一種基于近場散射的流動二維速度場測量裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實用新型屬于速度測量技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于近場散射的流動二維速度 場測量裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 在現(xiàn)代流體動力學實驗中，如何精確、快速且簡單地測量流體流動的流場分布一 直是速度測量領(lǐng)域中一個很具挑戰(zhàn)性的難題。通常是在流體中加入很小的示蹤粒子，通過 照射流體，檢測散射光來實現(xiàn)速度分布的測量。目前，常見的測量二維速度場的技術(shù)主要有 激光散斑測速（LSV)、在LSV基礎(chǔ)上發(fā)展起來的粒子圖像測速（PIV)和全息粒子圖像測速 (HPIV)等。
[0003] LSV和PIV(HPIV)都是通過比較已知時間間隔的兩幀圖像，采用空間互相關(guān)方法 分析圖像，可以測量出局部示蹤粒子的位移，進而計算出流體流動二維速度場分布。PIV是 20世紀80年代發(fā)展起來的研宄流體動力學的一種非常重要的測量技術(shù)，但由于對流場中 示蹤粒子濃度有很大的限制，實驗測量的流場空間分辨率并不理想，目前商品化的PIV儀 器設(shè)備復雜、價格昂貴，這極大地限制了PIV測量儀的應(yīng)用及發(fā)展。隨后發(fā)展起來的HPIV 是在原有的PIV技術(shù)上改良的可用來測量三維速度場分布的一種速度測量技術(shù)，但該技術(shù) 的裝置較為復雜，數(shù)據(jù)處理具有滯后性，并且在線測量的實現(xiàn)難度較大。此外，當實驗投放 的粒子濃度過高時，散斑噪音會嚴重影響干涉成像效果和粒子識別。
[0004] 流體中加入的示蹤粒子的粒徑和濃度制約著如上現(xiàn)有的測量技術(shù)，無論是LSV還 是PIV(HPIV)，所使用的示蹤粒子的粒徑不能過小，濃度不能太高，否則無法保證系統(tǒng)的精 度和線性度，而且雜散光對系統(tǒng)的干擾也較大。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 技術(shù)問題：本實用新型針對現(xiàn)有二維速度場測量技術(shù)如LSV、PIV等在測量上的不 足，提出一種結(jié)構(gòu)簡單且快速在線測量的基于近場散射的流動二維速度場測量裝置。
[0006] 技術(shù)方案：為解決上述技術(shù)問題，本實用新型的技術(shù)方案是：
[0007] -種基于近場散射的流動二維速度場測量裝置，其特征在于，包括：
[0008] -激光器，用于發(fā)出相干光束；
[0009] 一空間濾波器，用于濾除由激光器產(chǎn)生的雜散光，得到高斯光束；
[0010] 一準直透鏡，用于將激光器發(fā)出的光束轉(zhuǎn)換成直光束；
[0011] 一透鏡組，用于設(shè)定焦距，將距離測量區(qū)域Z處的散斑放大成像；
[0012] 一CCD相機，用于設(shè)定時間間隔采集所述透鏡組成像的近場散斑圖像；
[0013] 一計算機，對所述CCD相機采集的近場散斑圖像進行計算得到流體的流場分布。
[0014] 所述的激光器為連續(xù)發(fā)光的He-Ne激光器。
[0015] 有益效果：與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型具有以下優(yōu)點：該測量裝置相當簡單，對 光路對齊的要求不高，并且在無需添加去除中心光強的復雜裝置的情況下，可實現(xiàn)雜散光 的有效去除；該測量技術(shù)所需的示蹤粒子粒徑可小于激光器發(fā)出的入射光波長，并且示蹤 粒子的濃度也可以相對較高，可應(yīng)用于納米流動二維速度場的測量；該測量技術(shù)的數(shù)據(jù)分 析相當簡單、快速，可實現(xiàn)在線測量，并且采用差分處理方法保證了該方法測量精度和線性 度不受限于示蹤粒子濃度及粒徑大小。
【附圖說明】
[0016] 圖1為本實用新型所述基于近場散射的流動二維速度場測量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0017] 圖2為差分圖像子區(qū)域劃分示意圖。
[0018] 圖3為子區(qū)域內(nèi)自相關(guān)計算結(jié)果理論示意圖。
[0019] 其中，激光器1、空間濾波器2、準直透鏡3、透鏡組4、C⑶相機5、計算機6。
【具體實施方式】
