Стенд для исследования параметров взаимодействия лазерного излучения с конструкционными материалами

Изобретение относится к области измерительной техники и касается стенда для исследования параметров взаимодействия лазерного излучения (ЛИ) с конструкционными материалами (КМ). Стенд включает в себя лазер, оптическую систему, светоделительный элемент, систему контроля параметров ЛИ, систему регистрации теплофизических и оптических параметров ИО, систему сбора и обработки зарегистрированных данных и системы управления измерительным стендом. Светоделительный элемент разделяет ЛИ на рабочий и контрольный потоки. В системе контроля параметров ЛИ измеритель мощности вынесен в отдельный измерительный узел и дополнен экраном и видеокамерой высокого разрешения, направленной на экран. Система регистрации состоит из измерительной полусферы, по дугам которой расположены фотодетекторы и термодатчики спектрометра, тепловизора, а также двух пирометров, расположенных с лицевой и тыльной сторон ИО. Функции средства для изменения мощности ЛИ и средства для обеспечения модуляции ЛИ реализуются с помощью системы управления измерительным стендом. Технический результат заключается в расширении функциональных возможностей стенда и повышении точности измерений. 1 ил.

 

При создании новых конструкционных материалов ядерной энергетики, аэрокосмической техники и других отраслей для оценки их преимуществ по сравнению с известными материалами, необходимо определять теплофизические и оптические характеристики этих новых материалов.

Существует множество методов определения оптических и теплофизических свойств материалов в широком диапазоне изменяемых параметров, но они имеют недостатки, которые не позволяют применять эти методы в ряде важных исследований.

Изучение теплоемкости, тепло- и температуропроводности, оптических свойств веществ в зависимости от температуры позволяет не только определить области практического использования новых материалов, обладающих уникальными характеристиками, но и служит основой для дальнейшего развития высокотемпературной физики твердого тела и современных технологий лазерной обработки материалов.

Поэтому предложен универсальный комплексный метод нагрева образцов лазерным излучением. В результате, в одном эксперименте определяется целый комплекс параметров таких как теплоемкость, теплопроводность, коэффициент отражения, излучательная способность и их зависимости от времени и температуры, унос массы, зависимость мощности ЛИ от времени, распределение температуры в образце, потери энергии на отражение ЛИ и тепловое излучение от образца, что позволяет изучить характер воздействия ЛИ на образец и разработать модель взаимодействия лазерного излучения с различными материалами, которую можно описать балансовым уравнением квазистационарного процесса термохимического разрушения тонкого слоя:

где L, с и ρ - толщина, теплоемкость и плотность образца, K - коэффициент пропускания излучения продуктами разрушения образца; R - коэффициент отражения лазерного излучения исследуемого материала; Wp - плотность мощности падающего лазерного излучения, ε - коэффициент черноты; σ - постоянная Стефана-Больцмана; Ts - температура поверхности мишени в зоне воздействия; m' - массовая скорость разрушения материала; НТХ - теплота процесса термохимического разрушения; λ - коэффициент теплопроводности, α - коэффициент конвективного охлаждения, Т0 - температура окружающей среды.

Также при исследовании взаимодействия ЛИ с веществом, важным является процесс трансформации энергии ЛИ в другие виды энергии.

где ЕЛИ - полная энергия ЛИ воздействующая на образец, Еотр - энергия, отраженная лицевой поверхностью образца на рабочей длине лазера, Eтепл - остаточная тепловая энергия, Eизл - энергия теплового излучения лицевой поверхности образца, ЕР - энтальпия разрушения материала образца.

При взаимодействии лазерного излучения с материалами следует учитывать, что с ростом температуры облучаемой поверхности происходит их термодеструкция и абляция. Сложность исследования таких процессов заключается в том, что они зачастую сопровождаются возникновением оптически плотных и сильноизлучающих факелов продуктов разрушения материала, которые могут экранировать зону поглощения в материале образца и существенно усложнять баланс энергии, искажать диагностику и разрушать оборудование (в случае использования фотометрической сферы при высокотемпературных испытаниях, например).

Таким образом, технической проблемой является разработка стенда, позволяющего провести комплексное измерение параметров (оптических и теплофизических) конструкционного материала (КМ) при нагреве лазерным излучением.

Изобретение относится к измерительной технике в области взаимодействия мощного лазерного излучения (ЛИ) с конструкционными материалами (КМ) и касается способа измерения теплофизических и оптических параметров материалов при воздействии лазерного излучения.

