CN113029825A - 一种基于高频感应预加热的动态冲击实验系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于高频感应预加热的动态冲击实验系统，包括靶架，靶架上连接有样品架，所述样品架外环绕有磁感应线圈，磁感应线圈连接有高频加热系统和水冷系统，所述样品架外侧还间隔设置有样品测温系统和样品测速系统。同时本发明还公开了一种基于高频感应预加热的动态冲击实验方法。本发明具有测量精度高，质量好的特点，可保证动态冲击实验系统高温加热的稳定性和安全性。

Description

一种基于高频感应预加热的动态冲击实验系统及方法

技术领域

本发明涉及冲击实验技术领域，具体是一种基于高频感应预加热的动态冲击实验系统及方法。

背景技术

物态方程研究是为了描述物质系统各状态量之间的关系。物质在高温高压等极端条件下的性状和变化规律可归结为高压物态方程，是对高度压缩情况下微观粒子间的相互作用势和相转变的进一步认识。开展相关研究，对原子分子物理、凝聚态物理、行星与地球物理等基础科学及宇航技术、材料科学、爆炸力学、能源工程等应用学科都有着重要的价值和意义。对样品进行初始升温的预加热冲击实验，可以克服传统的、由室温出发的冲击加载方法只能在压力-温度相图一条线上获得材料性质的不足，从而实现宽温区物态方程研究的目的。

目前开展预加热冲击实验面临的问题主要是高温加载技术复杂、精确测温难、样品变形较大、测试信号信噪比差等，难以获取高置信度的实验数据。因此，建立和发展一种基于冲击加载技术的预加热实验装置及相关高温测试技术，并与动态诊断技术结合，可用于获取预加热状态下材料的动态响应特性，为宽区物态方程研究提供更多的基础数据和更为全面的认识，是十分重要和有价值的。

预加热冲击实验中高频感应加热技术可以达到快速升温，且具有加热温度超过3000K的能力，是一种成熟的高温加热技术。目前动态冲击实验预加热能力明显不足，高频感应加热技术可以很好拓展预加热温度上限；同时，高频感应加热技术具有快速升温能力，可以避免长时加热带来的金属样品过度氧化变形，以及支撑材料过热形变失效等问题，是一种非常合适的预加热技术。但是，高频感应加热技术与动态冲击实验相结合也会出现很多问题，主要有：1)加载高温会影响所有用于支撑样品的样品架材料，材料强度极具下降导致失效，而冲击实验腔室都比较小，如何有效设计实现高温下系统稳定是首要需解决的问题；2)高频电磁感应加热下，普通热电偶由于采集的是电信号，会受到强烈的电磁干扰，所以如何精准测量温度是必须解决的第二大问题；3)高温下样品会发生氧化和膨胀变形，使回光信号质量下降；同时，高温光辐射很强，辐射光会使光纤信号信噪比很差，难以获取高置信度的实验数据，这是需要解决的第三大问题，也是最核心的问题。

因此，我们需要设计一种高频感应加热动态冲击实验的系统或方法，以解决以上高频感应加热技术与动态冲击实验结合时的问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于高频感应预加热的动态冲击实验系统。同时，本发明还基于该动态冲击实验系统，提供了一种基于高频感应预加热的动态冲击实验方法。

本发明的目的主要通过以下技术方案实现：一种基于高频感应预加热的动态冲击实验系统，包括靶架，靶架上连接有样品架，所述样品架外环绕有磁感应线圈，磁感应线圈连接有高频加热系统和水冷系统，所述样品架外侧还间隔设置有样品测温系统和样品测速系统。

进一步的，所述样品架和靶架之间还连接有陶瓷架。

进一步的，所述样品架为石墨架。

进一步的，所述磁感应线圈由线圈支架支撑，所述线圈支架与靶架相连。

进一步的，所述样品测温系统包括自动平移台和双比色高温计，自动平移台上设置有反射镜，所述双比色高温计面向反射镜的镜面并与反射镜间隔设置。

进一步的，所述样品测速系统包括探头及与探头信号连接的测速装置。

进一步的，所述测速装置为时间分辨粒子成像测速系统。

进一步的，所述样品测速系统还包括设于靶架上的探头架，探头架同样与水冷系统连接，所述探头设置于探头架内。

综上所述，本发明基于高频感应预加热的动态冲击实验系统与现有技术相比具有以下有益效果：

1、本发明利用高频加热系统和磁感应线圈加热，可以提供高于2000K的高温预加热能力，加热时通过水冷系统对磁感应线圈和样品架降温，并可结合高频加热系统对样品进行温度控制，且样品测温系统和样品测速系统同时与样品架间隔设置，可保证系统高温加热的稳定性和安全性。

