CN116879113A

CN116879113A - 四孔实验和联合诊断方法

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Publication number: CN116879113A
Application number: CN202310727327.8A
Authority: CN
Inventors: 李星翰; 刘其军; 刘福生; 王中友
Original assignee: Southwest Jiaotong University
Current assignee: Southwest Jiaotong University
Priority date: 2023-06-19
Filing date: 2023-06-19
Publication date: 2023-10-13

Abstract

本发明涉及瞄准小空间内大质量微喷物技术领域，基于对比和互补原理，在轻气炮加载平台中设计了一种四孔实验和联合诊断方法，包括：一、设计四孔实验装置；二、提出了适合研究大质量微喷物质量的Asaywindow信号处理方法，相比传统算法，准确度大幅度提高；三、提出了适合研究多颗粒速度的PDV数据反演算法，相比传统算法，可以过滤掉次要速度和噪声，提高信噪比。本方法中预先沉积金属粉体的目的有两个，首先是人为控制大质量微喷物的质量，其次是可以定量化评估Asaywindow的计算精度。本发明联合原位了诊断微喷物的速度和面密度，可以构造立体的微喷演化发育机理，具有较高的科学和工程价值。

Description

四孔实验和联合诊断方法

技术领域

本发明涉及瞄准小空间内大质量微喷物技术领域，具体地说，涉及一种四孔实验和联合诊断方法。

背景技术

受到冲击荷载的金属材料，当冲击波从金属自由面或者金属/气体界面卸载时，金属表面会发生微层裂甚至是大面积破碎，同时产生速度较高的颗粒，这种材料的响应过程是很复杂的。金属主体表面产生速度高，尺寸较小颗粒的动力学现象也常称为微喷(MicroEjecta)。对于微喷现象所关注的方向主要集中在微喷颗粒的速度、大小、质量、形状和影响微喷物形成的因素等。

强冲击加载方式会给金属材料提供高温高压的环境这将在材料内部或者表面有缺陷时被破坏的更加剧烈。而且在材料被冲击破坏后往往伴随着微喷、层裂、相变和复杂的破碎，而对于气体环境内材料冲击过程更会伴随着颗粒的输运等科学问题，而在强冲击下的材料输运具有速度高和时间短等特点，尤其在材料界面或者内部有缺陷时，为其精细诊断带来更大的困难。因此，目前发展了一系列的精细的测量技术，对于材料的损伤破坏选择X射线照相、质子照相、回收样品分析等直接测量手段，还有通过测量材料自由面速度历程间接获得材料的破坏信息。对材料破碎和气体混合等问题的研究下，采用Asay窗(Asaywindow)技术、多普勒测速(Photonic Doppler Velocimetry，PDV)、压电探针、X光照相、高速阴影照相等多种技术联合诊断观测。多种测量手段的组合使用对深入认识材料在冲击作用下的响应过程具有更多的优势，如微喷中颗粒的气体环境内的输运及混合、材料本身的层裂等动力学行为研究中。

金属表面微喷的研究在冲击波和爆轰物理、火工品封装、兵器科学、冲击压缩等技术领域中是极其重要的。这对于研制出更加稳定可靠的材料以抵抗强冲击下的物质破碎是不可或缺的一环。同时，深入对这一物理过程及其产生的机理的研究，对极端条件下的材料界面的测试和惯性约束聚变等工程的应用中也同样具有重要意义。

微喷物的产生取决于自由面缺陷(表面划痕、近表层的孔洞和晶界等)和冲击波加卸载过程，涉及到材料微结构、相变和冲击熔化等多个研究方向，属于典型的交叉前沿物理问题。由于微喷形成机制较为复杂，加之目前诊断能力的限制，导致对该物理问题的研究并不充分。

发明内容

本发明的内容是提供一种四孔实验和联合诊断方法，其能够较佳地研究微喷物的速度和面密度。

根据本发明的四孔实验和联合诊断方法，其包括以下步骤：

一、设计四孔实验装置，包括靶体，靶体上设有四个孔，1号孔预先沉积金属粉体且由PDV进行诊断，观测微喷物和金属粉体在冲击加载下的速度行为特征；2号孔预先沉积金属粉体并且由Asay window技术进行诊断，对金属粉体和微喷物的质量进行诊断；3号孔不放置粉体，用Asay window技术对微喷物质量进行诊断，作为2号孔的对照组；4号孔不放置粉体，由PDV进行微喷物速度的诊断，作为1号孔的对照组；

