本發(fā)明涉及一種顆粒溫度和顆粒運動同步測量裝置和方法。

背景技術：

顆粒物質在自然界、日常生活及生產和技術中普遍存在，例如：自然界中沙石、土壤、浮水、積雪等，日常生活中的糧食、白砂糖、鹽等，生產和技術中的煤炭、礦石以及藥品、化工品。因此，顆粒物質所表現(xiàn)出的復雜的物理特性被廣泛研究，其中，研究最多的物理性質為顆粒物質的顆粒溫度和顆粒運動。

顆粒之間相互碰撞會產生隨機脈動，生成熱量，因此，顆粒溫度(granulartemperature，<δv>)用來表示顆粒隨機運動的活躍程度。顆粒溫度與顆粒運動之間的關系如其中m為總顆粒數，vi為第i個顆粒，為全部顆粒運動的平均速度。顆粒溫度越高，則說明顆粒運動越劇烈，顆粒之間的流化效果越好。

目前，關于研究檢測顆粒溫度和顆粒運動的技術眾多，例如粒子圖像測速和粒子跟蹤測速，但是上述技術是基于圖像處理的方法，只能測量出顆粒群表面的運動，不能同時對顆粒溫度進行測量。另外，正電子發(fā)射粒子跟蹤、x射線斷層攝影和磁共振成像等技術均是通過追蹤在顆粒群中加入的特殊粒子來得到顆粒群的運動情況，但是這類方法測量的顆粒數量較少，且并非原本測量的顆粒，而且也不能測量顆粒溫度。

因此，一種精確、簡單、方便、實用和能同時測量多個位置上的顆粒溫度和顆粒運動的發(fā)明是很有必要的。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明是為了解決上述問題而進行的，目的在于一種提供顆粒溫度和顆粒運動同步測量裝置和方法。

本發(fā)明提供了一種顆粒溫度和顆粒運動同步測量裝置，用于對顆粒流不同區(qū)域的顆粒溫度進行測量，同時得到不同區(qū)域的顆粒運動情況，其特征在于，包括：樣品池，用于盛放顆粒并驅動顆粒滾動，包括顆粒表面層和顆粒被動層；第一激光發(fā)射器，設置在樣品池的近旁，用于發(fā)射第一激光；第一凹透鏡，設置在第一激光發(fā)射器與樣品池之間，用于使第一激光擴散并投射至顆粒表面層從而形成第一信號光；第一帶通濾光片，設置在第一信號光的光路上，用于讓第一信號光中特定波段的光透過；第一信號采集構件，用于對第一信號光進行采集，得到第一散斑圖像；第二激光發(fā)射器，設置在樣品池的近旁，用于發(fā)射第二激光；第二凹透鏡，設置在第二激光發(fā)射器與樣品池之間，用于使第二激光擴散并投射至顆粒被動層從而形成第二信號光；第二帶通濾光片，設置在第二信號光的光路上，用于讓第二信號光中特定波段的光透過；第二信號采集構件，用于對第二信號光進行采集，得到第二散斑圖像；以及計算機，與第一信號采集構件和第二信號采集構件連接，用于對第一散斑圖像和第二散斑圖像進行存儲、轉換和計算，得到不同區(qū)域的顆粒溫度隨時間變化的曲線圖和顆粒運動隨時間變化的曲線圖。

在本發(fā)明提供的顆粒溫度和顆粒運動同步測量裝置中，還可以具有這樣的特征：其中，樣品池為水平滾筒。

在本發(fā)明提供的顆粒溫度和顆粒運動同步測量裝置中，還可以具有這樣的特征：其中，第一激光發(fā)射器與第二激光發(fā)射器的發(fā)射波長不同，第一激光發(fā)射器的發(fā)射波長為671nm，第二激光發(fā)射器的發(fā)射波長為532nm。

在本發(fā)明提供的顆粒溫度和顆粒運動同步測量裝置中，還可以具有這樣的特征：其中，第一帶通濾光片的波長為671nm，第二帶通濾光片的波長為532nm。

使用兩種不同波長的激光是為了防止當兩束激光測量區(qū)域有重疊的部分時，不會互相產生影響。如果采用兩種同樣波長的激光，當有測量重疊區(qū)域時，會影響測量結果的準確性。