2、本发明利用陶瓷架隔绝样品架与靶架，可起到很好的绝缘隔热效果，避免靶架高温软化失效。

3、本发明样品测温系统利用与样品间隔设置的双比色高温计进行样品温度测量，可精确测量样品温度，且不会因样品温度高而损坏，温度测量精度高、稳定性好。

4、本发明利用自动平移台调动反射镜平移，进而可以在不影响实验的同时，调整反射镜的位置，便于测量样品不同位置的温度，还可以在弹丸发射前移开反射镜，避免反射镜影响弹丸碰撞样品。

5、本发明探头与样品架间隔设置，可以避免测试探头与样品直接接触而烧坏，可很好的保护探头，同时探头设于探头架上，探头架与水冷系统连接，进而可通过水冷系统对探头进行降温，降低探头工作温度，提高探头工作质量和精度。

同时，本发明还基于以上动态冲击实验系统，提供了一种基于高频感应预加热的动态冲击实验方法，该动态冲击实验方法包括以下步骤：

S1设一高速实验炮，高速实验炮口处设置带透明窗口的实验靶室；

S2实验靶室内设置靶架，靶架上设置自动平移台、陶瓷架及探头架，自动平移台上设置反射镜，陶瓷架上设置样品架，样品架外环绕磁感应线圈，探头架上设置探头，高速实验炮、反射镜、样品架及探头依次间隔设置；

S3实验靶室外设置高频加热系统、水冷系统及测速装置，高频加热系统与磁感应线圈连接，水冷系统与磁感应线圈和探头架连接，所述测速装置与所述探头连接，并在透明窗口外设置双比色高温计；

S4将样品固定于样品架内，样品的中心位于磁感应线圈中轴线上，使样品、高速实验炮的炮口及探头同轴设置，且样品与探头间距大于100mm；

S5关闭实验靶室并对实验靶室进行抽真空处理；

S6待实验靶室抽真空至实验所需压力后，开启高频加热系统以通过磁感应线圈对样品加热，并通过双比色高温计进行样品温度测量，同步开启水冷系统对磁感应线圈和探头降温，保证实验靶室内温度不高于30℃；

S7当测量温度达到预定温度后，自动平移台移动反射镜错开弹丸轨道，关闭高频加热系统，高速实验炮发射弹丸撞击样品，探头探测样品速度并通过测速装置记录速度；

S8关闭所有设备、系统及电源，采集双比色高温计和测速装置数据，动态冲击实验完成。

在上述的步骤S4中，样品固定前，表面镀无定型碳膜。

在上述步骤S6中，样品加热时，可通入惰性气体吹样品表面。

本发明基于高频感应预加热的动态冲击实验方法具有温度和速度测量精度高、质量好的特点，具有很高的稳定性和安全性，且样品通过镀膜和惰性气体保护，可以减少样品抛光面氧化变形带来的不利影响，进一步提高样品测量精度。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为基于高频感应预加热的动态冲击实验系统的平面结构示意图；

图2为基于高频感应预加热的动态冲击实验系统的整体结构示意图；

图3是基于高频感应预加热的动态冲击实验方法测得的信号幅度标准带图；

图4是图3信号图频谱分析后得到的样品自由面速度历史剖面图；

图中的标记分别表示为：1、实验高速炮；2、弹丸；3、反射镜；4、自动平移台；5、双比色高温计；6、磁感应线圈；7、样品；8、圆形腔道；9、样品架；10、陶瓷架；11、探头架；12、探头；13、测速装置；14、靶架；15、线圈支架。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

参见图1和图2，本发明第一个实施例提供了一种基于高频感应预加热的动态冲击实验系统，该动态冲击实验系统包括靶架14，靶架14上连接有样品架9，所述样品架9外环绕有磁感应线圈6，磁感应线圈6连接有高频加热系统和水冷系统，所述样品架9外侧还间隔设置有样品测温系统和样品测速系统。

本实施例的动态冲击实验系统在运用时，可置于封闭的靶室、实验室、真空室等，以便于控制整体实验环境，避免环境对实验数据造成影响。

使用时，将样品7置于样品架9内，开启高频加热系统，磁感应线圈6通电对样品进行加热，同步开启水冷系统，加热过程中样品测温系统即可对样品7温度进行实时测量，待样品7温度升至所需温度后，自动平移台移动反射镜错开弹丸轨道，关闭高频加热系统停止加热，此时利用实验高速炮1发射弹丸2撞击样品7，样品7在样品架9内平移，样品测速系统即可对样品7速度进行测量，通过采集样品测温系统和样品测速系统的数据即可获得实验数据，完成整个动态冲击实验。