二、进行对比实验，对微喷物特性进行联合诊断。

作为优选，四孔尺寸为Φ5mm×1mm。

作为优选，对Asay window技术进行改进来诊断微喷物的质量，结合动量和质量守恒条件，改进的Asay window技术所得到的微喷颗粒面质量增量dm_e由(1)得：

式(1)中dm_e,t是t时刻的面质量增量，v_e,t是微喷的运动速度，由覆膜窗口到沉积粉体的自由面距离和到达窗口的时间得到，m_e,t是t时刻的面质量，m_AL是铝箔的质量，u_w,t是PDV探头测得薄膜的界面速度，P_t是微喷颗粒在t时刻撞击覆膜窗口的应力。

作为优选，微喷颗粒撞击覆膜窗口的应力P_t:

D_w,t＝c_w+λu_w,t (2)

式中：c_w＝5.148km/s，λ＝1.358，ρ_w＝2.64g/cm³是LiF窗口Hugnoiot参数，D_w,t为LiF窗口的冲击波波速。

作为优选，PDV进行诊断时，利用短时傅里叶变换STFT方法对PDV信号结果分析，所能分辨的最小频率f_min与傅里叶变换的点数N与采样率f_s之间的关系由公式(4)得：

采样率f_s与采样间隔ΔT之间的关系为：

如(4)式所示，f_min与PDV干涉信号的采样点数成反比，设一个以1.5km/s的速度运动的物体，PDV技术中采用波长为1550nm的激光，结合公式(5)对应的频率为1.936GHz；因此，PDV的可分辨相对速度Δv为：

由公式(6)可知，对于给定时间长度的信号，需要增加其变化点数提高速度分辨率。

作为优选，短时傅里叶变换STFT方法是在信号上施加一个在时间轴上可以移动的很小的分析窗函数h(t)，进行傅里叶变换来提取信号在这个时域上的频率分量，由于窗函数是可移动的，则可得到信号在需求时间范围内的傅里叶变换，其基本定义式为：

STFT_x(τ,f)＝∫x(t)h(t-τ)e^-j2πftdt (8)

短时傅里叶变换是在时域上加一个分析窗，分析窗在时间轴上的移动，既可得到每段时间内的频谱；找到每段时间内最大模值所对应的频率，即该时间段内Δf，再得平均速度。

作为优选，对比实验中，由particles-PDV诊断的颗粒动力学行为特征将会观测到颗粒群运动的消失时刻，以此可给出Asaywindow实验的截止时间辅助参考。

作为优选，对比实验中，在Asay window信号中给出界面的速度启动时刻，即最快粒子到达覆膜窗口的时间，同时也能得到不同时刻到达覆膜窗口的颗粒平均速度，这可以与partices-PDV获得信号进行对比校正。

作为优选，对比实验中，通过particles/empty-Asay window对比，将同时获得粉体孔和空孔微喷的累计质量变化，两者相减即可求得沉积粉体颗粒在实验中的面质量m_e,t的变化过程。

本发明提出了适合大质量微喷物的Asay window模型，通过预粘大质量金属颗粒(56.02～96.77mg/cm²)的实验中验证其平均误差为17.67％，提升了Asaywindow诊断技术在大质量微喷范围内的检测能力。本发明提出了四孔半沾粉实验和PDV+Asay window的联合诊断技术，不同孔的诊断结果互相补充，可以原位研究微喷物的速度和面密度演化规律，对研究微喷具有较为重要的价值。