在本發(fā)明提供的顆粒溫度和顆粒運動同步測量裝置中，還可以具有這樣的特征：其中，信號采集構件為ccd相機。

在本發(fā)明提供了一種利用顆粒溫度和顆粒運動同步測量裝置對顆粒溫度和顆粒運動進行測量的方法，其特征在于，包括以下步驟：步驟一，采用第一激光發(fā)射器產生第一激光，采用第二激光發(fā)射器產生第二激光；步驟二，采用第一凹透鏡對第一激光進行擴散并使擴散后的第一激光投射至顆粒表面層上形成第一信號光，采用第二凹透鏡對第二激光進行擴散并使擴散后的第二激光投射至顆粒被動層上形成第二信號光；步驟三，采用第一帶通濾光片和第二帶通濾光片讓第一信號光和第二信號光透過；步驟四，第一信號采集構件及第二信號采集構件經過校準，得到第一信號采集構件及第二信號采集構件的時間差t0；步驟五，采用設置在距顆粒表面層的第一預定距離位置上的第一信號采集構件和設置在距顆粒被動層的第二設定距離位置處上的第二信號采集構件，對第一信號光及第二信號光進行采集，得到第一散斑圖像和第二散斑圖像；步驟六，采用計算機對第一散斑圖像和第二散斑圖像按照時間進行保存處理，得到兩列信號時間序列；步驟七，采用計算機根據散斑對比度光譜法公式分別對第一散斑圖像和第二散斑圖像進行轉換和計算，得到不同區(qū)域上的顆粒溫度隨時間變化的曲線圖；步驟八，采用計算機對兩列信號時間序列和時間差t0進行計算，得到不同區(qū)域上的顆粒運動隨時間變化的曲線圖。

在本發(fā)明提供的顆粒溫度和顆粒運動同步測量裝置對顆粒溫度和顆粒運動進行測量的方法中，還可以具有這樣的特征：其中，散斑對比度光譜法公式如下，

v2(t)∝<i²>t-<i>²，

x＝(4πδv/λ)t

上式中，t為散斑圖像的曝光時間，<i>²為散斑圖像的像素平方值，<i²>t為在曝光時間t內散斑圖像的像素平方的平均值，v2(t)為散斑圖像的像素方差，δv為顆粒溫度，λ為波長，m為散斑圖像的個數，x為激光衰減線寬，其與顆粒的直徑相關。

在本發(fā)明提供的顆粒溫度和顆粒運動同步測量裝置對顆粒溫度和顆粒運動進行測量的方法中，還可以具有這樣的特征：其中，步驟四包括如下子步驟：步驟4-1，采用設置在同一位置上的第一信號采集構件和第二信號采集構件對相同的第二信號光進行采集，得到兩組隨時間t連續(xù)變化的信號曲線f(t)和g(t+t)或者離散信號x(m)和y(m+n)；步驟4-2，計算機通過自相關函數計算得到自相關函數r的曲線圖；步驟4-3，自相關函數r的曲線中距原點最近的峰值與原點之間的距離為第一信號采集構件和第二信號采集構件的時間差t0。

在本發(fā)明提供的顆粒溫度和顆粒運動同步測量裝置對顆粒溫度和顆粒運動進行測量的方法中，還可以具有這樣的特征：其中，在步驟4-2中，當第一信號采集構件和第二信號采集構件得到的分別是f(t)和g(t+t)時，自相關函數為r(t)，如下式：

上式中，積分限為0～t，

當第一信號采集構件和第二信號采集構件得到的分別是x(m)和y(m+n)，自相關函數為r(n)，如下式：

上式中，m為0～n-1。

在本發(fā)明提供的顆粒溫度和顆粒運動同步測量裝置對顆粒溫度和顆粒運動進行測量的方法中，還可以具有這樣的特征：其中，第一設定距離和第二設定距離均為400mm。

發(fā)明的作用與效果

根據本發(fā)明所涉及的一種顆粒溫度和顆粒運動同步測量裝置和方法，由于采用激光作為光源，使得時空分辨率能達到波長數量級，便于采集到高分辨率的散斑圖像；因為采用了帶通濾光片，用于讓信號光中特定波段的光透過，使得實驗的精確度提高了；因為采用了第一信號采集構件和第二信號采集構件，使得第一信號光和第二信號光能夠被同時采集到并分別得到第一散斑圖像和第二散斑圖像；因為對第一信號采集構件和第二信號采集構件進行了校準，得到兩個信號采集構件的時間差t0，便于推算出第一散斑圖像和第二散斑圖像的時間差，從而可以準確的獲得不同位置同一時間點的顆粒溫度信息。因此，本發(fā)明提供的顆粒溫度和顆粒運動同步測量裝置和方法具有測量速度快、分辨率高等優(yōu)點。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的實施例中顆粒溫度和顆粒運動同步測量裝置的示意圖；