基于此，本实施例的动态冲击实验系统利用高频加热系统和磁感应线圈6对样品7进行加热，可获得大于高于2000K的高温预加热能力，加热时通过水冷系统对磁感应线圈6和样品架9降温，并可通过调节高频加热系统功率对样品7进行温度控制，保证实验环境的温度不至过高而造成系统损坏，且将样品测温系统和样品测速系统与样品架9间隔设置，进而使样品测温系统和样品测速系统远离发热源，可以降低二者的工作环境温度，保证二者稳定工作，系统整体高温加热的稳定性和安全性好。

具体的，样品架9可设置成圆筒状结构，便于磁感应线圈6环绕，样品架9内部的圆形腔道8便于固定圆形样品7，圆形腔道8既可作为样品测速系统的探测通路，也可用于样品移动的样品冲击通道使用，可根据实验需要设计长度和大小。

上述的磁感应线圈6由线圈支架15支撑，线圈支架15与靶架14相连。线圈支架15主要用于固定磁感应线圈6并对其进行支撑，为方便调节磁感应线圈6的安装位置，线圈支架15可以设置升降结构如电动缸、齿条升降结构等来实现升降以调节磁感应线圈6的高度。

需要说明的是，上述高频加热系统和水冷系统均可采用现有技术结构，故本实施例并未详细说明，现有技术只要能实现高频加热和水冷的系统即可选用，如高频加热系统可直接采用高频电源即可实现，必要时可以添加功率变换器调节功率，或添加保护电路等，可根据具体需要选择；而水冷系统则可选用管道连通的水冷机和水箱组成，并在必要时增加水冷机温度控制系统、循环水流量控制系统等。由于现有技术中实施方案较多，本实施例不再累述高频加热系统和水冷系统的具体方案。

同理，靶架14也可选用现有技术的靶架使用，如现有的金属靶架。在需要时，靶架14下可以连接支撑板、高度调节板等用于支撑和调节其上安装的对应结构高度，以获取更好的支撑和位置效果。

为避免靶架14因高温软化变形，样品架9和靶架14之间还连接有陶瓷架10。陶瓷架10采用陶瓷材料制成，具有很好的绝缘隔热效果，可以将样品架9热量隔离，保证靶架14结构稳定，不至变形失效，进而可确保实验过程中系统整体稳定安全。进一步的，陶瓷架10可设计成板体结构，以减少材料，其上可设置相应的安装孔、安装槽等配合结构与样品架9配合安装。

为增加样品架9在高温下的支撑强度，样品架9选用石墨架。石墨架采用石墨制成，石墨化学性质稳定，且具有耐高温、导热、熔点高的特性，在高温下可保证石墨架的结构强度，样品7支撑稳定，且石墨架的高导热特性可以保证样品7加热过程中受热和散热更为均匀，提高样品7的加热效果。

继续参见图1和图2，上述的样品测温系统主要用于样品7测温。具体的，样品测温系统至少包括有自动平移台4和和双比色高温计5，自动平移台4上设置有可调节反射角度的反射镜3，所述双比色高温计5面向反射镜3的镜面并与反射镜3间隔设置。

在该样品测温系统中，反射镜3预先调节好反射角度，使其镜面朝向双比色高温计5和样品7，反射镜3将样品热辐射波信号反射至双比色高温计5，双比色高温计5接收样品表面辐射热信号并转化为温度信号，获得样品7表面实时温度值。当需要测量样品7不同位置的温度值时，则可通过自动平移台4带动反射镜3平移，进而通过反射镜3的位置改变获取样品7不同位置的热辐射波信号。

具体的，自动平移台4可选用电控、气控、机械控制方式进行自动平移。进一步的，为方便使用，最好选用电控平移台。进一步的，电控平移台可以选用直线电控平移台。

本样品测温系统利用与反射镜3反射样品热辐射波信号，并采用间隔设置的双比色高温计5获取样品热辐射波信号，可以避免双比色高温计5距离样品7较近而受到样品热辐射影响，可进一步提高双比色高温计5的测温精度和结果。

继续参见图1和图2，上述的样品测速系统主要用于样品测速。具体的，样品测速系统至少包括探头12及与探头12信号连接的测速装置13，所述探头12与样品架9同轴设置。

在该样品测速系统中，探头12可通过尾线与测速装置13连接，探头12与样品架9同轴设置，并保证样品7位于二者轴线，当样品7受撞击移动时，探头12获取样品7的动态移动信号，再利用测速装置13获取动态移动信号，并转换成样品动态速度信号，获得样品速度。