Известен способ бесконтактного неразрушающего контроля теплофизических свойств материалов и устройство для его осуществления (патент РФ №2211446, G01N 25/18 опубликовано 27.08.2003[1]). В способе бесконтактного измерения теплофизических свойств материалов перемещают два термоприемника и источник энергии (измерительную головку) над исследуемым (испытуемым) образцом (ИО) без воздействия на него источника энергии, измеряют первым термоприемником температуру на поверхности исследуемого образца и синхронно с этим электрическим термометром измеряют температуру окружающей среды, после чего по полученным результатам определяют коэффициент, равный произведению коэффициентов степени черноты поверхности исследуемого образца и прозрачности окружающей среды, разделяющей поверхность исследуемого образца и измерительную головку, далее воздействуют на исследуемый образец тепловыми импульсами от точечного подвижного источника энергии, осуществляя с помощью оптического затвора частотно-импульсную модуляцию лазерного луча. Способ реализован в устройстве бесконтактного измерения теплофизических свойств материалов, содержащем точечный подвижный источник тепловой энергии и термоприемник, сфокусированные на поверхность тела, вычитающее устройство, усилитель мощности, реверсивный двигатель, микропроцессор, механизм перемещения источника энергии и термоприемника относительно исследуемого образца. Устройство дополнительно содержит второй термоприемник, жестко связанный с первым термоприемником и источником энергии (лазером), электрический термометр, усилитель, три аналого-цифровых преобразователя, цифроаналоговый преобразователь, управляемый делитель частоты, оптический затвор, генератор тактовых импульсов и индикатор.

Недостаток заявляемого устройства состоит в отсутствии информации об оптических параметрах; использовании подвижных элементов в измерительной части стенда, что понижает точность и приводит к необходимости регистрировать скорость передвижения термоприемников; из теплофизических характеристик определяются только коэффициенты температуропроводности и теплопроводности; только бесконтактный метод определения температуры поверхности образца и окружающей среды; величина первого заданного значения избыточной температуры задается равной 20% от температуры термодеструкции исследуемого материала («температура термодеструкции для каждого исследуемого материала является справочной величиной и берется из справочника до начала эксперимента»), при этом такие данные для вновь разработанных КМ могут быть не известны.

Известна установка для определения оптических и теплофизических свойств твердых тел в широком диапазоне температур (так называемый стенд для исследования параметров взаимодействия ЛИ с КМ) (статья - О.Г. Царькова. Оптические и теплофизические свойства металлов, керамик и алмазных пленок при высокотемпературном лазерном нагреве. РАН, Труды института общей физики им. A.M. Прохорова, том 60, 2004 [2]), выбранная в качестве прототипа, содержащая: лазер с длиной волны 1.064 мкм; систему контроля параметров ЛИ, содержащую обтюратор, обеспечивающий модуляцию ЛИ, измеритель мощности ЛИ (фотодиод), аттенюатор для изменения мощности ЛИ, состоящий из комплекта диэлектрических зеркал; систему формирования пятна в виде двух отражающих зеркал с собирающей линзой между ними, систему регистрации параметров ИО (теплофизических и оптических), содержащую по крайней мере один пирометр для определения яркостной температуры ИО; термопары для измерения истинной температуры; фотодетекторы для измерения отраженного от поверхности ИО излучения; фотометрическую сферу с расположенными в нижней части кварцевыми волокнами для определения отраженного от ИО и от внутренней поверхности сферы ЛИ; систему сбора (после регистрации) и обработки зарегистрированных (экспериментальных данных) (компьютерную систему сбора и обработки данных по 5-ти независимым каналам).

Недостатками этого устройства является его ограниченные возможности из-за сложности, длительности, а также низкой точности процедуры проведения измерений, а именно:

- изменение мощности в ходе эксперимента производится с помощью аттенюатора, состоящего из комплекта диэлектрических зеркал, что значительно усложняет эксперимент;

- измерение параметров ЛИ ограничиваются измерением мощности ЛИ, для чего используется фотодиод, прокалиброванный по измерителю мощности, что не дает полной информации о параметрах лазера, таких как фактический диаметр пучка, распределение интенсивности в пучке (что вносит дополнительную погрешность в измерения);

- для определения теплофизических характеристик, таких как теплоемкость, теплопроводность и температуропроводность, используется метод импульсного нагрева лицевой поверхности ИО, что обеспечивается за счет обтюратора, что усложняет установку и не дает возможности смодулировать лазерные импульсы на фоне греющего ЛИ;

- для определения оптических характеристик используется метод регистрации отраженного от образца и от внутренней поверхности фотометрической сферы, что недостаточно характеризует состояние поверхности нагретого образца и дает лишь косвенные данные об энергетической характеристике излучающего тела, не позволяет получить информацию об интегральной излучательной способности ИО.