本发明提出了适合研究大质量微喷物质量的Asay window信号处理方法，相比传统算法，准确度大幅度提高。

本发明提出了适合研究多颗粒速度的PDV数据反演算法，相比传统算法，可以过滤掉次要速度和噪声，提高信噪比。

附图说明

图1为实施例中四孔半沾粉实验装置的示意图；

图2为实施例中冲击波作用时基板内应力波简图；

图3为实施例中PDV系统静态噪声信号反演结果示意图；

图4(a)为实施例中exp03实验的孔底部自由面速度示意图；

图4(b)为实施例中exp03实验的颗粒PDV信号示意图；

图4(c)为实施例中exp03实验的界面速度-时间T关系示意图；

图4(d)为实施例中exp03实验的单位面积微喷质量M_e-时间T关系示意图；

图5(a)为实施例中exp04实验的孔底部自由面速度示意图；

图5(b)为实施例中exp04实验的颗粒PDV信号示意图；

图5(c)为实施例中exp04实验的界面速度-时间T关系示意图；

图5(d)为实施例中exp04实验的单位面积微喷质量M_e-时间T关系示意图；

图6(a)为实施例中exp05实验的孔底部自由面速度示意图；

图6(b)为实施例中exp05实验的颗粒PDV信号示意图；

图6(c)为实施例中exp05实验的界面速度-时间T关系示意图；

图6(d)为实施例中exp05实验的单位面积微喷质量M_e-时间T关系示意图；

图7为实施例中exp03中自由面PDV散带信号示意图；

图8为实施例中粉体和微喷在真空中的典型运动图像示意图。

具体实施方式

为进一步了解本发明的内容，结合附图和实施例对本发明作详细描述。应当理解的是，实施例仅仅是对本发明进行解释而并非限定。

实施例

本实施例基于对比和互补原理，在轻气炮加载平台中设计了一种四孔实验和联合诊断方法，其包括以下步骤：

一、设计四孔实验装置(如图1所示)，包括靶体，靶体上设有四个孔，四孔尺寸为Φ5mm×1mm，考虑弹丸飞片撞击靶体后基板内的边侧稀疏效应四孔尺寸约束在Φ18mm圆内，保证实验中孔内颗粒受到平面冲击波加载，而不受边侧稀疏波效应影响。四孔粉体沉积设计：1号孔(particles-PDV)预先沉积金属粉体且由PDV(激光多普勒测速)进行诊断，观测微喷物和金属粉体在冲击加载下的速度行为特征；2号孔(particles-Asay window)预先沉积金属粉体并且由Asay window技术进行诊断，对金属粉体和微喷物的质量进行诊断；3号孔(empty-Asay window)不放置粉体，用Asay window技术对微喷物质量进行诊断，作为2号孔的对照组；4号孔(empty-PDV)不放置粉体，由PDV进行微喷物速度的诊断，作为1号孔的对照组；给出孔底部自由面启动时刻(作为测量系统的零时)，同时可能会观测到孔底部的微喷物速度；由于孔底部机械加工时很难保证孔底部表面平整度极好，在对比孔设计安排中必须选取孔底部的平整度相差较小的两个作为对照组。

在沾粉类实验中，当冲击波到达基板-样品接触面时，金属粉体立刻离开基板运动(可认为是瞬时发生)，飞片撞击基板时将在基板内产生三种稀疏波如图2所示，而表面微喷主要跟自由面反射的稀疏波有关系。有粉体沉积的孔和空孔当冲击波在自由面反射时存在略微不同。在有粉体沉积(可看成疏松材料)时，其自由面反射的稀疏波将弱于空孔(无粉体沉积)，而由于粉体在冲击波到达时立刻运动，其产生的反射稀疏波将更接近空孔对照组，同时实验选择孔底部的平整度相差较小的两个孔作为对照组，故可以假设在同一冲击条件下各孔的微喷情况一致。

二、进行对比实验，对微喷物特性进行联合诊断。

对比实验中，

(1)由particles-PDV诊断的颗粒动力学行为特征将会观测到颗粒群运动的消失时刻，以此可给出Asaywindow实验的截止时间辅助参考。

(2)对比实验中，在Asay window信号中给出界面的速度启动时刻，即最快粒子到达覆膜窗口的时间，同时也能得到不同时刻到达覆膜窗口的颗粒平均速度，这可以与partices-PDV获得信号进行对比校正。

(3)对比实验中，通过particles/empty-Asay window对比，将同时获得粉体孔和空孔微喷的累计质量变化，两者相减即可求得沉积粉体颗粒在实验中的面质量m_e,t的变化过程。

本方法中预先沉积金属粉体的目的有两个，首先是人为控制大质量微喷物的质量，其次是可以定量化评估Asay window的计算精度。本发明联合原位诊断微喷物的速度和面密度，可以构造立体的微喷演化发育机理，具有较高的科学和工程价值。

