国产PVDF压电薄膜的冲击加载及卸载响应研究

 对两种厚度的国产PVDF压电薄膜，用轻气炮和激波管进行了冲击加载应力-电荷曲线的标定，并与其它若干种国内外的PVDF标定曲线进行了对比和分析；采用阶梯卸载和同时测量质点速度的方法，研究了PVDF压电薄膜的冲击卸载响应特性，发现有明显的滞后效应存在。     

PVDF压电计的动态响应特性及其在橡胶材料SHPB实验中的应用

通过夹心式PVDF(Polyvinylide Fluoride)压电计的动态分离式Hopkinson压杆(SHPB)标定实验,系统地讨论了传感器的动态响应特性,其中包括测量电路、PVDF表面应力集中、压电计的材料及结构特性和同一压电计受多次撞击对测试信号的影响,为PVDF压电计的制作工艺研究提供参考。利用标定好的压电计测试了橡胶材料在SHPB实验中的动态应力均匀过程。结果表明:调节并联电阻值可以提高压电计的传感精度;增大压电计的敏感面积可以减小因应力集中所造成的信号失真;材料的热粘塑性性质、摩擦效应等将使信号振荡幅度偏小;多次撞击对信号的加载与卸载段都将产生影响,但当传感器表面未发生明显损伤时,测试的应力平台平均值与真实信号近似相同。     

亚微牛级推力测量系统设计及实验研究

空间引力波探测任务需要具有亚微牛级推力分辨率和推力噪声的微推力器来实现卫星平台高精度无拖曳控制任务,为了在地面对所需微推力器的推力进行标定,设计并研制了一套基于扭摆的亚微牛级推力测量系统。该系统选用高精度、高分辨率电容式位移传感器作为扭摆角位移传感装置,利用高精度电子天平对静电梳进行标定,再利用该静电梳标定扭摆,得到推力与角位移的关系。此外,研究了高精度弱力标定技术和亚微牛级微推力在线测量技术,分析了测量误差来源以及控制方案,最后利用静电梳产生标准弱力测量扭摆推力分辨能力和范围等。实验结果表明:该系统可测推力范围为0～400μN,分辨率达到0.1μN,背景噪声功率谱密度优于0.1μN/((Hz)~(1/2))(10 mHz～1 Hz),满足空间引力波探测在10 mHz～1 Hz频段推力测量需求。     

悬摆法测量气体推进剂激光推进冲量耦合系数

 给出了悬摆法测量激光推进冲量耦合系数的原理，分别以空气、氩气、氮气和氦气为推进剂，用悬摆法测量了抛物形推力器在能量不同的单脉冲TEA CO₂激光辐照下的冲量耦合系数。实验结果表明：氩气的冲量耦合系数最高，氦气的冲量耦合系数最低；在实验测试的激光能量范围内，4种推进剂气体的激光推进冲量耦合系数基本上都随着激光能量的增加而线性增大，冲量耦合系数的相对误差为5.4%~6.4%。实验结果与国外相关实验结论一致。     

基于一种远程双脉冲激光诱导击穿光谱系统原位分析钢样成分

为了实现钢铁等金属熔炼过程中实时、在线监测元素组分含量,设计了一种远程双脉冲激光诱导击穿光谱(LIBS)分析系统,对远距离的样品进行非接触式远程测量、成分分析。首先利用固体标准钢样对系统进行了测试以及标定,为下一步利用此系统在线监测熔融钢液组分含量提供了基础。实验结果表明:激光远距离聚焦光斑在1 mm左右;双脉冲烧蚀比单脉冲烧蚀深度深很多;双脉冲最佳延时在不同距离下不一致;3.1 m处双脉冲增强效果比2.1 m处更好,其中Ti(Ⅰ)319.99 nrn增强最显著为5.19倍;各种元素的标定曲线相关系数r都在0.99左右,重复精度(RSD)基本都小于5%,测量偏差(RMSE)都小于0.021%,2.1m处的检出限相比3.1 m处更低,2.1 m处多数元素检出限小于500 ppm。     

