【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及冲击动力学领域，具体涉及一种纤维的微弹道冲击实验装置及方法。
技术介绍
1、纤维由于其优异的力学性能在抗冲击防护领域有着重要的应用。比如，凯夫拉纤维具备低密度、高强度、高韧性等优点，已被应用于防弹衣、头盔、空天防护领域。在这些应用场景中，纤维会受到强冲击载荷作用。研究纤维在高速冲击下的抗冲击性能与耗能机制对于抗冲击防护材料的设计具有重要意义。
2、由于纤维的尺寸很小，如何有效地对这些微尺度材料进行高精度的冲击加载存在极大的技术挑战。此外，高速微尺度冲击下的机制研究，需要微米的空间分辨率和纳秒的时间分辨率，这对发射系统提出了很高的要求。常见的高速发射技术或系统包括：落锤冲击或摆锤冲击、hopkinson杆、单级或多级气炮、等离子体加速系统、电磁驱动加载技术、激光驱动飞片技术等。这些传统的加载技术通常用于对宏观样品进行冲击加载，难以实现微尺度的冲击加载。分离式霍普金森拉杆试验虽然能对微米级纤维进行冲击拉伸加载，但只能实现轴向冲击加载。
3、综上所述，传统的冲击动力学试验技术无法实现纤维的微弹道横向冲击加载，因此，发展纤维的微弹道冲击实验装置及方法仍是一个亟待解决的问题。
技术实现思路
1、针对上述
技术介绍
中存在的技术问题，本专利技术提出了一种纤维的微弹道冲击实验装置及方法，其构思合理，可以实现精准的弹道控制，从而对各种纤维开展不同冲击速度的横向冲击实验，为材料的抗冲击防护设计提供重要的实验基础，填补了微尺度横向冲击实验的技术空白，有效实现了纤维的微
2、为解决上述技术问题，本专利技术提供的一种纤维的微弹道冲击实验装置，其包括激光驱动加载系统、定位成像系统、超高速摄像系统、测力系统、同步触发系统和电脑；所述激光驱动加载系统用于提供动力推动弹丸以预定的速度沿预定的轨道运动；所述定位成像系统匹配设置在所述激光驱动加载系统的正前方，其用于弹丸和纤维的高分辨成像；所述超高速摄像系统匹配设置在所述激光驱动加载系统的一侧，其用于记录弹丸冲击纤维的过程；所述测力系统匹配设置在所述激光驱动加载系统的另一侧且与所述超高速摄像系统相对设置，其用于测量纤维的张力大小；所述同步触发系统和所述电脑均设置在所述激光驱动加载系统和定位成像系统的外围；所述同步触发系统分别通过bnc-bnc连接线连接所述激光驱动加载系统和所述超高速摄像系统；所述电脑通过网线分别连接所述超高速摄像系统和所述定位成像系统；纤维固定在纤维固定装置上且与纤维固定装置一起位于所述激光驱动加载系统与所述定位成像系统之间。
3、所述纤维的微弹道冲击实验装置，其中:所述激光驱动加载系统包括激光器、凸透镜和发射台；所述激光器的出光口中心、所述凸透镜的中心、所述发射台的中心在同一直线；所述凸透镜位于所述激光器的正前方且匹配设置在所述激光器的激光输出侧光路上；所述发射台匹配设置在所述凸透镜的光束输出侧，其由k9玻璃和金属膜构成；所述金属膜镀在所述k9玻璃上；所述激光器发射的纳秒脉冲激光通过所述凸透镜聚焦后投射在所述k9玻璃表面的金属膜上，部分所述金属膜发生烧蚀产生高温、高压等离子体，等离子体快速膨胀，未被完全烧蚀的所述金属膜随之快速变形，将弹丸弹射出去。
4、所述纤维的微弹道冲击实验装置，其中：所述定位成像系统包括环形光源、工业相机和第一变倍镜头；所述环形光源匹配设置在所述发射台的金属膜的正前方；所述工业相机匹配设置在所述环形光源的正背后且与所述电脑通过网线连接；所述第一变倍镜头匹配设置在所述工业相机的光束输入侧且面向所述环形光源；弹丸放置在所述金属膜上，所述环形光源发射出的光照射至弹丸及纤维上，反射光进入所述第一变倍镜头，通过所述工业相机实现弹丸和纤维的高分辨成像，画面通过网线实时传输至所述电脑。
