一种新的线成像激光干涉测速系统

设计并搭建了一种新的线成像激光干涉测速系统,用于小样品材料的冲击波诊断或飞片速度测量。系统采用梳状干涉条纹做为信号载体,利用1维光纤阵列+光电倍增管+数字示波器替代变像管扫描相机作为记录设备,记录伪推挽四路干涉信号,实现1 ns时间分辨和86μm空间分辨。用它测量了脉冲激光驱动铝膜飞片的速度场,获得对比度较好的信号,数据处理结果揭示了飞片加速过程将近20 ns,飞片的平面度为14.8 mrad。实验证明,该线成像激光干涉测速系统具有一定实用性。

激光干涉测速中信号光纤的模式色散对速度测量的影响

详细分析了测量任意反射面的激光干涉测速系统(VISAR)中信号光纤的模式色散对速度测量的影响,建立了数学分析模型,数值模拟了色散对比度因子与测速系统所使用的条纹常数和被测速度增量之间的关系。研究结果表明:(1)测速时使用的条纹常数越大,信号光纤模式色散的影响越小;(2)被测速度越大,信号光纤模式色散的影响越大;(3)阶跃折射率光纤的色散影响比剃度折射率光纤大得多。通过本项研究,给出了减小信号光纤模式色散的有效措施,对提高VISAR的干涉图对比度及测试精确度具有重要作用。

基于全光纤激光干涉测速技术的拉氏反分析方法应用于脆性材料动态本构关系研究

基于多探头全光纤激光干涉测速技术,在分离式Hopkinson压杆系统上,搭建了长杆试件拉氏反分析实验装置,用于研究脆性材料的动态本构关系。为了监测长杆试件轴向质点速度,提出了激光斜入射新方法,并检验了新方法的可行性和准确性;基于一维应力波传播理论,建立了欧拉质点速度与拉格朗日质点速度之间换算关系,对于脆性材料而言,其断裂应变很小,在拉氏反分析时可以忽略两者之间的差异。利用实测的多质点速度时程曲线,通过构建路径线连接整个速度场,再结合零初始条件,实现了拉氏反分析方法的数值求解,获得了脆性材料有机玻璃(PMMA)的动态应力-应变曲线,并与Hopkinson压杆实验和准静态压缩实验的结果进行了对比。

一种全光纤激光干涉测速仪的研究

应用全光纤激光干涉测速原理,搭建了一套由单模光纤和光纤耦合器组成的全光纤测速仪。通过与激光测振仪的比对实验得到了相对偏差小于1.4%的测速结果,实验利用Hopkinson杆冲击产生标准速度源,提供20.86 m/s瞬时标准参考速度时,实测速度为20.57 m/s。验证了全光纤激光干涉测速仪的可行性。

多点激光干涉测速系统和电探针技术在飞片速度测量中的应用对比

多点激光干涉测速系统和电探针技术均可用于测量高速运动物体的运动参数,为了相互验证测试结果,分析测试系统各因素对测量精度的影响,在平面爆轰波驱动飞片的实验中,利用多点激光干涉测速系统和多组电探针,同时测量金属飞片的自由面速度。将多点激光干涉测速系统测得的飞片速度-时间曲线进行积分,得到飞片的位移-时间曲线,并与电探针测得的飞片到达预定位置的时刻进行对比。结果表明:多点激光干涉测速系统各测点测得的飞片自由面速度随时间的变化曲线一致,各测点测得的速度最大相对偏差为1.45%;对两套测试系统的零时及信号传输时间进行修正后得到,当飞片飞行至5、10、15mm位置时,电探针测得的飞片到达时刻与多点激光干涉测速系统测试结果的最大偏差值分别为0.02、0.02、0.07μs;两套系统在同一测点的测试差值随飞片飞行距离的增加而增加,其原因可能是,炸药透镜的波形差对飞片运动的影响随着飞片飞行距离的增加而增大。

高精度高测速双纵模热稳频激光干涉仪研究

现代机械工业的发展使得数控机床和三坐标测量机等的运行速度已经达到1000mm/s,而目前商用外差干涉仪的测量速度不能满足这一要求。为此该文采用长度为206mm、频差约728MHz的普通全内腔He-Ne热稳频激光器为光源,外加带有高频振荡器形成的交流信号进行脉冲计数的信号处理电路,构成高精度高速双纵模热稳频激光干涉仪。通过实验对干涉仪的测量速度和精度进行了验证,其精度达到0.1μm/800mm。实验证明,该干涉仪可以对速度为1000mm/s的运动物体进行位移和速度测量。

