基于雙光束相向照射的干涉粒子成像測(cè)量裝置制造方法
【專(zhuān)利摘要】本實(shí)用新型公開(kāi)了一種基于雙光束照射的干涉粒子成像測(cè)量裝置，包括片狀光束相向照射系統(tǒng)和接收成像系統(tǒng)，片狀光束相向照射系統(tǒng)由激光器、擴(kuò)束準(zhǔn)直系統(tǒng)、光束壓縮系統(tǒng)、分束鏡和反射鏡組組成。接收成像系統(tǒng)包括聚焦成像系統(tǒng)和離焦成像系統(tǒng)。分束鏡將粒子散射光分成兩部分，聚焦成像系統(tǒng)由CCD和成像透鏡組成，離焦成像系統(tǒng)由成像透鏡和CCD組成,采集到的圖像存儲(chǔ)于計(jì)算機(jī)中。在聚焦成像系統(tǒng)和離焦成像系統(tǒng)中，物平面、透鏡平面和CCD像面相互平行。本實(shí)用新型通過(guò)粒子散射光的條紋圖和聚焦像，得到粒子尺寸大小，結(jié)合PTV/PIV技術(shù)，得到粒子場(chǎng)速度分布，可用于噴霧粒子場(chǎng)粒子尺寸、速度測(cè)量以及氣缸內(nèi)空氣速度場(chǎng)測(cè)量。
【專(zhuān)利說(shuō)明】基于雙光束相向照射的干涉粒子成像測(cè)量裝置【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及一種雙光束相向照射的干涉粒子成像測(cè)量裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]粒子廣泛存在于噴霧、流體、石油、化工、環(huán)保、材料、水利、食品、航空航天、燃料燃燒等領(lǐng)域。粒子尺寸、速度等參數(shù)不僅對(duì)材料和產(chǎn)品的性能和質(zhì)量有直接影響，還與優(yōu)化工藝過(guò)程、降低能源消耗、減少環(huán)境污染等有著直接或間接的關(guān)系。因此粒子場(chǎng)測(cè)試與診斷在工業(yè)、科研等領(lǐng)域具有重要的意義。目前已提出粒子場(chǎng)測(cè)量的常見(jiàn)方法有:
[0003]激光全息/數(shù)字全息技術(shù)，該方法是通過(guò)對(duì)粒子場(chǎng)全息圖的再現(xiàn)分析確定粒子尺寸、速度、分布及其它參量的一種光學(xué)測(cè)量方法。在數(shù)字全息術(shù)中，粒子場(chǎng)的全息圖直接以數(shù)字方式記錄在CCD上，再以數(shù)字方式再現(xiàn)，可同時(shí)獲得3D粒子場(chǎng)的振幅和相位的全部信息，并直接以數(shù)字形式描述，結(jié)合PIV/PTV技術(shù)，實(shí)現(xiàn)粒子場(chǎng)如粒子尺寸、位置、速度及粒子分布等參數(shù)的定量測(cè)量和分析。
[0004]光散射/衍射法是一種基于光散射/衍射原理的粒子直徑測(cè)量技術(shù)。激光束照射粒子發(fā)生散射/衍射，散射/衍射光強(qiáng)度分布與被照射顆粒的直徑有關(guān)，根據(jù)探測(cè)器接收的衍射光能量分布可計(jì)算出被測(cè)粒子群的粒徑分布。
[0005]相位多普勒技術(shù)(Phase Doppler Anemometry,簡(jiǎn)稱(chēng)PDA)是利用運(yùn)動(dòng)粒子散射光的多普勒效應(yīng)實(shí)現(xiàn)粒子的尺寸和速度測(cè)量，利用散射光的相位差實(shí)現(xiàn)粒子尺寸的測(cè)量，利用散射光的頻率差實(shí)現(xiàn)粒子速度的測(cè)量。