Asay窗数据处理方法的改进

本实施例所用的Asay窗技术的不同之处：选用的膜的厚度作了一定的调整，同时在信号处理方法上进行了改进(考虑铝膜本身及微喷物累计质量影响)。在计算微喷质量分布时，用到以下假设：(1)冲击波在样品自由面反射时，所有的沉积粉体都在极短时间内(近似为瞬时)离开基板；(2)微喷物的分布横向均匀，即微喷物是一维运动；(3)微喷物与覆膜窗口的碰撞是完全非弹性碰撞，没有反向运动；(4)在有效时间内冲击波没有在LiF窗口自由面反射，不会导致覆膜波动；(5)LiF窗口始终保持透明；(6)本实施例所研究的沾粉实验沉积粉体颗粒质量较大(大于粘贴铝膜的面质量)，考虑铝膜本身质量和膜上累计质量的影响。

对Asay window技术进行改进来诊断微喷物的质量，结合动量和质量守恒条件，改进的Asay window技术所得到的微喷颗粒面质量增量dm_e由(1)得：

式(1)中右边的第一项为改进方法的创新项，第二项为经典Asay window数据处理项。

式(1)中dm_e,t是t时刻的面质量增量，v_e,t是微喷的运动速度，由覆膜窗口到沉积粉体的自由面距离和到达窗口的时间得到，m_e,t是t时刻的面质量，m_AL是铝箔的质量，u_w,t是PDV探头测得薄膜的界面速度(经折射率修正处理)，P_t是微喷颗粒在t时刻撞击覆膜窗口的应力(由于本实施例所用的Asay窗是固定于测试平台上且相对于微喷颗粒来说质量较大，故假设撞击窗口的应力P_t的持续时间只在dt间隔内)。

微喷颗粒撞击覆膜窗口的应力P_t：

D_w,t＝c_w+λu_w,t (2)

多目标PDV(Photonic Doppler Velocimetry)信号的解读

多目标物运动反射后与原激光干涉后的信号本身较为复杂，复杂程度取决于目标物的浓度和速度分布。在冲击加载下，颗粒群具有前端速度高密度低，后端密度高颗粒速度相对低等特点，如果考虑激光在微喷物中的散射将会很复杂，目前在实验中的研究都是基于激光只能局限于最表面一层颗粒群的运动并未在颗粒群内散射，理论上对多颗粒微喷信号的研究涉及到米散射理论，其结果较为复杂。

因沾粉颗粒在冲击加载中对于颗粒群内具体颗粒速度和位置分布很难确定，加之激光在颗粒群内散射的方向和经过的颗粒数难以确定，以涉及到米散射理论的PDV信号的处理在实验上还难以应用，目前常用的是：假设激光光束只能局限于微喷颗粒群的最表面一层，激光并未在颗粒群内散射；或者考虑等效颗粒尺寸，考虑激光在颗粒群内的散射，但反射后的波长是该路径下多颗粒的等效效应(即等效为单颗粒散射后的效果)，不管基于那种假设，其都并未涉及到单光束路径内频率的变化。

我们对沾粉实验中激光在颗粒群内的散射假设其只局限于颗粒群最外层部分并未经过较多次散射，同时考虑等效作用将每一小束经过不同颗粒的反射光视作“单颗粒”的反射等效作用的结果。

多颗粒运动的PDV信号数据处理难度较大，尤其是多颗粒中速度差异较小时，各个目标的频率也比较接近，需要较高的频率分辨率才能将不同频率曲线分开。PDV进行诊断时，利用短时傅里叶变换STFT方法对PDV信号结果分析，所能分辨的最小频率f_min与傅里叶变换的点数N与采样率f_s之间的关系由公式(4)得：

采样率f_s与采样间隔ΔT之间的关系为：

短时傅里叶变换STFT方法是在信号上施加一个在时间轴上可以移动的很小的分析窗函数h(t)，进行傅里叶变换来提取信号在这个时域上的频率分量，由于窗函数是可移动的，则可得到信号在需求时间范围内的傅里叶变换，其基本定义式为：

STFT_x(τ,f)＝∫x(t)h(t-τ)e^-j2πftdt (8)

由于短时傅里叶使用的是固定窗口宽度，对信号剧烈和平稳变化时间段都无法得到最优的分辨率，考虑Heisenberg不确定性原理，只能自主挑选一个合适的窗口长度进行信号分析，对剧烈变化信号选择较小窗口获得较高的时域分辨率。目前国内外针对这种多颗粒运动的复杂信号还是一般通过短时傅里叶变换进行频谱分析，主要因为其信号处理速度较快，可选择不同窗口大小多次处理。

