CN101408555A

CN101408555A - 激光散斑测试系统

Info

Publication number: CN101408555A
Application number: CNA2007101328441A
Authority: CN
Inventors: 钱明; 倪晓武; 严琴; 陆建; 沈中华; 骆晓森
Original assignee: Nanjing University of Science and Technology
Current assignee: Nanjing University of Science and Technology
Priority date: 2007-10-08
Filing date: 2007-10-08
Publication date: 2009-04-15

Abstract

本发明公开了一种用于测量纳米流体中纳米粒子运动速度的激光散斑测试系统，其主要特征是根据纳米粒子独特的光学特性，对光源的照射方式和记录装置的接收方式进行了改进。通过扩束透镜组对激光束进行二维扩束，形成面光源照射流动的纳米粒子，并根据其瑞利散射特点，将记录装置设置在被测纳米流体透明管道的另一侧正对入射光方向的光路上，可以清晰的记录纳米粒子散斑图像；本发明不但能用于纳米流体中纳米粒子运动测量，同样适用于微米粒子运动测量，系统结构简单，使用范围广，可广泛用于流体运动速度的散斑测量。

Description

激光散斑测试系统

一技术领域

本发明涉及一种激光测试系统，特别是一种用于纳米流体中纳米粒子运动速度测试的的激光散斑测试系统。

二背景技术

早在1977年，散斑计量技术就被引进到流体力学领域，用来测量流场的运动速度，称之为激光散斑测速法，并逐渐发展成为粒子图像测速法，在流场流速测量中应用尤为广泛。激光散斑测试系统和粒子图像测试系统的测试原理相似，都是通过测量示踪粒子在已知很短时间间隔内的位移量来间接地测量流场中瞬态的速度分布，二者的主要区别是示踪粒子浓度的大小。当散射粒子的浓度很小时，粒子间隔较远，散射光之间不会发生干涉，因而在像平面上成粒子像，它可以通过粒子图像测试技术得到。当散射粒子浓度较大时，粒子间隔很近，散射光相互干涉，从而形成随机的亮斑，在像平面上成散斑像，它可以通过激光散斑测试技术得到。纳米流体是一种新型流体，是以一定方式和比例在液体中添加纳米级金属或金属氧化物粒子而形成的一种溶胶，由于其优越的稳定性和导热性能而受到传热界的广泛关注，而探测纳米粒子在纳米流体中运动状态对了解纳米流体的导热机制具有深远的应用研究价值。目前，在现有技术中，还未见有采用散斑计量技术对纳米流体中纳米粒子运动速度进行测试的报道。专利号03242216.4公开了一种粒子图像测试系统，名称为：“数字式粒子图像测速系统”，它主要由激光光源、圆柱透镜、长聚焦透镜以及粒子图像记录装置构成；该系统由YAG激光器发出激光束，经过圆柱透镜和长聚焦透镜后变成片光源，照射在由粒子发生器和布撒装置布撒在流场中的微米级粒子，在垂直于片光源平面方向产生粒子像，由记录装置采集并做后期图像处理，从而得到粒子速度值。这种粒子图像测试系统和激光散斑测试系统的构成大致相同，只是粒子的布撒浓度不同，产生的是粒子像而不是散斑图，而且上述系统主要是针对流场中微米级的示踪粒子，因为微米级示踪粒子的散射光足够强，只需少量的粒子被照亮，散射光的相互干涉就可以形成散斑。而对于纳米粒子，由于其具有的小尺寸效应而使其显示出独特的光学特性，纳米粒子的粒径介于几个纳米到100纳米，远远小于照射光源的波长，当其被照射时，将产生瑞利散射。瑞利散射的一个特点就是散射光很微弱，单个纳米粒子不能成粒子像，它必须照亮大量的粒子，然后大量粒子的散射光进行干涉叠加才能形成清晰可见的散斑图像，因此现有粒子图像测速系统受其系统本身限制，无论从光源的照射方式和散斑图的记录方式，都不适用于纳米粒子在流场中的运动测量，而需要对系统进行重新设计改进。

三发明内容

本发明目的是针对现有技术的不足提供一种主要用于纳米流体中纳米粒子运动测量，同时也能用于微米粒子运动测量的激光散斑测试系统。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的，用于测量纳米流体中纳米粒子运动速度的激光散斑测试系统，它包括高功率激光光源和记录装置，其特征是在激光光源的出射光路上设置有扩束透镜组，它是由两个透镜组成，经扩束透镜组扩束后的光束照射被测透明管道中的纳米流体，记录装置位于被测纳米流体透明管道另一侧的光路上，其接受面正对入射光方向。

