CN114166800A - 一种旋转式可升降纹影装置及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种旋转式可升降纹影装置及其使用方法，包括支撑框架、中空的支撑板、升降机构、旋转机构和光学部分，升降机构设在支撑框架内，支撑板的边缘通过滑块与升降机构滑动连接，升降机构带动支撑板在支撑框架内升降，旋转机构设在支撑板上；该装置可以形成Z型光路，且通过升降机构和旋转机构对光学部分进行升降和旋转，可以使光学部分相对于流场做上下运动和绕流场做旋转运动，实现竖直方向和水平方向上流场的多角度图像采集，相较于等效口径的抛物面反射镜成本大大降低，且该装置结构简单。

Description

一种旋转式可升降纹影装置及其使用方法

技术领域

本发明涉及流体可视化技术领域，具体是一种旋转式可升降纹影装置及其使用方法。

背景技术

纹影技术的工作原理主要是利用光在流体中快速流动时对入射光波的光线折射，使原本不能清晰可见的气流等可视化，从而对其现象进行观测和分析。纹影实验最早可以追溯到17世纪，人们通过刀口实验把任何在表面观察不可见的气流变为可见。进入20世纪，纹影技术逐渐成为流体动力学家实验室里的一种重要工具。在很多领域得到应用，例如人体热羽流检测、烃类气体泄漏检测和声场的显示等。随着航空工业的快速发展，对大型纹影设备的需求逐渐体现。

大型工业风洞的光学设备的尺寸范围通常在0.4m至0.75m。在纹影系统中，视场越大，需要的抛物面反射镜面积也越大。同时相应的配套设施也更复杂、场地占用更大、制造成本更高。且由于无法旋转纹影系统以获得多个角度的投影值，只能得到一个角度拍摄下的纹影图像。因此，需要设计一种兼具大视场观测和可以获得其他各个角度纹影图像的装置，用来解决上述问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，而提供一种旋转式可升降纹影装置及其使用方法，该装置可以获得流场各个角度的纹影图像，同时利用机械升降结构可以实现Z型光路相对于流场做竖直方向上下运动来进行流场的观测。

一种旋转式可升降纹影装置，包括支撑框架、中空的支撑板、升降机构、旋转机构和光学部分，升降机构设在支撑框架内，支撑板的边缘通过滑块与升降机构滑动连接，升降机构带动支撑板在支撑框架内升降，旋转机构设在支撑板上；

所述旋转机构，包括滑轴、第一齿轮、第二齿轮和伺服电机，第一齿轮为带有内齿中空齿轮，第二齿轮为带有外齿的驱动轮，第一齿轮的外边缘与滑轴转动连接，滑轴通过滑轴连接件固定在支撑板上，第二齿轮固定在电机支架的上表面且与第一齿轮啮合，伺服电机设在电机支架的下表面且伺服电机的输出端与第二齿轮连接，通过伺服电机带动第二齿轮旋转，从而带动第一齿轮旋转；电机支架固定在支撑板上；

所述光学部分，包括抛物面反射镜A、抛物面反射镜B、相机、点光源和刀口，抛物面反射镜A和抛物面反射镜B分别通过光学固定板固定在第一齿轮上且位于第一齿轮同一条直径的两端，点光源设在抛物面反射镜A一侧的光学固定板，相机固定在抛物面反射镜B一侧的光学固定板，刀口位于相机前方的光学固定板上，且相机和点光源分居抛物面反射镜A和抛物面反射镜B连线的两侧。

所述的相机、刀口和抛物面反射镜A设在同一直线上。

所述的点光源与抛物面反射镜A之间的距离为抛物面反射镜A的焦距。

所述的刀口与抛物面反射镜B之间的距离为抛物面反射镜B的焦距。

所述的抛物面反射镜A和抛物面反射镜B的焦距相等。

所述的抛物面反射镜A和抛物面反射镜B设在固定支架上；所述的相机固定在XY轴升降台上。

所述的升降机构，包括导轨、升降杆、升降电机，导轨固定设置在支撑框架内，导轨上设置滑块，滑块与支撑板连接，升降杆的顶部与支撑板的下表面连接，升降电机驱动升降杆升降，通过升降杆的升降，带动支撑板通过滑块沿着导轨进行升降。