实验结果及分析

金属材料自由面在冲击加载下的微喷行为及其在气体环境下的输运过程至今仍是科研工作者们的关注重点之一。本实施例将利用PDV和改进的Asay window联合诊断技术的优势，模拟金属材料在冲击加载下的表面微喷，分析其在不同冲击条件下沉积粉体的动力学特征。

材料的相关物理参量

为保证冲击加载实验的科学性，实验前需严格记录靶体、样品、飞片和窗口质量及尺寸等诸多实验参数。本实施例所有实验中的粉体材料均为微米级球形铜粉，尺寸在1～3μm范围内，靶体和测试平台均为铝6061，飞片采用金属铝飞片，实验中相关材料的Hugnoiot参数如表4所示。

表1实验材料的Hugoniot参数

实验飞片速度由磁测速装置精确测得，实验设计细节如表2所示。靶体基板内冲击压强和粒子速度结果如表3所示，样靶内沉积粉体质量如表4所示。

如表3所示，实验的压力范围在10.5～13.5GPa范围内，冲击压缩后的基板密度在3.04g/cm²左右，实验结果发现在冲击加载下自由表面处的拉应力与缺陷共同作用下导致了微喷颗粒的产生(如表2所示，孔表面存在一定的缺陷)。

表2实验设计细节

^a采用“套筒”式测量平台进行实验.

b采用“分离”式测量平台进行实验.

表3实验中基板的冲击状态(u_H表示粒子速度，D_H表示冲击波速度，T₀表示初始的环境温度，下标H代表冲击加载后基板状态)

表4粉体沉积质量

实验序号	粉体质量M_T/mg	粉体面密度M_a/(mg/cm^-2)
			exp01	22	112.05
exp02	11	56.02
			exp03	11	56.02
exp04	19	96.77
			exp05	17	86.58

静态实验的噪声分析

由于PDV系统本身存在噪声等信号，这将干扰真实实验信号的分析，所以必须对系统本身的噪声信号进行分析。首先对该系统进行静态噪声信号分析，其具体方法为：实验设计与真实实验安装一致，靶体处于静止状态同时记录实验信号。选取多通道示波器的C1通道，随机截取其信号对其进行静态噪声分析。

图3为PDV系统静态噪声信号反演结果，图3中选取通道中信号幅值最大的三个值，发现实验仪器本身的噪声信号有以下几个特点：1.整体噪声信号离散，杂乱无章且没有规律；2.在3875m/s位置处出现条噪声带，其在整个测试阶段内信号幅值占比都较高且其对应的噪声频率为5GHz；3.噪声信号存在于整个静态实验中，并没有出现某个短时间的区域内信号非常集中的情况。虽然噪声信号贯穿在整个实验研究时间内，但是因其无序且非常离散，故其噪声并不会影响多颗粒运动的速度带信号判断。

四孔双Asay窗实验结果及分析

本次实验利用上述数据处理方法对比诊断运动粉体颗粒质量和孔微喷颗粒质量，验证该方法的可靠性。实验设计如表2中exp03～exp05所示，三次实验结果如图4(a)、图4(b)、图4(c)、图4(d)、图5(a)、图5(b)、图5(c)、图5(d)、图6(a)、图6(b)、图6(c)、图6(d)所示。

由图4(a)、图5(a)、图6(a)所示，三次实验的自由面信号给出靶体在冲击加载后样品自由面的启动时刻，三次实验皆有相同的特征：速度稳定一段时间大约400ns后会短暂在上升一个阶段。这是由于冲击波到达自由面与真空界面时会在基板内反射一个稀疏波，多次反射后再次加载基板自由表面导致了其速度的二次上升。

空孔自由面的典型PDV信号如图7所示，图中绿色的框内观测到较多微喷物的运动，此段是在选取信号中3个信号幅值极大对应的等效三颗粒的运动，而在255μs时的信号却不像绿色框内信号较为离散，也再次证明了样品靶在稳定运动一定时间后，由于自由面反射稀疏波与基板复杂作用，最后破碎成较多微喷物。

