用于高溫環(huán)鏡顆粒場三維測量的探針的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及高溫環(huán)鏡顆粒場三維測量技術(shù)，旨在提供一種用于高溫環(huán)鏡顆粒場三維測量的探針。該探針包括光纖激光器、激光準(zhǔn)直器、光路系統(tǒng)和CCD相機(jī)，光纖激光器與激光準(zhǔn)直器之間通過光纖連接；還包括具有開口端和封閉端的長管狀的中空外殼，CCD相機(jī)設(shè)于開口端；在外殼上開設(shè)一個(gè)徑向貫穿的通孔作為顆粒通道，在顆粒通道與外殼封閉端之間的空腔內(nèi)裝設(shè)激光準(zhǔn)直器，在顆粒通道與外殼開口端之間的空腔內(nèi)裝設(shè)光路系統(tǒng)。本發(fā)明能實(shí)現(xiàn)高溫環(huán)鏡下三維顆粒場多參數(shù)的同時(shí)測量，圖像傳輸距離保護(hù)相機(jī)，便于工程應(yīng)用。管殼式透鏡組成像，避免管壁反射造成的噪聲對(duì)目標(biāo)光束的影響；具有無需標(biāo)定、三維、多參數(shù)同時(shí)測量等優(yōu)點(diǎn)。
【專利說明】
用于高溫環(huán)鏡顆粒場三維測量的探針
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種高溫環(huán)鏡顆粒場三維測量技術(shù)，具體涉及一種利用全息技術(shù)同時(shí)測量高溫環(huán)鏡下顆粒粒徑、三維位置、顆粒速度等參數(shù)的測量裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]顆粒狀物質(zhì)在科學(xué)研究、工程應(yīng)用以及社會(huì)生活領(lǐng)域中常常出現(xiàn)，在科研領(lǐng)域，研究顆粒的形貌、顆粒之間的相互作用;在工程應(yīng)用領(lǐng)域，常見的有燃煤電場的關(guān)于煤粉顆粒的研究，包括對(duì)煤粉輸送、煤粉燃燒、飛灰顆粒的研究等;生活中應(yīng)用則更常見，如當(dāng)下的霧霾都與顆粒物有關(guān)。因而對(duì)顆粒物的研究十分必要。
[0003]雖然現(xiàn)代光學(xué)測量技術(shù)發(fā)展了大量對(duì)顆?？臻g分布、粒徑、速度、濃度等參數(shù)測量的工具和儀器，高溫等惡劣環(huán)鏡下的顆粒場測量仍然很難實(shí)現(xiàn)，尤其是在鍋爐爐膛、內(nèi)燃機(jī)燃燒室等封閉空間內(nèi)的燃料顆?；蛞旱蔚臏y量。探針或內(nèi)窺式的測量工具是一個(gè)很好的選擇。目前存在一些基于圖像粒子測速(PIV)、相位多普勒技術(shù)(PDA)、高速攝影等光學(xué)手段的探針，發(fā)揮了一定的作用。但是PIV以測量顆粒整體運(yùn)動(dòng)速度為主，無法得到單個(gè)顆粒的粒徑、形貌、濃度等信息;PDA屬于單點(diǎn)測量技術(shù)，得到的是經(jīng)過測量點(diǎn)的顆粒統(tǒng)計(jì)速度和粒徑分布，而且對(duì)非球形顆粒測量誤差較大;直接成像的方法受限于景深，只能得到聚焦平面的顆粒，離焦顆粒是模糊的散斑，影響測量的范圍和精度。開發(fā)一種適用于高溫環(huán)鏡內(nèi)顆粒場三維、多參數(shù)同時(shí)測量的探針具有重大創(chuàng)新意義。
[0004]數(shù)字全息技術(shù)是一種以單相機(jī)實(shí)現(xiàn)顆粒場三維、多參數(shù)、定量測量的三維成像技術(shù)。通過數(shù)字相機(jī)記錄一張全息圖，然后使用數(shù)值模擬光傳播的方法重建再現(xiàn)像，具有裝置簡單、操作方便的優(yōu)勢。目前廣泛引用于開口空間中噴霧液滴、燃料顆粒、氣泡、微生物等顆粒物的測量。但是該技術(shù)基本采用了無透鏡或單一物鏡的裝置，在管套式探針中，光束通過透鏡后會(huì)擴(kuò)散至管壁，在管壁上進(jìn)行反射，會(huì)對(duì)目標(biāo)光束造成干擾，單透鏡系統(tǒng)工作距離受限，當(dāng)相機(jī)與物平面距離過大時(shí)，成像質(zhì)量受影響，因而在保證成像質(zhì)量的前提下，相機(jī)與物平面距離有限，會(huì)造成相機(jī)的壽命損傷。以往的全息方法適用于高溫探針的也尚未有見。