5、所述纤维的微弹道冲击实验装置，其中：所述测力系统包括压电力传感器和示波器；所述压电力传感器匹配设置在所述纤维固定装置的上部；所述示波器匹配设置在所述压电力传感器一侧且位于所述发射台与第一变倍镜头之间的光路外侧；所述示波器通过bnc-bnc连接线连接所述压电力传感器；所述压电力传感器用于测量纤维中的张力变化，并将信号通过bnc-bnc连接线传输至所述示波器。
6、所述纤维的微弹道冲击实验装置，其中：所述超高速摄像系统包括激光光源、超高速摄像机和安装在所述超高速摄像机前端的第二变倍镜头；所述激光光源放置在所述超高速摄像机对面实现背光拍摄；所述激光光源的光源输出口正对着纤维；所述激光光源发射出的激光进入所述第二变倍镜头，通过所述超高速摄像机记录弹丸冲击纤维的过程，拍摄的结果通过网线传输至所述电脑。
7、所述纤维的微弹道冲击实验装置，其中：所述同步触发系统包括同步仪；所述同步仪设置在所述激光驱动加载系统一侧，其分别通过bnc-bnc连接线连接所述激光器和所述超高速摄像机；通过所述同步仪设置各触发信号的延时、脉宽和电压，触发信号通过bnc-bnc连接线分别传输至所述激光驱动加载系统和超高速摄像系统，从而先后触发所述激光驱动加载系统和超高速摄像系统，实现冲击过程的精准记录。
8、一种纤维的微弹道冲击实验方法，基于上述的纤维的微弹道冲击实验装置，其主要包括以下步骤：
9、1)把激光驱动加载系统、定位成像系统、超高速摄像系统、测力系统、同步触发系统和电脑在光学平台上布置并连接好，调整激光驱动加载系统的激光器与发射台的相对位置，确保激光驱动加载系统的激光器的出光口中心、凸透镜中心、发射台中心在同一直线上，调节凸透镜和发射台的相对距离，使激光聚焦后的光斑直径为1～3mm；
10、2)取下发射台，将弹丸均匀分散于酒精溶液，用滴管吸取适量溶液滴在发射台的金属膜上，待酒精蒸发后将发射台安装回原位；
11、3)将纤维粘贴在纤维固定装置上，调节纤维固定装置两端的高度，使纤维张紧，纤维的预紧力通过测力系统的压电力传感器测得；
12、4)调节定位成像系统使弹丸清晰成像，借助传输到电脑的实时画面，精准调节弹丸的位置，使弹丸处于聚焦后的光斑中心，调节定位成像系统使纤维清晰成像，借助传输到电脑的实时画面，精准调节纤维的位置，使纤维与弹丸的中心重合；
13、5)调节超高速摄像系统，使弹丸和纤维清晰成像；
14、6)依据弹丸设定的初始撞击速度，设置激光驱动加载系统的激光器的激光能量、超高速摄像机超高速摄像的拍摄帧率和曝光时间、激光光源的脉宽、测力系统的示波器的采样频率和触发电压；
15、7)通过同步触发系统的同步仪设置各触发信号的延时、脉宽、电压，激光驱动加载系统首先触发，超高速摄像系统延迟触发，超高速摄像系统完整记录弹丸撞击纤维的全过程响应。
16、采用上述技术方案，本专利技术具有如下有益效果：
17、本专利技术纤维的微弹道冲击实验装置结构布局合理，通过调节脉冲激光的能量、凸透镜和发射台之间的距离可以调节弹丸的冲击速度，弹丸速度调节范围广(50m/s～700m/s)，调节精度高；本专利技术借助定位成像系统，可以精准本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种纤维的微弹道冲击实验装置，其特征在于:所述实验装置包括激光驱动加载系统(1)、定位成像系统(2)、超高速摄像系统(3)、测力系统(4)、同步触发系统(5)和电脑(6)；
2.如权利要求1所述的纤维的微弹道冲击实验装置，其特征在于:所述激光驱动加载系统(1)包括激光器(11)、凸透镜(12)和发射台(13)；所述激光器(11)的出光口中心、所述凸透镜(12)的中心、所述发射台(13)的中心在同一直线；
