专利名称：一种激光冲击强化过程中冲击波压力测量系统和方法
技术领域：
本发明涉及一种激光冲击强化过程中冲击波压カ测量系统和方法。
背景技术：
激光冲击强化(Laser shock peening，LSP)是ー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，激光诱导的峰值压カ在2-2. 5倍的材料Hugoniot弹性极限(Hugoniotelastic 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カ特征具有短瞬时、高幅值等特点。如图I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，诱导的等离子体压カ特征的半峰宽时间约为激光功率密度的FWHM的2 3倍左右，压カ峰值可以达到几个GPa。为了搞清楚激光冲击强化过程中的压カ特征，需要对激光诱导的压カ特征，包括峰值压カ和半峰宽时间进行实验测量，从而获得エ艺參数对压カ特征的影响，对激光冲击強化的效果进行直接评估。通过以上的描述可知，激光诱导的压カ特征具有时间短、峰值压カ高的特点，压カ变化快、频率高。对具有这样特征的冲击压カ进行测量时，常规测量手段采用如石英晶体压力计以及锰铜计等，由于受到的測量量程、測量精度以及频响等方面的制約，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測量。PVDF压电薄膜传感器是利用PVDF薄膜的压电特性实现压力的測量。当PVDF薄膜受到外压カ差Ap作用吋，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，就可以建立起压カAp与表面电荷量A Q之间的关系A Q=K* A Ap0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カ产生的电荷量，单位为C/N。PVDF传感器由于两个表面的压カ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50 Q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，但是对于高频响压カ测量时，由于电荷积分器带宽的限制，不能准确反映压カ的时间分布特性。激光冲击强化诱导的压カ特征幅值高，频响快。因此，采用电流模式对压カ特征进行測量。通常采用电流测量模式对冲击靶体背表面位置的压カ进行測量。由于冲击波需要经过靶体传播到背表面，其压カ幅值和半峰宽时间都会发生改变，需要建立冲击表面压カ的直接测量方法。另外，由于激光诱导的压カ幅值较高，采用电流测量模式对激光诱导的压カ进行测量时，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カ测量系统和方法，在确保压力測量精度的同时，能够解决PVDF对较高压カ测量时限幅的问题。本发明的一种激光冲击强化过程中冲击波压カ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，另ー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
ILxi Ii+It)R1/ (R2+R3) < I, ^ ~^<50f2。本发明的一种激光冲击强化过程中冲击波压カ测量的方法包括如下步骤I)将激光冲击强化过程中冲击波压カ测量系统的PVDF传感器分别置于厚度为hi和h2的铝膜的底端，然后通过激光对铝膜进行辐照，产生等离子体压カ2)经过对厚度为Ii1和h2的铝膜的測量，得到厚度为Ii1时测量得到的峰值压カ为O1，半峰宽时间为T1;厚度为、时测量得到的峰值压カ为O2，半峰宽时间为T2;则激光诱导的压カ峰值Om和半峰宽时间Tni为
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n'-l从而得到激光诱导的压カ特征；其中，所述激光冲击强化过程中冲击波压カ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
IL-Kill+RAR1/ (R2+R3) < I，-jt~~^ < 50D本发明通过在PVDF传感器与采集设备(即示波器)之间搭建等效测量电路。对PVDF电路而言，第二电阻和第三电阻串联后与第一电阻并联；对采集设备而言，第一电阻和第三电阻串联后与第二电阻并联。这样，PVDF两极放电形成的电流经过第二电阻和第三电阻分流，减小了采集设备测量的电压。同吋，由于测量电路采用电阻模式，保证示波器两端的等效电阻小于50欧姆，并解决PVDF对较高压カ测量时限幅。实验中第一、第二和第三个电阻分别为50欧姆、50欧姆、500欧姆。采用该方法測量得到的电压峰值为3. 5伏持。而如果采用传统的测量方法，测量的电压峰值为38. 5伏特，远远超过示波器的測量量程。
图I为短脉冲强激光诱导的压カ特征曲线图；图2为本发明的PVDF测量系统；图3为本发明实施例激光功率密度时间分布曲线图；图4为本发明实施例铝膜厚度分别为60iim和IOOiim吋，PVDF测量得到的电路电压信号曲线图；图5为本发明实施例铝膜厚度分别为60 ii m和100 y m吋，PVDF测量得到的压カ时间波形曲线图。
具体实施例方式如图2所示，本发明的測量系统包括依次串联的第一电阻R1、第三电阻R3和第ニ电阻R2，PVDF传感器的一端连接在第一电阻Rl和第三电阻R3之间，另一端连接在第一电阻Rl和第二电阻R2之间；采集设备(即示波器)的一端连接在第三电阻R3和第二电阻R2之间，另一端连接在第一电阻Rl和第二电阻R2之间。其中，第一电阻R1、第二电阻R2和第三电阻R3满足如下条件
权利要求
1.一种激光冲击强化过程中冲击波压カ测量系统，其特征在于，包括依次串联的第ー电阻、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
2.一种激光冲击强化过程中冲击波压カ测量的方法，其特征在于，包括如下步骤 1)将激光冲击强化过程中冲击波压カ测量系统的PVDF传感器分别置于厚度为hi和h2的铝膜的底端，然后通过激光对铝膜进行辐照，产生等离子体压カ； 2)经过对厚度为Ii1和h2的铝膜的測量，得到厚度为Ii1时测量得到的峰值压カ为0p半峰宽时间为t1;厚度为、时测量得到的峰值压カ为O2，半峰宽时间为t2;则激光诱导的压カ峰值Qm和半峰宽时间Tni为
全文摘要
本发明公开了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。本发明还公开了一种采用上述测量系统进行冲击波压力测量的方法。本发明减小了采集设备测量的电压。同时，由于测量电路采用电阻模式，保证示波器两端的等效电阻小于50欧姆，并解决PVDF对较高压力测量时限幅。
文档编号G01L5/00GK102778317SQ20121022759
公开日2012年11月14日 申请日期2012年7月2日 优先权日2012年7月2日
发明者吴先前, 宋宏伟, 王曦, 魏延鹏, 黄晨光 申请人:中国科学院力学研究所