專利名稱：基于激光片光成像的粒子場(chǎng)全場(chǎng)測(cè)量方法及其裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及兩相或多相流中粒子粒徑和速度的測(cè)量方法及其裝置。
背景技術(shù)：
第15屆火災(zāi)安全研究國(guó)際會(huì)議論文集(15th meeting of the UJNR panel on fire researchand safety，March 1-7，2000，pp.471-481.)以及第8屆液體和噴霧系統(tǒng)國(guó)際會(huì)議論文集(8thInternational Conference on Liquid and Spray Systems，Pasadena，USA，2000，886-892.)指出，近年來發(fā)展起來的數(shù)字粒子圖象測(cè)速(Digital Particle Image Velocimetry，簡(jiǎn)稱DPIV)方法雖可對(duì)流場(chǎng)做動(dòng)態(tài)全場(chǎng)測(cè)量，但由于其采用粒子圖象的互相關(guān)技術(shù)重建流場(chǎng)的速度，因而要求激光片光必須與流場(chǎng)方向平行，且要求必須向測(cè)試流場(chǎng)中施加跟隨性和光散射特性較好的示蹤粒子，通常只能獲取流場(chǎng)的二維速度分布；體視粒子圖象測(cè)速(StereoscopicPIV，簡(jiǎn)稱SPIV)技術(shù)雖通過采用兩個(gè)CCD攝像頭進(jìn)行體視成像實(shí)現(xiàn)了流場(chǎng)速度的三維測(cè)量，但其仍要求激光片光必須與流場(chǎng)方向平行，且要求必須向測(cè)試流場(chǎng)中施加跟隨性和光散射特性較好的示蹤粒子，只能獲取流場(chǎng)的速度而不能測(cè)量流場(chǎng)中粒子的粒徑大小等特性參數(shù)。此外，對(duì)兩相或多相流場(chǎng)(如噴霧場(chǎng)等)來說，因?yàn)槠渲辛Ｗ拥拿芏韧h(yuǎn)小于DPIV方法和SPIV方法中示蹤粒子的密度，因而其流場(chǎng)圖象中粒子的像密度不能滿足DPIV和SPIV方法中互相關(guān)算法對(duì)查詢窗口內(nèi)粒子數(shù)密度的要求，即對(duì)兩相或多相流場(chǎng)速度的測(cè)量來說，上述方法也難以實(shí)現(xiàn)。
在兩相或多相流研究，如噴霧燃燒、微機(jī)械加工過程中熱表面的噴霧冷卻、細(xì)水霧滅火及其噴霧系統(tǒng)的性能設(shè)計(jì)中，十分關(guān)心流場(chǎng)速度的瞬態(tài)測(cè)量和粒子大小的實(shí)時(shí)診斷。特別是在飛機(jī)等飛行器的性能設(shè)計(jì)和試飛測(cè)試中，常常需要對(duì)風(fēng)洞中的流場(chǎng)及其粒子的散布規(guī)律進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)量；在燃油發(fā)動(dòng)機(jī)的研究中，為了節(jié)約能源、提高效率和減少污染，通常需要研究燃燒室內(nèi)燃油的霧化及擴(kuò)散過程并測(cè)量油滴的粒徑及其速度分布，從而為正確設(shè)計(jì)燃油噴嘴和燃燒室外形、選擇合適的油氣混合比提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)；在各種爆炸研究中，需要研究爆炸過程中的氣溶膠微粒的粒子數(shù)量、譜分布及其擴(kuò)散規(guī)律；在細(xì)水霧滅火和熱表面的噴霧冷卻研究中，需要測(cè)量霧滴的速度分布、粒徑分布和霧化錐角等特性參數(shù)等。但如前所述，現(xiàn)有技術(shù)有的只能對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行單點(diǎn)測(cè)量，有的只能測(cè)量獲取流場(chǎng)的速度分布，不能滿足兩相或多相流研究中對(duì)多參數(shù)、全場(chǎng)動(dòng)態(tài)測(cè)量的要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提出一種基于激光片光成像和數(shù)字圖象分析處理的流場(chǎng)多參數(shù)全場(chǎng)測(cè)量方法及其測(cè)量裝置，以解決現(xiàn)有單點(diǎn)測(cè)量技術(shù)的不足、以及DPIV和SPIV技術(shù)在流場(chǎng)測(cè)量中只能獲取流場(chǎng)速度的局限性。