[0005]為此，本發(fā)明在優(yōu)化全息成像透鏡組的基礎(chǔ)上，開發(fā)了一種細(xì)長的全息探針，既能實(shí)現(xiàn)150(TC高溫環(huán)鏡顆粒場三維、定量測量，又能保護(hù)主要零件不受高溫?fù)p傷，適用于工程現(xiàn)場。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，克服現(xiàn)有顆粒場測量技術(shù)的不足，提供了一種用于高溫環(huán)鏡顆粒場三維測量的探針。
[0007]為解決技術(shù)問題，本發(fā)明的解決方案是:
[0008]提供一種用于高溫環(huán)鏡顆粒場三維測量的探針，包括光纖激光器、激光準(zhǔn)直器、光路系統(tǒng)和CCD相機(jī)，光纖激光器與激光準(zhǔn)直器之間通過光纖連接;其特征在于，還包括具有開口端和封閉端的長管狀的中空外殼，所述CCD相機(jī)設(shè)于開口端;在外殼上開設(shè)一個(gè)徑向貫穿的通孔作為顆粒通道，在顆粒通道與外殼封閉端之間的空腔內(nèi)裝設(shè)激光準(zhǔn)直器，在顆粒通道與外殼開口端之間的空腔內(nèi)裝設(shè)光路系統(tǒng)；
[0009]所述光路系統(tǒng)包括(2+2α)塊透鏡，α是正整數(shù)且2I;其中，靠近顆粒通道的第一塊透鏡為物鏡;除靠近物鏡的第一轉(zhuǎn)接鏡之外，其余均為用于平移成像平面的轉(zhuǎn)接鏡組合，且每兩個(gè)轉(zhuǎn)接鏡為一個(gè)組合;各透鏡之間具有下述位置關(guān)系:
[0010]假設(shè)顆粒通道位于物鏡的左側(cè)，物鏡的右側(cè)焦點(diǎn)與第一轉(zhuǎn)接鏡的左側(cè)焦點(diǎn)重合；第一轉(zhuǎn)接鏡的右側(cè)焦點(diǎn)與第二轉(zhuǎn)接鏡的左側(cè)焦點(diǎn)重合，第二轉(zhuǎn)接鏡的右側(cè)焦點(diǎn)與第三轉(zhuǎn)接鏡的左側(cè)焦點(diǎn)重合，以此類推；自第二轉(zhuǎn)接鏡與第三轉(zhuǎn)接鏡起，以每兩個(gè)轉(zhuǎn)接鏡為一組進(jìn)行增減，CCD相機(jī)位于最后一塊轉(zhuǎn)接鏡右邊焦距之外。
[0011 ]本發(fā)明中，所述物鏡的直徑小于轉(zhuǎn)接鏡的直徑。
[0012]本發(fā)明中，所述激光準(zhǔn)直器與光路系統(tǒng)位于同一直線上組成同軸全息系統(tǒng)，或者兩者之間存在偏角組成離軸全息系統(tǒng)。
[0013]本發(fā)明中，所述外殼具有冷卻夾套，接有冷卻劑進(jìn)口和冷卻劑出口；
[0014]本發(fā)明中，所述冷卻夾套是雙層冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，其外層為冷卻劑進(jìn)口通道，內(nèi)層為冷卻劑出口通道;所述冷卻劑進(jìn)口和冷卻劑出口均設(shè)在靠近外殼開口端的位置。
[0015]發(fā)明原理描述:
[0016]光纖激光器發(fā)射的激光經(jīng)激光準(zhǔn)直器后成為平行光，經(jīng)顆粒場后，依次通過光路系統(tǒng)中的多塊透鏡到達(dá)所述的CCD相機(jī)上。平行光經(jīng)過顆粒場發(fā)生投射和折射等光的傳播規(guī)律形成物光波，另一部分沒有照射到顆粒場的光作為參考光，物光波和參考光發(fā)生干涉，相機(jī)記錄下干涉后形成的全息圖，信號(hào)輸送至計(jì)算機(jī)，經(jīng)全息圖重建可獲得顆粒場粒徑、形貌等具體參數(shù)。
[0017]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是:
[0018]1、本發(fā)明能實(shí)現(xiàn)高溫環(huán)鏡下三維顆粒場多參數(shù)的同時(shí)測量，測量粒徑范圍與視場可分級(jí)調(diào)節(jié)，透鏡組全息成像系統(tǒng)增加了圖像傳輸距離，保護(hù)了相機(jī)，便于工程應(yīng)用。
