CN111025663A - 一种led阵列光源及应用该光源的多孔喷雾测试系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于柴油机燃油系统喷雾形态测试技术领域，具体涉及一种LED阵列光源及应用该光源的多孔喷雾测试系统。本发明的一种LED阵列光源解决了传统双光程喷雾流场测试系统中光源亮度和均匀性不能满足测试精度要求的问题，由于阵列排布包含9个LED灯，亮度达到测试要求，光线经异径光导匀光棒内部多次全反射匀光、缩径后，均匀度初步提高，与其后的聚光系统耦合，经聚光系统放大聚焦，均匀度最终达到要求，在纹影系统的狭缝处形成明亮均匀的点光源。本发明的应用LED阵列光源的多孔喷雾测试系统，提高了测试光线的均匀性和平行度，对保证测试精度具有重要意义。

Description

一种LED阵列光源及应用该光源的多孔喷雾测试系统

技术领域

本发明属于柴油机燃油系统喷雾形态测试技术领域，具体涉及一种LED阵列光源及应用该光源的多孔喷雾测试系统。

背景技术

柴油机进过数百年的发展，在结构和效率上都已有了极大的优化和改进，作为当今使用最为广泛的动力系统，柴油机在全世界范围内都具有重要价值。

随着柴油机结构趋于稳定，柴油机热效率的提升越来越依赖于燃油喷射系统的优化和改进，喷雾状态、雾化状态和燃油-空气混合状况直接影响柴油机的工作状况，因此对柴油机喷雾进行可视化测量从而评价喷雾状态具有重要意义。

传统的喷雾流场测量方法主要是阴影法和纹影法，通过采用单光程通过流场区域来进行流场的成像与分析，但传统方法中为了保证单程的光线穿过测试区域，测试的定容弹需要在两个端面上同时安装玻璃视窗，不但增加了造价，而且降低了系统的结构强度和安全性。

现有的光学测试方法依赖光线特征获取测试信息，因此提高测试光线的均匀性和平行度等对保证测试精度至关重要

现有的改进的双光程纹影法虽然能实现多孔喷雾的测量，但由于测试系统中分光镜的存在，光源发出的光线被分光镜两次衰减，因此到达高速摄像机的光强小于光源光强的1/4，较弱的光线强度是测试结果的图像清晰度、对比度下降，丢失测试信息，降低测试精度。

现有的LED阵列虽然通过将多个LED灯排列在一起提高了光源的光线强度，但不同的光源发出的光线相互独立，光线的平行度和均匀度较差，不能满足光学测试的需要。

发明内容

本发明的目的在于提供提高光线的亮度和均匀度的一种LED阵列光源。

本发明的目的通过如下技术方案来实现：包括LED阵列和镜筒；所述的LED阵列中所有LED灯呈正方形等距排列在一个平面内；所述的镜筒中设有异径光导匀光棒和聚光系统；所述的异径光导匀光棒为圆台形状，半径较大的一端作为输入端，半径较小的一端作为光线的输出端；所述的异径光导匀光棒输入端的外圆直径大于或等于LED阵列正方形的斜对角线长度；所述的异径光导匀光棒输出端的外圆直径小于或等于聚光系统的外圆直径；所述的LED阵列与异径光导匀光棒的输入端连接；所述的LED阵列的中心轴线、异径光导匀光棒的轴线、聚光系统的轴线、出射光源的中心线在一条直线上。