CCD系统线性动态范围的标定

 提出了一种标定CCD图像采集系统动态范围的实用方法。利用尖劈形成一列光强逐级衰减的标定光源,结合插值法给出CAS-512A CCD系统的线性动态范围。可用于强激光领域中CAS-512A CCD图像采集系统的实用线性动态范围的标定。     

三维形貌柔性测量系统标定方法及验证

为了避免机器人模型误差对三维形貌柔性测量系统手眼标定的影响，对手眼关系的标定方法进行了研究。提出了一种融合特征点拟合的手眼标定方法。将三维形貌扫描仪安装在工业机器人末端搭建三维形貌柔性测量系统。标定时，首先利用激光跟踪仪对工业机器人末端法兰盘坐标系进行测量，得到两者转换关系；然后，利用三维形貌扫描仪和激光跟踪仪对空间固定的特征点组进行测量，利用特征点约束和基于罗德里格矩阵的算法求解两者转换关系即可间接地求解出手眼关系。基于ATOS三维扫描仪、安川HP20D机器人和API公司生产的激光跟踪仪进行了手眼标定实验，并进行了精度验证。结果表明:标定后的三维形貌柔性测量系统，其重复性测量精度(3σ)不超过0.1 mm，长度测量精度的均方根误差在0.2 mm以内，点云拼接精度优于±0.7 mm。该方法有效避免了传统手眼标定过程中会引入机器人模型误差的问题，在求解手眼关系解时采用了线性的解法，并且适用于三维形貌柔性测量系统。     

高功率固体激光装置哈特曼传感器参考波前标定方法

 在高功率固体激光驱动器中，参考波前标定是自适应光学系统应用过程中的关键技术之一。基于国内某大型激光原型装置光路特点，对比研究了两种不同的参考波前标定方法，详细分析了两种方法的标定过程和影响标定结果准确性的主要因素，选取了较为准确的参考波前标定结果。基于该参考波前，对AO系统闭环和开环条件下的远场进行了对比测试，实验证明了标定结果的有效性。该研究结果成功应用于该激光原型装置的AO系统波前补偿实验。     

利用PVDF传感器检测激光超声的实验研究

简要介绍了激光超声技术以及声表面波的基本特点、激光超声产生和接收的基本原理及激光超声技术的应用。概述了聚偏二氟乙烯（PVDF）压电薄膜材料的结构、性质和应用，以及薄膜压电性产生的机理。对PVDF换能器的设计思路和实验方法进行了简单讨论。具体实验采用脉冲激光器激发声表面波，利用PVDF传感器接收实验信号，调试实验信号，得出波形，并对实验现象作出初步分析。证实了该实验装置应用于激光超声无损检测的可行性与可靠性。     

抗拉可压型压电陶瓷性能测试及疲劳试验

压电陶瓷是自适应光学系统中的核心器件变形镜的主要作动元件,其性能的好坏直接影响变形镜甚至自适应光学系统校正能力。开展了加载电压为±350 V、外形尺寸为5 mm×5 mm×38 mm的抗拉可压型压电陶瓷的性能测试,包括位移、迟滞、电容、阻抗和热膨胀系数等,对压电陶瓷的抗拉能力进行了考核,获得三个样品抗拉能力均大于250 N。采用疲劳测试仪对同批次生产的压电陶瓷进行疲劳试验,在此过程中获得了压电陶瓷的压电效应并对试验数据进行了分析,最后对5#样品进行了1 000万次疲劳试验（±150 N@5 Hz正弦载荷）,试验后压电陶瓷的位移减小约5%,其他指标变化较小。通过抗拉能力测试和疲劳试验,初步考核了该型压电陶瓷的抗拉压特性和疲劳特性以及压电陶瓷的使用寿命,为变形镜的研制提供一定的数据支撑。     