[0019]2、本發(fā)明利用管殼式透鏡組成像，避免管壁反射造成的噪聲對(duì)目標(biāo)光束的影響；可以通過改變透鏡參數(shù)和位置，實(shí)現(xiàn)不同放大倍數(shù)的全息測量，測量粒徑可在Iym?Imm范圍內(nèi)；全息圖遠(yuǎn)距離傳遞使信號(hào)采集設(shè)備遠(yuǎn)離測量區(qū)域的惡劣環(huán)鏡，從而得到保護(hù);在高溫環(huán)鏡下實(shí)現(xiàn)顆粒場測量，包括顆粒粒徑、體積濃度、數(shù)濃度等參數(shù)，具有無需標(biāo)定、三維、多參數(shù)同時(shí)測量等優(yōu)點(diǎn)。
【附圖說明】
[0020]圖1本發(fā)明光路系統(tǒng)圖；
[0021 ]圖2本發(fā)明中探針結(jié)構(gòu)示意圖。
[0022]圖中1.物鏡；2.第一轉(zhuǎn)接鏡；3.第二轉(zhuǎn)接鏡;4.第三轉(zhuǎn)接鏡；5.光纖;6.激光準(zhǔn)直器;7.顆粒通道;8.冷卻劑進(jìn)口通道;9.冷卻劑出口通道；10.光路系統(tǒng)；11.冷卻劑出口 ；12.CXD相機(jī);13.連通通道;14.外殼的內(nèi)部空腔;15.冷卻劑進(jìn)口。
【具體實(shí)施方式】
[0023]下面結(jié)合附圖進(jìn)行更進(jìn)一步的詳細(xì)說明:
[0024]本發(fā)明所述用于高溫環(huán)鏡顆粒場三維測量的探針，包括光纖激光器、激光準(zhǔn)直器
6、光路系統(tǒng)10和CCD相機(jī)12，光纖激光器與激光準(zhǔn)直器6之間通過光纖5連接;還設(shè)置了具有開口端和封閉端的長管狀的中空外殼，CCD相機(jī)12設(shè)于外殼的開口端;在外殼上開設(shè)一個(gè)徑向貫穿的通孔作為顆粒通道7，激光準(zhǔn)直器6設(shè)在顆粒通道7與外殼封閉端之間的空腔內(nèi)，光路系統(tǒng)10設(shè)在顆粒通道與外殼開口端之間的空腔內(nèi)。外殼具有雙層結(jié)構(gòu)的冷卻夾套，其外層為冷卻劑進(jìn)口通道8，內(nèi)層為冷卻劑出口通道9 ；冷卻劑進(jìn)口 15和冷卻劑出口 11均設(shè)在靠近外殼開口端的位置。
[°°25]光路系統(tǒng)10包括(2+2α)塊透鏡，α是正整數(shù)且^ I;其中，靠近顆粒通道7的第一塊透鏡為物鏡I;除靠近物鏡I的第一轉(zhuǎn)接鏡2之外，其余均為用于平移成像平面的轉(zhuǎn)接鏡組合，且每兩個(gè)轉(zhuǎn)接鏡為一個(gè)組合;物鏡I的直徑小于轉(zhuǎn)接鏡的直徑。激光準(zhǔn)直器與光路系統(tǒng)位于同一直線上組成同軸全息系統(tǒng)，或者兩者之間存在偏角組成離軸全息系統(tǒng)。各透鏡之間具有下述位置關(guān)系:
[0026]假設(shè)顆粒通道7位于物鏡I的左側(cè)，物鏡I的右側(cè)焦點(diǎn)與第一轉(zhuǎn)接鏡2的左側(cè)焦點(diǎn)重合;第一轉(zhuǎn)接鏡2的右側(cè)焦點(diǎn)與第二轉(zhuǎn)接鏡3的左側(cè)焦點(diǎn)重合，第二轉(zhuǎn)接鏡3的右側(cè)焦點(diǎn)與第三轉(zhuǎn)接鏡4的左側(cè)焦點(diǎn)重合，以此類推；自第二轉(zhuǎn)3接鏡與第三轉(zhuǎn)接鏡4起，以每兩個(gè)轉(zhuǎn)接鏡為一組進(jìn)行增減，C⑶相機(jī)位于最后一塊轉(zhuǎn)接鏡右邊焦距之外。
[0027]實(shí)施例1:
[0028]如圖1所示，該光路系統(tǒng)10中使用了四塊透鏡，從左到右依次是物鏡1、第一轉(zhuǎn)接鏡
2、第二轉(zhuǎn)接鏡3和第三轉(zhuǎn)接鏡4。這四塊透鏡組成無焦透鏡組，物鏡I的右邊焦點(diǎn)與第一轉(zhuǎn)接鏡2的左邊焦點(diǎn)重合，第一轉(zhuǎn)接鏡2的右邊焦點(diǎn)與第二轉(zhuǎn)接鏡3的左邊焦點(diǎn)重合，第二轉(zhuǎn)接鏡3的右邊焦點(diǎn)與第三轉(zhuǎn)接鏡4的左邊焦點(diǎn)重合，CCD相機(jī)12的成像位置位于第三轉(zhuǎn)接鏡4右邊焦點(diǎn)的右邊d處(d2 O)。改變物鏡I的參數(shù)與位置可以改變無焦光路系統(tǒng)的放大倍數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)小顆粒的測量，測量范圍為Iym?1mm。第二轉(zhuǎn)接鏡3和第三轉(zhuǎn)接鏡4的聯(lián)合使用可以實(shí)現(xiàn)像平面的平移，可進(jìn)一步增大相機(jī)與像平面的距離，使得顆粒測量系統(tǒng)可在高達(dá)1500°C的溫度下工作的同時(shí)，保證C⑶相機(jī)12在常溫下工作。