本发明的目的还在于提供一种应用LED阵列光源的多孔喷雾测试系统。

本发明的目的通过如下技术方案来实现：包括LED阵列光源、狭缝、第一凸透镜、第二凸透镜、分光镜、定容弹、刀口和高速摄像机；所述的LED阵列光源包括LED阵列和镜筒；所述的LED阵列中所有LED灯呈正方形等距排列在一个平面内；所述的镜筒中设有异径光导匀光棒和聚光系统；所述的异径光导匀光棒为圆台形状，半径较大的一端作为输入端，半径较小的一端作为光线的输出端；所述的异径光导匀光棒输入端的外圆直径大于或等于LED阵列正方形的斜对角线长度；所述的异径光导匀光棒输出端的外圆直径小于或等于聚光系统的外圆直径；所述的LED阵列与异径光导匀光棒的输入端连接；所述的LED阵列的中心轴线、异径光导匀光棒的轴线、聚光系统的轴线、出射光源的中心线在一条直线上；所述的定容弹一端设有玻璃端盖，另一端设有平面镜端盖，在平面镜端盖上设有多孔喷油器；LED阵列光源中LED阵列发出的光线经异径光导匀光棒内部多次全反射匀光、缩径后经聚光系统放大聚焦，在狭缝处形成明亮均匀的点光源，点光源经第一凸透镜折射变为平行光线，平行光线穿过分光镜射向定容弹，光线穿过定容弹的玻璃端盖后进入定容弹内部的测试流场区域，光线经定容弹的平面镜端盖反射反向传播再次到达分光镜，光线被分光镜反射到第二凸透镜进行汇聚后经刀口切割进入高速摄像机；当定容弹内无流场变化时，光线始终保持平行，并最终在刀口处汇聚进入高速摄像机，此时摄像机内显示的是一个亮度均匀的测试区域；当定容弹内出现变化的流场时，由于流场密度的不同，平行光线会发生不同程度的偏折，偏折后的光线无法汇聚到刀口处的焦点上，因此会被刀口阻挡，被阻挡的光线先前所在的位置就会在摄像机中生成一个较暗的区域，因此能够测出喷雾流场的形态变化。

本发明的有益效果在于：

本发明的一种LED阵列光源解决了传统双光程喷雾流场测试系统中光源亮度和均匀性不能满足测试精度要求的问题，由于阵列排布包含9个LED灯，亮度达到测试要求，光线经异径光导匀光棒内部多次全反射匀光、缩径后，均匀度初步提高，与其后的聚光系统耦合，经聚光系统放大聚焦，均匀度最终达到要求，在纹影系统的狭缝处形成明亮均匀的点光源。本发明的应用LED阵列光源的多孔喷雾测试系统，提高了测试光线的均匀性和平行度，对保证测试精度具有重要意义。

附图说明

图1为本发明的LED阵列光源的原理图。

图2为本发明的LED阵列光源的示意图。

图3为本发明的应用LED阵列光源的多孔喷雾测试系统示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述。

本发明设计了一种高亮度高均匀性的LED阵列光源，解决了传统双光程喷雾流场测试系统中光源亮度和均匀性不能满足测试精度要求的问题。该方法从原理上提高了双光程高速纹影法对多孔喷雾的测试精度和图像清晰度，具有较大的创新性和实用价值。

一种LED阵列光源，包括LED阵列11和镜筒14；所述的LED阵列中所有LED灯呈正方形等距排列在一个平面内；所述的镜筒中设有异径光导匀光棒13和聚光系统15；所述的异径光导匀光棒为圆台形状，半径较大的一端作为输入端，半径较小的一端作为光线的输出端；所述的异径光导匀光棒输入端的外圆直径大于或等于LED阵列正方形的斜对角线长度；所述的异径光导匀光棒输出端的外圆直径小于或等于聚光系统的外圆直径；所述的LED阵列与异径光导匀光棒的输入端连接；所述的LED阵列的中心轴线、异径光导匀光棒的轴线、聚光系统的轴线、出射光源的中心线在一条直线上。