激光干涉测速技术在爆轰实验中的应用

用四探头ＶＩＳＡＲ系统测量了铜管外表面在冲击波作用下的膨胀速度以及各种材料（Ｃ１１，Ａｌ，Ｆｅ，玻璃）平面飞片的自由表面速度。是的圆筒壁面径向膨胀速度大于１４００ｍ／ｓ，平面飞片自由面运动速度大于５５００ｍ／ｓ，各被测样品的速度－时间曲线反映了物体的连续运动过程。

用于激光驱动飞片诊断的线成像速度干涉仪

设计并建立了一套完整的线成像激光干涉测速系统,用于激光驱动技术中小尺寸飞片或样品一条线上所有点的速度测量。它将激光压缩为线状照射到靶面,用成像物镜收集靶面的漫反射光并传递到广角迈克尔逊干涉腔中形成干涉,产生的梳妆干涉条纹作为信号载体,用变像管扫描相机记录条纹随时间的变化,用不同位置的条纹移动量反推出不同位置的速度分布,实现空间分辨。系统具有50 ps响应时间和20μm空间分辨能力。用该系统测量了激光驱动飞片的速度场,清晰的扫描干涉图像直观显示了飞片的运动过程和各点的速度差异。用傅里叶变换方法对干涉图像进行处理,得到了靶面一条线的速度和位移分布。

基于激光干涉技术的弹丸瞬时速度测量的研究

为研究枪械弹丸在出膛瞬间的速度变化规律,引入了激光干涉测速技术与脊线提取修正算法,解决这种强干扰的特殊环境下并伴有速度激变的速度测量问题。在实际实验中用直径12.7 mm的贴有原向返射膜的平头弹进行多次实验,将实验结果进行了详细计算与分析,并与现有全光纤激光干涉测速仪(all fiber displacement interferometer systemfor any reflector,AFDISAR)测速系统进行了比较与分析。结果表明,试验测试的方案可行,对采集到的激光干涉信号经过处理和计算可得到更为平稳的速度曲线,成功解决了枪械弹丸在出膛瞬间的速度变化规律的测量。

HNS基PBX炸药爆轰驱动平板实验及产物状态方程参数确定

为确定六硝基茋基PBX-1炸药产物的状态方程参数,采用平面波透镜加载和激光干涉测速技术,测量了在长度不同、直径为6 mm的PBX-1炸药药柱爆轰驱动下金属平板的自由面速度变化历程。实验结果表明:PBX-1炸药的爆轰波传播速度约为6798.2 m/s,且炸药的长径比对驱动平板的有效装药量有显著影响;与长径比为1的情况相比,长径比为2时PBX-1炸药驱动平板的有效装药量更小,导致金属平板的最大运动速度降低,但是在驱动平板过程中,金属平板受平面波透镜加载边界的影响较小。基于实验数据,开展了长径比为2的PBX-1炸药爆轰驱动平板的数值模拟,确定了PBX-1炸药爆轰产物的状态方程参数,计算得到的平板自由面速度变化历程与实验结果吻合较好。研究结果可为冲击片雷管的可靠性评估提供重要的基础参数。

JBO-9021炸药的化学反应区宽度

采用激光干涉测试技术和楔形炸药构型,对新型钝感高能炸药JBO-9021的爆轰反应区宽度进行了实验研究。实验中在楔形JBO-9021炸药后加镀膜LiF晶体作为测试窗口,测试受试炸药与测试窗口界面的粒子速度剖面。将粒子速度剖面对时间进行二阶求导,通过粒子速度剖面的二阶求导曲线上等于零的时刻判读CJ点的时刻,从而得到化学反应区宽度。研究结果表明,新型钝感高能炸药JBO-9021的化学反应持续时间为(238±13)ns,相应的化学反应区宽度为(1.52±0.09)mm。

