可調式雷射裂紋擴展速率記錄儀的製作方法
2023-12-01 21:09:16
可調式雷射裂紋擴展速率記錄儀的製作方法
【專利摘要】本發明公開了一種可調式雷射裂紋擴展速率記錄儀以及其使用方法，包括：第一類導軌支座（兩個），第二類導軌支座（一個），導軌管（兩根），線雷射功率調節器（一個），線雷射發射器（一個），第一類滑塊（兩個），第二類滑塊（一個），不同焦距的凸透鏡（一組），光電接收裝置（一個），高度調節杆（若干）。本發明實現了多種條件下、多角度、大範圍的裂紋動態擴展速率的測定。
【專利說明】可調式雷射裂紋擴展速率記錄儀
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種裂紋動態擴展速率測試技術，針對以往的應用雷射光通量測位移的方法的不足，對已有的應用雷射光通量測量裂紋位移的方法進行全方位改進，實現了多種條件下、多角度、大範圍的裂紋動態擴展速率的測定。
【背景技術】
[0002]近年來，在實驗力學領域，隨著實驗技術的不斷發展，很多新的測量技術逐漸被引用到實驗中，用來測量試樣的應力、應變、位移、以及其他所需的力學量，隨之對實驗精度、準確性、計量的方便性等的要求也越來越高。其中實驗精度和準確性對於實驗結果的影響具有決定性作用。在精度方面，不僅實驗方法的測量誤差需要考慮，減小實驗測試方法對試件變形的影響也成為提高實驗精度的重要方法。光學測量具有簡單、非接觸、易於實現等多方面的優點，因此越來越多的被應用到實驗中來。
[0003]在動態斷裂實驗中，以往的最基本的測試試樣變形的方法是粘貼應變片，然而，粘貼應變片本身就是屬於接觸式測量，並且只能測試試樣是某一點或某些點的應變值，具有很大的局限性。另外，有人也將數字散斑相關方法引進了動態斷裂實驗的測試中，用數字散斑方法可以測量試樣表面的應變及位移，但是由於數據處理軟體的問題，在裂紋線處的試樣裂紋表面的擴展速率不能夠很好的處理。利用一字線雷射照射裂紋，使雷射線與裂紋平面相垂直，在裂紋擴展過程中，裂紋兩個表面的距離不斷變化，因此通過的雷射的光通量也會隨之變化，從而通過測量光通量的變化率可以測得裂紋的擴展速率。
[0004]從現有的研究中可以發現，對於疲勞裂紋的擴展速率的研究較多，但是對於裂紋高速擴展的擴展速率的研究不是很多，而且方法都較為複雜。利用雷射測量裂紋的張開位移的文獻中可以發現，其應用的設備具有很大的局限性，由於雷射的通過裂紋的量很少，因此在測量過程中很容易受到外界光照的幹擾。另外，對於大的試樣，在試樣破壞過程中，裂紋的擴展量很大，因此需要長度更長的線雷射。同時，在測量的過程中如果裂紋形式以及裂紋角度等不同，對測量帶來很多不便。以上這些問題都亟待解決。
【發明內容】
[0005]本發明的目的在於利用可調節的一字線雷射以及光電接收裝置測量裂紋動態擴展速率，並通過調節雷射的強度，以及雷射的線寬，實現多種實驗條件下對各種範圍、各種角度的裂紋的動態擴展速率的測定。
[0006]本發明為了實現以上的目的採用以下的技術方案。
[0007]可調式雷射裂紋擴展速率儀包括:第一類導軌支座(兩個)，第二類導軌支座(一個)，導軌管(兩根)，線雷射功率調節器(一個)，線雷射發射器(一個)，第一類滑塊(兩個)，第二類滑塊(一個)，不同焦距的凸透鏡(一組)，光電接收裝置(一個)，高度調節杆(若干)。
[0008]下面對可調式雷射裂紋擴展速率儀各個組成部分的作用進行說明。
[0009]所述的兩個第一類導軌支座、一個第二類導軌支座、兩根導軌管、兩個第一類滑塊以及一個第二類滑塊共同構成了可調式雷射裂紋擴展速率儀的導軌。
[0010]兩個第一類導軌支座同時承擔固定線雷射功率調節器的任務。
[0011]兩個第一類滑塊分別起到線雷射發射器以及不同焦距的凸透鏡的支撐作用，並且可以使之在導軌上滑動。
[0012]第二類滑塊用來支撐光電接收裝置，並且可以使其在導軌上滑動。
[0013]線雷射功率調節器與線雷射發射器共同構成了可調式雷射裂紋擴展速率儀的線雷射發射系統。
