CN111650398B - Ldv测量圆管内部二维流场的装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种LDV测量圆管内部二维流场的装置，包括待测圆管、移动台架底座、移动台架底板、丝杠滑块移动台、LDV探头以及支撑载体，移动台架底座、移动台架底板都安装在支撑载体上；所述移动台架底座包括载物台以及滑轨，所述待测圆管安装在载物台上，丝杠滑块移动台通过LDV旋转台安装在移动台架底板上，所述LDV探头安装在丝杠滑块移动台上，移动台架底板在电机的驱使下带动台架移动电机、LDV旋转台、丝杠滑块移动台、LDV探头绕待测圆管在滑轨上运动，本发明实现了LDV探头3个自由度的移动调节，具备圆管内测量空间点自动对准功能以及折射后空间点对准功能，提高了检测效率和准确性，结构简单，控制灵活。

Description

LDV测量圆管内部二维流场的装置

技术领域

本发明涉及激光测量技术领域，具体地，涉及一种LDV测量圆管内部二维流场的装置。

背景技术

激光多普勒测速仪(Laser Doppler Velocimetry,LDV)是测量通过激光探头的示踪粒子的多普勒信号，再根据速度与多普勒频率的关系得到速度。由于是激光测量，对于流场没有干扰，测速范围宽，而且由于多普勒频率与速度是线性关系，和该点的温度，压力没有关系，是目前世界上速度测量精度最高的仪器。

激光多普勒测速仪具有非接触性、不干扰流场、准确度高和快速响应等特点。在管道内部流场速度测量方面，具备了很大的优越性。在管道两端封死的场合，管道内部的流场测量只能通过从管壁外进行测量。当管道内部存在液体，要对该液体的流场进行测量时，通常会在圆管管壁上开设视窗，或者在外部添加光学补偿的装置。而添加光学补偿装置会使得内部流场的流态发生变化，外部添加的光学补偿装置会受到测点数量和空间尺寸的影响，因此，当圆管内部存在大量的测点且不方便搭建外部光学补偿装置的时候，需要设计一套能够自动定位每一个测点并且能够对光路进行补偿的装置。

专利文献CN1595170A公开了一种基于自混合干涉效应的多普勒测速仪,属于激光测量领域。该测速仪由光源,测量部分和信号处理3个部分组成。其系统光源使用的是双频激光器,并且自混合干涉系统的测量部分即系统外腔放置了一块四分之一波片,该波片快轴方向与两偏振光的偏振方向分别夹45°角,这样光束在外腔行进一个来回,其偏振方向将变为原先的垂直方向。对于本套自混合干涉测速仪,当没有多普勒频移时,激光器的功率谱上将只有一条谱线,而当多普勒频移存在时,功率谱上的原先谱线将变为两条,两条谱线对应拍频信号的差值的正负代表速度的方向,两谱线间的距离可以换算成速度的大小，但该设计仍然不能解决圆管内部存在多个测量点时的测速问题。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种LDV测量圆管内部二维流场的装置。

根据本发明提供的一种LDV测量圆管内部二维流场的装置，包括待测圆管、移动台架底座、移动台架底板、丝杠滑块移动台、LDV探头以及支撑载体；

所述移动台架底座、移动台架底板都安装在支撑载体上；

所述待测圆管安装在移动台架底座上，所述移动台架底板上安装有台架移动电机；

所述丝杠滑块移动台通过LDV旋转台安装在移动台架底板上，所述LDV探头安装在丝杠滑块移动台上；

所述台架移动电机能够驱使移动台架底板带动LDV旋转台、丝杠滑块移动台、LDV探头绕待测圆管运动。

优选地，所述移动台架底座包括载物台以及沿载物台周向布置的滑轨，所述待测圆管安装在载物台上。

优选地，所述待测圆管与载物台同心布置。

优选地，还包括平面镜，所述平面镜安装在LDV探头上。

优选地，所述平面镜能够改变LDV探头水平方向光束的夹角。

优选地，所述载物台为圆形载物台且所述圆形载物台沿周向方向延伸出驱动齿，所述台架移动电机连接有传动齿轮，所述传动齿轮与驱动齿匹配啮合，当台架移动电机启动时传动齿轮转动并在驱动齿啮合力的作用下驱使移动台架底板在滑轨上运动。