所述的支撑框架底部设有地脚万向轮。

一种旋转式可升降纹影装置的使用方法，包括如下步骤：

1）将待测流场至于支撑框架内的中部，打开点光源，点光源散发的光经抛物面反射镜B反射后通过待测流场，经抛物面反射镜A反射后，再经过刀口，形成Z型光路，最后在刀口附近形成圆形光斑，刀口将圆形光斑一分为二；

2）相机的光圈对准刀口附近的光斑，通过调整相机参数，在取景器中获取到清晰明亮的镜面图像；

3）通过旋转机构和升降机构，使光学部分相对于待测流场做旋转运动和上下运动，从而实现对待测流场多角度的图像采集。

本发明提供的一种旋转式可升降纹影装置及其使用方法，该装置可以形成Z型光路，且通过升降机构和旋转机构对光学部分进行升降和旋转，可以使光学部分相对于流场做上下运动和绕流场做旋转运动，实现竖直方向和水平方向上流场的多角度图像采集，相较于等效口径的抛物面反射镜成本大大降低，且该装置结构简单。

附图说明

图1为本发明一种旋转式可升降纹影装置的结构示意图；

图2为旋转机构的示意图

图3为光学部分的示意图；

图4为光学部分形成的Z型光路示意图；

图中：1、支撑框架 2、支撑板 3、旋转机构 4、光学部分 5、滑块 6、升降机构 6-1、导轨 6-2、升降电机 6-3、升降杆 7、第一齿轮 8、第二齿轮 9、电机支架 10、伺服电机 11、滑轴 12、滑轴连接件 13、相机 14、光学固定板 15、抛物面反射镜B 16、刀口 17、点光源18、抛物面反射镜A 19、地脚万向轮。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明内容做进一步描述，但不是对本发明的限定。

实施例：

如图1、图2和图3所示：

一种旋转式可升降纹影装置，包括支撑框架1、中空的支撑板2、升降机构6、旋转机构3和光学部分4，升降机构6设在支撑框架1内，支撑板2的边缘通过滑块5与升降机构6滑动连接，升降机构6带动支撑板2在支撑框架1内升降，旋转机构3设在支撑板2上；

所述旋转机构3，包括滑轴11、第一齿轮7、第二齿轮8和伺服电机10，第一齿轮7为带有内齿中空齿轮，第二齿轮8为带有外齿的驱动轮，第一齿轮7的外边缘与滑轴11转动连接，滑轴11通过滑轴连接件12固定在支撑板2上，第二齿轮8固定在电机支架9的上表面且与第一齿轮7啮合，伺服电机10设在电机支架9的下表面且伺服电机10的输出端与第二齿轮8连接，通过伺服电机10带动第二齿轮8旋转，从而带动第一齿轮7旋转；电机支架9固定在支撑板2上；

所述光学部分4，包括抛物面反射镜A18、抛物面反射镜B15、相机13、点光源17和刀口16，抛物面反射镜A18和抛物面反射镜B15分别通过光学固定板14固定在第一齿轮7上且位于第一齿轮7同一条直径的两端，点光源17设在抛物面反射镜A18一侧的光学固定板14，相机13固定在抛物面反射镜B15一侧的光学固定板14，刀口16位于相机13前方的光学固定板14上，且相机13和点光源17分居抛物面反射镜A18和抛物面反射镜B15连线的两侧。

所述的相机13、刀口16和抛物面反射镜A18设在同一直线上。

所述的点光源17与抛物面反射镜A18之间的距离为抛物面反射镜A18的焦距。

所述的刀口16与抛物面反射镜B15之间的距离为抛物面反射镜B15的焦距。

所述的抛物面反射镜A18和抛物面反射镜B15的焦距相等。

所述的抛物面反射镜A18和抛物面反射镜B15设在固定支架上；所述的相机13固定在XY轴升降台上。

所述的升降机构6，包括导轨6-1、升降杆6-3、升降电机6-2，导轨6-1固定设置在支撑框架1内，导轨6-1上设置滑块5，滑块5与支撑板2连接，升降杆6-1的顶部与支撑板2的下表面连接，升降电机6-2驱动升降杆6-3升降，通过升降杆6-3的升降，带动支撑板2通过滑块5沿着导轨6-1进行升降。