- наличие фотометрической сферы приводит к громоздкости измерений и получению неполной информация о параметрах взаимодействия ЛИ.

Технический результат заключается в расширении функциональных возможностей стенда благодаря расширению температурного диапазона проводимых экспериментов, упрощению процедуры измерений в части, касающейся контроля параметров ЛИ и регистрации параметров ИО, при повышении точности измерений и за счет одновременного определения комплекса характеристик любых образцов КМ в широком диапазоне мощностей и температур, что приводит к обеспечению универсальности измерений.

Данный технический результат достигается за счет того, что в отличие от известного стенда для исследования параметров взаимодействия ЛИ с КМ, содержащего лазер; оптическую систему для формирования пятна требуемой геометрии на ИО; систему контроля параметров ЛИ, содержащую измеритель мощности ЛИ, фотодетектор, средство для изменения мощности ЛИ и средство для обеспечения модуляции ЛИ; систему регистрации теплофизических и оптических параметров ИО, содержащую по крайней мере один пирометр для определения яркостной температуры ИО, термопары для измерения истинной температуры и фотодетекторы для измерения отраженного от поверхности ИО излучения; систему сбора и обработки зарегистрированных данных, в предложенном стенде оптическая система для формирования пятна требуемой геометрии на ИО является телескопической оптической системой; за телескопической оптической системой расположен оптический элемент, разделяющий ЛИ на рабочий поток ЛИ, облучающий ИО, и вспомогательный контрольный поток ЛИ; в системе контроля параметров ЛИ измеритель мощности вынесен в отдельный измерительный узел, где измеритель мощности дополнен экраном и видеокамерой высокого разрешения, направленной на экран, причем измерительный узел расположен таким образом, чтобы обеспечить возможностью измерения относительного распределения интенсивности в пятне и эффективной площади воздействия ЛИ во вспомогательном контрольном потоке ЛИ; система регистрации параметров ИО состоит из измерительной полусферы, по дугам которой расположены помимо фотодетекторов термодатчики, а также двух пирометров, один из которых расположен с лицевой поверхности ИО (на которую падает ЛИ), другой- с тыльной, и дополнительно содержит спектрометр для определения спектральных характеристик в широком диапазоне длин волн и тепловизор для определения температурного поля ИО.; системы контроля параметров ЛИ и регистрации параметров ИО связаны с соответствующей системой сбора и обработки данных; лазер, системы контроля, регистрации и сбора и обработки данных связаны с системой управления измерительным стендом, причем функции средства для изменения мощности ЛИ и средства для обеспечения модуляции ЛИ реализуются с помощью системы управления измерительным стендом.

Проблема сложности стенда-прототипа связана с наличием в прототипе обтюратора (обеспечение последовательности быстрых переключений ЛИ). В заявленном стенде упрощение и ускорение процедуры измерений связано с тем, что модуляция производится в программе управления лазером. Упрощение системы контроля параметров ЛИ, а именно, в части, касающейся изменения мощности, где в прототипе мощность изменяется с помощью аттенюатора, состоящего из комплекта диэлектрических зеркал, достигается в заявленном случае тем, что значение мощности испускаемого ЛИ задается в программе управления лазером. Программа управления лазером дает информацию о статусе лазера, позволяет составить лазерную программу - последовательность специальных команд (задание уровня мощности лазерного излучения, скорость нарастания и спада мощности ЛИ, модуляция ЛИ и т.д.), осуществляет оперативный контроль выходной мощности лазера. При этом обеспечивается повышение точности за счет исключения из измерительной процедуры аттенюатора и обтюратора, имеющих место в прототипе.

Системы контроля параметров ЛИ и регистрации параметров ИО связаны с соответствующей системой сбора и обработки данных, информация с которых поступает на управляющий компьютер.

Системы контроля параметров ЛИ и регистрации параметров ИО связаны с соответствующей системой сбора и обработки данных, информация с которых поступает на управляющий компьютер.