本發(fā)明的基于激光片光成像的粒子場(chǎng)全場(chǎng)測(cè)量裝置，包括激光片光系統(tǒng)1、數(shù)字成像系統(tǒng)2和圖像數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)3；其特征在于所述激光片光系統(tǒng)1由激光器電源4、激光器5、兩個(gè)柱透鏡6和7、分束器8和反射鏡9構(gòu)成，其中分束器8置于激光光軸上，反射鏡9置于分束光束的光軸上，柱透鏡6置于激光經(jīng)分束器8后透射光束的光軸上，柱透鏡7置于激光分束光束經(jīng)全反射鏡9反射后的光束的光軸上；所述數(shù)字成像系統(tǒng)2采用兩個(gè)CCD攝像頭10和11，其中CCD攝像頭10垂直于由激光透射光束經(jīng)柱透鏡6產(chǎn)生的片光，而CCD攝像頭11垂直于由分束光束經(jīng)柱透鏡7產(chǎn)生的片光；，所述圖像數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)3包括計(jì)算機(jī)14和插置于計(jì)算機(jī)主板上的圖像卡13；圖象卡13通過視頻傳輸線分別與CCD攝像頭10和11的輸出端連接；CCD攝像頭10和11分別通過數(shù)據(jù)控制線與同一控制器12連接；兩束激光片光處于兩相或多相流場(chǎng)發(fā)生裝置15產(chǎn)生的流場(chǎng)區(qū)域16內(nèi)，其中一束激光片光面與流場(chǎng)16的流向平行，另一束與流場(chǎng)16的流向垂直。
本發(fā)明所述激光光源5可以是Ar+激光器，也可以是半導(dǎo)體激光器或其它脈沖激光光源；柱透鏡6和7可以直接置放于激光束光軸上，也可在柱透鏡6與分束器8之間以及柱透鏡7與反射鏡9之間增加一準(zhǔn)直透鏡組，以使激光片光的厚度盡可能薄(小于1毫米或更小)；柱透鏡6和7、分束器8以及反射鏡9置放位置距激光出口的距離依實(shí)驗(yàn)測(cè)試空間的大小和對(duì)激光片光厚度的要求來定；CCD攝像頭10和11可以是CCD與光學(xué)攝像鏡頭(固定焦距或焦距可調(diào))的組合件，也可以是數(shù)碼照相機(jī)或者是數(shù)碼攝象機(jī)；為了對(duì)幾十個(gè)微米直徑或更小微粒進(jìn)行清晰成像，還可在CCD攝像頭的入射光瞳處加一顯微成像透鏡；CCD攝像頭10和11分別距由柱透鏡6和柱透鏡7產(chǎn)生的激光片光的距離可根據(jù)流場(chǎng)中粒子的大小、曝光量以及對(duì)成像區(qū)域大小的要求來定；兩相或多相流場(chǎng)發(fā)生裝置15距兩激光片光的位置無特殊要求，只要調(diào)節(jié)流場(chǎng)發(fā)生裝置15的位置或激光片光的入射位置，使激光片光能充分照明所成像的流場(chǎng)區(qū)域區(qū)域即可。
本發(fā)明測(cè)量方法及其裝置的測(cè)量對(duì)象可以是由兩相或多相流場(chǎng)發(fā)生裝置15產(chǎn)生的氣固或氣液兩相流場(chǎng)中的固態(tài)粒子，如粉塵爆炸中的粉塵粒子、食品加工過程中的固體顆粒以及早期火災(zāi)探測(cè)中的煙氣粒子等，也可以是氣液兩相或多相流場(chǎng)中液態(tài)粒子，如噴霧燃燒過程中各種液體燃料噴霧霧滴、細(xì)水霧滅火系統(tǒng)中的細(xì)水霧霧滴、噴涂過程中的噴霧滴以及微加工過程中噴霧冷卻系統(tǒng)的霧滴等。
本發(fā)明基于激光片光成像的粒子場(chǎng)全場(chǎng)測(cè)量方法，其特征在于通過互相正交的激光片光照明測(cè)試流場(chǎng)中的粒子，利用兩個(gè)CCD攝像頭分別獲取垂直于流場(chǎng)方向截面內(nèi)粒子的像以及平行于流場(chǎng)方向平面內(nèi)粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡圖象，通過識(shí)別粒子的像和統(tǒng)計(jì)分析其所占象素的多少確定其等效直徑的大小，分析識(shí)別粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡圖確定粒子運(yùn)動(dòng)速度的大小及其方向，給出成像平面內(nèi)粒子的尺度譜分布和速度矢量場(chǎng)分布。