优选地，所述LDV旋转台能够带动丝杠滑块移动台、LDV探头旋转。

优选地，所述LDV旋转台的旋转角度为360°。

优选地，所述丝杠滑块移动台能够带动LDV探头前后移动。

优选地，还包括控制装置，控制装置能够通过对竖直光路的计算，得到待测圆管中待测点对应的LDV探头的空间位置，并在控制装置的控制下调整LDV探头到达要求的位置，并通过对水平光路的2次修正，得到平面镜的旋转参数，并在控制装置的控制下调整平面镜使得LDV探头两组光束交于待测圆管内同一空间点，并通过计算获得每一空间点的对应的LDV探头需要移动的参数，控制装置控制LDV探头自动移动，并完成每一个待测空间点的自动测量。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明通过设计移动台架使得LDV探头可以实现3个自由度的移动调节，移动台架底座可以沿圆周方向移动，LDV旋转台可以360°旋转，丝杠滑块移动台可以前后移动，具备圆管内测量空间点自动对准功能以及折射后空间点对准的功能，克服了现有技术中在圆管内部存在大量测点时，每次手动调校LDV探头将会花费大量的时间成本和人力成本且测量不准确的缺陷，提高了检测的效率和准确性，且结构简单，控制灵活。

2、本发明从LDV探头射出的不同光束不能相交于同一空间点的实际出发，结合待测圆管本身的几何形状以及内外部不同介质的折射率，通过光路图进行理论计算，设计出不需要额外光学补偿装置的台架，使得LDV探头发射的光束能够相交于同一空间点，结构简单，实用性强。

3、本发明通过对光路的理论计算得到LDV探测体到达实际空间点位置时LDV探头的空间坐标位置，通过编程实现LDV台架的自动寻点及测量，快速精准，自动化程度高。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的俯视结构示意图；

图3为本发明中平面镜的结构示意图；

图4为本发明水平光路修正的示意图；

图5为本发明竖直光路修正的示意图；

图6为本发明带平面镜水平光路修正的示意图。

图中示出：

待测圆管1 LDV旋转台5 载物台9

移动台架底座2 丝杠滑块移动台6 滑轨10

移动台架底板3 LDV探头7 支撑载体11

台架移动电机4 平面镜8

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

本发明提供了一种LDV测量圆管内部二维流场的装置，如图1-3所示，包括待测圆管1、移动台架底座2、移动台架底板3、丝杠滑块移动台6、LDV探头7以及支撑载体11，所述移动台架底座2、移动台架底板3都安装在支撑载体11上；所述移动台架底座2包括载物台9以及沿载物台9周向布置的滑轨10，所述待测圆管1安装在载物台9上；所述移动台架底板3上安装有台架移动电机4；所述丝杠滑块移动台6通过LDV旋转台5安装在移动台架底板3上，所述LDV探头7安装在丝杠滑块移动台6上；所述台架移动电机4能够驱使移动台架底板3带动台架移动电机4、LDV旋转台5、丝杠滑块移动台6、LDV探头7绕待测圆管1在滑轨10上运动。

具体地，在一个优选例中，LDV旋转台5通过螺栓安装在移动台架底板3上。

具体地，如图1所示，所述待测圆管1与载物台9同心布置。

进一步地，如图1-3所示，所述载物台9为圆形载物台且所述圆形载物台沿周向方向延伸出驱动齿，所述台架移动电机4连接有传动齿轮，所述传动齿轮与驱动齿匹配啮合，当台架移动电机4转动时驱使传动齿轮转动并在驱动齿的作用下驱使移动台架底板3在滑轨上运动，在一个优选例中，移动台架底板3的底部设置有滑轮，滑轮的运动轨迹与待测圆管1的横截面同心布置。

更进一步地，如图1所示，所述旋转台5能够带动丝杠滑块移动台6、LDV探头7旋转，旋转角度为360°；所述丝杠滑块移动台6能够带动LDV探头7前后移动。

具体地，如图1所示，还包括平面镜8，所述平面镜8安装在LDV探头7的前方，所述平面镜8能够改变LDV探头7水平方向光束的夹角。

具体地，本发明中还设置有控制装置，控制装置通过对光路的理论计算得到LDV探测体到达实际空间点位置时LDV探头7的空间坐标位置，通过编程实现LDV台架的自动寻点及测量。

进一步地，控制装置能够通过对竖直光路的计算，得到待测圆管1中待测点对应的LDV探头7的空间位置，并在控制装置的控制下调整LDV探头7到达要求的位置，并通过对水平光路的2次修正，得到平面镜8的旋转参数，并在控制装置的控制下调整平面镜8使得LDV探头7两组光束交于同一空间点，并通过计算获得每一空间点的对应的LDV探头7需要移动的参数，控制装置控制LDV探头7自动移动，并完成每一个待测空间点的自动测量。

