一种随温度变化的材料反射率动态测量系统以及测量方法技术方案

本发明专利技术公开了一种随温度变化的材料反射率动态测量系统以及测量方法，包括测量样品、分光镜、反射光强变化测试系统和温度数据测试系统，测量样品分别与对应的反射光强变化测试系统或温度数据测试系统连接，反射光强变化测试系统和温度数据测试系统之间设置有光电转换触发器，光电转换触发器分别连接数据采集记录器件与温度数据测试系统。本系统可获取激光辐照过程中，金属材料、陶瓷以及高分子聚合物材料空间位置具有更准确对应关系特征点的反射率随温度变化曲线，实现材料激光辐照热效应的分析与评估，为激光切割、激光清洗等激光加工过程中优化激光参数提供依据，达到提高激光能量利用效率、降低加工成本等经济利益。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于光学领域的测量系统，具体涉及一种随温度变化的材料反射率动态测量系统以及测量方法。
技术介绍
激光与材料的相互作用都首先是从材料对入射激光能量反射和吸收开始的，材料对激光的初始反射特性与激光工作体制（连续、脉冲、重频等）、激光波长，以及材料种类、表面状况、辐照环境等因素有关。在激光加工、表面清洗等作用过程中，通过各种耦合机制吸收激光能量的材料将产生热学、力学、化学等响应，材料的这些物理、化学等响应导致其表面性质发生变化，将反过来影响材料对激光能量的反射特性。可见，影响材料在激光辐照过程中反射率变化的因素很多，且时常是多种影响因素耦合在一起，故很难从理论的角度对其进行定量描述，目前，主要依靠实验的方法对材料激光辐照过程中反射率的变化情况进行测量。因此，发展或改进反射率实验测试系统与方法，就成为激光技术应用领域中较为重要的工作。由于激光在军事、民用领域有着广泛的用途和广阔的拓展前景，如激光焊接、激光清洗、激光切割等，因此，国、内外一直都很重视材料激光反射率测试系统与方法的建立及改进，以满足相关激光技术应用的需求，如量热计装置、辐射计装置及反射计装置等。其中,积分球反射计是激光辐照材料过程中反射率动态测量较为常用的装置，与密闭容器、旋转平台等器件相结合，可用于对不同组份气体静态环境、压力、入射角度等多种激光加工实际条件下，材料在激光辐照过程中反射率的动态测量。利用积分球反射计进行激光辐照下随温度变化的材料反射率动态测量中，通常是对受到激光辐照的材料表面进行反射率测量，对未受激光辐照的材料表面以焊接热电偶等方式进行温度测量，来实现随温度变化的材料反射率动态测量，通过这一测量方法得到的材料反射率随温度变化曲线或数据，不是实际的空间位置对应关系，由于材料激光辐照表面的温度始终高于未受激光辐照表面，使得反射率随温度变化曲线中温度变量出现了延迟现象。另外，该测量方法需要求材料为薄片状态，实现未受激光辐照表面热电偶测量点的温度来代替受到激光辐照表面反射率测量点的温度，但随着材料科学技术的不断发展与进步，通过传统机械加工等方式极难或者无法对如脆性陶瓷、高分子聚合物材料等实现薄片状态的加工或处理，且此类材料具有无法焊接热电偶的实际情况。
技术实现思路
为准确获取金属材料、陶瓷以及高分子聚合物材料，在激光辐照过程中材料反射率随温度变化曲线，本专利技术提供了一种随温度变化的材料反射率动态测量系统以及测量方法。本专利技术通过下述技术方案实现：一种随温度变化的材料反射率动态测量系统，包括测量样品、分光镜、反射光强变化测试系统和温度数据测试系统，所述测量样品分别与对应的反射光强变化测试系统或温度数据测试系统连接，在反射光强变化测试系统和温度数据测试系统之间设置有用来同步触发反射光强测试系统和温度数据测试系统的光电转换触发器，光电转换触发器分别连接数据采集记录器件与温度数据测试系统，光电转化触发器是用来触发反射光强测试系统和温度数据测试系统的，这两个测试系统的并联关系，分光镜设置在测量样品之间或反射光强变化测试系统中或测量样品和光电转换触发器之间。