3.如权利要求2所述的纤维的微弹道冲击实验装置，其特征在于：所述定位成像系统(2)包括环形光源(21)、工业相机(22)和第一变倍镜头(23)；所述环形光源(21)匹配设置在所述发射台(13)的金属膜(132)的正前方；所述工业相机(22)匹配设置在所述环形光源(21)的正背后且与所述电脑(6)通过网线(61)连接；所述第一变倍镜头(23)匹配设置在所述工业相机(22)的光束输入侧且面向所述环形光源(21)；
4.如权利要求3所述的纤维的微弹道冲击实验装置，其特征在于：所述测力系统(4)包括压电力传感器(41)和示波器(42)；所述压电力传
5.如权利要求1所述的纤维的微弹道冲击实验装置，其特征在于：所述超高速摄像系统(3)包括激光光源(31)、超高速摄像机(32)和安装在所述超高速摄像机(32)前端的第二变倍镜头(33)；所述激光光源(31)放置在所述超高速摄像机(32)对面实现背光拍摄；所述激光光源(31)的光源输出口正对着纤维(8)；所述激光光源(31)发射出的激光进入所述第二变倍镜头(33)，通过所述超高速摄像机(32)记录弹丸(7)冲击纤维(8)的过程，拍摄的结果通过网线(61)传输至所述电脑(6)。
6.如权利要求5所述的纤维的微弹道冲击实验装置，其特征在于：所述同步触发系统(5)包括同步仪(51)；所述同步仪(51)设置在所述激光驱动加载系统(1)一侧，其分别通过BNC-BNC连接线(9)连接所述激光器(11)和所述超高速摄像机(32)；通过所述同步仪(51)设置各触发信号的延时、脉宽和电压，触发信号通过BNC-BNC连接线(9)分别传输至所述激光驱动加载系统(1)和超高速摄像系统(3)，从而先后触发所述激光驱动加载系统(1)和超高速摄像系统(3)，实现冲击过程的精准记录。
7.一种纤维的微弹道冲击实验方法，基于上述权利要求1-6任意一项所述的纤维的微弹道冲击实验装置，其特征在于，主要包括以下步骤：
...【技术特征摘要】
1.一种纤维的微弹道冲击实验装置，其特征在于:所述实验装置包括激光驱动加载系统(1)、定位成像系统(2)、超高速摄像系统(3)、测力系统(4)、同步触发系统(5)和电脑(6)；
2.如权利要求1所述的纤维的微弹道冲击实验装置，其特征在于:所述激光驱动加载系统(1)包括激光器(11)、凸透镜(12)和发射台(13)；所述激光器(11)的出光口中心、所述凸透镜(12)的中心、所述发射台(13)的中心在同一直线；
3.如权利要求2所述的纤维的微弹道冲击实验装置，其特征在于：所述定位成像系统(2)包括环形光源(21)、工业相机(22)和第一变倍镜头(23)；所述环形光源(21)匹配设置在所述发射台(13)的金属膜(132)的正前方；所述工业相机(22)匹配设置在所述环形光源(21)的正背后且与所述电脑(6)通过网线(61)连接；所述第一变倍镜头(23)匹配设置在所述工业相机(22)的光束输入侧且面向所述环形光源(21)；
4.如权利要求3所述的纤维的微弹道冲击实验装置，其特征在于：所述测力系统(4)包括压电力传感器(41)和示波器(42)；所述压电力传感器(41)匹配设置在所述纤维固定装置(10)的上部；所述示波器(42)匹配设置在所述压电力传感器(41)一侧且位于所述发射台(13)与第一变倍镜头(23)之间的光路外侧；所述示波器(42)通过bnc-bnc连接线(9)连接所述压电力传感器(41)；所述...
【专利技术属性】
技术研发人员：蒋敏强，荆晓晖，蔡松林，吴先前，丁淦，
申请(专利权)人：中国科学院力学研究所，
类型：发明
国别省市：
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