CN114563595A - 基于激光多普勒测速的管道二维流场流速测量系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于激光多普勒测速的管道二维流场流速测量系统及方法，该系统包括：激光器，用于输出激光束；分束器，位于激光器的后方，用于将激光束分成等强度、等光程传播的两平行测量光束；聚焦反射组件，位于分束器后方，用于将两平行测量光束反射并会聚于管道内流场待测点，并将携带流场运动信息的部分散射光沿原路返回，形成待测散射光；探测组件，位于待测散射光的光路上，用于采集待测散射光。本发明应用于管道流速测量技术领域，能够避免接触式测量装置对流场产生的干扰，也能够避免传统激光多普勒测速仪测量二维流场流速分布时光线入射角度带来的复杂修正问题，结构简单，通用性更好且多点测量方便。

Description

基于激光多普勒测速的管道二维流场流速测量系统及方法

技术领域

本发明涉及管道流速测量技术领域，具体是一种基于激光多普勒测速的管道二维流场流速测量系统及方法。

背景技术

流量测量广泛应用于工业生产、过程控制及科学实验等领域，流量参数已成为衡量经济效率、生产状况、环境监管、产品效能的一项重要指标。随着生产技术和工业生产自动化程度的提高，对于流量测量的准确性、可靠性、经济性以及智能化程度都提出了越来越高的要求。

现有的管道流场测量装置可分为接触式测量装置和非接触式测量装置。常见的接触式测量装置，如差压式流速计、声波流速计、涡轮流速计、电磁流速计等，是利用流体流动引起的压差、频差、电势差等进行流速测量的。这些装置主要有以下两个缺点：(1)干扰流场，使流场产生流速分布畸变，同时使得测量探头所处的截面平均流速提高；(2)多点流速测量不便，对于管道流速分布未知的流场流量测量精度较低。

非接触式测量装置主要有粒子图像测速仪和激光多普勒测速仪。粒子图像测速仪是利用摄像机记录示踪粒子的运动情况，通过多目标跟踪与匹配获得流体的表面流速分布，但该方法仅适用于表面流场测量。激光多普勒测速仪利用激光多普勒效应进行流体速度测量。为了得到二维流场流速分布，需要将激光多普勒测速仪安装在二维坐标调整架上，且光线入射角度会带来复杂的修正问题。

发明内容

针对上述现有技术中的不足，本发明提供一种基于激光多普勒测速的管道二维流场流速测量系统及方法，其中测量系统包括：

激光器，用于输出激光束；

分束器，位于所述激光器的后方，用于将激光束分成等强度、等光程传播的两平行测量光束；

聚焦反射组件，位于所述分束器后方，用于将两平行测量光束反射并会聚于管道内流场待测点，并将携带流场运动信息的部分散射光沿原路返回，形成待测散射光；

探测组件，位于所述待测散射光的光路上，用于采集所述待测散射光。

所述聚焦反射组件包括第一透镜与扫描振镜；

所述第一透镜为液体透镜，位于所述分束器的后方，所述扫描振镜位于所述第一透镜后方，以将两平行测量光束以相同角度入射所述扫描振镜，再经所述扫描振镜反射并会聚于管道内流场待测点，并将携带流场运动信息的部分散射光沿原路返回，形成待测散射光。

所述扫描振镜包括振镜电机和反射镜片，所述反射镜片固定设在所述振镜电机的输出转轴，以驱动所述反射镜片具有转动的行程，使得经所述反射镜片反射后的两测量光束的角平分线垂直于待测流场管道。