與現(xiàn)有技術(shù)相比較，由于本發(fā)明采取了激光片光入射方向的正交布置，即激光片光面既可以平行于流場(chǎng)流向入射，也可以垂直于流場(chǎng)流向入射，因此既可以對(duì)垂直于流場(chǎng)流向的平面內(nèi)的粒子進(jìn)行清晰成像，也可以獲取平行于流場(chǎng)流向的平面內(nèi)粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡，進(jìn)而通過對(duì)單一粒子圖象的直接識(shí)別與統(tǒng)計(jì)分析得到粒子的粒徑大小及其尺度譜分布，并通過粒子運(yùn)動(dòng)軌跡圖象的識(shí)別與統(tǒng)計(jì)分析確定流場(chǎng)中粒子的運(yùn)動(dòng)速度及其分布，從而既解決了流場(chǎng)測(cè)試中單點(diǎn)測(cè)量方法的不足，同時(shí)解決了DPIV/SPIV方法只能測(cè)量獲取流場(chǎng)速度的局限性，使其具有多參數(shù)、全場(chǎng)動(dòng)態(tài)測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)。
由于本發(fā)明中僅以流場(chǎng)中的粒子為成像對(duì)象，因而無需人為施加任何示蹤粒子，這既避免了DPIV/SPIV技術(shù)中對(duì)示蹤粒子跟隨性和光散射的分析和要求，更重要的是避免了因示蹤粒子的施加對(duì)流場(chǎng)造成的干擾問題，同時(shí)還避免了因示蹤粒子的制備和施加所面臨的技術(shù)與經(jīng)費(fèi)問題。
基于以上優(yōu)點(diǎn)，本發(fā)明可以被廣泛應(yīng)用于兩相或多相流研究(如噴霧燃燒、微機(jī)械加工過程中熱表面的噴霧冷卻、早期火災(zāi)探測(cè)中對(duì)煙霧粒子的識(shí)別與分析、細(xì)水霧滅火及其噴霧系統(tǒng)的性能設(shè)計(jì))中對(duì)流場(chǎng)的多參數(shù)、全場(chǎng)動(dòng)態(tài)測(cè)量。因此，本發(fā)明所發(fā)展的粒子場(chǎng)全場(chǎng)測(cè)量方法在能源與環(huán)境、國(guó)防、機(jī)械、化工、冶金、醫(yī)藥和食品等研究領(lǐng)域中具有十分廣闊的應(yīng)用前景和科學(xué)價(jià)值。


圖1為本發(fā)明基于激光片光成像的粒子場(chǎng)測(cè)量方法及其裝置示意圖；圖2為實(shí)施例1中標(biāo)準(zhǔn)玻璃球粒子粒徑和速度的測(cè)量裝置示意圖；圖3為實(shí)施例2中細(xì)水霧霧滴特性的實(shí)驗(yàn)測(cè)量裝置示意具體實(shí)施例方式以下結(jié)合

本發(fā)明的具體實(shí)施方式
。
實(shí)施例1對(duì)兩相流場(chǎng)中固態(tài)粒子粒徑和速度分布的測(cè)量本實(shí)施例中，激光片光系統(tǒng)1由激光器電源4、波長(zhǎng)為650nm的半導(dǎo)體激光器5、兩個(gè)柱透鏡6和7、分束器8和反射鏡9構(gòu)成，將分束器8置于激光器5的光軸上約200mm處，柱透鏡6置于激光經(jīng)分束器8后透射光束的光軸上約150mm處，反射鏡9置于激光經(jīng)分束器8后分束光束的光軸上約250mm處，柱透鏡7置于分束光束經(jīng)反射鏡9反射后的光束光軸上約250mm處；數(shù)字成像系統(tǒng)2采用兩個(gè)分辨率為1024×768的CCD攝像頭10和11，其中CCD攝像頭10垂直于由激光透射光束經(jīng)柱透鏡6產(chǎn)生的片光，而CCD攝像頭11垂直于由分束光束經(jīng)柱透鏡7產(chǎn)生的片光，CCD攝像頭距激光片光的距離分別約為100mm；圖像數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)3包括計(jì)算機(jī)14和插置于計(jì)算機(jī)主板上的圖像卡13；圖象卡13通過視頻傳輸線分別與CCD攝像頭10和11的輸出端連接；CCD攝像頭10和11分別通過數(shù)據(jù)控制線與同一控制器12連接；兩相或多相流場(chǎng)發(fā)生裝置15置于兩激光片光的下方，其所產(chǎn)生流場(chǎng)16與由柱透鏡6所產(chǎn)生的激光片光平面垂直，而與由柱透鏡7所產(chǎn)生片光的平面平行，且其距后者約100mm放置。