圖2是本發(fā)明的實施例中水平滾筒的結構示意圖；

圖3是本發(fā)明的實施例中水平滾筒的側面示意圖；

圖4是本發(fā)明的實施例中兩個ccd相機同時采集到的同一位置的溫度曲線圖；

圖5是本發(fā)明的實施例中自相關函數曲線圖；

圖6是本發(fā)明的實施例中顆粒運動隨時間變化的曲線圖。

具體實施方式

為了使本發(fā)明實現(xiàn)的技術手段與功效易于明白了解，以下結合實施例及附圖對本發(fā)明作具體闡述。

<實施例>

圖1是本發(fā)明的實施例中顆粒溫度和顆粒運動同步測量裝置的示意圖。

顆粒溫度和顆粒運動同步測量裝置100用于對顆粒流不同區(qū)域的顆粒溫度進行測量，同時得到不同區(qū)域的顆粒運動，包括：樣品池1、第一激光發(fā)射器2、第一凹透鏡3、第一帶通濾光片4、第一信號采集構件5、第二激光發(fā)射器6、第二凹透鏡7、第二帶通濾光片8、第二信號采集構件9和計算機10。

圖2是本發(fā)明的實施例中水平滾筒的結構示意圖，圖3是本發(fā)明的實施例中水平滾筒的側面示意圖。

如圖2和圖3所示，樣品池1用于盛放顆粒并驅動顆粒滾動，包括顆粒表面層11和顆粒被動層12，在本實施例中，樣品池1采用的是水平滾筒，水平滾筒1內的顆粒分布在顆粒表面層11和顆粒被動層12上。

如圖1所示，第一激光發(fā)射器2設置在樣品池1的近旁，用于發(fā)射第一激光，在本實施例中，第一激光發(fā)射器2的發(fā)射波長為671nm。

如圖1所示，第一凹透鏡3設置在第一激光發(fā)射器2與樣品池1之間，用于使第一激光擴散并投射至顆粒表面層11從而形成第一信號光。

如圖1所示，第一帶通濾光片4設置在第一信號光的光路上，用于讓第一信號光中特定波段的光透過，本實施例中，第一帶通濾光片4的波長為671nm。

第一信號采集構件5用于對第一信號光進行采集，得到第一散斑圖像，在本實施例中，第一信號采集構件5為ccd相機。

如圖1所示，第二激光發(fā)射器6設置在樣品池1的近旁，用于發(fā)射第二激光，在本實施例中，第二激光發(fā)射器6的發(fā)射波長為532nm。

如圖1所示，第二凹透鏡7設置在第二激光發(fā)射器6與樣品池1之間，用于使第二激光擴散并投射至顆粒被動層12從而形成第二信號光。

如圖1所示，第二帶通濾光片8設置在第二信號光的光路上，用于讓第二信號光中特定波段的光透過，在本實施例中，第二帶通濾光片8的波長為532nm。

如圖1所示，第二信號采集構件9用于對第二信號光進行采集，得到第二散斑圖像，在本實施例中，第二信號采集構件9為ccd相機。

計算機10與第一信號采集構件5和第二信號采集構件9通過網線連接，用于對第一散斑圖像和第二散斑圖像進行存儲、轉換和計算，得到不同區(qū)域的顆粒溫度隨時間變化的曲線圖和顆粒運動隨時間變化的曲線圖。

顆粒溫度和顆粒運動同步測量裝置100對顆粒溫度和顆粒運動進行測量的方法包括以下步驟：

步驟一，采用第一激光發(fā)射器2產生第一激光，采用第二激光發(fā)射器6產生第二激光。

步驟二，采用第一凹透鏡3對第一激光進行擴散并使擴散后的第一激光投射至顆粒表面層11上形成第一信號光，采用第二凹透鏡7對第二激光進行擴散并使擴散后的第二激光投射至顆粒被動層12上形成第二信號光。

步驟三，采用第一帶通濾光片4和第二帶通濾光片8讓第一信號光和所述第二信號光透過。；

圖4是本發(fā)明的實施例中兩個ccd相機同時采集到的同一位置的溫度曲線圖，圖5是本發(fā)明的實施例中自相關函數曲線圖。

步驟四，第一信號采集構件5及第二信號采集構件9經過校準，得到第一信號采集構件5及第二信號采集構件9的時間差t0。

具體包括如下子步驟：

步驟4-1，采用設置在同一位置上的第一信號采集構件5和第二信號采集構件9對相同的第二信號光進行采集，得到兩組隨時間t連續(xù)變化的信號曲線f(t)(ccd1)和g(t+t)(ccd2)，如圖4所示。

由圖4所示，曲線ccd1和曲線ccd2的曲線很相似且波形一致，但是曲線ccd1和曲線ccd2之間存在一定時間差。

步驟4-2，計算機10通過下式計算得到自相關函數r(t)曲線圖，如圖5所示：

上式中，積分限為0～t。

步驟4-3，如圖5所示，自相關函數r(t)的曲線中距原點最近的峰值與原點之間的距離為第一信號采集構件5和第二信號采集構件9的時間差t0。

步驟五，采用設置在距顆粒表面層11的400nm的位置上的第一信號采集構件5和設置在距顆粒被動層12的400nm的位置處上的第二信號采集構件9，對第一信號光及第二信號光進行采集，得到第一散斑圖像和第二散斑圖像。