具体的，探头12可选用光纤探头，测速装置13可选用时间分辨粒子成像测速系统，进而可以利用光纤探头收集样品7反射回来的动态光信号，再利用时间分辨粒子成像测速系统记录并转化成样品动态速度信号。进一步的，光纤探头可采用聚焦式透镜探头，以提高回光信号质量。

为了进一步提高探头12的回光信号质量，上述样品测速系统还包括设于靶架14上的探头架11，探头架11同样与水冷系统连接，所述探头12设置于探头架11内。水冷系统可持续对探头架11内探头12进行水冷，降低探头12工作温度，提高探头12工作质量和精度，以保证回光信号质量。

本实施例中，所述样品测温系统和样品测速系统分设于样品架9的两侧。样品测温系统和样品测速系统分设于样品架9的两侧，即可在测温和测速时减少系统相互影响，且更利于实验的进行。

具体的，样品测温系统和样品测速系统分设于圆形腔道8的通道口两侧。进一步的，可以将反射镜3、样品架9及探头12依次设置，实验用的高速炮1则设置于反射镜3一侧并正对圆形腔道8一侧通道口，当需要发射弹丸撞击样品7时，可利用自动平移台4带动反射镜3平移错开弹丸轨道，在此过程中，由于探头12位于圆形腔道8的另一侧通道口，其可以全程测速，无需移动，整个实验过程极为方便。

本发明第二个实施例提供了一种基于高频感应预加热的动态冲击实验方法，该动态冲击实验方法可基于上述的基于高频感应预加热的动态冲击实验系统实现，具体步骤如下：

S1设一高速实验炮1，高速实验炮口处设置带透明窗口的实验靶室。实验靶室可选用现有动态冲击实验的实验靶室进行，此处不再过多累述。

S2实验靶室内设置靶架14，靶架14上设置自动平移台4、陶瓷架10及探头架11，自动平移台4上设置反射镜3，陶瓷架10上设置样品架9，样品架9外环绕磁感应线圈6，探头架11上设置探头12，高速实验炮1、反射镜3、样品架9及探头12依次间隔设置；安装时，实验炮炮口、反射镜3及探头12最好同轴设置，以确保实验数据的准确性。

S3实验靶室外设置高频加热系统、水冷系统及测速装置13，高频加热系统与磁感应线圈6连接，水冷系统与磁感应线圈6和探头架11连接，所述测速装置13与所述探头12连接，并在透明窗口外设置双比色高温计5；高频加热系统、水冷系统及测速装置设于实验靶室外，便于控制和操作，而双比色高温计5设于透明窗口外则可保证双比色高温计5测温时不受实验靶室内温度影响，且也可方便安装和角度调节。

S4将样品7固定于样品架9内，样品7的中心位于磁感应线圈6中轴线上，使样品7、高速实验炮炮口及探头12同轴设置，且样品7与探头12间距大于100mm；样品7、高速实验炮炮口及探头12同轴设置，可确保样品撞击位置和测速的准确性，且样品7与探头12间距大于100mm，可保证样品7不至于与探头12接触而高温损坏探头12，样品7也具有更大的平移空间。具体的，样品7与探头12间距可以是100～300mm，优选的，样品7与探头12间距可以是100mm、150mm或200mm。

S5关闭实验靶室并对实验靶室进行抽真空处理；

S6待实验靶室抽真空至实验所需压力后，开启高频加热系统以通过磁感应线圈6对样品7加热，并通过双比色高温计5进行样品温度测量，同步开启水冷系统对磁感应线圈6和探头12降温，保证实验靶室内温度不高于30℃；水冷系统可通过调节冷却温度、冷却液循环速率来保证实验靶室内温度，实验靶室内温度不高于30℃则可减少试验靶室内热辐射影响，保证试验靶室内设备工作环境和实验环境。

S7当测量温度达到预定温度后，自动平移台4移动反射镜3错开弹丸轨道，关闭高频加热系统，高速实验炮1发射弹丸2撞击样品7，探头12探测样品速度并通过测速装置13记录速度；

S8关闭所有设备、系统及电源，采集双比色高温计5和测速装置13数据，动态冲击实验完成。

在上述的步骤S4中，样品7固定前，表面镀无定型碳膜。具体的，样品7表面镀无定型碳膜，可防止样品抛光面高温氧化变形带来的不利影响。进一步的，无定型碳膜的厚度为50～3000nm。优选的，无定型碳膜的厚度为100nm。