所述聚焦反射组件还包括第一电动坐标架；

所述振镜电机固定在所述第一电动坐标架上，使得所述扫描振镜具有直线运动的行程，以完成待测流场管道内不同流场待测点的测量。

在另一个实施例中，所述聚焦反射组件还包括第二电动坐标架，所述第一透镜为凸透镜，所述第一透镜固定在所述第二电动坐标架上，具有直线运动的行程。

所述探测组件包括平面反射镜、第二透镜及光电探测器；

所述平面反射镜位于所述聚焦反射组件的前方，以将待测散射光反射至所述第二透镜；

所述第二透镜位于所述平面反射镜的反射光路上，所述光电探测器位于所述第二透镜的焦点处，以将待测散射光会聚于光电探测器的光敏面。

为实现上述目的，本发明还提供一种基于激光多普勒测速的管道二维流场流速测量方法，采用上述测量系统，所述测量方法具体包括如下步骤：

步骤1，根据需要将待测的待测流场管道截面划分为若干待测区域；

步骤2，调整扫描振镜的位置至两测量光束能够射入对应待测区域；

步骤3，调整扫描振镜的角度至两测量光束的角平分线垂直于管道；

步骤4，调整第一透镜至两测量光束的相交部分在对应待测区域的中心；

步骤5，测量该中心点的多普勒频移，计算该待测区域的流场流速；

步骤6，重复步骤2-5的过程，直至所待测区域均完成测量。

在步骤5中，所述计算该待测区域的流场流速，具体为：

式中，v为对应待测区域的流场流速，λ为激光波长，Δf为探测组件输出信号的多普勒频移，θ＝2arctan[L/(2f)]为两测量光束的夹角，L为分束器输出的两平行光束的间距，f为第一透镜的焦距。

与现有技术相比，本发明提供的一种基于激光多普勒测速的管道二维流场流速测量系统及方法，能够避免接触式测量装置对流场产生的干扰，也能够避免传统激光多普勒测速仪测量二维流场流速分布时光线入射角度带来的复杂修正问题，结构简单，通用性更好且多点测量方便。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为本发明实施例中测量系统的整体结构图；

图2为本发明实施例中分束器的俯视图；

图3为本发明实施例中方形管道流场测量示意图；

图4为本发明实施例中圆形管道流场测量示意图。

附图标号：激光器1、分束器2、平面反射镜3、第一透镜4、扫描振镜5、第一电动坐标架6、第二透镜7、光电探测器8、待测流场管道9。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。

另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

如图1所示为本实施例公开的一种基于激光多普勒测速的管道二维流场流速测量系统，主要包括激光器1、分束器2、聚焦反射组件与探测组件。具体地，激光器1用于输出沿-X轴方向传播的激光束；分束器2位于激光器1的后方，用于将激光束分成沿-X轴方向传播的等强度、等光程的两平行测量光束；聚焦反射组件位于分束器2后方，用于将两平行测量光束反射并会聚于待测流场管道9内的流场待测点，并将携带流场运动信息的部分散射光沿原路返回，形成沿+X轴方向传播的待测散射光；探测组件位于待测散射光的光路上，用于采集待测散射光。

本实施例中，聚焦反射组件包括第一透镜4与扫描振镜5，探测组件包括平面反射镜3、第二透镜7与光电探测器8。第一透镜4位于分束器2的后方，扫描振镜5位于第一透镜4后方，以将两平行测量光束以相同角度入射扫描振镜5，再经扫描振镜5反射后会聚于待测流场管道9内的流场待测点，并将携带流场运动信息的部分散射光沿原路返回，形成沿+X轴方向传播的待测散射光。平面反射镜3位于第一透镜4的前方，以将沿+X轴方向传播的待测散射光反射至第二透镜7。第二透镜7位于平面反射镜3的反射光路上，光电探测器8位于第二透镜7的焦点处，第二透镜7将待测散射光会聚于光电探测器8的光敏面。

本实施例中管道二维流场流速测量系统的工作原理为：激光器1输出沿-X轴方向传播的激光束，经分束器2分成沿-X轴方向传播的等强度、等光程的两平行测量光束，两束平行光垂直入射第一透镜4，经第一透镜4透射后以相同角度入射扫描振镜5，再经扫描振镜5反射后透过待测流场管道9会聚于流场待测点(两光束的相交部分称为测量体)。携带流场运动信息的部分散射光沿原路返回并经扫描振镜5反射后入射第一透镜4，经第一透镜4透射变为沿+X轴方向传播的平行光束后入射平面反射镜3，经平面反射镜3反射后垂直入射第二透镜7，经第二透镜7透射后会聚于光电探测器8光敏面，并由光电探测器8探测采集，完成待测区域流场流速的测量。

参考图2，本实施例中的分束器2包括入射面、分光面、第一反射面、第二反射面、第三反射面、第一出射面、第二出射面。入射面、第一出射面、第二出射面均与入射激光的方向垂直，分光面与入射面呈45°夹角，第一反射面及第二反射面与分光面垂直，第三反射面与分光面平行。其工作过程为：入射激光由入射面射入分束器2后，在分光面分为等光强的第一激光束与第二激光束，其中，第一激光束透过分光面后射在第一反射面上，经由第一反射面反射至第二反射面，再经过第二反射面反射后垂直射入第一出射面后射出分束器2；第二激光束经分光面反射后入射第三反射面，再经由第三反射面反射后垂直入射第二出射面后射出分束器2。其中，第一激光束与第二激光束在分束器2中的光程相同。当然，在具体实施过程中，也可以直接由分光棱镜和反射镜组替代分束器2。