[0014]線雷射功率調節器可以將雷射發射器發射的雷射的功率控制在OmW-1OmW的範圍內；
雷射發射器發射的雷射的波長為650nm,發光角為10°。
[0015]凸透鏡的焦距分別為10cm、15cm、20cm、25cm。
[0016]光電接收裝置中含有光電二極體，其中光電二極體的光譜相應範圍是400-1000nm,光電接收裝置響應頻率達到IMHz。
[0017]所述的可調式雷射裂紋擴展速率儀通過以下步驟實現對裂紋的動態擴展速率的測量。
[0018]步驟一:根據待測含裂紋試樣尺寸以及對裂紋最終擴展寬度的預估合理選擇相應焦距的凸透鏡。
[0019]步驟二:將凸透鏡安裝在相應的第一類滑塊上。
[0020]步驟三:根據導軌上的刻度尺合理調節凸透鏡與雷射發射器出光孔之見的距離，保證線雷射發射器的出光的中心在凸透鏡的焦點處，從而雷射透過凸透鏡後得到的光為平行光。
[0021]步驟四:將可調式雷射裂紋擴展速率儀安置在待測含裂紋試樣周圍的合理位置，調節線雷射發射器、凸透鏡、光電接受裝置的高度，保證其同軸。
[0022]步驟五:打開線雷射功率調節器的開關，根據實驗條件調節所需的光強，同時觀察發出的線雷射，轉動線雷射發射器使其發出的線雷射與裂紋線垂直。
[0023]步驟六:將光電接收裝置的外接數據線接到一臺示波器上。
[0024]完成以上步驟，並保證操作的正確性，就可以進行實驗，實驗過程中可調式雷射裂紋擴展速率儀會將裂紋的擴展速率記錄下來。
[0025]本發明採用以上的技術方案，通過調節線雷射的光強，並且配合不同焦距的凸透鏡，可以更容易的調節單位線雷射長度雷射的能量，從而可以實現多種實驗條件下的裂紋動態擴展速率的測定。通過調節線雷射發射器的角度，可以實現多角度裂紋動態擴展速率的測定。通過使用不同焦距的凸透鏡的焦距可以實現各種尺寸的含裂紋試樣的裂紋動態擴展速率的測定。通過調節線雷射發射器、凸透鏡以及光電接受器的高度可以測量不同安裝情況的含裂紋試樣的裂紋動態擴展速率的測定。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0026]圖1是本發明所述的可調式雷射裂紋擴展速率記錄儀的裝置示意圖，如圖所示包括:第一類導軌支座(兩個)，第二類導軌支座(一個)，導軌管(兩根)，線雷射功率調節器(一個)，線雷射發射器(一個)，線雷射發射器支架(一個)，第一類滑塊(兩個)，第二類滑塊(一個)，不同焦距的凸透鏡(一組)，凸透鏡支架(一個)，光電接收裝置(一個)，高度調節杆(若干)。
[0027]圖2是第一類導軌支座的示意圖。
[0028]圖3是第二類導軌支座的示意圖。
[0029]圖4是導軌管示意圖。
[0030]圖5是第一類滑塊示意圖。
[0031]圖6是第二類滑塊示意圖。
[0032]圖7是線雷射功率調節器示意圖。
[0033]圖8是線雷射發射器示意圖。
[0034]圖9是線雷射器發射器支架示意圖。
[0035]圖10是凸透鏡支架示意圖。
[0036]圖11是光電接收裝置示意圖。
[0037]圖12聞度調節杆不意圖。
【具體實施方式】
[0038]為了更加清楚地闡述本發明的設備特點、技術優點以及具體使用方法，下面結合附圖，對可調式雷射裂紋擴展速率記錄儀的組裝以及使用方法進行具體說明。
[0039]對於可調式雷射裂紋擴展速率記錄儀的組裝需要嚴格按照圖1中所示的各部件的位置正確安裝，在圖1中所示的合理的位置用相應大小的螺栓進行緊固。圖2中的標號1、圖3中標號1、圖5中的標號I以及圖六中的標號I所示的通孔是用來定位圖4所示的導軌管的水平位置。圖2中的標號2以及圖3中的標號2所示的沉頭螺紋孔是用來與相應的螺栓配合固定導軌管與第一類與第二類導軌支座的位置，使其不能相對運動。圖2中的標號3所示的螺紋孔是用來相應的螺栓配合固定線雷射功率調節器，使其可以固定於導軌上。圖5中的標號3以及圖6中的標號3所示的螺紋孔與相應的螺栓配合可以固定第一類滑塊與第二類滑塊在導軌上的位置。