本實(shí)施例中的兩相或多相流場(chǎng)發(fā)生裝置15為一兩端開口的玻璃管容器，玻璃管中間段的直徑是兩開口段直徑的5到6倍；將事先置放于下開口端處的已知平均粒徑的標(biāo)準(zhǔn)玻璃球粒子在鼓風(fēng)機(jī)17的作用下在上開口端處產(chǎn)生均勻的粒子場(chǎng)；支架22固定在一水平臺(tái)面上，流場(chǎng)發(fā)生裝置15的玻璃管容器固定在支架22上；鼓風(fēng)機(jī)17與玻璃容器通過塑料軟管18連接。
測(cè)量時(shí)，開啟鼓風(fēng)機(jī)、激光器、CCD攝像頭和計(jì)算機(jī)的電源，啟動(dòng)圖象卡獲取標(biāo)準(zhǔn)玻璃球粒子的圖象；然后通過數(shù)單個(gè)粒子圖象所占象素的多少確定其面積大小、根據(jù)圓面積計(jì)算方法確定單個(gè)粒子的等效直徑，再通過對(duì)成像區(qū)域內(nèi)所有粒子直徑的統(tǒng)計(jì)分析給出其粒徑分布；根據(jù)單個(gè)粒子運(yùn)動(dòng)軌跡的長(zhǎng)度和成像系統(tǒng)的曝光時(shí)間先確定單個(gè)粒子的運(yùn)動(dòng)速度，然后通過對(duì)成像區(qū)域內(nèi)所有粒子運(yùn)動(dòng)速度的統(tǒng)計(jì)分析給出整場(chǎng)粒子運(yùn)動(dòng)速度的分布。
作為本發(fā)明裝置和方法的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，本實(shí)施例中采用了平均粒徑為115微米的標(biāo)準(zhǔn)玻璃球粒子；采用上述裝置和方法的測(cè)量結(jié)果中最大粒徑為121微米、最小粒徑為78微米、平均粒徑為111.6微米；實(shí)驗(yàn)中采用的氣流的速度為0.22m/s，實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果的平均值為0.21m/s。上述結(jié)果說明本發(fā)明對(duì)氣固兩相流場(chǎng)中固態(tài)粒子粒徑和速度的測(cè)量結(jié)果是可靠的，其相對(duì)誤差分別不超過3％和5％。
實(shí)施例2氣液兩相流場(chǎng)(細(xì)水霧霧滴流場(chǎng))中液態(tài)粒子粒徑的測(cè)量本實(shí)施例中測(cè)量裝置的構(gòu)成和布局與實(shí)施例1基本相同，所不同的是本實(shí)施例中由柱透鏡6產(chǎn)生的片光平行于流場(chǎng)方向，而由柱透鏡7產(chǎn)生的片光垂直于流場(chǎng)方向；本實(shí)施例中在柱透鏡7的透射光路上約200mm處布設(shè)了一直徑為300mm的準(zhǔn)直透鏡21，目的是將扇形片光準(zhǔn)直為平行片光，以使激光片光的光強(qiáng)分布盡可能均勻。
本實(shí)施例中兩相或多相流場(chǎng)發(fā)生裝置15為一儲(chǔ)水裝置與細(xì)水霧噴頭19的組合系統(tǒng)，它們之間通過不銹鋼管20連接，兩相流場(chǎng)為從激光片光的上方約1米處的細(xì)水霧噴頭19中噴淋產(chǎn)生的細(xì)水霧霧滴流場(chǎng)16。
測(cè)量時(shí)，開啟激光器、CCD攝像頭和計(jì)算機(jī)的電源，打開儲(chǔ)水裝置開關(guān)，啟動(dòng)圖象卡獲取細(xì)水霧霧滴的圖象；然后通過數(shù)單個(gè)粒子圖象所占象素的多少確定其面積大小、根據(jù)圓面積計(jì)算方法確定單個(gè)粒子的等效直徑，再通過對(duì)成像區(qū)域內(nèi)所有粒子直徑的統(tǒng)計(jì)分析給出其粒徑分布；根據(jù)單個(gè)粒子運(yùn)動(dòng)軌跡的長(zhǎng)度和成像系統(tǒng)的曝光時(shí)間先確定單個(gè)粒子的運(yùn)動(dòng)速度，然后通過對(duì)成像區(qū)域內(nèi)所有粒子運(yùn)動(dòng)速度的統(tǒng)計(jì)分析給出整場(chǎng)粒子運(yùn)動(dòng)速度的分布。
本實(shí)施例中供水系統(tǒng)的工作壓力在0.1～1.0MPa范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，利用上述測(cè)量裝置可分別獲取不同壓力條件下細(xì)水霧霧滴的圖象及其運(yùn)動(dòng)軌跡圖象，然后根據(jù)上述方法可獲取細(xì)水霧霧滴的粒徑分布和平均粒徑、速度分布矢量圖和平均速度；本實(shí)施例同時(shí)說明在沒有人為施加任何示蹤物質(zhì)的情況下，利用本發(fā)明裝置和方法可同時(shí)測(cè)量獲取細(xì)水霧霧場(chǎng)中霧滴粒徑和速度的大小及其分布。