С точки зрения повышения точности мощность ЛИ в прототипе измеряется фотодиодом, прокалиброванным по измерителю мощности, что не дает полной информации о параметрах лазера. В заявленном стенде точность повышена, благодаря тому, что измеритель мощности (мощность/энергия ЛИ), фотодетектор (форма импульса лазера с точностью до десятка наносекунд) камера, и экран, на который с помощью оптического элемента (клин) отводится часть ЛИ объединены в отдельный измерительный узел, и таким образом обеспечена возможность точно определить распределение интенсивности в пучке; измерить относительное распределение интенсивности в пятне и эффективную площадь воздействия ЛИ, из которых точно определяется значение плотности мощности на ИО в каждой точке зоны воздействия и в каждый момент времени.

С точки зрения упрощения процедуры по сравнению с прототипом, где используют фотометрическую сферу (что громоздко, не позволяет проводить высокотемпературные эксперименты, т.к. фотометрическая сфера разрушится, и дает неполную информацию о параметрах взаимодействия ЛИ), в заявленном стенде используется интегральная полусфера, по дугам которой расположены различные датчики, имеется возможность наблюдать за процессом (в частности, для этого предусмотрена видеокамера).

Для повышения точностей измерения температуры поверхности, облучаемой ЛИ, целесообразно определение спектральных характеристик в широком диапазоне длин волн, поэтому в стенд введен спектрометр.

Таким образом, достигнут заявленный технический результат - расширение функциональных возможностей стенда (обеспечение универсальности) за счет совокупности предложенных усовершенствований:

- организации системы контроля параметров ЛИ, где задание параметров ЛИ (изменение мощности и модуляция ЛИ) осуществлено с помощью системы управления лазерным стендом и измерение мощности производится в отдельного узла измерения мощности, работающем во вспомогательном контрольном потоке ЛИ;

- организации системы регистрации теплофизических и оптических параметров ИО путем использования измерительная интегральной полусферы с расположенными на ней всевозможными датчиками;

- организации системы управления измерительным стендом.

На фиг. представлена принципиальная схема исследовательского стенда, где:

1 - оптическая система;

2 - оптический элемент (клин);

3 - измеритель мощности ли;

4 - фотодетектор;

5 - экран;

6 - видеокамера высокого разрешения;

7 - измерительная полусфера;

8 - ИО;

9 - блок фотодетекторов;

10 - термодатчики;

11 - пирометр с рабочей поверхности ИО;

12 - спектрометр;

13 - термопары;

14 - пирометр с тыльной поверхности ИО;

15 - тепловизор;

16 - видеокамера;

17 - система сбора и обработки данных;

18 - система управления измерительным стендом;

19 - лазер малой мощности;

20 - фотодетектор.

Оптическая система 1 для формирования пятна требуемой геометрии на ИО 8 в виде телескопической оптической системы; за телескопической оптической системой расположен оптический элемент 2, разделяющий ЛИ на рабочий поток ЛИ, облучающий ИО, и вспомогательный контрольный поток ЛИ; в системе контроля параметров ЛИ измеритель мощности 3 вынесен в отдельный измерительный узел, где измеритель мощности дополнен экраном 5 и видеокамерой 6 высокого разрешения, направленной на экран; система регистрации параметров ИО состоит из измерительной полусферы 7, по дугам которой расположены помимо блока фотодетекторов (ФД) 9 термодатчики 10, а также двух пирометров, один из которых 11 расположен с лицевой поверхности ИО (на которую падает ЛИ), другой 14 - с тыльной, и дополнительно содержит спектрометр 12 и тепловизор 15 для определения температурного поля ИО.; системы контроля параметров ЛИ и регистрации параметров ИО связаны с соответствующей системой сбора и обработки данных 17; лазер, системы контроля, регистрации и сбора и обработки данных связаны с системой управления измерительным стендом 18.

Стенд реализован следующим образом.

Испытуемый образец 8 располагается в центре измерительной полусферы 7, таким образом, чтобы его лицевая поверхность была ориентирована нормально к направлению ЛИ.

Для того, чтобы в одном эксперименте можно было измерить весь набор оптических и теплофизических параметров объекта, а также получить всестороннюю картину процесса, в предлагаемом стенде использованы:

- телескопическая оптическая система 1 (для формирования пятна требуемой геометрии), состоящая из двух линз, размещенных на расстоянии друг от друга равном сумме их фокусных расстояний, так что увеличение пятна ЛИ соответствовало отношению фокусных расстояний используемых элементов;

- система контроля параметров ЛИ, состоящая из измерителя мощности/энергии 3, фотодетектора 4, экрана 5 и видеокамеры высокого разрешения 6, организованных в виде отдельного измерительного узла; а также средство изменения мощности ЛИ и средство модуляции ЛИ, причем реализация их функций заложена в системе управления измерительным стендом 18

- система регистрации параметров объекта исследования, состоящая из измерительной интегральной полусферы 7, по дугам которой располагаются термодатчики 10 и блок фотодетекторов 9, с интерференционными фильтрами (как на рабочую длину волны лазера, так и для пирометрических измерений температуры), двух пирометров И и 14, спектрометра 12, термопар 13, и, дополнительно, тепловизора 15 и видеокамеры 16;

- системы контроля параметров ЛИ и регистрации параметров ИО связаны с соответствующей системой сбора и обработки данных 17.