圖5中的標號4與圖6中的標號4所示的方形光孔使圖12所示的高度調節杆在其中穿過，並且由圖5中的標號2與圖6中的標號2與相應的螺栓配合來調整高度調節杆相對與導軌的高度。圖9所示的線雷射器發射器支架的螺紋孔2、圖10所示的凸透鏡支架的螺紋孔2以及圖11所示的光電接收裝置的螺紋孔I分別與相應的高度調節杆的外螺紋相連，通過調整高度調節杆的高度從而達到調整雷射發射器、凸透鏡、光電接收裝置的高度的目的。圖12所示的高度調節杆的螺紋孔2與高度調節杆的外螺紋I具有相同的直徑，可以相互配合，如果高度調節杆的長度不夠長，可以用多根高度調節杆相連組成更長的高度調節杆，從而達到測試目的。
[0040]下面詳細說明可調式雷射裂紋擴展速率記錄儀的調節方式。
[0041]如前面所述線雷射發射器的發光角為10°，因此根據光傳播的基本知識可知，在雷射的傳播路徑上與線雷射發射器出光孔的距離為s的位置，線雷射的寬度為7。由公式可知，當 S=1cm 時,7=1.743cm ;當 5.=15οιι 時,7=2.615cm ;當 5.=20οιι 時,7=3.49cm ;當 5.=25時,7=4.36cm。凸透鏡的焦距凸透鏡的焦距分別為/^=100^/^=150^/^=200^/^=25011,在實驗過程中，選擇合適的凸透鏡，並且是線雷射發射器的出光孔的中心位於凸透鏡的焦點處，就會得到不同寬度的線雷射。線雷射功率調節器可以將雷射發射器發射的雷射的功率控制在OmW-1OmW的範圍內，因此為了適應各種條件下的實驗，可以根據實際情況選擇線雷射的強度並且配合不同焦距的凸透鏡。例如，將線雷射的強度調到最大，同時配合使用/,=1cm的凸透鏡，這樣就可以得到單位長度內最大光強的線雷射。同理，可以得到多種強度、多種寬度的線雷射。這樣就給實驗帶來了很大的便利，而且實驗受外界環境的影響降到最低。
[0042]由於對於含裂紋試樣的加載實驗所使用的實驗設備各有不同，因此對於測量儀器的靈活性提出了很大的挑戰，本發明巧妙的應用了若干高度調節杆相連接的方法實現了對雷射發射器、凸透鏡、光電接收裝置高度的調節。並且由於實驗中裂紋與水平位置夾角的不同，可以通過調節雷射發射器發出的線雷射與水平面的角度，使線雷射與裂紋線垂直達到測量要求。具體實驗中，使待測的含裂紋試樣置於凸透鏡和光電接收裝置之間，並且保證在實驗過程中線雷射可以透過裂紋而且被光電接收裝置接收，然後進行試驗。在實驗過程中，利用可調式雷射裂紋擴展速率儀可以得到裂紋動態擴展情況下位移《隨時間?變化的曲線。根據速度與位移之間的關係，可以得到裂紋在各個時刻的動態擴展速率K可以由公式v=du/dt表示。根據動態擴展速率r的表達式編寫程序，並且植入到示波器中，就可以實現對裂紋動態擴展速率的測量的目的。
[0043]綜上所示，本發明通過對線雷射強度、雷射發射器發出的線雷射與水平面的角度、凸透鏡的焦距以及各部件的高度的調節實現了多種條件下、多角度、大範圍的裂紋動態擴展速率的測定。
【權利要求】
1.可調式雷射裂紋擴展速率記錄儀，其特徵在於:第一類導軌支座(兩個)，第二類導軌支座(一個)，導軌管(兩根)，線雷射功率調節器(一個)，線雷射發射器(一個)，第一類滑塊(兩個)，第二類滑塊(一個)，不同焦距的凸透鏡(一組)，光電接收裝置(一個)，高度調節杆(若干)。
2.通過調節線雷射的功率以及應用多種焦距的凸透鏡得到多強度，多寬度的線雷射，從而實現對多種工作環境、多種尺寸的裂紋的動態擴展速率的測定。
3.通過合理設計可調式雷射裂紋擴展速率記錄儀的結構，調節雷射發射器發出的線雷射與水平面的角度，以及通過高度調節杆調節各個部件的高度實現基於多種設備加載的裂紋的動態擴展速率的測定。
【文檔編號】G01N21/01GK104297158SQ201410603305
【公開日】2015年1月21日 申請日期:2014年11月1日 優先權日:2014年11月1日
【發明者】汪豔偉 申請人:汪豔偉