具体地，考虑LDV探头7射出的光束通过待测圆管1时发生折射，若想使得每组光束再通过待测圆管1后交于待测点，则需要对折射后的光路进行修正，做光路图如图4所示，对于水平光束，其光轴穿过测量平面圆心，因此两束光只考虑其中一条即可，其中测量管段外为空气，折射率记为n_a，测量管段折射率记为n_g，例如测量管段的材质为玻璃，测量管段内部为流体，例如水，折射率记为n_w，光束在空气-玻璃界面会发生第一次折射，在玻璃水界面会发生第二次折射。

具体地，如图4-6所示，所述光路修正的计算包括水平方向光束修正计算、竖直方向光束修正计算以及水平方向光束2次修正计算。

进一步地，如图4所示，对于水平方向的光束，所述LDV探头7射出的光束通过待测圆管1时发生折射，因此使每组光束再通过待测圆管1后交于待测点，需要对折射后的光路进行修正，所述LDV探头7发出的光束从空气先进入待测圆管1发生第一次折射，再从待测圆管1进入待测圆管1内部的流体发生第二次折射，其折射光路如图4所示，如不发生折射，理论上两束光交与N点，而发生折射后则交与M点，线段AF为探头光束间距的一半，光束间距为LDV探头参数记为d。因此有：

线段FN为探头焦距，记为f。光束夹角为LDV探头参数，β为光束夹角的一半，α为折射后光束夹角的一半。在空气-玻璃界面上，α₄为光束入射角，α₃为折射角；在玻璃-水界面上，α₂为光束入射角，α₁为折射角。点O为圆心，OC为圆管内径记为r，OB为圆管外经记为R。因此，我们将M点记为待测点，给出线段OM的长度，根据几何关系可得：

通过上述公式，能够获得折射后光束夹角的一半α，通过求出的α并结合已知的LDV探头7焦距，根据折射的几何关系最终获得LDV探头7的空间位置，

进一步地，如图4所示，若想知道探头的位置参数，则需要知道线段DF、ND的长度，首先，通过求解线段BD的长度，可以得到线段ND的长度，由于NF即为探头焦距，为已知参数，则可得到线段DF的长度，根据几何关系，线段MC和线段CB在BD方向的投影可通过下式表示：

BD＝MC sinα+CB sin(α+α₂-α₁)

FD＝NF-ND

综上，LDV探头7的空间位置为：

OM+MD+FD＝OM+MC cosα+CB cos(α+α₂-α₁)+FD

其中，n_a为待测圆管1外部空气的折射率，n_g为待测圆管1管段的折射率，n_w为待测圆管1内部流体的折射率，f为LDV探头7焦距，β为光束夹角的一半，如图4所示，α₃为从空气到待测圆管1的折射角，α₄为从空气到待测圆管1的入射角，α₁为从待测圆管1到待测圆管1内部流体的折射角，α₂为从待测圆管1到待测圆管1内部流体的入射角，待测圆管1内部半径为r，待测圆管1的外部半径为R，O为待测圆管1横截面上的圆心，M为待测圆管1内部的待测点。

具体地，对于竖直方向的光束，其折射光路如图5中所示，如不发生折射，理论上两束光交与N点，而发生折射后则交与M点，线段AF为探头光束间距的一半，光束间距为LDV探头参数记为d，因此有：

线段FN为探头焦距，记为f。光束夹角为LDV探头参数，β为光束夹角的一半。α为折射后光束夹角的一半。在空气-玻璃界面上，α₄为光束入射角，α₃为折射角；在玻璃-水界面上，α₂为光束入射角，α₁为折射角。点O为圆心，OE为圆管内径记为r，OD为圆管外经记为R。因此，我们将M点记为待测点，给出线段OM的长度，得：

由图5可知，若想知道探头的位置参数，则需要知道线段DF的长度。首先，通过求解线段BD的长度，可以得到线段ND的长度，由于NF即为探头焦距，为已知参数，则可得到线段DF的长度。根据几何关系，线段MC和线段CB在BD方向的投影可通过下式表示：