步驟六，采用計算機10對第一散斑圖像和第二散斑圖像按照時間進行保存處理，得到兩列信號時間序列。

圖6是本發(fā)明的實施例中顆粒運動隨時間變化的曲線圖。

步驟七，采用計算機10根據散斑對比度光譜法公式(如下式所示)分別對第一散斑圖像和第二散斑圖像進行轉換和計算，得到不同區(qū)域上的顆粒溫度隨時間變化的曲線1和曲線2，如圖6所示，

散斑對比度光譜法公式如下，

v2(t)∝<i²>t-<i>²，

x＝(4πδv/λ)t

上式中，t為散斑圖像的曝光時間，<i>²為散斑圖像的像素平方值，<i²>t為在曝光時間t內散斑圖像的像素平方的平均值，v2(t)為散斑圖像的像素方差，δv為顆粒溫度，λ為波長，m為散斑圖像的個數，x為激光衰減線寬，其與顆粒的直徑相關。

如圖6所示，曲線1為平面滾筒1內顆粒表面層11上的顆粒溫度信息，曲線2為平面滾筒1內顆粒被動層12上的顆粒溫度信息。曲線1表明顆粒表面層11上的顆粒溫度值更高，曲線2表明顆粒被動層12上的顆粒溫度值相對較低。

步驟八，采用計算機對兩列信號時間序列和時間差t0進行計算，得到不同區(qū)域上的顆粒運動隨時間變化的曲線圖。

如圖6所示，顆粒表面層上11的顆粒運動周期分為兩個階段，分別為顆粒下滑階段和顆粒抬升階段。顆粒被動層12上的顆粒的運動周期分為兩個階段，分別為顆粒運動抬升階段和休止階段。如圖6所示，在平面滾筒2旋轉時，顆粒表面層11上的顆粒先運動，顆粒被動層12上的顆粒在一段時間后才開始運動。因此，本實施例表明平面滾筒1中的顆粒被動層12上的顆粒總是在顆粒表面層11上的顆粒下滑之后開始運動。并且，顆粒被動層12上的顆粒運動時長很短，只占顆粒表面層11上顆粒運動周期的很小一部分。

實施例的作用與效果

根據本實施例所涉及的一種顆粒溫度和顆粒運動同步測量裝置和方法，由于采用激光作為光源，使得時空分辨率能達到波長數量級，便于采集到高分辨率的散斑圖像；因為采用了帶通濾光片，用于讓信號光中特定波段的光透過，使得實驗的精確度提高了；因為采用了第一信號采集構件和第二信號采集構件，使得第一信號光和第二信號光能夠被同時采集到并分別得到第一散斑圖像和第二散斑圖像；因為對第一信號采集構件和第二信號采集構件進行了校準，得到兩個信號采集構件的時間差t0，便于推算出第一散斑圖像和第二散斑圖像的時間差，從而可以準確的獲得不同位置同一時間點的顆粒溫度信息。

第一激光發(fā)射器與第二激光發(fā)射器的發(fā)射波長不同，第一激光發(fā)射器的發(fā)射波長為671nm，第二激光發(fā)射器的發(fā)射波長為532nm，使得第一帶通濾光片的波長為671nm，第二帶通濾光片的波長為532nm，分別與第一激光發(fā)射器與第二激光發(fā)射器的波長對應，便于讓第一激光發(fā)射器與第二激光發(fā)射器的波長的特定波段透過，降低了測量誤差。使用兩種不同波長的激光是為了防止當兩束激光測量區(qū)域有重疊的部分時，不會互相產生影響。如果采用兩種同樣波長的激光，當有測量重疊區(qū)域時，會影響測量結果的準確性。

信號采集構件為ccd相機，使得采樣時間縮短，達到3微秒，從而加快了測量速度。

因此，本發(fā)明提供的顆粒溫度和顆粒運動同步測量裝置和方法具有測量速度快、分辨率高等優(yōu)點。

上述實施方式為本發(fā)明的優(yōu)選案例，并不用來限制本發(fā)明的保護范圍。

在上述實施例中，在步驟3-2中，第一信號采集構件和第二信號采集構件得到的分別是f(t)和g(t+t)時，采用的是自相關函數r(t)，但是，在本發(fā)明中，第一信號采集構件和第二信號采集構件還可以得到兩組隨時間t連續(xù)變化的信號曲線f(t)和g(t+t)或者離散信號x(m)和y(m+n)，

當第一信號采集構件和第二信號采集構件采集得到的分別是f(t)和g(t+t)時，自相關函數為r(t)如下式：

上式中，積分限為0～t，

當第一信號采集構件和第二信號采集構件采集得到的分別是x(m)和y(m+n)，自相關函數為r(n)如下式：

上式中，m為0～n-1。