如图1和图3所示，一种应用LED阵列光源的多孔喷雾测试系统，包括LED阵列光源1、狭缝2、第一凸透镜3、第二凸透镜7、分光镜4、定容弹5、刀口8和高速摄像机9。定容弹一端设有玻璃端盖，另一端设有平面镜端盖10，在平面镜端盖上设有多孔喷油器6；LED阵列光源中LED阵列发出的光线经异径光导匀光棒内部多次全反射匀光、缩径后经聚光系统放大聚焦，在狭缝处形成明亮均匀的点光源，点光源经第一凸透镜折射变为平行光线，平行光线穿过分光镜射向定容弹，光线穿过定容弹的玻璃端盖后进入定容弹内部的测试流场区域，光线经定容弹的平面镜端盖反射反向传播再次到达分光镜，光线被分光镜反射到第二凸透镜进行汇聚后经刀口切割进入高速摄像机；当定容弹内无流场变化时，光线始终保持平行，并最终在刀口处汇聚进入高速摄像机，此时摄像机内显示的是一个亮度均匀的测试区域；当定容弹内出现变化的流场时，由于流场密度的不同，平行光线会发生不同程度的偏折，偏折后的光线无法汇聚到刀口处的焦点上，因此会被刀口阻挡，被阻挡的光线先前所在的位置就会在摄像机中生成一个较暗的区域，因此能够测出喷雾流场的形态变化。

实施例1：

一种高亮度高均匀性的LED阵列光源，主要由LED阵列、异径光导匀光棒、聚光系统和外围设备四部分组成。LED阵列由9个LED灯组成，9个LED灯规格相同，9个LED灯的轴线相平行，阵列整体呈正方形排列在一个平面内，呈3×3等距排列，灯泡相互并联，由一个开关控制。3×3等距排列的LED阵列与异径光导匀光棒的输入端连接，中心LED灯的光轴与异径光导匀光棒轴线重合。LED阵列发出光线，由于阵列排布包含9个LED灯，亮度达到测试要求，光线经异径光导匀光棒内部多次全反射匀光、缩径后，均匀度初步提高，与其后的聚光系统耦合，经聚光系统放大聚焦，均匀度最终达到要求，在纹影系统的狭缝处形成明亮均匀的点光源。

LED阵列中灯泡安置在电路板上，电路板的材料为绝缘、耐高温材料，不易形变，平面精度高，在电路板上安置散热风扇20，电路板的尺寸小于LED阵列的外壳尺寸。

LED阵列与异径光导匀光棒的输入端连接。异径光导匀光棒为圆台形状，圆台的大端作为异径光导匀光棒光线的输入端，圆台大端的外圆直径大于等于正方形LED阵列的斜对角线长度；圆台形异径光导匀光棒的小端作为光线的输出端，其外圆直径小于等于聚光系统的外圆直径。异径光导匀光棒与聚光系统置于圆柱镜筒内，且异径光导匀光棒的轴线、聚光系统的轴线与圆柱镜筒的直线在同一条直线上。

异径光导匀光棒的输出光线在聚光系统的上游，光线从异径光导匀光棒射出后经聚光系统在镜筒外形成焦面，出射光焦面距离镜筒头外表面55mm左右。LED阵列中心的LED灯轴线、异径光导匀光棒的轴线、聚光系统的轴线、出射光源的中心线在一条直线上。

本发明的目的是利用高亮度高均匀性的LED阵列光源来实现多孔喷雾的精确测量，利用LED阵列、异径光导匀光棒和聚光系统来提高光线的亮度和均匀度。

LED阵列发出光线，由于阵列排布包含9个LED灯，所以光线的亮度达到了测试要求，但是不够均匀，经异径光导匀光棒内部对光线多次全反射匀光、缩径后，光线的均匀度有所提高，再与其后的聚光系统耦合，经聚光系统放大聚焦，光线的均匀度达到要求，在纹影系统的狭缝处形成明亮的、均匀的点光源。

聚光系统分前后两组，前组将异径光导匀光棒输出的光准直成平行光，再经后组聚焦至纹影系统狭缝处。前组由不同焦距的一个平凸透镜，两个凹凸透镜，两个凸凸透镜按照不同的间隔排列而成，后组为一个平凸透镜。

