CN105890671A - 用于高温环镜颗粒场三维测量的探针 - Google Patents

Abstract

本发明涉及高温环镜颗粒场三维测量技术，旨在提供一种用于高温环镜颗粒场三维测量的探针。该探针包括光纤激光器、激光准直器、光路系统和CCD相机，光纤激光器与激光准直器之间通过光纤连接；还包括具有开口端和封闭端的长管状的中空外壳，CCD相机设于开口端；在外壳上开设一个径向贯穿的通孔作为颗粒通道，在颗粒通道与外壳封闭端之间的空腔内装设激光准直器，在颗粒通道与外壳开口端之间的空腔内装设光路系统。本发明能实现高温环镜下三维颗粒场多参数的同时测量，图像传输距离保护相机，便于工程应用。管壳式透镜组成像，避免管壁反射造成的噪声对目标光束的影响；具有无需标定、三维、多参数同时测量等优点。

Description

用于高温环镜颗粒场三维测量的探针

技术领域

本发明涉及一种高温环镜颗粒场三维测量技术，具体涉及一种利用全息技术同时测量高温环镜下颗粒粒径、三维位置、颗粒速度等参数的测量装置。

背景技术

颗粒状物质在科学研究、工程应用以及社会生活领域中常常出现，在科研领域，研究颗粒的形貌、颗粒之间的相互作用；在工程应用领域，常见的有燃煤电场的关于煤粉颗粒的研究，包括对煤粉输送、煤粉燃烧、飞灰颗粒的研究等；生活中应用则更常见，如当下的雾霾都与颗粒物有关。因而对颗粒物的研究十分必要。

虽然现代光学测量技术发展了大量对颗粒空间分布、粒径、速度、浓度等参数测量的工具和仪器，高温等恶劣环镜下的颗粒场测量仍然很难实现，尤其是在锅炉炉膛、内燃机燃烧室等封闭空间内的燃料颗粒或液滴的测量。探针或内窥式的测量工具是一个很好的选择。目前存在一些基于图像粒子测速(PIV)、相位多普勒技术(PDA)、高速摄影等光学手段的探针，发挥了一定的作用。但是PIV以测量颗粒整体运动速度为主，无法得到单个颗粒的粒径、形貌、浓度等信息；PDA属于单点测量技术，得到的是经过测量点的颗粒统计速度和粒径分布，而且对非球形颗粒测量误差较大；直接成像的方法受限于景深，只能得到聚焦平面的颗粒，离焦颗粒是模糊的散斑，影响测量的范围和精度。开发一种适用于高温环镜内颗粒场三维、多参数同时测量的探针具有重大创新意义。

数字全息技术是一种以单相机实现颗粒场三维、多参数、定量测量的三维成像技术。通过数字相机记录一张全息图，然后使用数值模拟光传播的方法重建再现像，具有装置简单、操作方便的优势。目前广泛引用于开口空间中喷雾液滴、燃料颗粒、气泡、微生物等颗粒物的测量。但是该技术基本采用了无透镜或单一物镜的装置，在管套式探针中，光束通过透镜后会扩散至管壁，在管壁上进行反射，会对目标光束造成干扰，单透镜系统工作距离受限，当相机与物平面距离过大时，成像质量受影响，因而在保证成像质量的前提下，相机与物平面距离有限，会造成相机的寿命损伤。以往的全息方法适用于高温探针的也尚未有见。

为此，本发明在优化全息成像透镜组的基础上，开发了一种细长的全息探针，既能实现1500℃高温环镜颗粒场三维、定量测量，又能保护主要零件不受高温损伤，适用于工程现场。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，克服现有颗粒场测量技术的不足，提供了一种用于高温环镜颗粒场三维测量的探针。

为解决技术问题，本发明的解决方案是：

提供一种用于高温环镜颗粒场三维测量的探针，包括光纤激光器、激光准直器、光路系统和CCD相机，光纤激光器与激光准直器之间通过光纤连接；其特征在于，还包括具有开口端和封闭端的长管状的中空外壳，所述CCD相机设于开口端；在外壳上开设一个径向贯穿的通孔作为颗粒通道，在颗粒通道与外壳封闭端之间的空腔内装设激光准直器，在颗粒通道与外壳开口端之间的空腔内装设光路系统；