[0006]干涉粒子成像技術(shù)(IPI)是一種相對(duì)較新的粒子測(cè)量技術(shù)，其基本原理是基于Mie散射理論，通過(guò)測(cè)量粒子散射光干涉條紋圖的條紋數(shù)/條紋頻率，或聚焦兩點(diǎn)像之間的距離得到粒子尺寸大小。結(jié)合PTV/PIV技術(shù)，實(shí)現(xiàn)粒子速度測(cè)量。該技術(shù)適用于透明球形粒子場(chǎng)測(cè)量。
實(shí)用新型內(nèi)容
[0007]針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)，本實(shí)用新型提供一種基于雙光束相向照射的干涉粒子成像測(cè)量裝置，通過(guò)粒子散射光的條紋圖和聚焦像，得到粒子尺寸大小，結(jié)合PTV/PIV技術(shù)，得到粒子場(chǎng)速度分布，可用于噴霧粒子場(chǎng)粒子尺寸、速度測(cè)量以及氣缸內(nèi)空氣速度場(chǎng)測(cè)量。
[0008]在單光束照射的IPI測(cè)量裝置中，對(duì)散射角Θ古90°區(qū)域，這時(shí)物平面、成像透鏡平面與CCD像面不平行，使得物面上不同位置處放大率不同，從而使聚焦像面上的相同直徑粒子形成的聚焦兩點(diǎn)像間距大小不同，離焦條紋圖大小不同，進(jìn)而影響了粒子像中心定位和條紋頻率的提取精度。
[0009]為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本實(shí)用新型一種基于雙光束相向照射的干涉粒子成像測(cè)量裝置包括片狀光束相向照射系統(tǒng)和接收成像系統(tǒng)，片狀光束相向照射系統(tǒng)由激光器、擴(kuò)束準(zhǔn)直系統(tǒng)、光束壓縮系統(tǒng)、第一分束鏡和反射鏡組組成。接收成像系統(tǒng)包括聚焦成像系統(tǒng)和離焦成像系統(tǒng)。第二分束鏡將粒子散射光分成兩部分，聚焦成像系統(tǒng)由第一 CCD和第一成像透鏡組成，離焦成像系統(tǒng)由第二成像透鏡和第二 CXD組成，采集到的圖像存儲(chǔ)于計(jì)算機(jī)中。在聚焦成像系統(tǒng)和離焦成像系統(tǒng)中，物平面、透鏡平面和CCD像面相互平行。本實(shí)用新型通過(guò)粒子散射光的條紋圖和聚焦像，得到粒子尺寸大小，結(jié)合PTV/PIV技術(shù)，得到粒子場(chǎng)速度分布，可用于噴霧粒子場(chǎng)粒子尺寸、速度測(cè)量以及氣缸內(nèi)空氣速度場(chǎng)測(cè)量。
[0010]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型的有益效果是:
[0011](I)本實(shí)用新型提出了利用雙光束相向照射粒子場(chǎng)，使得干涉發(fā)生在同階散射光之間，條紋對(duì)比度高，且聚焦像中兩點(diǎn)像亮度相同，有助于條紋頻率及兩點(diǎn)像間距的提取。
[0012](2)本實(shí)用新型選擇90°的散射角，在此位置接收散射光可以保證收集系統(tǒng)放大倍率不變，使得離焦像面上干涉條紋圖大小相同，有助于條紋圖中心定位，且相同直徑粒子形成的兩點(diǎn)像間距相同，從而提高粒徑測(cè)量精度。
[0013](3)本實(shí)用新型選擇利用雙相機(jī)同時(shí)接收粒子散射光的聚焦像和離焦像，通過(guò)雙(多)次曝光，結(jié)合PTV/PIV實(shí)現(xiàn)噴霧場(chǎng)粒子尺寸、速度、粒度分布、空間分布及氣缸內(nèi)空氣速度場(chǎng)同時(shí)測(cè)量。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0014]圖1為本實(shí)用新型中雙光束照射的干涉粒子測(cè)量裝置的一種具體實(shí)施方案圖；