用于冲击波和爆轰物理实验中的声光开关

针对冲击波和爆轰物理实验中对光开关的使用要求,提出了一种基于布拉格衍射效应的行波式声光开关,得到了声光开关的开关波形、消光比、抗激光损伤特性及能量利用率等。结果表明,与传统的普克尔电光开关相比,声光开关有效地消除了开关光信号顶部的"振铃"现象,消光比达到5000∶1,同时减小了开关体积、提高了开关工作稳定性。声光晶体抗激光损伤阈值大于2.26 kW/cm2,开关能量利用率达70%。开关触发固有延迟和上升沿时间分别为900和440 ns,满足测试系统对开关同步性的要求。另外开关光信号宽度可由触发信号任意调节,能满足不同测试情况的需要。

加窗VISAR测试技术研究

本文介绍与VISAR配合的加窗干涉仪测试技术，利用这一技术得到了6.5GPa冲击压力下铜-LiF晶体窗口之间的界面速度变化过程。实验中采用铜样品表面作为信号光反射面，对窗体本身提出采用楔形的技术，有助于消除表面反射光和窗体寄生干涉对VISAR信号的干扰，从而提高信号的信噪比和可靠度。

JB-9014钝感炸药冲击Hugoniot关系测量

采用火炮加载技术对JB-9014钝感炸药进行一维平面冲击实验。通过激光干涉测速仪测量冲击波到达炸药样品前、后表面的时刻以及炸药/镀膜氟化锂窗口界面粒子速度。利用冲击波到达炸药样品前、后表面的时刻差和炸药样品的厚度计算出冲击波在炸药样品中的传播速度,并结合炸药样品/氟化锂窗口接触面处粒子速度求出炸药样品冲击波后粒子速度,进而获得了炸药样品在3.1~9.7GPa压力范围内的冲击Hugoniot关系。对炸药样品中冲击波速度以及波后粒子速度进行不确定度分析,得到炸药样品中冲击波速度和波后粒子速度的合成标准不确定度约为0.54%和1.7%。将未反应炸药的冲击Hugoniot曲线和冲击波阵面的Rankine-Hugoniot关系进行联立得到冲击波后炸药样品内的压力和密度,进而拟合得到炸药样品在冲击绝热状态下沿(p,ρ)面的p-ρ曲线。

几种常用炸药的爆压与爆轰反应区精密测量

为了获得几种常用炸药的爆压和反应区宽度数据,采用激光干涉测试技术对TNT、PETN、RDX、HMX、TATB和CL-20炸药的稳态爆轰波界面粒子速度进行了测试,获得了高精度的界面粒子速度时程曲线,利用阻抗匹配公式计算得到了炸药的爆压。结果表明:PETN、RDX、HMX和CL-20等理想炸药的界面粒子速度曲线存在较明显的拐点,爆轰反应区较窄,反应时间为7~15 ns。TNT和TATB炸药由于存在碳凝聚慢反应过程,界面粒子速度曲线没有明显的拐点,爆轰反应时间分别为(100±15)ns和(255±20)ns。初步的不确定度分析表明,激光干涉法测试爆压的相对扩展不确定度为4.4%(包含因子k=2)。

未反应JBO-9021炸药冲击雨贡纽曲线的研究

采用激光干涉测速技术和楔形炸药,对未反应钝感高能炸药JBO-9021的冲击雨贡纽曲线进行了实验研究。通过激光干涉测试技术对楔形炸药冲击波后不同位置的多点粒子速度进行测试,获得一组不同压力下未反应炸药中的波后粒子速度和冲击波速度,通过曲线拟合得到未反应炸药的冲击雨贡纽曲线。同时将未反应炸药的冲击雨贡纽曲线和冲击波阵面的Rankine-Hugoniot关系进行联立,获得未反应炸药的状态方程。

高时空分辨线成像VISAR在爆轰波物理中的应用

为弥补离散多点激光干涉测速技术空间分辨力弱、系统复杂和成本高的缺点,研制了一套适用于爆轰波物理诊断的高时空分辨的线成像VISAR,其响应时间小于400ps,在约12mm线视场时空间分辨小于100μm。将该仪器应用到空腔驱动平面靶、空腔驱动台阶靶、接触爆轰驱动双样品靶和接触爆轰驱动楔形复合靶的爆轰实验诊断中,实验结果体现了线成像VISAR超高的连续空间分辨能力。线成像VISAR技术将能为爆轰波物理领域中的某些特殊测速需求提供技术支持。