在对图4(b)、图5(b)、图6(b)分析可得，三次实验粉体槽的PDV信号中都能较好的观测到粉体和微喷物的运动信号，其中信号最好的一次是加载速度较低的exp04次实验，其能观测到三段式的颗粒运动。由于PDV测试技术的探头是直接观测高速颗粒，导致其在经历较多颗粒撞击后探头出现较早损坏，使得在图4(b)、图5(b)、图6(b)中所能观测的颗粒速度时长低于图4(c)、图5(c)、图6(c)所能观测到的颗粒运动时长，其在Asay window信号的截止时间中只能给出一定的参考。

图4(c)、图5(c)、图6(c)中empty(即空孔)的界面速度变化也证实在无粉体沉积的情况下，孔底部在强冲击加载下也出现速度不一的微喷物。由图4(c)、图5(c)、图6(c)中两个Free Surface到达时间不同，可知靶体自由面在碰撞测试平台时的偏置情况，三次实验的不同孔(copper和empty分别代表粉体槽和空孔)在撞击到测试平台时都存在时间差，在exp03和exp05两次实验中最先撞到测试平台的是空孔(Asay window测试技术正对的空实验槽一侧)；在exp02次实验时是粉体孔(Asay window测试技术正对的粉体实验槽)最先碰撞到测试平台，在计算该次实验的empty(空孔)的微喷物质量时，时间终点选择与copper(粉体槽)截止时间一致，否则会在空孔内引入更多微喷质量影响实验结果。在对exp03和exp05两次实验中empty和copper的终止时间选择上皆以自由面到达时间为准，辅助参考粉体-PDV信号终点。

靶体在飞行中的偏置可能由于其固定的四根螺丝边缘基板在冲击加载下出现不同的变形所致。而这种情况会使Asay window窗信号中铜粉槽和空孔的截止时间不同，这将对颗粒的质量-运动的诊断带来一定的误差。表5给出了四次实验中Asay window的实验值和理论值,其相对误差error＝|(M_a-(M_ec-M_ee))/M_a|,其中M_ec为copper的实验值，M_ee为empty的实验值。同时计算实验中初始弹丸飞片倾斜度G_r,其计算方法为其中Δh是每次飞片边缘高度差，L为飞片直径24mm(公差为±0.1)，结果如表6所示。

表5四次Asay实验的计算值和理论值(粉体沉积质量M_a和实验实测颗质量M_e)

表6弹丸飞片的倾斜度G_r

实验序号	L/mm	△h/mm	G_r/°
				exp03	24.05	0.204	0.486
exp04	23.99	0.212	0.506
				exp05	24.02	0.198	0.472

由表6可知，三次实验中的弹丸飞片的倾斜度在0.5°左右，可以看出三次实验的飞片一致性较强，弹丸飞片在加速撞击靶体时近视正碰。实验设计上由于exp02次实验中并没有设置empty(空孔)对照组，无法知道此次实验中由于孔底部破碎会产生多少质量的微喷物，但由表5可知，exp03次实验与exp02次实验粉体沉积质量一致且冲击加载速度接近，两次实验中copper颗粒的累计质量相差仅有4.28％，可大致推测在exp02次实验中孔底部产生的微喷质量不会高于exp03次实验。

对于exp03次实验，如图4(a)所示，在empty信号中出现一个较大的凸起，而在copper信号中并没有观测到同样的信号特征。我们认为可能是较大的微层裂物质撞击覆膜窗口导致这么长时的信号起伏，所以对该次实验中空孔的累计质量并没有计算此段凸起信号。作为对照组的empty在该段时间内肯定也有微喷物产生，这会使empty(空孔)的微喷物的累计质量减小，所以此次实验误差6.48％会小于真实值。

exp04次的实验结果在三次实验中的误差最大。如图5(c)所示，该实验中装有粉体的孔最先撞击到测试平台，早于对照组empty(空孔)的时间。结合表6中此次实验飞片的倾斜度高于其他两次实验，这可能是靶体在弹丸飞片碰撞后基板破碎较为厉害，导致其四孔自由面运动的一致性较低。此次实验的终止时间选择上以copper自由面到达时间为准，发现其empty段中出现63.81mg/cm²，这显著高于其他两次实验empty信号结果，而对比发现此次实验中的copper段诊断结果和exp05次实验结果接近，所以此次误差较大的原因可能是copper中沉积铜粉和破碎的微喷物并没有全部被诊断到，测得的微喷质量与实际值相比较小，导致此次实验误差较大。