[0015]圖2為本實(shí)用新型中圖像處理算法的流程圖，其中，(a)是粒子條紋圖圖像處理算法流程圖，(b)是兩點(diǎn)像圖像處理算法流程圖。
[0016]其中，I為激光器，2為擴(kuò)束準(zhǔn)直系統(tǒng)，3為正/負(fù)柱透鏡組組成的光束壓縮系統(tǒng)，41為第一分束鏡、42為第二分束鏡，61為第一成像透鏡、62為第二成像透鏡，71為第一 (XD、72為第二 (XD，8為粒子場(chǎng)，51、52、53分別為反射鏡。
【具體實(shí)施方式】
[0017]下面以圖1所示的實(shí)驗(yàn)光路為例，闡述本測(cè)量裝置的具體測(cè)量過(guò)程；
[0018]①光路系統(tǒng)搭建
[0019]如圖1所示，本實(shí)用新型一種基于雙光束相向照射的干涉粒子成像測(cè)量裝置包括片狀光束相向照射系統(tǒng)和接收成像系統(tǒng)，所述片狀光束相向照射系統(tǒng)由激光器1、擴(kuò)束準(zhǔn)直系統(tǒng)2、光束壓縮系統(tǒng)3、第一分束鏡41和反射鏡組51、52、53組成；所述接收成像系統(tǒng)包括聚焦成像系統(tǒng)和離焦成像系統(tǒng)；第二分束鏡42將粒子散射光分成兩部分，聚焦成像系統(tǒng)由第一 (XD71和第一成像透鏡61組成，離焦成像系統(tǒng)由第二成像透鏡62和第二 (XD72組成，采集到的圖像存儲(chǔ)于計(jì)算機(jī)9中；在聚焦成像系統(tǒng)和離焦成像系統(tǒng)中，物平面、透鏡平面和C⑶像面相互平行。其中，激光器I為波長(zhǎng)λ = 532nm，最大功率為1.5W的半導(dǎo)體激光器，激光器I發(fā)出的細(xì)光束經(jīng)擴(kuò)束、濾波、準(zhǔn)直系統(tǒng)2后得到直徑為20mm的圓形光束；再經(jīng)正柱透鏡和負(fù)柱透鏡組成的光束壓縮系統(tǒng)3壓縮為長(zhǎng)20mm、寬1.25mm的片狀光束；片光束經(jīng)分束鏡41和三個(gè)反射鏡51、52、53分成強(qiáng)度相等的兩束光，相向照射粒子場(chǎng)8，粒子產(chǎn)生散射。
[0020]②粒子條紋圖和聚焦兩點(diǎn)像采集
[0021]粒子散射光經(jīng)第二分束鏡42后分成兩路，第一成像透鏡61和第一 (XD71組成第一成像系統(tǒng)，記錄粒子條紋圖；第二成像透鏡62和第二 (XD72組成第二成像系統(tǒng)，記錄粒子聚焦兩點(diǎn)像。聚焦像和條紋圖存儲(chǔ)于計(jì)算機(jī)9中。實(shí)驗(yàn)中，可以同時(shí)記錄，也可以分別記錄聚焦像和條紋圖。圖4所示為采集的一個(gè)標(biāo)稱(chēng)直徑為45 μ m的標(biāo)準(zhǔn)粒子聚焦像和條紋圖，圖4(a)是離焦像，圖4(d)是聚焦像，圖4(b)~圖4(c)、圖4(e)~圖4(f)分別是單光束照射時(shí)粒子離焦像和聚焦像。在第一成像系統(tǒng)中可引入狹縫或柱透鏡，將2D的圓形條紋圖壓縮為ID的線(xiàn)形條紋圖，條紋圖的大小根據(jù)粒子場(chǎng)的密度確定。此時(shí)，物平面(光束平面)、成像透鏡平面和CCD像面三者互相平行，成像系統(tǒng)放大率相同。
[0022]③粒子條紋圖和聚焦像處理
