CN111596092A - 一种基于激光诱导磷光粒子成像测速装置及方法 - Google Patents

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李博
高强
孙志伟
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Abstract

本发明涉及一种基于激光诱导磷光粒子成像测速装置并给出测速方法，测速装置包括激光光源、柱面镜、粒子注入器和成像系统，其中，柱面镜：用以将激光光源产生的激光束转变成照射到流场中的激光片；粒子注入器：将磷光颗粒注入到流场当中；成像系统：用于采集磷光信号，并对信号进行分析，得到流场速度。

Description

一种基于激光诱导磷光粒子成像测速装置及方法
技术领域
本发明涉及的是激光技术领域及流场速度测量领域。具体涉及一种利用激光诱导纳米粒子发出磷光信号来实现流场速度的测量。
背景技术
精确的速度测量具有十分重要的意义。针对不同的测量环境开发出了不同的测速方法，如对于开放的低速流场可采用皮托管和热线风速仪等传统技术[1,2]；对于开放的高速流场可采用激光多普勒测速，分子标记测速[3]及粒子成像测速(PIV)[4]等激光技术。其中PIV技术是目前最常用的速度测量方法，通过将纳米粒子注入到流场中，利用激光照射纳米粒子，纳米粒子将激光散射，通过相机可记录纳米粒子的空间位移可获得速度信息，利用抗燃烧的纳米粒子PIV还可用于开放燃烧场的速度测量；然而对于封闭或半封闭的燃烧场速度测量PIV技术面临挑战。由于壁面会对激光造成很强的散射，其散射光与纳米粒子散射光处于相同波长，因此会对纳米粒子成像造成很大干扰，甚至会掩盖纳米粒子的移动位移轨迹，从而无法反演速度场信息。
参考文献
[1]科尔曼·拉雷尔·弗朗西斯；凯尔勒·梅尔文·拉尔夫.皮托管[P].中国专利:CN86300285,1987-02-10.
[2]刘祖唐,赵敏生,李福田.热膜探针及其率定设备[P].江苏：CN85205583,1986-11-26.
[3]张少华,刘宏立,黄河激,余西龙,樊菁.高速稀薄气体流场的单束激光多维速度测量系统及方法[P].北京：CN106771344A,2017-05-31.
[4]阮晓东,傅新.两相流数字粒子图像测速的方法及其装置[P].浙江：CN1654962,2005-08-17.
发明内容
本发明的目的是提供一种激光诱导磷光粒子测速方法，该方法可有效避免激光散射光的影响，适用于复杂封闭环境下的速度测量。本发明的技术方案如下：
一种基于激光诱导磷光粒子成像测速装置，包括激光光源、柱面镜、粒子注入器和成像系统，其中，
柱面镜：用以将激光光源产生的激光束转变成照射到流场中的激光片；
粒子注入器：将磷光颗粒注入到流场当中。
成像系统：用于采集由激光激发的磷光信号，并对信号进行分析，得到流场速度。
优选地，所述的激光光源为脉冲激光器。所述的成像系统包括相机和计算机，相机采集的图像被送入计算机，利用相机曝光时间t和粒子位移s计算出流场速度。
采用所述的装置实现的测速方法，包括步骤如下：
(1)激光片垂直穿过流场。
(2)利用粒子注入器将磷光粒子注入到流场当中，磷光粒子会随流场运动，当磷光粒子经过激光片照射区域时会被激光激发，并发出磷光。
(3)经过一定时间延迟避开激光散射光后利用成像系统拍摄磷光粒子在流场的中位置，设置相机的曝光时间为t，则相机可记录流场中磷光粒子经过曝光时间t时间走过的轨迹，其轨迹长度S利用图像识别获得，进而得到流场速度v＝S/t。
本发明是基于激光诱导磷光粒子成像测速装置，其磷光粒子具有高发光效率，信号可以用非增强型相机记录仪，保证成像的高空间分辨率；磷光信号波长区别于激光波长且寿命长，因此激光散射可以利用光学滤镜或时间延迟的方法完全压制。该技术可用于近壁面流场、大粒径粒子共存的两相流场、高温流场及炭黑火焰等受激光散射干扰而无法应用传统PIV技术的环境中的二维速度测量，同时也可扩展至三维速度测量。
附图说明
图1本发明的基于激光诱导磷光的粒子成像测速装置示意图，为侧视图。
图2本发明的基于激光诱导磷光的粒子成像测速装置示意图，为俯视图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行说明。
在近壁面流场、大粒径粒子共存的两相流场、高温流场及炭黑火焰等环境中，由于受激光散射干扰而无法应用传统PIV技术。本发明的基于激光诱导磷光的粒子成像测速装置，将磷光粒子注入流场中，磷光粒子随流场移动，利用激光照射流场中的磷光粒子，磷光粒子会发出磷光，由于磷光寿命长，且波长与激光波长不同，因此可以采用两种方法对磷光粒子进行成像：第一，由于磷光信号的发光时间远大于激光散射信号存在的时间，因此可增加采集的延迟时间，等待激光散射信号消失后，再对磷光粒子进行成像；第二，由于激光散射光信号波长和磷光信号波长不同，利用滤光片将激光信号滤掉，使磷光信号通过，在对磷光粒子进行成像。该方法可有效避免激光散射光的影响，可用于复杂封闭燃烧环境下的速度测量。
如图1和图2所示，本发明的共分为4个部分，各个部分名称及功能简介如下:
1激光光源：本实施例采用脉冲激光器输出脉冲激光；
2柱面镜：将激光束变成激光片；
3粒子注入器：将磷光颗粒注入到流场当中。
4成像系统；利用成像系统采集磷光信号，并对信号进行分析。
结合图1说明本发明的具体实施方式方法。激光光源1产生脉冲激光束平行出射，激光束经过柱面镜2后变成激光片，激光片垂直穿过待测流场，粒子注入器3将磷光粒子注入到流场中，在流场中，处于激光平面区域内的磷光粒子在激光激发下会发出长寿命的荧光，粒子发光强度会随时间减弱，利用成像系统4对激光片区域进行成像，设定成像曝光时间为t,曝光时间t小于磷光粒子的寿命，通过图像识别可获得磷光颗粒在曝光时间t内的位移S。利用S/t即可获得速度信息。每个磷光颗粒都可以描述其所在区域的速度信息。通过调整粒子注入器3可控制注入到流场中的磷光粒子数，实现激光片内的二维速度场测量。
本实施例利用激光诱导流场中的磷光粒子使其发出磷光，利用成像系统记录固定时间内磷光颗粒的位移，从而得到流场的速度信息。具体测量方法如下：脉冲激光器发出的激光束经过柱面透镜变成激光片，激光片垂直穿过流场。利用磷光粒子注入器将磷光粒子注入到流场当中，磷光粒子会随流场运动，当磷光粒子经过激光片照射区域时会被激光激发并发出磷光，经过一定时间延迟避开激光散射光后利用相机对流场中的磷光粒子进行拍摄。设置相机的曝光时间为t，则相机可记录在曝光时间t内磷光粒子在流场中的运动轨迹，利用图像识别软件可计算出磷光粒子轨迹长度S，该磷光粒子所在区域的速度场信息可以由v＝S/t来得到。通过计算激光片内所有磷光粒子的速度即可描述出整个二维流场的速度信息。