强激光间接驱动材料动态破碎过程的实验技术研究

强激光驱动加载已成为冲击波作用下材料动态破碎过程研究的一种有效手段.采用间接驱动方式,设计合适的腔型进行物理实验研究,可实现更大且更均匀的冲击加载一维区.采用数值模拟和物理实验方法,研究强激光间接驱动材料动态破碎过程的实验技术.首先,利用IRAD程序设计适用于开展动态破碎过程研究的半柱腔,其直径为2 mm、腔长为2 mm;进而通过物理实验获得此腔型下多个激光能量点、脉宽2 ns和3 ns条件下辐射峰值温度和波形;最后,利用流体模拟方法给出多种辐射波形下的冲击加载波形.利用高能X射线成像和光子多普勒干涉仪诊断给出间接驱动加载下层裂过程的物理图像和速度历史.经分析发现,间接驱动的加载一维区达到2 mm,平面性优于5%,能有效地开展相关物理实验研究.研究结果为新型柱腔设计、冲击加载技术及动态破碎过程研究提供了重要的研究基础.     

超声换能器带宽对光声成像的影响

研究了不同尺寸吸收体产生的光声压的频谱特性：对于厘米量级、毫米量级和几百个微米量级的吸收体,产生光声压频谱的主要范围分别约为20～300kHz、70kHz～2．5MHz和400kHz～20MHz;讨论了不同频率范围的光声信号对重建图像的影响,低频段的光声信号能反映物体的非边界区域,而高频段的光声信号能突出物体的细微结构,尤其是物体的边界特征。提出了不同尺寸的吸收体要选用或设计不同带宽范围的探测器进行检测的方法．当探测器的带宽范围与光声压频谱范围基本吻合时,损失的频率成份较少,重建的光声图像效果较好,这一结论在仿真和实验结果中都得到了证明。实验用的光源为YAG激光器,波长为532nm,重复频率为30Hz,脉宽为7ns,探测器为针状的PVDF膜水听器,接收面积的直径为1mm。     

Cost-effective assembly of a basic fiber-optic hydrophone for measurement of high-amplitude therapeutic ultrasound fields

Design considerations, assembly details, and operating procedures of one version of a cost-effective basic fiber-optic probe hydrophone (FOPH) are described in order to convey practical information to groups interested in constructing a similar device. The use of fiber optic hydrophones can overcome some of the limitations associated with traditional polyvinylidene difluoride (PVDF) hydrophones for calibration of acoustic fields. Compared to standard PVDF hydrophones, FOPH systems generally have larger bandwidths, enhanced spatial resolution, reduced directionality, and greater immunity to electromagnetic interference, though they can be limited by significantly lower sensitivities. The FOPH system presently described employs a 100-microm multimode optical fiber as the sensing element and incorporates a 1-W laser diode module, 2 x 2 optical coupler, and general-purpose 50-MHz silicon p-i-n photodetector. Wave forms generated using the FOPH system and a reference PVDF hydrophone are compared, and intrinsic and substitution methods for calibrating the FOPH system are discussed. The voltage-to-pressure transfer factor is approximately 0.8 mV/MPa (-302 dB re 1 V/microPa), though straightforward modifications to the optical components in the FOPH system are discussed that can significantly increase this value. Recommendations are presented to guide the choice of optical components and to provide practical insight into the routine usage of the FOPH device.     