在具体实施过程中，扫描振镜5包括振镜电机和反射镜片，反射镜片固定设在振镜电机的输出转轴，振镜电机由电流驱动，以驱动反射镜片具有转动的行程，使得经反射镜片反射后的两测量光束的角平分线垂直于待测流场管道9，以避免光线入射角度带来复杂的修正问题。测量系统还包括一维的第一电动坐标架6，振镜电机固定在第一电动坐标架6上，使得扫描振镜5具有沿X轴移动的行程，以完成待测流场管道9内不同流场待测点的测量。

在具体实施过程中，第一透镜4为液体透镜，可由电流驱动，通过电润湿效应、机械压力等原理改变焦距，使得两测量光束在待测流场管道9内的流场待测点会聚。当然，第一透镜4并不局限于液体透镜，也可以直接选择凸透镜作为第一透镜，此时，需要在测量系统中增设一沿X轴方向一维的第二电动坐标架，将凸透镜固定在该电动坐标架上，使得该凸透镜具有沿X轴移动的行程，该结构具有与液体透镜相同的效果。

基于上述测量系统，本实施例还公开了一种基于激光多普勒测速的管道二维流场流速测量方法，该测量方法具体包括如下步骤：

步骤1，根据需要将待测的待测流场管道9截面划分为若干待测区域；

步骤2，调整扫描振镜5的位置至两测量光束能够射入对应待测区域；

步骤3，调整扫描振镜5的角度至两测量光束的角平分线垂直于管道；

步骤4，调整第一透镜4至两测量光束的相交部分在对应待测区域的中心；

步骤5，测量该中心点的多普勒频移，计算该待测区域的流场流速；

步骤6，重复步骤2-5的过程，直至所待测区域均完成测量。

在步骤4中，若第一透镜4选择采用液体透镜的实施方式，则步骤4具体为：调整第一透镜4的焦距至两测量光束的相交部分在对应待测区域的中心；若第一透镜4选择采用凸透镜+第二电动坐标架的实施方式，则步骤4具体为：调整第一透镜4的位置至两测量光束的相交部分在对应待测区域的中心。

在步骤5中，计算该待测区域的流场流速，具体为：

式中，v为对应待测区域的流场流速，λ为激光波长，Δf为探测组件输出信号的多普勒频移，θ＝2arctan[L/(2f)]为两测量光束的夹角，L为分束器2输出的两平行光束的间距，f为第一透镜4的焦距。

下面以两种典型管道二维流场测量为例对测量系统及方法加以说明。

图3为典型方形管道二维流场测量示意图，将待测截面等面积划分为a-h八个部分，扫描振镜5的角度调整为45°。测试过程为：

(1)由第一电动坐标架6带动扫描振镜5至Ⅰ位置，调整液体透镜4的焦距至测量体在a区域的中心，测量该点的流场流速，再次调整液体透镜4的焦距至测量体在e区域的中心，测量该点的流场流速；(2)由第一电动坐标架6带动扫描振镜5至Ⅱ位置，调整液体透镜4的焦距至测量体在b区域的中心，测量该点的流场流速，再次调整液体透镜4的焦距至测量体在f区域的中心，测量该点的流场流速；(3)由第一电动坐标架6带动扫描振镜5至Ⅲ位置，调整液体透镜4的焦距至测量体在c区域的中心，测量该点的流场流速，再次调整液体透镜4的焦距至测量体在g区域的中心，测量该点的流场流速；(4)由第一电动坐标架6带动扫描振镜5至Ⅳ位置，调整液体透镜4的焦距至测量体在d区域的中心，测量该点的流场流速，再次调整液体透镜4的焦距至测量体在h区域的中心，测量该点的流场流速。当然在实际应用中可根据需要划分待测管道截面。