光电转换触发器确保反射光变化信号与温度信号实现同步测量，为消除利用积分球反射计常用测量过程中材料反射率随温度变化曲线中温度变量出现的延迟现象，得到空间位置具有更准确对应关系特征点金属材料、陶瓷以及高分子聚合物材料的反射率随温度变化曲线，实现激光与材料相互过程中最优激光参数的准确预估，进而减少激光加工成本及提高能源利用效率，亟需一种随温度变化的材料反射率动态测量系统，用于更好地揭示材料激光辐照效应机理与热效应评估。目前，从国内外公开报道的文献来看，尚未见到能够解决上述问题的技术。本方案是针对两块相同材料，通过光路设计形成相同的激光辐照条件，在一块材料非加热激光辐照面进行反射率测量，另一块材料非加热激光辐照面相同点进行温度测量，建立起反射率测量点与温度测量点的位置相等对应关系，并利用同步触发器件实现温度、反射率的同步测量，来获取激光辐照过程中材料的动态反射率随温度变化曲线。其中测量样品包括反射率测量样品和温度测量样品，且反射率测量样品与反射光强变化测试系统连接，温度测量样品与温度数据测试系统连接，光束是传输作用于测量样品上形成连接。同时材料样品几何尺寸和样品数量，激光辐照功率密度以及光束大小要符合要求。进一步地，反射光强变化测试系统主要由探测激光束、积分球和数据采集记录器件构成，积分球分为测试积分球和参考积分球，测试积分球和反射率测量样品连接，测试积分球连接有光电探测器一，参考积分球连接有光电探测器二，光电探测器一和光电探测器二均与数据采集记录器件连接，光电转换触发器分别连接数据采集记录器件与温度数据测试系统，形成反射率与温度的同时测量，设置在反射光强变化测试系统中的分光镜设置在探测激光束的路径上，并且在该分光镜和测试积分球之间设置有透镜，透镜设置在探测激光束的路径上。积分球为反射光强变化的收集装置，光电探测器为反射光强变化的测量器件，设置在两个积分球探测口的光电探测器开始测量反射光强变化信号及探测光束输出功率变化信号的同时，数据采集记录器件同步采集与记录对应的变化信号数据。上述部件都是现有成熟产品，能够在市场上直接购买得到。温度数据测试系统包括热电偶和动态测温器，且热电偶和动态测温器相互连接，热电偶与温度测量样品固定，光电转换触发器分别连接数据采集记录器件与温度数据测试系统，形成反射率与温度的同时测量。热电偶和动态测温器都是现有成熟产品，能够在市场上直接购买得到。分光镜包括高透分光镜、45度5/5分光镜和分光镜三，其中5/5分光镜使得作用于反射率测量样品和温度测量样品表面的加热光束能量相同，分光镜三设置在探测激光束的路径上；还包括加热激光束，所述高透分光镜和45度5/5分光镜均设置在加热激光束的路径上，45度5/5分光镜设置在高透分光镜和反射率测量样品之间；反射率测量样品和温度测量样品距45度5/5分光镜有着相等的光程。加热激光束输出作用于两块样品材料表面的同时，加热激光束触发光电转换触发器致使设置在两个积分球探测口的光电探测器，开始同步测量材料反射光强的变化信号及探测光束输出功率的变化信号。反射率测量样品的法线和温度测量样品表面为垂直状态，加热激光束均与反射率测量样品和温度测量样品表面垂直；加热激光束辐照光束的中心点与反射率测量样品和温度测量样品表面的中心点重合。反射光强变化测量点为非加热激光束辐照表面的中心点，温度变化测量点为非加热激光束辐照表面的中心点。采用双积分球测量反射率及其计算方法是本领域技术人员常用的方式，在公开文献有利用该方法获取反射率的报道，但是本方案是测量出两块相同材料在相同温度变化过程中，镀有金属膜材料样品的反射率变化，结合另一块材料的温度变化数据，通过时间参量，将无法在一块材料同一位置处同时测量反射率与温度的现状进行了解决，这在本领域却没有记载，其实现材料激光辐照热效应的分析与评估，为激光切割、激光清洗等激光加工过程中优化激光参数提供依据，达到提高激光能量利用效率、降低加工成本等经济利益。