激光诱导击穿光谱技术对土壤中重金属元素Cr的定量分析

为促进LIBS技术在土壤微量重金属元素检测中的应用,提高特征谱线的光谱强度和信背比,对实验参数进行优化,并对Cr元素进行分析。首先对激光器激发能量、样品距透镜距离和光谱仪采集延时等实验参数进行优化。对比激光器能量从60 mJ到110 mJ的谱线强度和信背比,当选用90 mJ的激发能量时可以得到最佳实验结果。其次,选择不同样品到透镜的距离,对比从焦前5 mm到焦后5 mm得到的实验结果,得出样品与透镜距离为焦后1 mm（即聚焦位置121 mm）时,Cr元素的特征谱线和信背比达到最佳。最后,分析对比光谱仪采集延时对谱线强度和信背比的影响,结果显示,与能量对等离子辐射强度的影响趋势大致相同,当采集延时为1 000 ns时,实验结果最佳。在最佳实验条件下（即激光器能量90 mJ、聚焦位置121 mm、采集延时1 000 ns）,对12种含有重金属Cr元素的土壤样品进行了光谱检测,为减弱外界环境的干扰,对同一样品的10个激光烧蚀位置得到的光谱做平均值预处理,选择Cr(Ⅰ)357.86 nm,Cr(Ⅰ)425.44 nm,Cr(Ⅰ)427.49 nm为特征谱线,通过建立样品掺杂浓度和光谱强度的定标曲线,得到了三条谱线的检测限LOD分别为74.62,64.07和67.49 mg·kg-1,拟合优度值R2分别为0.98,0.97和0.99,均方根误差值RMSE分别为0.41,0.33和0.35。同时,引入偏最小二乘法及支持向量机算法进一步提高了定标模型精度。研究表明,通过对实验参数进行优化及改善LIBS技术对微量元素的定量探测参数,得到了最优的光谱强度和信背比,并通过对Cr元素进行定量分析,计算定标曲线的Lorenz拟合得到检测限、拟合优度和均方根误差等实验参数,提高了LIBS对土壤中重金属元素的检测精度,这对于利用LIBS技术检测微量重金属元素具有重要的参考意义。     

Fs/ns-dual-pulse orthogonal geometry plasma plume reheating for copper-based-alloys analysis

Plasma plume emission spectroscopy signal enhancements between 12- and 280-fold were obtained in air at atmospheric pressure by reheating the fs-laser ablation plume (energy 0.75 and 3.0 mJ) with a 45 mJ ns-pulse in orthogonal geometry. The emission enhancements induced by the double pulse configuration (DP) at various inter-pulse delay times and distances of the second laser beam from the target surface were investigated for copper-based-alloy standards. Temporal surveys of the plasma plume temperatures induced by both fs-single pulse (fs-SP) and DP placed at a fixed distance of 0.5 mm from the target surface were carried out. Several copper-based-alloy standards were employed for drawing Zn calibration curves by using either fs-SP or DP configurations and considering Cu as internal standard. The experimental data show that, for high Zn contents, the fs-SP set-up is affected by a self-absorption phenomenon so that a deviation from the assumed calibration single linear response is observed and two linear regressions are considered. Conversely, it has been observed that the DP configuration is not affected by any self-absorption effect and provides an improvement of the Zn limit of detection (LOD) but worse calibration linear regressions than the fs-SP. Thus, the DP scheme can increase the analytical sensitivity of fs-SP and, furthermore, its process can be supposed to be independent from the matrix composition even for largely different Zn contents of the Cu-based-alloy standards used.     

激光辐照固体靶产生等离子体反冲研究

提出一种通过诊断等离子体反冲动量来计算激光加载产生冲击压强的方法. 当强激光辐照固体靶表面时, 所产生的高速喷射的等离子体对靶具有反冲作用, 通过诊断等离子体反冲动量的变化可以计算激光辐照固体靶产生的冲击压强变化. 本文利用辐射流体力学软件研究了这种诊断方法, 模拟采用的激光功率密度为5×10¹²-5×10¹³ W/cm², 激光脉宽选取纳秒量级. 模拟结果表明该方法是有效且可行的.     

激光驱动带窗口宏观飞片特性实验研究

 利用激光驱动带窗口宏观高速飞片技术可以实现对材料的一维加载，特别适合开展材料的高压状态方程及高应变率下材料的动态力学特性研究。利用小型脉冲YAG激光器进行了驱动飞片技术研究。开展了飞片结构对飞片力学参数影响的实验，结果表明：复合靶飞片的能量耦合效率比单膜结构飞片具有较大的提高，平均速度提高约15%~30%。同时，飞片的平面性和完整性也有明显的改善。实验中测量了飞片的启动弛豫时间，结果显示：飞片的启动弛豫时间为5~10 ns。利用多通道光纤阵列开展了飞片的平面性测量。实验结果表明，在约1.0 mm的范围内，飞片的时间分散性为20~30 ns。利用高灵敏度激光干涉技术，对飞片速度历史进行了测量，结果表明，飞片在前20 ns就加速到最终速度的90%以上。