一种超高速微粒速度测量系统及方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及空间环境效应及空间碎片领域，具体涉及一种基于超高速撞击发光的 超高速微粒速度测量方法。
【背景技术】
[0002] 超高速撞击是指撞击压力大于弹和靶材料强度的碰撞，超高速碰撞中速度一般在 lkm/s以上。在超高速撞击实验中，微粒速度是重要的实验参数，且由于微粒速度快、尺寸小 且大多数情况下微粒不带电，使得其速度测量难度非常大。现有的超高速微粒速度测量方 法主要包括压电测速、激光测速以及收集撞击等离子体的微粒速度测量方法等。由于超高 速微粒运动的起始时间和飞行距离一般可以由超高速微粒加速装置给出，因此只要获取微 粒运动的终止时刻，就能够利用飞行时间方法(距离除以时间即为速度）获取微粒的速度。
[0003] 压电测速法通过在撞击靶上安装压电传感器，当微粒撞击到靶上时，撞击形成的 振动传递到压电传感器形成压电信号，获取微粒的撞击时刻，并利用飞行时间法获得微粒 的速度。该方法是较早采用的方法，只要撞击形成的振动信号合适并能传递到压电传感器， 在压电传感器中就能获取相应的压电信号，该方法就能对微粒速度进行测量。但是该方法 得到的信号的震荡时间长(如图1中a所示)，使得利用该方法进行速度测量时其分辨率较 低。
[0004] 激光测速方法，在微粒飞行的路径上设置一个与其运动方向垂直的光帘，在光帘 同一平面垂直激光入射方向上设置光电管用于收集微粒穿过光帘时形成的散射光，以达到 对微粒运动到达光帘位置的时刻的测量，同样利用飞行时间法，获取微粒的速度。激光测 速对撞击效应实验没有任何影响，但是由于散射光信号较弱，使得其信噪比相对较低，如图 Ι-b所示。
[0005] 收集等离子体的测速方法基于超高速撞击在瞬间形成等离子体的特点，通过对撞 击形成的等离子体进行收集能够准确测量微粒的撞击时刻，从而获取微粒的速度。该方法 时间测量精度1?，在传统的超1?速撞击损伤研究中不会对实验形成干扰，但是在研究超1? 速撞击诱发放电等超高速撞击的等离子体效应中，收集等离子体测速的方法会对实验形成 严重影响，如图I-C所示。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的在于，为克服上述问题，本发明提供了一种超高速微粒速度测量系 统及方法。
[0007] 为了实现上述目的，本发明提供了一种超高速微粒速度测量系统，所述系统包 含：
[0008] 超1?速微粒加速器，用于对超1?速微粒提供运打通道；
[0009] 第一信号采集单元，用于记录微粒在超高速微粒加速器中的起始的运动时刻；
[0010] 距离测量单元，用于测量微粒在超高速微粒加速器中的运行距离S ;
[0011] 撞击靶，用于在超高速微粒加速器中距离超高速微粒起始运动位置的位移为S处 设置撞击靶，所述超高速微粒运行到位移s处时发生撞击并瞬间发出光信号；
[0012] 收集单元，用于收集发出光信号，该单元设置在能够收集发出光信号的光路上；其 中，该收集单元为带透镜的光纤；
[0013] 光电管，用于将收集单元收集的光信号转化为电信号，并依据该电信号获得超高 速微粒运动的终止时刻t 2 ;和
[0014] 速度及质量获取单元，用于采用如下的策略一获得速度，或采用如下策略二同时 获得速度和质量：
[0015] 策略一，依据得到的终止时刻〖2，位移s和起始的运动时刻得到超高速微粒的运动 速度；
[0016] 策略二，依据如下公式同时获得微粒的速度和质量：
[0017] / = AlIiivfi ( 1)
[0018] t = X1MVlh (2)
[0019] 其中，I为发光强度，t为发光信号上升时间，m为微粒质量，V为微粒速度，A1, 入2, βρ β2为与微粒材料及撞击靶材料相关的系数；且通过实验获取A1, λ2, βρ 02的 取值；所述发光强度I与上述带透镜的光纤通过光电管和示波器获取的信号的幅度相关， 通过实验标定获取发光强度I的值；上升时间t通过测量直接获得，根据公式（1)和（2)求 解能够获取微粒的质量和速度。