權(quán)利要求
1.一種基于激光片光成像的粒子場(chǎng)全場(chǎng)測(cè)量裝置，包括激光片光系統(tǒng)1、數(shù)字成像系統(tǒng)2和圖像數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)3；其特征在于所述激光片光系統(tǒng)1由激光器電源4、激光器5、兩個(gè)柱透鏡6和7、分束器8和反射鏡9構(gòu)成，其中分束器8置于激光光軸上，反射鏡9置于分束光束的光軸上，柱透鏡6置于激光經(jīng)分束器8后透射光束的光軸上，柱透鏡7置于激光分束光束經(jīng)全反射鏡9反射后的光束的光軸上；所述數(shù)字成像系統(tǒng)2采用兩個(gè)CCD攝像頭10和11，其中CCD攝像頭10垂直于由激光透射光束經(jīng)柱透鏡6產(chǎn)生的片光，而CCD攝像頭11垂直于由分束光束經(jīng)柱透鏡7產(chǎn)生的片光；，所述圖像數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)3包括計(jì)算機(jī)14和插置于計(jì)算機(jī)主板上的圖像卡13；圖象卡13通過視頻傳輸線分別與CCD攝像頭10和11的輸出端連接；CCD攝像頭10和11分別通過數(shù)據(jù)控制線與同一控制器12連接；兩束激光片光處于兩相或多相流場(chǎng)發(fā)生裝置15產(chǎn)生的流場(chǎng)區(qū)域16內(nèi)，其中一束激光片光面與流場(chǎng)16的流向平行，另一束與流場(chǎng)16的流向垂直。
2.一種基于激光片光成像的粒子場(chǎng)全場(chǎng)測(cè)量方法，其特征在于采取互相正交的激光片光照明測(cè)試流場(chǎng)中的粒子，采用兩個(gè)CCD攝像頭分別獲取垂直于流場(chǎng)方向截面內(nèi)粒子的像以及平行于流場(chǎng)方向平面內(nèi)粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡圖象，通過識(shí)別粒子的像和統(tǒng)計(jì)分析其所占象素的多少確定其等效直徑的大小，分析識(shí)別粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡圖確定粒子運(yùn)動(dòng)速度的大小及其方向，給出成像平面內(nèi)粒子的尺度譜分布和速度矢量場(chǎng)分布。
全文摘要
本發(fā)明基于激光片光成像的粒子場(chǎng)全場(chǎng)測(cè)量方法及其測(cè)量裝置，特征是采取互相正交的激光片光照明測(cè)試流場(chǎng)中的粒子，采用兩個(gè)CCD攝像頭分別獲取垂直于流場(chǎng)方向截面內(nèi)粒子的像以及平行于流場(chǎng)方向平面內(nèi)粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡圖象，通過識(shí)別粒子的像和統(tǒng)計(jì)分析其所占象素的多少確定其等效直徑的大小，分析識(shí)別粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡圖確定粒子運(yùn)動(dòng)速度的大小及其方向，給出成像平面內(nèi)粒子的尺度譜和速度場(chǎng)分布。本發(fā)明僅以流場(chǎng)中的粒子為成像對(duì)象，無需人為施加示蹤粒子，避免了因示蹤粒子的施加對(duì)流場(chǎng)造成的干擾，可廣泛應(yīng)用于兩相或多相流研究中對(duì)流場(chǎng)的多參數(shù)、全場(chǎng)動(dòng)態(tài)測(cè)量，在能源與環(huán)境、國(guó)防、機(jī)械、化工、冶金、醫(yī)藥和食品等領(lǐng)域中具有廣闊的應(yīng)用前景。
文檔編號(hào)G01D21/02GK1464288SQ0211313
公開日2003年12月31日 申請(qǐng)日期2002年6月5日 優(yōu)先權(quán)日2002年6月5日
發(fā)明者王喜世, 廖光煊, 秦俊, 范維澄, 伍小平 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)