- система управления измерительным стендом 18, реализующая функцию средства изменения мощности ЛИ и средства модуляции ЛИ, а также обеспечивающая передачу и обработку всех данных, полученных в ходе проведенного эксперимента

Точное значение мощности ЛИ и пространственного распределения интенсивности лазерного пучка, а также форма импульса, необходимые для определения плотности мощности и энергии на образце, в предлагаемом стенде измеряется путем использования системы контроля параметров ЛИ в состав которой входит измеритель мощности/энергии, фотодетектор, экран и видеокамера высокого разрешения (измерительный узел), средства изменения мощности и модуляции ЛИ, причем функции средства изменения мощности и модуляции ЛИ выведены в систему управления стендом (по сравнению с прототипом). Часть ЛИ (вспомогательный контрольный поток ЛИ) с помощью клина отводится в измерительный узел, расположенный таким образом, чтобы обеспечить возможностью измерения относительного распределения интенсивности в пятне и эффективной площади воздействия ЛИ во вспомогательном контрольном потоке ЛИ, а часть (рабочий поток ЛИ, облучающий ИО) направляется на ИО. Внутри измерительного узла часть ЛИ с помощью клина отводится на мелкозернистый бумажный экран, а часть - в измеритель мощности/энергии. Длительность ЛИ (форма сигнала/импульса) определялась по изменению сигнала на кремниевом фотодиоде, направленном на измеритель мощности. Изображение на экране в течение нагрева образца регистрировалось с помощью видеокамеры высокого разрешения. Обработка изображения с камеры позволяет снимать профиль ЛИ в заданном сечении, строить зависимость I(x), а также измерять эффективную площадь воздействия.

Для реализации метода одновременного измерения оптических и теплофизических характеристик исследуемого образца на стенде предусмотрена система регистрации параметров объекта исследования (испытуемого образца).

Чтобы определить теплофизические параметры образца, такие как теплоемкость, теплопроводность и температуропроводность, а также определить излучательную способность исследуемого материала, необходимы температурные измерения.

Измерение яркостных температур (с лицевой и тыльной стороны образца) производится блоком фотодетекторов и/или промышленными яркостными пирометрами. Измерения производятся посредством регистрации электрических сигналов с каналов блока фотодетекторов, линейно зависящих от мощности оптического излучения исследуемого объекта в разных участках спектра, принимаемого фотодетекторами фотометрического блока. По значениям напряжений рассчитываются яркостные температуры. Применение промышленных пирометров позволяет расширить диапазон регистрируемых температур и за счет расширения спектрального диапазона повысить точность измерений, также введение в схему измерений оптического пирометра с областью визирования не превышающей размер рабочей зоны равномерного нагрева ИО позволяет повысить точности измерений, поскольку температурное поле в центре рабочей зоны нагрева однородно.

Измерения истинной температуры с тыльной стороны образца проводятся при помощи термопар. Измерение амплитудных параметров температуры твердых тел, нагретых лазерным излучением осуществляются путем регистрации значений входных сигналов, пропорциональных изменениям термоэлектродвижущей силы на выходе термопар. Термопары крепятся к тыльной поверхности образца при помощи зачеканки, точечной сварки или посредством плотного прижатия в зависимости от типа образца.

Измерения временной зависимости температуры на тыльной поверхности образца после того, как лицевая сторона подверглась воздействию модулированного импульсного нагрева дают возможность определения всех трех теплофизических величин - теплоемкости, теплопроводности и температуропроводности. С помощью системы управления лазером в составе системы управления измерительным стендом происходит нагрев образца ЛИ постоянной интенсивности с модуляцией излучения короткими импульсами высокой интенсивности при синхронном измерении параметров ЛИ и температуры тыльной поверхности образца с помощью малоинерционных термопар. Такой метод нагрева образца таким модулированным ЛИ является усовершенствованным импульсным методом определения теплофизических характеристик (по отношению к импульсному методу в прототипе), и позволяет в одном испытании определить теплофизические характеристики исследуемого материала в широком диапазоне температуры - от нормальных температур до плавления. Чтобы избежать погрешности, вносимой теплопотерями на конвекцию и тепловое излучение, в экспериментах по определению теплофизических характеристик исследуемых материалов используются короткие лазерные импульсы, вызывающие малые температурные отклики.