[0020] 上述第一信号采集单元采用示波器。
[0021] 上述光纤与透镜的轴线相同，且所述光纤的端面位于透镜的焦点位置。
[0022] 上述策略一具体采用如下公式计算超高速微粒的速度：
[0_ 。
[0024] 本发明还提供了一种超高速微粒速度测量方法，所述方法包含：
[0025] 步骤101)在时刻将超高速微粒在超高速微粒加速器中开始运动；
[0026] 步骤102)当超高速微粒在超高速微粒加速器中运动至距离初始位移s处时，撞击 撞击靶，并使撞击靶瞬间发出光信号；
[0027] 步骤103)在光信号的发散光路上设置由透镜、光纤和光电管组成的吸收装置，吸 收光信号；即撞击发光信号传到透镜，被透镜汇聚到光纤，由光纤传递光电管之后传递到示 波器并记录该信号；
[0028] 步骤104)对吸收的光信号进行处理得到超高速微粒到达位移s时的时刻t2 ;
[0029] 步骤105)基于时刻t2、时刻h和位移s得到超高速微粒的运动速度，或依据如下 两个公式同时获得微粒的速度与质量：
[0030] I = \mvp' (1)
[0031] t = JL2Hivfh (2)
[0032] 其中，I为发光强度，t为发光信号上升时间，m为微粒质量，V为微粒速度，A1, 入 2, P1, β2为与微粒材料及撞击靶材料相关的系数，且A1, λ 2, P1为正实数，β2为负实 数。
[0033] 上述步骤104)进一步包含：
[0034] 步骤104-1)光纤进一步把汇聚的光信号传递到光电管，光电管把光信号转换成电 信号；
[0035] 步骤104-2)通过同轴电缆线将转化的电信号传递到示波器，并通过示波器记录该 发光信号及其发光时刻t 2的值。
[0036] 与现有技术相比，本发明的技术优势在于：
[0037] 本发明获取一种成本低廉、信噪比高且对超高速撞击效应研究没有任何影响的超 高速微粒速度测量方法。本发明通过检测微粒超高速撞击的发光信号来获取微粒的撞击时 亥IJ，用于检测发光信号的带透镜的光纤可以布置在远离撞击点但撞击发光光线能够达到的 任意位置，因此光纤的布置灵活方便易于调整，不会对实验形成任何干扰。本发明通过对微 粒撞击发光信号的上升时间和发光强度进行分析，可以直接根据发光信号推测出微粒的速 度和质量，实现对微粒速度和质量的同时测量。
【附图说明】
[0038] 图1是采用现有技术和采用本发明的技术测量得到的速度的典型信号图；其中图 l_a是【背景技术】中采用的压电信号测速，图l_b是【背景技术】中采用的激光信号测速，图I-C 是【背景技术】中采用的收集等离子体信号测速，图Ι-d是本发明的采用撞击发光信号测速；
[0039] 图2是本发明提供的超高速微粒速度测量原理图。
【具体实施方式】
[0040] 下面结合附图和实施例对本发明所述方法进行详细说明。
[0041] 本发明提供了一种超高速微粒速度测量系统，所述系统包含：超高速微粒加速器， 用于对超高速微粒提供运行通道；第一信号采集单元，用于记录微粒在超高速微粒加速器 中的起始的运动时刻；测量单元，用于测量微粒在超高速微粒加速器中的运行距离s ;撞击 靶，用于在超高速微粒加速器中距离超高速微粒起始运动位置的位移为s处设置撞击靶， 所述超高速微粒运行到位移S处时发生撞击并瞬间发出光信号；收集单元，用于收集发出 光信号，该单元设置在能够收集发出光信号的光路上；其中，该收集单元为带透镜的光纤； 光电管，用于将收集单元收集的光信号转化为电信号，并依据该电信号获得超高速微粒运 动的终止时刻t 2;和速度及质量获取单元，该速度质量获取单元可以采用如下的实施例一 和实施例二测量微粒速度或同时测量微粒速度与质量。
[0042] 实施例一：
[0043] 本发明通过测量微粒超高速撞击的发光信号来获取微粒的撞击时刻t2，微粒运动 的起始时刻h和飞行距离s可由超高速微粒加速装置给出。利用飞行时间方法就能求出 微粒的速度n = f = fl。
[0044] 超高速微粒加速器在h时刻开始工作，经过一段时间(其中，tA根据超高速微 粒加速器的特性可以确定。）之后，微粒被加速后在^时刻开始运动。在超高速微粒加速器 开始工作的同