本专利技术与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：本系统可获取激光辐照过程中，金属材料、陶瓷以及高分子聚合物材料空间位置具有更准确对应关系特征点的反射率随温度变化曲本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种随温度变化的材料反射率动态测量系统，其特征在于，包括测量样品、分光镜、反射光强变化测试系统和温度数据测试系统，所述测量样品分别与对应的反射光强变化测试系统或温度数据测试系统连接，在反射光强变化测试系统和温度数据测试系统之间设置有用来同步触发反射光强测试系统和温度数据测试系统的光电转换触发器（15），光电转换触发器（15）分别连接数据采集记录器件与温度数据测试系统，分光镜设置在测量样品之间或反射光强变化测试系统中或测量样品和光电转换触发器（15）之间。

【技术特征摘要】
1.一种随温度变化的材料反射率动态测量系统，其特征在于，包括测量样品、分光镜、反射光强变化测试系统和温度数据测试系统，所述测量样品分别与对应的反射光强变化测试系统或温度数据测试系统连接，在反射光强变化测试系统和温度数据测试系统之间设置有用来同步触发反射光强测试系统和温度数据测试系统的光电转换触发器（15），光电转换触发器（15）分别连接数据采集记录器件与温度数据测试系统，分光镜设置在测量样品之间或反射光强变化测试系统中或测量样品和光电转换触发器（15）之间。2.根据权利要求1所述的一种随温度变化的材料反射率动态测量系统，其特征在于，所述测量样品包括反射率测量样品（4）和温度测量样品（13），且反射率测量样品（4）与反射光强变化测试系统连接，温度测量样品（13）与温度数据测试系统连接。3.根据权利要求2所述的一种随温度变化的材料反射率动态测量系统，其特征在于，所述反射光强变化测试系统主要由探测激光束（7）、积分球和数据采集记录器件（11）构成，积分球分为测试积分球（5）和参考积分球（8），测试积分球（5）和反射率测量样品（4）连接，测试积分球（5）连接有光电探测器一（10），参考积分球（8）连接有光电探测器二（9），光电探测器一（10）和光电探测器二（9）均与数据采集记录器件（11）连接，光电转换触发器与温度数据测试系统连接，设置在反射光强变化测试系统中的分光镜设置在探测激光束（7）的路径上，并且在该分光镜和测试积分球（5）之间设置有透镜（17），透镜（17）设置在探测激光束（7）的路径上。4.根据权利要求2所述的一种随温度变化的材料反射率动态测量系统，其特征在于，所述温度数据测试系统包括热电偶（14）和动态测温器（12），且热电偶（14）和动态测温器（12）相互连接，热电偶（14）与温度测量样品（13）固定，光电转换触发器（15）分别连接反射光强变化测试系统和动态测温器（12）。5.根据权利要求3所述的一种随温度变化的材料反射率动态测量系统，其特征在于，所述分光镜包括高透分光镜（2）、45度5/5分光镜（3）和分光镜三（6），其中分光镜三（6）设置在探测激光束（7）的路径上。6.根据权利要求5所述的一种随温度变化的材料反射率动态测量系统，其特征在于，还包括加热激光束（1），所述高透分光镜（2）和45度5/5分光镜（3）均设置在加热激光束（1）的路径上，45度5/5分光镜（3）设置在高透分光镜（2）和反射率测量样品（4）之间。7.根据权利要求5所述的一...

【专利技术属性】
技术研发人员：张永强，谭福利，张黎，贺佳，唐小松，陶彦辉，匡学武，李建明，
申请(专利权)人：中国工程物理研究院流体物理研究所，
类型：发明
国别省市：四川;51