[0020] 下面結(jié)合附圖和具體實施例，進一步闡明本實用新型。應(yīng)理解這些實施例僅用于 說明本實用新型而不用于限制本實用新型的范圍，在閱讀了本實用新型之后，本領(lǐng)域技術(shù) 人員對本實用新型的各種等價形式的修改均落于本申請所附權(quán)利要求所限定的范圍。
[0021] 本實用新型測量裝置的工作原理：激光器發(fā)出相干光束，經(jīng)由空間濾波器，濾除大 部分由激光器產(chǎn)生的雜散光，再由準直透鏡，對激光進行準直，準直光束照射待測溶液，因 顆粒的存在而發(fā)生散射，然后調(diào)節(jié)測量區(qū)域后的透鏡焦距，使得距離測量區(qū)域Z處的透射 光與散射光的疊加所成的散斑圖像，被CCD相機所記錄，每隔一定的時間間隔由CCD相機米 樣一次，并且由計算機存儲處理。采用自相關(guān)的方法對所得的散斑圖像進行處理分析，得到 流體的二維流場分布。
[0022] 如圖1所示，本實用新型所述基于近場散射的顆粒粒度測量裝置主要包括激光器 1、空間濾波器2、準直透鏡3、透鏡組4、C⑶相機5、計算機6。光源可采用連續(xù)激光器線光 源1 (如He-Ne激光器1，波長為632.8nm，D~10mm)。透鏡組4為普通光學鏡頭（如透鏡 放大倍數(shù)40x，NA~0. 65,具體參數(shù)可以根據(jù)實驗需求進行選擇）。（XD相機5通過信號電 纜與計算機6相連。在計算機6內(nèi)的圖像數(shù)據(jù)處理軟件的控制下，可完成圖像采集、存儲與 處理等整體協(xié)調(diào)。
[0023] 結(jié)合圖1，下面結(jié)合長2mm，壁厚1mm的方管內(nèi)待測溶液顆粒粒度測量，以He-Ne激 光器（X~632.8nm，D~10mm)為光源，放大倍數(shù)M= 20的透鏡（NA~0? 5)，12位的(XD 相機（1024X768pixel，pixelsizeA1 ~4. 65ym，framerate~800fps)，對本實用新型 的工作過程及圖像處理流程具體說明：
[0024]步驟一、CCD相機采樣平面距離方管Z= 1. 5mm(D* = 2Z?NA= 2X1. 5mmX0. 5 =1. 5mm〈D= 10mm，滿足近場散射條件）。調(diào)整C⑶相機位置，使得鏡頭的聚焦在采樣平面 上。激光器發(fā)出的相干光束照射管道，管道內(nèi)是含有示蹤粒子的納米流體，由于光的散射作 用，CCD相機采集距離測量區(qū)域Z處的由透射光和散射光干涉形成的散斑圖像，并傳輸?shù)接?算機上進行存儲和處理。設(shè)定(XD相機每隔t= 〇.Is拍攝一次圖像，拍攝N= 600幀，總 的測量時間T=N?t= 60s。
[0025] 步驟二、CCD相機采集的600幀散斑圖像
【主權(quán)項】
1. 一種基于近場散射的流動二維速度場測量裝置，其特征在于，包括： 一激光器，用于發(fā)出相干光束； 一空間濾波器，用于濾除由激光器產(chǎn)生的雜散光，得到高斯光束； 一準直透鏡，用于將激光器發(fā)出的光束轉(zhuǎn)換成直光束； 一透鏡組，用于設(shè)定焦距，將距離測量區(qū)域Z處的散斑放大成像； 一 CCD相機，用于設(shè)定時間間隔采集所述透鏡組成像的近場散斑圖像； 一計算機，對所述CCD相機采集的近場散斑圖像進行計算得到流體的流場分布。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于近場散射的流動二維速度場測量裝置，其特征在于：所 述的激光器為連續(xù)發(fā)光的He-Ne激光器。
【專利摘要】本實用新型公開了一種基于近場散射的流動二維速度場測量裝置，包括一激光器，用于發(fā)出相干光束；一空間濾波器，用于濾除由激光器產(chǎn)生的雜散光，得到高斯光束；一準直透鏡，用于將激光器發(fā)出的光束轉(zhuǎn)換成直光束；一透鏡組，用于設(shè)定焦距，將距離測量區(qū)域Z處的散斑放大成像；一CCD相機，用于設(shè)定時間間隔采集所述透鏡組成像的近場散斑圖像；一計算機，對所述CCD相機采集的近場散斑圖像進行計算得到流體的流場分布。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型測量裝置簡單，對光路對中的要求不高，可簡單、快速的實現(xiàn)在線測量。
【IPC分類】G01P5-22
【公開號】CN204514952
【申請?zhí)枴緾N201520155308
【發(fā)明人】許傳龍, 譚浩, 張彪
【申請人】東南大學
【公開日】2015年7月29日
【申請日】2015年3月18日