Измерение спектральной и истинной температуру лицевой поверхности исследуемого материала осуществляется введением в измерительный стенд матричного ПЗС-спектрометра в качестве измерителя спектра теплового излучения нагретого тела, направленного на лицевую поверхность образца, что позволяет расширить температурный диапазон исследований, поскольку диапазон измеряемой спектрометром температуры поверхности от 2000 до 4500 К.

Для регистрации температурного поля (и изменения во времени) образца в процессе нагрева на стенде предусмотрен тепловизор, входящий в состав системы измерения параметров ИО.

На стенде предусмотрено в системе регистрации параметров ИО устройство для измерения индикатрисы рассеянного лазерного Ротр. .Для измерения плотности мощности отраженного ЛИ используется несколько фотодетекторов, приемные головки которых располагаются под различными углами θ к нормали поверхности образца. Для точного задания положения фотодетекторов в разных точках пространства они размещаются на измерительной интегральной полусфере. Для регистрации потока отраженного ЛИ применяется многоканальный фотодиодный блок, в каждом канале измерений которого используются фотодиоды с усилительной схемой на операционном усилителе. Для выделения доли отраженного ЛИ на этих каналах установлены фильтры на рабочую длину волны лазера. Кроме того, в качестве опорного канала для измерения индикатрисы отражения лазерного излучения используется измеритель мощности.

ЛИ падает нормально на образец, который расположен в геометрическом центре измерительной полусферы (ИП). При помощи оптоволоконного кабеля, торец которого размещен на измерительной полусфере, отраженное образцом в данном направлении излучение лазера направляется в блок фототодетекторов. Пройдя через фильтр, излучение попадает на приемную площадку фотодиода и создает электрический сигнал. Этот сигнал усиливается фотодиодным усилителем. Электрический сигнал с фотодатчика регистрируется автоматизированной системой сбора и обработки экспериментальных данных. Затем зарегистрированные электрические сигналы преобразуются во временные зависимости плотности мощности отраженного ЛИ для каждого рабочего угла. По измеренной плотности мощности отраженного в этих направлениях ЛИ определяется индикатриса отражения. Введение в схему измерений термодатчиков позволяет измерить в ходе эксперимента индикатрису рассеянного, отраженного и теплового излучения от образца и факела, тем самым определить тепловые потери.

Для определения излучательной способности различных КМ были использованы экспериментальные данные, полученные при синхронном измерении термодинамической температуры образца и яркостной температуры нагретой поверхности образца с последующей обработкой полученной информации.

Измерения полной мощности излучения от образца и факела, равной сумме мощности теплового излучения и отраженного лазерного излучения, проводятся с помощью системы термодатчиков, устанавливаемых под различными углами к образцу на измерительной полусфере, позволяющими одинаково эффективно поглощать излучение в широком диапазоне длин волн и выполнять измерения с достаточной точностью точностью.

Система сбора и обработки данных состоит из двух каналов (АЦП) и связана с системой контроля параметров ЛИ и системой регистрации параметров образца, соответственно. Полученные в ходе эксперимента данные передаются на управляющий компьютер, который является системой управления измерительным стендом, служащей для последующих расчетов и визуализации полученных результатов. В основу работы системы управления измерительным стендом заложен алгоритм, позволяющий одному оператору провести эксперимент и получить целый комплекс параметров.

Также на стенде предусмотрено измерение интегрального пропускания плазменного факела. Объектом измерений является дымовой, пылегазовый выброс или плазменный факел, полученный при взаимодействии ЛИ с образцом. Задачи определения параметров процессов, связанных с плазменным факелом могут быть решены с помощью спектрометра, лазера малой мощности и фотодатчика. В процессе проведения эксперимента предусмотрена видеокамера для регистрации процесса нагрева, горения, плавления, а также факела и продуктов разрушения.

При необходимости создания дополнительных условий или получения информации о факеле продуктов разрушения на стенде может быть предусмотрена система обдува лицевой поверхности образца потоком воздуха со скоростью до 100 м/с, в состав которой входит нагнетатель воздуха, трубопровод, сужающие сопла и система питания с устройством синхронного включения; вакуумная система для испытания образца в условиях разрежения (P0 ~100 Торр), состоящая из вакуумной камеры, вакуумного насоса, трубопроводов, вентиля и вакуумметра; система предварительного подогрева образца до температуры 300 C°.