所述的支撑框架1底部设有地脚万向轮19。

一种旋转式可升降纹影装置的使用方法，包括如下步骤：

1）将待测流场至于支撑框架1内的中部，打开点光源17，点光源17散发的光经抛物面反射镜B15反射后通过待测流场，经抛物面反射镜A18反射后，再经过刀口16，形成Z型光路，如图4所示，最后在刀口16附近形成圆形光斑，刀口16将圆形光斑一分为二；

2）相机13的光圈对准刀口16附近的光斑，通过调整相机参数，在取景器中获取到清晰明亮的镜面图像；

3）通过旋转机构3和升降机构6，使光学部分4相对于待测流场做旋转运动和上下运动，从而实现对待测流场多角度的图像采集。

实施例1：

使用前需确保光学固定板上的抛物面反射镜A、抛物面反射镜B、刀口、点光源、XY升降台与相机安装完毕，使光学部分满足Z型光路。调整支撑框架底部的地脚万向轮处于锁死状态保证装置稳定，调节升降电机保证升降杆与对角的一组在同一高度。所选用的两面抛物面反射镜A、B安装于第一齿轮一条直径的两端，XY轴升降台采用螺栓固定在光学固定板上，相机采用螺栓连接固定在XY轴升降台上，刀口采用螺栓连接固定在光学固定板上位于XY升降台前方且距抛物面反射镜B的焦距的位置上，保证相机、刀口、抛物面反射镜B在同一条直线上，点光源安装于距抛物面反射镜A的焦距的位置。打开点光源，刀口-20附近会出现圆形光斑，将点光源进行微调使圆形光斑最小且刀口将圆形光斑一分为二。调节XY升降台使相机光圈对准刀口处的光斑，调整相机参数在取景器中可观察到明亮清晰的镜面图像。

启动升降机构控制开关，观察各升降机是否正常运转，通过水平仪检测支撑板在升降过程中是否保持平衡。保证升降杆、支撑板稳定，保持升降杆升降顺畅。设备校准之后在装置中心空处根据需要安放所测流场，待流场稳定后，即可开始实验。初始状态升降杆位于最低位置，相机拍摄第一张照片。升降机构带动支撑框架以一定的速度上升，相机同时进行照片曝光，待达到升降电机最高升程之后停止。随后，支撑板下降，相机继续工作，在回到起始位置后停止。实验结束后移去刚才安放的流场，升降杆降到最低位置，关闭所有开关等待下次实验。

实施例2：

使用前需确保光学固定板上的抛物面反射镜A、抛物面反射镜B、刀口、点光源、XY升降台与相机安装完毕，使光学部分满足Z型光路。调整支撑框架底部的地脚万向轮处于锁死状态保证装置稳定，调节升降电机保证升降杆与对角的一组在同一高度。所选用的两面抛物面反射镜A、B安装于第一齿轮一条直径的两端，XY轴升降台采用螺栓固定在光学固定板上，相机采用螺栓连接固定在XY轴升降台上，刀口采用螺栓连接固定在光学固定板上位于XY升降台前方且距抛物面反射镜B的焦距的位置上，保证相机、刀口、抛物面反射镜B在同一条直线上，点光源安装于距抛物面反射镜A的焦距的位置。打开点光源，刀口附近会出现圆形光斑，将点光源进行微调使圆形光斑最小且刀口将圆形光斑一分为二。调节XY升降台使相机光圈对准刀口处的光斑，调整相机参数在取景器中可观察到明亮清晰的镜面图像。