所述光路系统包括(2+2α)块透镜，α是正整数且≥1；其中，靠近颗粒通道的第一块透镜为物镜；除靠近物镜的第一转接镜之外，其余均为用于平移成像平面的转接镜组合，且每两个转接镜为一个组合；各透镜之间具有下述位置关系：

假设颗粒通道位于物镜的左侧，物镜的右侧焦点与第一转接镜的左侧焦点重合；第一转接镜的右侧焦点与第二转接镜的左侧焦点重合，第二转接镜的右侧焦点与第三转接镜的左侧焦点重合，以此类推；自第二转接镜与第三转接镜起，以每两个转接镜为一组进行增减，CCD相机位于最后一块转接镜右边焦距之外。

本发明中，所述物镜的直径小于转接镜的直径。

本发明中，所述激光准直器与光路系统位于同一直线上组成同轴全息系统，或者两者之间存在偏角组成离轴全息系统。

本发明中，所述外壳具有冷却夹套，接有冷却剂进口和冷却剂出口；

本发明中，所述冷却夹套是双层冷却系统结构，其外层为冷却剂进口通道，内层为冷却剂出口通道；所述冷却剂进口和冷却剂出口均设在靠近外壳开口端的位置。

发明原理描述：

光纤激光器发射的激光经激光准直器后成为平行光，经颗粒场后，依次通过光路系统中的多块透镜到达所述的CCD相机上。平行光经过颗粒场发生投射和折射等光的传播规律形成物光波，另一部分没有照射到颗粒场的光作为参考光，物光波和参考光发生干涉，相机记录下干涉后形成的全息图，信号输送至计算机，经全息图重建可获得颗粒场粒径、形貌等具体参数。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明能实现高温环镜下三维颗粒场多参数的同时测量，测量粒径范围与视场可分级调节，透镜组全息成像系统增加了图像传输距离，保护了相机，便于工程应用。

2、本发明利用管壳式透镜组成像，避免管壁反射造成的噪声对目标光束的影响；可以通过改变透镜参数和位置，实现不同放大倍数的全息测量，测量粒径可在1μm～1mm范围内；全息图远距离传递使信号采集设备远离测量区域的恶劣环镜，从而得到保护；在高温环镜下实现颗粒场测量，包括颗粒粒径、体积浓度、数浓度等参数，具有无需标定、三维、多参数同时测量等优点。

附图说明

图1本发明光路系统图；

图2本发明中探针结构示意图。

图中1.物镜；2.第一转接镜；3.第二转接镜；4.第三转接镜；5.光纤；6.激光准直器；7.颗粒通道；8.冷却剂进口通道；9.冷却剂出口通道；10.光路系统；11.冷却剂出口；12.CCD相机；13.连通通道；14.外壳的内部空腔；15.冷却剂进口。

具体实施方式

下面结合附图进行更进一步的详细说明：

本发明所述用于高温环镜颗粒场三维测量的探针，包括光纤激光器、激光准直器6、光路系统10和CCD相机12，光纤激光器与激光准直器6之间通过光纤5连接；还设置了具有开口端和封闭端的长管状的中空外壳，CCD相机12设于外壳的开口端；在外壳上开设一个径向贯穿的通孔作为颗粒通道7，激光准直器6设在颗粒通道7与外壳封闭端之间的空腔内，光路系统10设在颗粒通道与外壳开口端之间的空腔内。外壳具有双层结构的冷却夹套，其外层为冷却剂进口通道8，内层为冷却剂出口通道9；冷却剂进口15和冷却剂出口11均设在靠近外壳开口端的位置。