BD＝MC sinα+CB sinα₂

BD＝(r-OM)tanα+(R-r)tanα₂

FD＝NF-ND

综上，LDV探头7的空间位置为：

通过求出的α并结合已知的LDV探头7焦距，根据折射的几何关系最终获得LDV探头7的空间位置，其中，光束夹角为LDV探头7的参数，n_a为待测圆管1外部空气的折射率，n_g为待测圆管1管段的折射率，n_w为待测圆管1内部流体的折射率，β为光束夹角的一半，在外界大气到待测圆管1的界面上，α₄为光束入射角，α₃为折射角；在待测圆管1到流体的界面上，α₂为光束入射角，α₁为折射角，点O为待测圆管1横截面的圆心，待测圆管1内部的半径为r，待测圆管1的外部半径为R。

具体地，如图6所示，水平方向光束2次修正计算，为使水平方向于竖直方向的两组光束的探测体交于一点，则可通过上述关系先计算竖直光路中探测体形成的位置，通过在水平光路上放置平面镜来调整其探测体位置。

首先经过调整竖直光路后的探头位置为1x＝OF，则在水平光路上，保证1x不变，改变平面镜的角度。记平面镜转动轴为G，该转动轴距离探头距离FE为50mm初始位置与原光束平行，此时记初始角度为0。之后如图所示一侧的平面镜逆时针转动，转动角度即为δβ，则光束夹角变为：

β₀＝β+2δβ

在三角形OMB中采用正弦定理，有：

其中：

ON＝l_x-FE-EN

EG＝(OF-FE)*tanβ≈25mm

至此，可求得α₄关于转角δβ的函数，进一步有：

α＝α₁-α₂+α₃-α₄+β

最后根据三角形OMC，采用正弦定理可以得到关系式：

其中α₁和α是与平面镜转角δβ有关的量，通过该关系式可以求得转角δβ。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (7)

1.一种LDV测量圆管内部二维流场的装置，其特征在于，包括待测圆管(1)、移动台架底座(2)、移动台架底板(3)、丝杠滑块移动台(6)、LDV探头(7)以及支撑载体(11)；

所述移动台架底座(2)、移动台架底板(3)都安装在支撑载体(11)上；

所述待测圆管(1)安装在移动台架底座(2)上，所述移动台架底板(3)上安装有台架移动电机(4)；

所述丝杠滑块移动台(6)通过LDV旋转台(5)安装在移动台架底板(3)上，所述LDV探头(7)安装在丝杠滑块移动台(6)上；

所述台架移动电机(4)能够驱使移动台架底板(3)带动LDV旋转台(5)、丝杠滑块移动台(6)、LDV探头(7)绕待测圆管(1)运动；

还包括平面镜(8)，所述平面镜(8)安装在LDV探头(7)上；

所述平面镜(8)能够改变LDV探头(7)水平方向光束的夹角；

还包括控制装置，控制装置能够通过对竖直光路的计算，得到待测圆管(1)中待测点对应的LDV探头(7)的空间位置，并在控制装置的控制下调整LDV探头(7)到达要求的位置，并通过对水平光路的2次修正，得到平面镜(8)的旋转参数，并在控制装置的控制下调整平面镜(8)使得LDV探头(7)两组光束交于待测圆管(1)内同一空间点，并通过计算获得每一空间点的对应的LDV探头(7)需要移动的参数，控制装置控制LDV探头(7)自动移动，并完成每一个待测空间点的自动测量。

2.根据权利要求1所述的LDV测量圆管内部二维流场的装置，其特征在于，所述移动台架底座(2)包括载物台(9)以及沿载物台(9)周向布置的滑轨(10)，所述待测圆管(1)安装在载物台(9)上。

3.根据权利要求2所述的LDV测量圆管内部二维流场的装置，其特征在于，所述待测圆管(1)与载物台(9)同心布置。

4.根据权利要求2所述的LDV测量圆管内部二维流场的装置，其特征在于，所述载物台(9)为圆形载物台且所述圆形载物台沿周向方向延伸出驱动齿，所述台架移动电机(4)连接有传动齿轮，所述传动齿轮与驱动齿匹配啮合，当台架移动电机(4)启动时传动齿轮转动并在驱动齿啮合力的作用下驱使移动台架底板(3)在滑轨上运动。

5.根据权利要求1所述的LDV测量圆管内部二维流场的装置，其特征在于，所述LDV旋转台(5)能够带动丝杠滑块移动台(6)、LDV探头(7)旋转。

6.根据权利要求5所述的LDV测量圆管内部二维流场的装置，其特征在于，所述LDV旋转台(5)的旋转角度为360°。

7.根据权利要求1所述的LDV测量圆管内部二维流场的装置，其特征在于，所述丝杠滑块移动台(6)能够带动LDV探头(7)前后移动。

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