启动伺服电机控制开关，观察旋转部分是否正常运转，通过水平仪检测第一齿轮在旋转过程中是否保持平衡。保证光学固定板、第一齿轮三者稳定，保持旋转部分旋转顺畅。根据需要设置伺服电机参数，使光学部分以一个速度可以绕流场进行正反两个方向旋转。设备校准之后在装置中心空处根据需要安放所测流场，待流场稳定后，即可开始实验。初始状态旋转部分处于静止，相机拍摄第一张照片。伺服电机带动第二齿轮转动，第二齿轮带动第一齿轮及光学部分绕流场进行旋转，相机同时进行照片曝光，待旋转一圈之后停止。随后，伺服电机带动第二齿轮反向转动，第二齿轮带动第一齿轮及光学部分绕流场反过来进行旋转，相机继续工作，待旋转一圈之后停止。实验结束后移去刚才安放的流场，关闭所有开关等待下次实验。

Claims (9)

1.一种旋转式可升降纹影装置，其特征在于，包括支撑框架、中空的支撑板、升降机构、旋转机构和光学部分，升降机构设在支撑框架内，支撑板的边缘通过滑块与升降机构滑动连接，升降机构带动支撑板在支撑框架内升降，旋转机构设在支撑板上；

所述旋转机构，包括滑轴、第一齿轮、第二齿轮和伺服电机，第一齿轮为带有内齿中空齿轮，第二齿轮为带有外齿的驱动轮，第一齿轮的外边缘与滑轴转动连接，滑轴通过滑轴连接件固定在支撑板上，第二齿轮固定在电机支架的上表面且与第一齿轮啮合，伺服电机设在电机支架的下表面且伺服电机的输出端与第二齿轮连接，通过伺服电机带动第二齿轮旋转，从而带动第一齿轮旋转；电机支架固定在支撑板上；

所述光学部分，包括抛物面反射镜A、抛物面反射镜B、相机、点光源和刀口，抛物面反射镜A和抛物面反射镜B分别通过光学固定板固定在第一齿轮上且位于第一齿轮同一条直径的两端，点光源设在抛物面反射镜A一侧的光学固定板，相机固定在抛物面反射镜B一侧的光学固定板，刀口位于相机前方的光学固定板上，且相机和点光源分居抛物面反射镜A和抛物面反射镜B连线的两侧。

2.根据权利要求1所述的一种旋转式可升降纹影装置，其特征在于，所述的相机、刀口和抛物面反射镜A设在同一直线上。

3.根据权利要求1所述的一种旋转式可升降纹影装置，其特征在于，所述的点光源与抛物面反射镜A之间的距离为抛物面反射镜A的焦距。

4.根据权利要求1所述的一种旋转式可升降纹影装置，其特征在于，所述的刀口与抛物面反射镜B之间的距离为抛物面反射镜B的焦距。

5.根据权利要求1所述的一种旋转式可升降纹影装置，其特征在于，所述的抛物面反射镜A和抛物面反射镜B的焦距相等。

6.根据权利要求1所述的一种旋转式可升降纹影装置，其特征在于，所述的抛物面反射镜A和抛物面反射镜B设在固定支架上；所述的相机固定在XY轴升降台上。

7.根据权利要求1所述的一种旋转式可升降纹影装置，其特征在于，所述的升降机构，包括导轨、升降杆、升降电机，导轨固定设置在支撑框架内，导轨上设置滑块，滑块与支撑板连接，升降杆的顶部与支撑板的下表面连接，升降电机驱动升降杆升降，通过升降杆的升降，带动支撑板通过滑块沿着导轨进行升降。

8.根据权利要求1所述的一种旋转式可升降纹影装置，其特征在于，所述的支撑框架底部设有地脚万向轮。

9.一种旋转式可升降纹影装置的使用方法，其特征在于，包括如下步骤：

1）将待测流场至于支撑框架内的中部，打开点光源，点光源散发的光经抛物面反射镜B反射后通过待测流场，经抛物面反射镜A反射后，再经过刀口，形成Z型光路，最后在刀口附近形成圆形光斑，刀口将圆形光斑一分为二；

2）相机的光圈对准刀口附近的光斑，通过调整相机参数，在取景器中获取到清晰明亮的镜面图像；

3）通过旋转机构和升降机构，使光学部分相对于待测流场做旋转运动和上下运动，从而实现对待测流场多角度的图像采集。

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