[0023]對(duì)采集到的粒子條紋圖，利用圖2(a)所示的粒子尺寸測(cè)量方法，對(duì)粒子干涉圖進(jìn)行單向梯度匹配運(yùn)算得到每個(gè)粒子中心坐標(biāo)，提取每個(gè)粒子干涉條紋圖。再對(duì)其進(jìn)行傅立葉變換和修正Rife/ 二次修正Rife方法的插值計(jì)算,得到粒子干涉條紋間距/條紋數(shù)N。對(duì)采集到的聚焦像，利用圖2(b)所示的粒子尺寸測(cè)量方法，對(duì)粒子聚焦像進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算得到每個(gè)粒子中心坐標(biāo)，提取每個(gè)粒子兩點(diǎn)像圖像。再對(duì)每個(gè)粒子兩點(diǎn)像進(jìn)行自相關(guān)，Gaussian插值提取兩點(diǎn)像之間距離Λ I。
[0024]④粒子尺寸測(cè)量
[0025] 對(duì)條紋圖，利用i/ = -y/lANfiI + M )/(?Ι?Μ)計(jì)算得到粒子直徑,對(duì)45 μ m標(biāo)準(zhǔn)粒子測(cè)
量值為d = 44.57±0.76 μ m。對(duì)點(diǎn)模式，利用d =細(xì)jM計(jì)算得到粒子直徑，對(duì)45 μ m標(biāo)準(zhǔn)粒子測(cè)量值為d = 45.56 ± 0.53 μ m。
[0026]⑤粒子速度測(cè)量
[0027]通過(guò)兩次曝光,記錄粒子的聚焦像和條紋圖，結(jié)合PTV技術(shù),利用V = Λ s(MA t)
計(jì)算得到粒子速度，式中As = ^J{x2 -X1)2Ax1 +(v2 -V1J2AV2為兩聚焦像距尚或/和兩條紋圖
中心距離，(xl，yi)、(x2, y2)為利用③提取的兩聚焦像中心坐標(biāo)或/和兩條紋圖中心坐標(biāo)，Λ X = Λ y為CXD的象素尺寸。對(duì)15.3 μ m標(biāo)準(zhǔn)粒子條紋像測(cè)得最大速度為1.99mm/s，最小速度為0.74mm/s，平均速度為1.45mm/s。
[0028]盡管上面結(jié)合圖對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行了描述，但是本實(shí)用新型并不局限于上述的【具體實(shí)施方式】，上述的【具體實(shí)施方式】?jī)H僅是示意性的，而不是限制性的，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在本實(shí)用新型的啟示下，在不脫離本實(shí)用新型宗旨的情況下，還可以作出很多變形，這些均屬于本實(shí)用新型的保護(hù)之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種基于雙光束照射的干涉粒子成像測(cè)量裝置，包括片狀光束相向照射系統(tǒng)和接收成像系統(tǒng)，其特征在于，所述片狀光束相向照射系統(tǒng)由激光器(I)、擴(kuò)束準(zhǔn)直系統(tǒng)(2)、光束壓縮系統(tǒng)(3)、第一分束鏡(41)和反射鏡組(51、52、53)組成；所述接收成像系統(tǒng)包括聚焦成像系統(tǒng)和離焦成像系統(tǒng)；第二分束鏡(42)將粒子散射光分成兩部分，聚焦成像系統(tǒng)由第一 (XD (71)和第一成像透鏡(61)組成，離焦成像系統(tǒng)由第二成像透鏡(62)和第二 (XD (72)組成，采集到的圖像存儲(chǔ)于計(jì)算機(jī)(9)中；在聚焦成像系統(tǒng)和離焦成像系統(tǒng)中，物平面、透鏡平面和C⑶像面相互平行。
【文檔編號(hào)】G01P5/20GK203705307SQ201320841677
【公開(kāi)日】2014年7月9日 申請(qǐng)日期:2013年12月16日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月16日
【發(fā)明者】王祥, 呂且妮, 呂通, 靳文華, 陳益亮 申請(qǐng)人:天津大學(xué)