改进后的Asay window计算方法对高质量沉积的沾粉实验的平均误差在17.67％，也证明了粉体孔和空孔的基板表面破碎情况较为一致，每个孔破碎情况一致的假设也是合理的。虽然该误差可能低于真实值，相比较Asay类沾粉实验50％的误差还是有较大的进步。但这还需要后续给出更多的实验数据进行证明。

粉体和微喷混合运动的典型图像如图8所示，三段式的密集区域分别是粉体在孔内的短暂加速、粉体离开孔单独运动和高速微喷物和粉体共同运动的高速区。高速区是基板破碎产生的高速微喷物追赶上粉体发生动量交换致使粉体速度再次上升，和未发生动量交换的高速微喷物一起运动的特征区。我们发现粉体开始运动时间在前，微喷的产生在后，同时也出现较高速度运动的颗粒带，我们有理由认为由于微喷的速度较高，难免与运动的粉体发生动量交换，图8中273.2μs时出现4.0km/s左右的颗粒但其数量较少，绝大多数动量交换后的颗粒速度集中在2.9km/s范围，这表明动量交换是随机的，高速交换的颗粒粒子较少。PDV技术只能观测到颗粒群的最前端运动的粒子，Asay window技术能互补观测到后端粒子的运动。

本实施例基于对比和互补原理设计了四孔实验和联合诊断方法，通过比较不同自由面状态(预沾或者不沾金属颗粒)、联合PDV和改进的Asaywindow测试技术，研究微喷物和预沾金属颗粒的速度和面密度。新的实验设计使诊断技术互相补充，可较为全面的定量描绘微喷物和预沾金属颗粒的演化规律，对研究微喷具有较为重要的价值。

本实施例提出了适合大质量微喷物的Asay window模型，通过预粘大质量金属颗粒(56.02～96.77mg/cm²)的实验中验证其平均误差为17.67％。本实施例设计了四孔半沾粉实验和PDV+Asay window的联合诊断技术，不同孔的诊断结果互相补充，可以原位研究微喷物的速度和面密度演化规律。

以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。

Claims

1.四孔实验和联合诊断方法，其特征在于：包括以下步骤：

二、进行对比实验，对微喷物特性进行联合诊断。

2.根据权利要求1所述的四孔实验和联合诊断方法，其特征在于：四孔尺寸为Φ5mm×1mm。

3.根据权利要求2所述的四孔实验和联合诊断方法，其特征在于：对Asay window技术进行改进来诊断微喷物的质量，结合动量和质量守恒条件，改进的Asay window技术所得到的微喷颗粒面质量增量dm_e由(1)得：

4.根据权利要求3所述的四孔实验和联合诊断方法，其特征在于：微喷颗粒撞击覆膜窗口的应力P_t:

D_w,t＝c_w+λu_w,t (2)

5.根据权利要求4所述的四孔实验和联合诊断方法，其特征在于：PDV进行诊断时，利用短时傅里叶变换STFT方法对PDV信号结果分析，所能分辨的最小频率f_min与傅里叶变换的点数N与采样率f_s之间的关系由公式(4)得：

采样率f_s与采样间隔ΔT之间的关系为：

6.根据权利要求5所述的四孔实验和联合诊断方法，其特征在于：短时傅里叶变换STFT方法是在信号上施加一个在时间轴上可以移动的很小的分析窗函数h(t)，进行傅里叶变换来提取信号在这个时域上的频率分量，由于窗函数是可移动的，则可得到信号在需求时间范围内的傅里叶变换，其基本定义式为：

STFT_x(τ,f)＝∫x(t)h(t-τ)e^-j2πftdt (8)

7.根据权利要求6所述的四孔实验和联合诊断方法，其特征在于：对比实验中，由particles-PDV诊断的颗粒动力学行为特征将会观测到颗粒群运动的消失时刻，以此可给出Asaywindow实验的截止时间辅助参考。

8.根据权利要求7所述的四孔实验和联合诊断方法，其特征在于：对比实验中，在Asaywindow信号中给出界面的速度启动时刻，即最快粒子到达覆膜窗口的时间，同时也能得到不同时刻到达覆膜窗口的颗粒平均速度，这可以与partices-PDV获得信号进行对比校正。

9.根据权利要求8所述的四孔实验和联合诊断方法，其特征在于：对比实验中，通过particles/empty-Asay window对比，将同时获得粉体孔和空孔微喷的累计质量变化，两者相减即可求得沉积粉体颗粒在实验中的面质量m_e,t的变化过程。