Таким образом, в совокупности посредством усовершенствования части функциональных составляющих (система контроля параметров ЛИ и система регистрации параметров ИО) стенда по сравнению с прототипом удалось упростить стенд при повышении точности и информативности измерений и, дополнив стенд системой управления, обеспечить в целом расширение его функциональных возможностей и универсальность измерительного стенда.

Стенд для исследования параметров взаимодействия лазерного излучения (ЛИ) с конструкционными материалами (КМ), содержащий лазер; оптическую систему для формирования пятна требуемой геометрии на испытуемом образце (ИО) из КМ; систему контроля параметров ЛИ, содержащую измеритель мощности ЛИ, фотодетектор, средство для изменения мощности ЛИ и средство для обеспечения модуляции ЛИ; систему регистрации теплофизических и оптических параметров ИО, содержащую, по крайней мере, один пирометр для определения яркостной температуры ИО, термопары для измерения истинной температуры и фотодетекторы для измерения отраженного от поверхности ИО излучения; систему сбора и обработки зарегистрированных данных, отличающийся тем, что за телескопической оптической системой расположен оптический элемент, разделяющий ЛИ на рабочий поток ЛИ, облучающий ИО и вспомогательный контрольный поток ЛИ; в системе контроля параметров ЛИ измеритель мощности вынесен в отдельный измерительный узел, где измеритель мощности дополнен экраном и видеокамерой высокого разрешения, направленной на экран, причем измерительный узел расположен во вспомогательном контрольном потоке ЛИ таким образом, чтобы обеспечить возможностью измерения относительного распределения интенсивности в пятне и эффективной площади воздействия ЛИ; система регистрации параметров ИО состоит из измерительной полусферы, по дугам которой расположены помимо фотодетекторов для измерения отраженного от поверхности ИО излучения термодатчики, а также двух пирометров, один из которых расположен с лицевой поверхности ИО, другой - с тыльной и дополнительно содержит спектрометр для определения спектральных характеристик в широком диапазоне длин волн, а также тепловизор; системы контроля параметров ЛИ и регистрации параметров ИО связаны с соответствующей системой сбора и обработки данных; лазер, системы контроля, регистрации и сбора и обработки данных связаны с системой управления измерительным стендом, причем функции средства для изменения мощности ЛИ и средства для обеспечения модуляции ЛИ реализуются с помощью системы управления измерительным стендом.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к пищевой промышленности. Предложен аппарат для онлайн мониторинга процесса коагуляции молока.

Изобретение относится к геофизическим исследованиям скважин и может найти применение для определения тепловых свойств пластов горных пород, окружающих скважины. Технический результат заключается в обеспечении возможности одновременного определения теплопроводности пород и радиуса скважины, используя результаты измерения температуры в скважине во время гидратации цемента.

Изобретение относится к строительству, в частности к способу определения приведенного термического сопротивления неоднородных ограждающих конструкций или их фрагментов в климатической камере.

Изобретение относится к тепловым испытаниям, а именно к устройствам для определения теплопроводности материалов, и может быть применено для определения теплотехнических свойств материалов, например, при проектировании режимов термообработки металлоизделий.

Изобретение относится к тепловым испытаниям, а именно к определению теплопроводности материалов. Предложен способ измерения теплопроводности твердых материалов, который включает изготовление образца из исследуемого материала в виде стержня постоянного сечения, создание заданного перепада температур на концах образца путем регулирования мощности нагревателей и определение искомой величины с использованием математической зависимости по результатам измерения разности температур на концах образца и мощности нагревателей по достижении стационарного режима теплопередачи.

Изобретение относится к способу количественного анализа состава газовой смеси, в частности атмосферы гермооболочки (4) ядерной установки. Согласно предложенному изобретению предусмотрено измерительное устройство (2), содержащее детектор (16) теплопроводности с первым измерительным мостом, детектор (14) тепловыделения реакции со вторым измерительным мостом и общий блок (26) обработки результатов.
Изобретение относится к тепловым испытаниям и может быть использовано для в процессе испытаний ограждающих конструкций. Предложен комплекс контроля теплотехнических параметров наружной стены при длительных режимах испытаний в натурных условиях, который включает датчики температуры (ДТП) и датчики влажности (ДТГ), установленные одновременно в нескольких помещениях в наружных стенах на равных расстояниях друг от друга с наружной и внутренней стороны, а также внутри стены, соединенные кабелем связи с центром управления, с помощью которого программируется длительность, периодичность и другие параметры сбора данных, с возможностью просмотра результатов измерений в режиме реального времени, а также после завершения обработки данных, с которых вся информация считывается одновременно с последующей обработкой в ПК.