图4为典型圆形管道二维流场测量示意图，将待测截面按照45°圆心角均匀划分为a-h八个部分。测试过程为：

(1)由第一电动坐标架6带动扫描振镜5至Ⅰ位置，将扫描振镜5的角度调整为11.25°，调整液体透镜4的焦距至测量体在a区域的中心，测量该点的流场流速，再次调整液体透镜4的焦距至测量体在e区域的中心，测量该点的流场流速；(2)由第一电动坐标架6带动扫描振镜5至Ⅱ位置，将扫描振镜5的角度调整为33.75°，调整液体透镜4的焦距至测量体在b区域的中心，测量该点的流场流速，再次调整液体透镜4的焦距至测量体在f区域的中心，测量该点的流场流速；(3)由第一电动坐标架6带动扫描振镜5至Ⅲ位置，将扫描振镜5的角度调整为56.25°，调整液体透镜4的焦距至测量体在c区域的中心，测量该点的流场流速，再次调整液体透镜4的焦距至测量体在g区域的中心，测量该点的流场流速；(4)由第一电动坐标架6带动扫描振镜5至Ⅳ位置，将扫描振镜5的角度调整为78.75°，调整液体透镜4的焦距至测量体在d区域的中心，测量该点的流场流速，再次调整液体透镜4的焦距至测量体在h区域的中心，测量该点的流场流速。当然在实际应用中可根据需要划分待测管道截面。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (9)

1.一种基于激光多普勒测速的管道二维流场流速测量系统，其特征在于，包括：

激光器，用于输出激光束；

分束器，位于所述激光器的后方，用于将激光束分成等强度、等光程传播的两平行测量光束；

聚焦反射组件，位于所述分束器后方，用于将两平行测量光束反射并会聚于管道流场待测点，并将携带流场运动信息的部分散射光沿原路返回，形成待测散射光；

探测组件，位于所述待测散射光的光路上，用于采集所述待测散射光。

2.根据权利要求1所述基于激光多普勒测速的管道二维流场流速测量系统，其特征在于，所述聚焦反射组件包括第一透镜与扫描振镜；

所述第一透镜位于所述分束器的后方，所述扫描振镜位于所述第一透镜后方，以将两平行测量光束以相同角度入射所述扫描振镜，再经所述扫描振镜反射并会聚于管道内流场待测点，并将携带流场运动信息的部分散射光沿原路返回，形成待测散射光。

3.根据权利要求2所述基于激光多普勒测速的管道二维流场流速测量系统，其特征在于，所述扫描振镜包括振镜电机和反射镜片，所述反射镜片固定设在所述振镜电机的输出转轴，以驱动所述反射镜片具有转动的行程，使得经所述反射镜片反射后的两测量光束的角平分线垂直于待测流场管道。

4.根据权利要求3所述基于激光多普勒测速的管道二维流场流速测量系统，其特征在于，所述聚焦反射组件还包括第一电动坐标架；

所述振镜电机固定在所述第一电动坐标架上，使得所述扫描振镜具有直线运动的行程，以完成待测流场管道内不同流场待测点的测量。

5.根据权利要求2或3或4所述基于激光多普勒测速的管道二维流场流速测量系统，其特征在于，所述第一透镜为液体透镜。

6.根据权利要求2或3或4所述基于激光多普勒测速的管道二维流场流速测量系统，其特征在于，所述聚焦反射组件还包括第二电动坐标架，所述第一透镜为凸透镜，所述第一透镜固定在所述第二电动坐标架上，具有直线运动的行程。

7.根据权利要求1至4中任一项所述基于激光多普勒测速的管道二维流场流速测量系统，其特征在于，所述探测组件包括平面反射镜、第二透镜与光电探测器；

所述平面反射镜位于所述聚焦反射组件的前方，以将待测散射光反射至所述第二透镜；

所述第二透镜位于所述平面反射镜的反射光路上，所述光电探测器位于所述第二透镜的焦点处，以将待测散射光会聚于光电探测器的光敏面。

8.一种基于激光多普勒测速的管道二维流场流速测量方法，其特征在于，采用权利要求1至7任一项所述测量系统，所述测量方法具体包括如下步骤：

步骤1，根据需要将待测的待测流场管道截面划分为若干待测区域；

步骤2，调整扫描振镜的位置至两测量光束能够射入对应待测区域；

步骤3，调整扫描振镜的角度至两测量光束的角平分线垂直于管道；

步骤4，调整第一透镜至两测量光束的相交部分在对应待测区域的中心；

步骤5，测量该中心点的多普勒频移，计算该待测区域的流场流速；

步骤6，重复步骤2-5的过程，直至所待测区域均完成测量。

9.根据权利要求8所述基于激光多普勒测速的管道二维流场流速测量方法，其特征在于，步骤5中，所述计算该待测区域的流场流速，具体为：

式中，v为对应待测区域的流场流速，λ为激光波长，Δf为探测组件输出信号的多普勒频移，θ＝2arctan[L/(2f)]为两测量光束的夹角，L为分束器输出的两平行光束的间距，f为第一透镜的焦距。

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