横截面为“u”形的“u”型腔；“u”型腔的底腔构成样品室10c，注液孔10b6孔口正对“u”型腔的环腔。于此同时，如图5和图6所示，光纤固定组件20还包括多个透镜201；一部分透镜201和第一光纤203a分别嵌装并封堵第一照射孔的两端孔口，另一部分透镜201和第二光纤203b分别嵌装并封堵第二照射孔的两端孔口。这样，第一光纤203a和第二光纤203b射出的激光经过透镜201时，被透镜201将工作距离在理论上变成无限远，进一步充分的延长光纤的工作距离。为达到最佳效果，透镜201优选的制作成球形结构。

在一些实施例中，如图3所示，为了保证试验过程中试样一直保持低温状态，第一靶体10a还包括冷却室10a4。冷却室10a4设于第一靶座10a1中，且位于第一内腔10a5周围形成环形腔体，并具有分别作为出口和入口的两个冷却孔，冷却孔外接冷却管，然后选用工业液氮等作为冷却剂，通过一端注入冷却剂，一端流出冷却剂构成一个循环冷却系统，使整个装置尤其是样品室10c一直保持低温状态。

在一些实施例中，为了控制整个装置的温度，如图4所示，第二靶体10b还包括温度孔10b1。温度孔10b1为设于第二通孔10b5旁的盲孔，其内部可以插入热电偶、测温筒等温度传感器来进行温度检测。

在一些实施例中，当对温度以及整个装置的绝热能力有一定需求时，为阻止热量通过第一靶座10a1底部传递至样品室10c，如图3所示，第一靶体10a还包括隔板10a2；隔板10a2通过胶水粘接等方式贴敷于第一靶座10a1底面。

本申请的冲击试验方式如图1所示，先将用于冲击试验的轻气炮60和测速系统30分别设置于靶体组件10左右两侧，以及将靶体组件10通过靶架40装夹固定；然后将光纤固定组件20插入靶体组件10，具体为插入第二通孔10b5中。然后调整光纤固定组件20在靶体组件10中的位置，固定管204和第二通孔10b5采用光面接触的方式，也可采用螺纹连接的方式，使固定组件20以旋入的方式进入靶体组件10中并通过旋入旋出的方式进行位置调整，但考虑第二通孔10b5为细长孔的特质，优选采用固定管204和第二通孔10b5间隙配合的方式，以实现快速将固定组件20调整至正确位置，调整好位置后用胶水填充固定管204和第二通孔10b5之间的间隙，使光纤固定组件20固定。再接入注液管50于注液孔10b6孔口处，并向样品室10c内通入液态氮气或氢气等试样直至注满，即试样液位至少达到反光膜10b4处。开通测速系统30，dps激光测速仪301将通过第一光纤203a、第二光纤203b发射激光。一切就绪之后，启动轻气炮60向靶体组件10的左端发射弹丸，弹丸撞击靶体组件10底部并形成冲击波，然后冲击波传递至样品室10c，以样品室10c中的试样作为介质继续进行传递，此时试验采集的便是冲击波在试样中的传播速度，即冲击波波速d。

冲击波波速d实验原理如图1和图5、图6所示，dps激光测速仪301发射激光经第一光纤203a至第一窗体10a3，再由样品室10c底部回光反射至第一光纤203a；dps激光测速仪301发射激光以及经第二光纤203b至第二窗体10b3，再由反光膜10b4反射至第二光纤203b。在未受到冲击之前，dps激光测速仪301将接收稳定的回光信号，并通过通信连接如图1所示反馈给示波器302，但是当轻气炮60发射弹丸如图1所示撞击靶体组件10时，此时形成的冲击波先传递至样品室10c底部两侧的第一窗体10a3，第一窗体10a3此时受冲击将产生运动，此时经第一窗体10a3产生的回光也将跟随移动，然后示波器302如图7和图8所示，分别记录此时的时间点t1、t2；同时冲击波将以样品室10c中的试样为介质，继续传递至反光膜10b4处，反光膜10b4受冲击也将产生移动，示波器302如法炮制并记录此时图9所示的时间点t3。由图6可知，虽然样品室10c中试样具有不透明性，无法直接产生回光并反馈给示波器302，但是第一窗体10a3可以替代试样的下液面，第二窗体10b3可以替代试样的上液面，而样品室10c的厚度d是提前设置好的已知常数d，那么此时该试样中冲击波波速其中为冲击波从试样下液面传递至试样上液面的时间差。这样通过本申请装置以及本申请的工作原理就求得相关试样的冲击波波速d。

即采用上述的低温靶装置对非固态不透明试样进行冲击试验的试验方法，包括如下步骤：

步骤s100：将用于冲击试验的轻气炮60和测速系统30分别设置于靶体组件10的左右两侧，并将靶体组件10通过靶架40装夹固定；

步骤s200：将光纤固定组件20插入靶体组件10的第二通孔10b5中，并调整光纤固定组件20在靶体组件10中的位置；调整好位置后用胶水填充固定管204和第二通孔10b5之间的间隙，使光纤固定组件20固定；

步骤s300：通过冷却室10a4上开设的冷却孔向第一靶体10a上的冷却室10a4注入冷却液，使冷却室10a4的温度降至设定温度；

步骤s400：接入注液管50于注液孔10b6的孔口处，向样品室10c内通入液态氮气或氢气试样直至注满，使试样液位至少达到反光膜10b4处；

步骤s500：开通测速系统30，dps激光测速仪301通过第一光纤203a、第二光纤203b发射激光；

步骤s600：启动轻气炮60向靶体组件10的外端发射弹丸，弹丸撞击靶体组件10底部并形成冲击波，然后冲击波传递至样品室10c，以样品室10c中的试样作为介质继续进行传递，采集冲击波在样品试样中的冲击波波速d。

在上述对非固态不透明试样进行冲击试验的试验方法中，在步骤s500中：dps激光测速仪301发射激光经第一光纤203a至第一窗体10a3，再由样品室10c底部回光反射至第一光纤203a；

dps激光测速仪301发射激光经第二光纤203b至第二窗体10b3，再由反光膜10b4反射至第二光纤203b。

在步骤s600中：

轻气炮60发射弹丸撞击靶体组件10时，此时形成的冲击波先传递至样品室10c底部上下两侧的第一窗体10a3，第一窗体10a3受冲击产生运动，经第一窗体10a3产生的回光也跟随移动，通过示波器302记录样品室10c底部上侧第一窗体10a3产生运动的时间点t1、以及样品室10c底部下侧第一窗体10a3产生的回光跟随移动的时间点t2；

同时冲击波将以样品室10c中的试样为介质，继续传递至反光膜10b4处，反光膜10b4受冲击也将产生移动，通过示波器302记录反光膜10b4产生移动的时间点t3；由下面的公式求得冲击波波速d，

式中：d为样品室10c的厚度。

以上的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。