Claims (4)

1.一种基于激光诱导磷光粒子成像测速装置，包括激光光源、柱面镜、粒子注入器和成像系统，其中，
柱面镜：用以将激光光源产生的激光束转变成照射到流场中的激光片；
粒子注入器：将磷光颗粒注入到流场当中；
成像系统：用于采集由激光激发的磷光信号，并对信号进行分析，得到流场速度。
2.根据权利要求1所述的测速装置，其特征在于，所述的激光光源为脉冲激光器。
3.根据权利要求1所述的测速装置，其特征在于，所述的成像系统包括相机和计算机，相机采集的图像被送入计算机，利用相机曝光时间t和粒子位移s计算出流场速度。
4.采用权利要求1所述的装置实现的测速方法，包括步骤如下：
(1)激光片垂直穿过流场；
(2)利用粒子注入器将磷光粒子注入到流场当中，磷光粒子会随流场运动，当磷光粒子经过激光片照射区域时会被激光激发，并发出磷光；
(3)经过一定时间延迟避开激光散射光后利用成像系统拍摄磷光粒子在流场的中位置，设置相机的曝光时间为t，则相机可记录流场中磷光粒子经过曝光时间t时间走过的轨迹，其轨迹长度S利用图像识别获得，进而得到流场速度v＝S/t。
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