本发明是在现有激光散斑测试系统结构基础上，针对纳米粒子独特的光学特性，对光源的照射方式和记录装置的接收方式进行改进。采用了两个透镜组成的扩束透镜组对高功率激光器发出的激光束进行二维扩束，然后照射装有纳米流体的透明管道，这样在激光束经过的路径上，将大量的纳米粒子照亮，并产生瑞利散射，这些足够多被照亮的纳米粒子瑞利散射光会进行干涉叠加，形成清晰可见的散斑图像。对于纳米粒子，它在形成瑞利散射时，有一个显著特点是在不同方向的散射光强度不同，散射光强度与入射光和观测方向之间夹角余弦的平方成正比，也就是说正对入射光方向的散射光最强，而垂直于入射光方向的散射光强度几乎为零。根据此特点，系统将记录装置设置在纳米流体透明管道另一侧正对入射光方向，当纳米流体沿着管道流动时，记录装置就可以清晰的记录下时间间隔很短的相邻两幅散斑图像，通过对两幅图像进行图像相关处理，得到两幅图中对应散斑的位移量。当入射激光束与被测透明管道的法线方面成一定的角度θ时，则散斑运动和粒子运动的夹角也为θ。若θ＝0，即入射激光束垂直照射于透明管道，散斑运动平行于粒子运动。实际应用中多采用垂直入射的方式，以简化计算。利用散斑的运动和纳米粒子运动之间的对应关系，间接地得到纳米粒子的位移，同时可得到流场中瞬态的速度分布。

另外，为了保证纳米粒子运动散斑图像的形成，测试时还应对纳米粒子的布撒浓度(即体积百分比)提出定性要求，尽量保证粒子之间的间隔即浓度要适中。因为纳米粒子对可见光的吸收特别强，浓度过大，光将无法透过，浓度太小，流体中的纳米粒子间隔就大，就无法满足散射光相互干涉的空间相干性原则，以影响散斑图像的形成。所以应针对不同种类的基液、纳米粒子、纳米粒子的粒径以及温度配置配比合适的纳米流体，以保证激光照射纳米流体能够形成清晰的散斑图像。

本发明与现有技术相比其显著的优点是：1、针对纳米粒子独特的光学特性，对光源的照射方式和记录装置的接收方式进行了改进。通过扩束透镜组对激光束进行二维扩束，形成面光源照射流动的纳米粒子，并根据其瑞利散射特点，将记录装置设置在被测纳米流体透明管道的另一侧正对入射光方向的光路上，可以清晰的记录纳米粒子散斑图像；2、本发明不但能用于纳米流体中纳米粒子运动测量，同样适用于微米粒子运动测量，因为当面光源照射微米粒子时，在沿激光照射方向它的散射光同样是最强，因此，在正对入射光方向也能产生清晰的散斑像，由记录装置接收；3、系统结构简单，可广泛用于流体运动速度的散斑测量。

本发明的具体结构由以下附图和实施例给出。

四附图说明

附图是根据本发明所说激光散斑测试系统结构示意图。

五具体实施方式

下面结合附图，以Fe₃O₄-水纳米流体为例，对本发明作进一步详细描述。

参见附图，根据本发明制作的用于纳米流体中纳米粒子运动速度测试的的激光散斑测试系统，它主要由高功率激光光源1、透镜2和透镜3组成扩束透镜组、纳米流体透明管道4和记录装置6组成。在整个可见光波段中，蓝绿光在水中的衰减最小，故常称该波段为“水下窗口”，因此对于以水为基液的纳米流体，通常使用波长为532nm的绿光作为照射光源，本例中高功率激光光源1是波长为532nm的LD绿光半导体激光器，功率可调；扩束透镜组中的透镜2和透镜3，其焦距可根据具体的扩束倍数要求选定，本例的扩束倍数为2，透镜2和透镜3的焦距分别为50mm和100mm；纳米流体透明管道4中的Fe₃O₄-水纳米流体，它的纳米粒子5的平均粒径为20nm，流体温度为20℃，选择Fe₃O₄纳米粒子的浓度即体积百分比为0.005％，将纳米流体放置于透明管道4内，以5mm/s速度流动，当激光束由LD绿光半导体激光器1发出，经扩束透镜组被二维扩束为平行面光源，然后垂直入射装有纳米流体的透明管道4，在激光束经过的路径上的纳米粒子5被照亮并发出散射光，大量纳米粒子的散射相互干涉在沿入射光方向形成散斑图像，正对激光束方向放置记录装置6即高速CCD数码相机接收散斑图像。当纳米流体沿着管道流动时，用高速CCD数码相机记录下时间间隔很短的相邻两幅散斑图像，通过对两幅图像进行图像相关处理，可以得到两幅图中对应散斑的位移量。利用散斑的运动和纳米粒子运动之间的对应关系，间接地得到纳米粒子的位移，同时可得到流场中瞬态的速度分布。

Claims

1、一种用于测量纳米流体中纳米粒子运动速度的激光散斑测试系统，它包括高功率激光光源[1]和记录装置[6]，其特征是在激光光源[1]的出射光路上设置有扩束透镜组，它是由透镜[2]和透镜[3]组成，经扩束透镜组扩束后的光束照射于被测透明管道[4]中的流动的纳米粒子[5]，记录装置[6]位于被测纳米流体透明管道[4]另一侧的光路上，其接受面正对入射光方向。

2、根据权利要求1所述激光散斑测试系统，其特征是经扩束透镜组扩束后的光束垂直照射于被测透明管道[4]。