Изобретение относится к области измерения параметров материалов, в частности термоЭДС. Устройство для измерения термоэлектродвижущей силы материалов содержит исследуемую и измерительную термопары, делитель напряжения и источник питания к нему в виде одной из термопар.

Изобретение относится к нестационарным способам определения коэффициента теплопроводности жидких теплоизоляционных материалов. Разработанный способ может применяться в строительстве и теплоэнергетике для исследования теплопроводных качеств сверхтонких жидких теплоизоляционных покрытий.

Использование в строительстве для оценки теплозащитных свойств по результатам теплофизических испытаний в натурных условиях. Сущность способа определения временного интервала при проведении натурных теплофизических исследований наружных стен зданий, выполненных из кирпича, при котором в толще стенового ограждения возникают условия квазистационарного режима теплопередачи, включает измерение температуры наружного и внутреннего воздуха, температуры внутренней и наружной поверхности стены, температуры в 5 точках путем размещения датчиков на равных расстояниях в толще стены.

Изобретение относится к области тепловидения, к тепловизионным системам, преобразующим инфракрасное излучение наблюдаемого объекта в видеоизображение, выполненным на основе неохлаждаемых микроболометрических матриц.

Изобретение относится к области термометрии и может использовано для измерения температуры внутри вакууматора. Предложено устройство непрерывного измерения температуры, используемое в процессе Ruhrstahl-Heraeus (RH) для выполнения вакуумной дегазации между процессами изготовления стали в черной металлургии, и установка RH, включающая в себя устройство непрерывного измерения температуры.

Изобретение относится к области измерительной техники и касается устройства для измерения излучательной способности материалов. Устройство содержит вакуумную камеру, исследуемый образец, механизм вращения образца, омический нагреватель, спектрометр, компьютер и модель черного тела.

Изобретение относится к области создания детекторов излучения и касается фотоприемника ик-излучения с диафрагмой. Фотоприемник содержит держатель, фоточувствительный элемент, приклеенный на растре, и диафрагму.

Изобретение относится к области оптико-электронных приборов и касается пироэлектрического преобразователя электромагнитных волн. Пироэлектрический преобразователь включает в себя теплоизолированную пластину пиродиэлектрика с проводящими тонкопленочными обкладками на противоположных поверхностях пластины, подключенными к измерителю электрического сигнала.

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для измерения температуры в расплавах, в особенности в расплавах металла или криолита с точкой плавления выше 600оС с температурным сенсором.

Изобретение относится к области оптоэлектроники, к конструкциям тепловых многоэлементных приемников, предназначенных для регистрации пространственно-энергетических характеристик импульсного и непрерывного лазерного излучения.

Изобретение относится к способу и устройству для точного бесконтактного определения температуры Т металлического расплава (2) в печи (1), которая содержит по меньшей мере один блок (3) горелки-копья, который направляется над металлическим расплавом (2) через стенку (1b) печи в печное пространство (1а).

Изобретение относится к способу измерения параметра ванны расплава с помощью оптического волокна, окруженного покрытием. .

Изобретение относится к области измерительной техники и касается стенда для исследования параметров взаимодействия лазерного излучения с конструкционными материалами. Стенд включает в себя лазер, оптическую систему, светоделительный элемент, систему контроля параметров ЛИ, систему регистрации теплофизических и оптических параметров ИО, систему сбора и обработки зарегистрированных данных и системы управления измерительным стендом. Светоделительный элемент разделяет ЛИ на рабочий и контрольный потоки. В системе контроля параметров ЛИ измеритель мощности вынесен в отдельный измерительный узел и дополнен экраном и видеокамерой высокого разрешения, направленной на экран. Система регистрации состоит из измерительной полусферы, по дугам которой расположены фотодетекторы и термодатчики спектрометра, тепловизора, а также двух пирометров, расположенных с лицевой и тыльной сторон ИО. Функции средства для изменения мощности ЛИ и средства для обеспечения модуляции ЛИ реализуются с помощью системы управления измерительным стендом. Технический результат заключается в расширении функциональных возможностей стенда и повышении точности измерений. 1 ил.

Наверх