[0029]探針的使用說明:
[0030]將探針置于高溫環(huán)鏡中，火焰中顆粒經(jīng)顆粒通道7進(jìn)入，物平面為物鏡I的左側(cè)焦以外。平行光經(jīng)顆粒場后穿過光路系統(tǒng)10，CCD相機(jī)12按照實(shí)際測量要求放置在合適位置，輸出信號(hào)經(jīng)信號(hào)線連接至計(jì)算機(jī)，經(jīng)全息圖重建可獲得顆粒具體參數(shù)。測量過程中，冷卻劑從冷卻劑入口 15進(jìn)入，由冷卻劑進(jìn)口通道8流至冷卻劑出口通道9，最后從冷卻劑出口 11流出。
[0031]以上所述是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種用于高溫環(huán)鏡顆粒場三維測量的探針，包括光纖激光器、激光準(zhǔn)直器、光路系統(tǒng)和CCD相機(jī)，光纖激光器與激光準(zhǔn)直器之間通過光纖連接;其特征在于，還包括具有開口端和封閉端的長管狀的中空外殼，所述CCD相機(jī)設(shè)于開口端;在外殼上開設(shè)一個(gè)徑向貫穿的通孔作為顆粒通道，在顆粒通道與外殼封閉端之間的空腔內(nèi)裝設(shè)激光準(zhǔn)直器，在顆粒通道與外殼開口端之間的空腔內(nèi)裝設(shè)光路系統(tǒng)； 所述光路系統(tǒng)包括(2+2α)塊透鏡，α是正整數(shù)且2 I;其中，靠近顆粒通道的第一塊透鏡為物鏡;除靠近物鏡的第一轉(zhuǎn)接鏡之外，其余均為用于平移成像平面的轉(zhuǎn)接鏡組合，且每兩個(gè)轉(zhuǎn)接鏡為一個(gè)組合;各透鏡之間具有下述位置關(guān)系: 假設(shè)顆粒通道位于物鏡的左側(cè)，物鏡的右側(cè)焦點(diǎn)與第一轉(zhuǎn)接鏡的左側(cè)焦點(diǎn)重合;第一轉(zhuǎn)接鏡的右側(cè)焦點(diǎn)與第二轉(zhuǎn)接鏡的左側(cè)焦點(diǎn)重合，第二轉(zhuǎn)接鏡的右側(cè)焦點(diǎn)與第三轉(zhuǎn)接鏡的左側(cè)焦點(diǎn)重合，以此類推；自第二轉(zhuǎn)接鏡與第三轉(zhuǎn)接鏡起，以每兩個(gè)轉(zhuǎn)接鏡為一組進(jìn)行增減，C⑶相機(jī)位于最后一塊轉(zhuǎn)接鏡右邊焦距之外。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的探針，其特征在于，所述物鏡的直徑小于轉(zhuǎn)接鏡的直徑。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的探針，其特征在于，所述激光準(zhǔn)直器與光路系統(tǒng)位于同一直線上組成同軸全息系統(tǒng)，或者兩者之間存在偏角組成離軸全息系統(tǒng)。4.根據(jù)權(quán)利要求1至3任意一項(xiàng)中所述的探針，其特征在于，所述外殼具有冷卻夾套，接有冷卻劑進(jìn)口和冷卻劑出口。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的探針，其特征在于，所述冷卻夾套是雙層冷卻結(jié)構(gòu)，其外層為冷卻劑進(jìn)口通道，內(nèi)層為冷卻劑出口通道;所述冷卻劑進(jìn)口和冷卻劑出口均設(shè)在靠近外殼開口端的位置。
【文檔編號(hào)】G01D21/02GK105890671SQ201610417407
【公開日】2016年8月24日
【申請(qǐng)日】2016年6月15日
【發(fā)明人】吳學(xué)成, 岑可法, 邱坤贊, 陳玲紅, 高翔, 駱仲泱, 姚龍超, 吳晨月
【申請(qǐng)人】浙江大學(xué)