光路系统10包括(2+2α)块透镜，α是正整数且≥1；其中，靠近颗粒通道7的第一块透镜为物镜1；除靠近物镜1的第一转接镜2之外，其余均为用于平移成像平面的转接镜组合，且每两个转接镜为一个组合；物镜1的直径小于转接镜的直径。激光准直器与光路系统位于同一直线上组成同轴全息系统，或者两者之间存在偏角组成离轴全息系统。各透镜之间具有下述位置关系：

假设颗粒通道7位于物镜1的左侧，物镜1的右侧焦点与第一转接镜2的左侧焦点重合；第一转接镜2的右侧焦点与第二转接镜3的左侧焦点重合，第二转接镜3的右侧焦点与第三转接镜4的左侧焦点重合，以此类推；自第二转3接镜与第三转接镜4起，以每两个转接镜为一组进行增减，CCD相机位于最后一块转接镜右边焦距之外。

实施例1：

如图1所示，该光路系统10中使用了四块透镜，从左到右依次是物镜1、第一转接镜2、第二转接镜3和第三转接镜4。这四块透镜组成无焦透镜组，物镜1的右边焦点与第一转接镜2的左边焦点重合，第一转接镜2的右边焦点与第二转接镜3的左边焦点重合，第二转接镜3的右边焦点与第三转接镜4的左边焦点重合，CCD相机12的成像位置位于第三转接镜4右边焦点的右边d处(d≥0)。改变物镜1的参数与位置可以改变无焦光路系统的放大倍数，实现对小颗粒的测量，测量范围为1μm～1mm。第二转接镜3和第三转接镜4的联合使用可以实现像平面的平移，可进一步增大相机与像平面的距离，使得颗粒测量系统可在高达1500℃的温度下工作的同时，保证CCD相机12在常温下工作。

探针的使用说明：

将探针置于高温环镜中，火焰中颗粒经颗粒通道7进入，物平面为物镜1的左侧焦以外。平行光经颗粒场后穿过光路系统10，CCD相机12按照实际测量要求放置在合适位置，输出信号经信号线连接至计算机，经全息图重建可获得颗粒具体参数。测量过程中，冷却剂从冷却剂入口15进入，由冷却剂进口通道8流至冷却剂出口通道9，最后从冷却剂出口11流出。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种用于高温环镜颗粒场三维测量的探针，包括光纤激光器、激光准直器、光路系统和CCD相机，光纤激光器与激光准直器之间通过光纤连接；其特征在于，还包括具有开口端和封闭端的长管状的中空外壳，所述CCD相机设于开口端；在外壳上开设一个径向贯穿的通孔作为颗粒通道，在颗粒通道与外壳封闭端之间的空腔内装设激光准直器，在颗粒通道与外壳开口端之间的空腔内装设光路系统；

所述光路系统包括(2+2α)块透镜，α是正整数且≥1；其中，靠近颗粒通道的第一块透镜为物镜；除靠近物镜的第一转接镜之外，其余均为用于平移成像平面的转接镜组合，且每两个转接镜为一个组合；各透镜之间具有下述位置关系：

假设颗粒通道位于物镜的左侧，物镜的右侧焦点与第一转接镜的左侧焦点重合；第一转接镜的右侧焦点与第二转接镜的左侧焦点重合，第二转接镜的右侧焦点与第三转接镜的左侧焦点重合，以此类推；自第二转接镜与第三转接镜起，以每两个转接镜为一组进行增减，CCD相机位于最后一块转接镜右边焦距之外。

2.根据权利要求1所述的探针，其特征在于，所述物镜的直径小于转接镜的直径。

3.根据权利要求1所述的探针，其特征在于，所述激光准直器与光路系统位于同一直线上组成同轴全息系统，或者两者之间存在偏角组成离轴全息系统。

4.根据权利要求1至3任意一项中所述的探针，其特征在于，所述外壳具有冷却夹套，接有冷却剂进口和冷却剂出口。

5.根据权利要求4所述的探针，其特征在于，所述冷却夹套是双层冷却结构，其外层为冷却剂进口通道，内层为冷却剂出口通道；所述冷却剂进口和冷却剂出口均设在靠近外壳开口端的位置。