在上述步骤S6中，样品加热时，可通入惰性气体吹样品7表面。具体的，惰性气体通过气体管道吹向样品7表面，可利用惰性气体保护样品7，用于防止样品抛光面氧化变形降低回光信号质量，以提高实验效果。进一步的，惰性气体的吹入速度为50-500sccm，优选的，惰性气体的吹入速度为100sccm。

综上，本实施例的基于高频感应预加热的动态冲击实验方法，实验稳定性好，测量准确，精度和质量高。具体的：将双比色高温计5、探头12与样品7间隔设置，可消除样品高温辐射影响，提高二者测量精度和质量，且通过水冷系统对样品架9、靶架14及探头12进行降温，进一步保证实验环境和探头12工作温度，提高测量质量和整体实验环境的稳定性，同时对样品7进行镀膜和惰性气体保护，可减少样品抛光面氧化变形带来的不利影响，进一步提高样品测量精度。

为更好的说明本实施例基于高频感应预加热的动态冲击实验方法的特点，下面结合实验测试结果进行补充说明：

如图3所示为测得的动态样品自由面速度原始信号，经过信号转化后，得到图4所示样品自由面速度历史剖面；其中图3中横坐标表示时间，纵坐标表示DPS信号幅值；图4中横坐标表示时间，纵坐标表示自由表面速度。结合图3和图4可知：高温预加热动态冲击实验信号质量很好，可以获得高精度的样品速度历史，证明本实施例的动态冲击实验方法具有质量好、精度高等特点。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于高频感应预加热的动态冲击实验系统，包括靶架，其特征在于，靶架上连接有样品架，所述样品架外环绕有磁感应线圈，磁感应线圈连接有高频加热系统和水冷系统，所述样品架外侧还间隔设置有样品测温系统和样品测速系统。

2.根据权利要求1所述的动态冲击实验系统，其特征在于，所述样品架和靶架之间还连接有陶瓷架。

3.根据权利要求1所述的动态冲击实验系统，其特征在于，所述样品架为石墨架。

4.根据权利要求1所述的动态冲击实验系统，其特征在于，所述磁感应线圈由线圈支架支撑，所述线圈支架与靶架相连。

5.根据权利要求1所述的动态冲击实验系统，其特征在于，所述样品测温系统包括自动平移台和双比色高温计，自动平移台上设置有反射镜，所述双比色高温计面向反射镜的镜面并与反射镜间隔设置。

6.根据权利要求1所述的动态冲击实验系统，其特征在于，所述样品测速系统包括探头及与探头信号连接的测速装置。

7.根据权利要求6所述的动态冲击实验系统，其特征在于，所述测速装置为时间分辨粒子成像测速系统。

8.根据权利要求6所述的动态冲击实验系统，其特征在于，所述样品测速系统还包括设于靶架上的探头架，探头架同样与水冷系统连接，所述探头设置于探头架内。

9.一种基于高频感应预加热的动态冲击实验方法，其特征在于，该动态冲击实验方法包括：

S1设一高速实验炮，高速实验炮的炮口处设置带透明窗口的实验靶室；

S2实验靶室内设置靶架，靶架上设置自动平移台、陶瓷架及探头架，自动平移台上设置反射镜，陶瓷架上设置样品架，样品架外环绕磁感应线圈，探头架上设置探头，高速实验炮、反射镜、样品架及探头依次间隔设置；

S3实验靶室外设置高频加热系统、水冷系统及测速装置，高频加热系统与磁感应线圈连接，水冷系统与磁感应线圈和探头架连接，所述测速装置与所述探头连接，并在透明窗口外设置双比色高温计；

S4将样品固定于样品架内，样品的中心位于磁感应线圈中轴线上，使样品、高速实验炮的炮口及探头同轴设置，且样品与探头间距大于100mm；

S5关闭实验靶室并对实验靶室进行抽真空处理；

S6待实验靶室抽真空至实验所需压力后，开启高频加热系统以通过磁感应线圈对样品加热，并通过双比色高温计进行样品温度测量，同步开启水冷系统对磁感应线圈和探头降温，保证实验靶室内温度不高于30℃；

S7当测量温度达到预定温度后，自动平移台移动反射镜错开弹丸轨道，关闭高频加热系统，高速实验炮发射弹丸撞击样品，探头探测样品速度并通过测速装置记录速度；

S8采集双比色高温计和测速装置数据，动态冲击实验完成。

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