LED阵列布置的电路板位于方形壳体内，且电路板的中心线与方形壳体的轴线在同一条直线上，LED阵列发出的光线与方形壳体相垂直。

结合示意图2对本发明的详细介绍如下：

设备外壳采用铝合金材料，材料重量较轻，镜片为凸透镜，光学镜筒14为BK7材料，光学透过率高，透射效果好，聚光系统将大尺寸的发光面整形成为5mm×5mm的均匀辐射面。

首先根据设计图纸组装设备，并检查LED供电电路是否正常工作，将LED安装在外壳19后盖上，并依次将控制电路部分固定在设计位置，调整聚光系统两组凸透镜的相对于光学镜筒的位置，使出射光焦面距离出射断面距离55mm左右，保证设备的后工作距离满足使用要求，调试光学镜筒位置，令异径光导匀光棒的出射端位于聚光系统的入射端，并完成其他部件的固定，完成调试工作。

使用时，将电源线安装在设备侧面的接口上，将连接部件安装在设备前的圆筒上并安装在下方光具座18上，调整中心高度后固定，按下设备侧面的启动按钮21启动设备，通过后方的调节旋钮改变出光强度即可。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种LED阵列光源，其特征在于：包括LED阵列和镜筒；所述的LED阵列中所有LED灯呈正方形等距排列在一个平面内；所述的镜筒中设有异径光导匀光棒和聚光系统；所述的异径光导匀光棒为圆台形状，半径较大的一端作为输入端，半径较小的一端作为光线的输出端；所述的异径光导匀光棒输入端的外圆直径大于或等于LED阵列正方形的斜对角线长度；所述的异径光导匀光棒输出端的外圆直径小于或等于聚光系统的外圆直径；所述的LED阵列与异径光导匀光棒的输入端连接；所述的LED阵列的中心轴线、异径光导匀光棒的轴线、聚光系统的轴线、出射光源的中心线在一条直线上。

2.一种应用LED阵列光源的多孔喷雾测试系统，其特征在于：包括LED阵列光源、狭缝、第一凸透镜、第二凸透镜、分光镜、定容弹、刀口和高速摄像机；所述的LED阵列光源包括LED阵列和镜筒；所述的LED阵列中所有LED灯呈正方形等距排列在一个平面内；所述的镜筒中设有异径光导匀光棒和聚光系统；所述的异径光导匀光棒为圆台形状，半径较大的一端作为输入端，半径较小的一端作为光线的输出端；所述的异径光导匀光棒输入端的外圆直径大于或等于LED阵列正方形的斜对角线长度；所述的异径光导匀光棒输出端的外圆直径小于或等于聚光系统的外圆直径；所述的LED阵列与异径光导匀光棒的输入端连接；所述的LED阵列的中心轴线、异径光导匀光棒的轴线、聚光系统的轴线、出射光源的中心线在一条直线上；所述的定容弹一端设有玻璃端盖，另一端设有平面镜端盖，在平面镜端盖上设有多孔喷油器；LED阵列光源中LED阵列发出的光线经异径光导匀光棒内部多次全反射匀光、缩径后经聚光系统放大聚焦，在狭缝处形成明亮均匀的点光源，点光源经第一凸透镜折射变为平行光线，平行光线穿过分光镜射向定容弹，光线穿过定容弹的玻璃端盖后进入定容弹内部的测试流场区域，光线经定容弹的平面镜端盖反射反向传播再次到达分光镜，光线被分光镜反射到第二凸透镜进行汇聚后经刀口切割进入高速摄像机；当定容弹内无流场变化时，光线始终保持平行，并最终在刀口处汇聚进入高速摄像机，此时摄像机内显示的是一个亮度均匀的测试区域；当定容弹内出现变化的流场时，由于流场密度的不同，平行光线会发生不同程度的偏折，偏折后的光线无法汇聚到刀口处的焦点上，因此会被刀口阻挡，被阻挡的光线先前所在的位置就会在摄像机中生成一个较暗的区域，因此能够测出喷雾流场的形态变化。

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