CN203705307U - 基于双光束相向照射的干涉粒子成像测量装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于双光束照射的干涉粒子成像测量装置，包括片状光束相向照射系统和接收成像系统，片状光束相向照射系统由激光器、扩束准直系统、光束压缩系统、分束镜和反射镜组组成。接收成像系统包括聚焦成像系统和离焦成像系统。分束镜将粒子散射光分成两部分，聚焦成像系统由CCD和成像透镜组成，离焦成像系统由成像透镜和CCD组成,采集到的图像存储于计算机中。在聚焦成像系统和离焦成像系统中，物平面、透镜平面和CCD像面相互平行。本实用新型通过粒子散射光的条纹图和聚焦像，得到粒子尺寸大小，结合PTV/PIV技术，得到粒子场速度分布，可用于喷雾粒子场粒子尺寸、速度测量以及气缸内空气速度场测量。

Description

基于双光束相向照射的干涉粒子成像测量装置

技术领域

本实用新型涉及一种双光束相向照射的干涉粒子成像测量装置。 

背景技术

粒子广泛存在于喷雾、流体、石油、化工、环保、材料、水利、食品、航空航天、燃料燃烧等领域。粒子尺寸、速度等参数不仅对材料和产品的性能和质量有直接影响，还与优化工艺过程、降低能源消耗、减少环境污染等有着直接或间接的关系。因此粒子场测试与诊断在工业、科研等领域具有重要的意义。目前已提出粒子场测量的常见方法有： 

激光全息/数字全息技术，该方法是通过对粒子场全息图的再现分析确定粒子尺寸、速度、分布及其它参量的一种光学测量方法。在数字全息术中，粒子场的全息图直接以数字方式记录在CCD上，再以数字方式再现，可同时获得3D粒子场的振幅和相位的全部信息，并直接以数字形式描述，结合PIV/PTV技术，实现粒子场如粒子尺寸、位置、速度及粒子分布等参数的定量测量和分析。 

光散射/衍射法是一种基于光散射/衍射原理的粒子直径测量技术。激光束照射粒子发生散射/衍射，散射/衍射光强度分布与被照射颗粒的直径有关，根据探测器接收的衍射光能量分布可计算出被测粒子群的粒径分布。 

相位多普勒技术(Phase Doppler Anemometry，简称PDA)是利用运动粒子散射光的多普勒效应实现粒子的尺寸和速度测量，利用散射光的相位差实现粒子尺寸的测量，利用散射光的频率差实现粒子速度的测量。 

干涉粒子成像技术(IPI)是一种相对较新的粒子测量技术，其基本原理是基于Mie散射理论，通过测量粒子散射光干涉条纹图的条纹数/条纹频率，或聚焦两点像之间的距离得到粒子尺寸大小。结合PTV/PIV技术，实现粒子速度测量。该技术适用于透明球形粒子场测量。 

实用新型内容

针对上述现有技术，本实用新型提供一种基于双光束相向照射的干涉粒子成像测量装置，通过粒子散射光的条纹图和聚焦像，得到粒子尺寸大小，结合PTV/PIV技术，得到粒子场速度分布，可用于喷雾粒子场粒子尺寸、速度测量以及气缸内空气速度场测量。 

在单光束照射的IPI测量装置中，对散射角θ≠90°区域，这时物平面、成像透镜平面与CCD像面不平行，使得物面上不同位置处放大率不同，从而使聚焦像面上的相同直径 粒子形成的聚焦两点像间距大小不同，离焦条纹图大小不同，进而影响了粒子像中心定位和条纹频率的提取精度。 

为了解决上述技术问题，本实用新型一种基于双光束相向照射的干涉粒子成像测量装置包括片状光束相向照射系统和接收成像系统，片状光束相向照射系统由激光器、扩束准直系统、光束压缩系统、第一分束镜和反射镜组组成。接收成像系统包括聚焦成像系统和离焦成像系统。第二分束镜将粒子散射光分成两部分，聚焦成像系统由第一CCD和第一成像透镜组成，离焦成像系统由第二成像透镜和第二CCD组成,采集到的图像存储于计算机中。在聚焦成像系统和离焦成像系统中，物平面、透镜平面和CCD像面相互平行。本实用新型通过粒子散射光的条纹图和聚焦像，得到粒子尺寸大小，结合PTV/PIV技术，得到粒子场速度分布，可用于喷雾粒子场粒子尺寸、速度测量以及气缸内空气速度场测量。 

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是： 

(1)本实用新型提出了利用双光束相向照射粒子场，使得干涉发生在同阶散射光之间，条纹对比度高，且聚焦像中两点像亮度相同，有助于条纹频率及两点像间距的提取。 

(2)本实用新型选择90°的散射角，在此位置接收散射光可以保证收集系统放大倍率不变，使得离焦像面上干涉条纹图大小相同，有助于条纹图中心定位，且相同直径粒子形成的两点像间距相同，从而提高粒径测量精度。 

(3)本实用新型选择利用双相机同时接收粒子散射光的聚焦像和离焦像，通过双(多)次曝光，结合PTV/PIV实现喷雾场粒子尺寸、速度、粒度分布、空间分布及气缸内空气速度场同时测量。 

附图说明

图1为本实用新型中双光束照射的干涉粒子测量装置的一种具体实施方案图； 

图2为本实用新型中图像处理算法的流程图，其中，(a)是粒子条纹图图像处理算法流程图，(b)是两点像图像处理算法流程图。 

其中，1为激光器，2为扩束准直系统，3为正/负柱透镜组组成的光束压缩系统，41为第一分束镜、42为第二分束镜，61为第一成像透镜、62为第二成像透镜，71为第一CCD、72为第二CCD，8为粒子场，51、52、53分别为反射镜。 

具体实施方式

下面以图1所示的实验光路为例，阐述本测量装置的具体测量过程； 

①光路系统搭建 

如图1所示，本实用新型一种基于双光束相向照射的干涉粒子成像测量装置包括片状光束相向照射系统和接收成像系统，所述片状光束相向照射系统由激光器1、扩束准直系统2、光束压缩系统3、第一分束镜41和反射镜组51、52、53组成；所述接收成像系统包括聚焦成像系统和离焦成像系统；第二分束镜42将粒子散射光分成两部分，聚焦成像系统由第一CCD71和第一成像透镜61组成，离焦成像系统由第二成像透镜62和第二CCD72组成，采集到的图像存储于计算机9中；在聚焦成像系统和离焦成像系统中，物平面、透镜平面和CCD像面相互平行。其中，激光器1为波长λ＝532nm，最大功率为1.5W的半导体激光器，激光器1发出的细光束经扩束、滤波、准直系统2后得到直径为20mm的圆形光束；再经正柱透镜和负柱透镜组成的光束压缩系统3压缩为长20mm、宽1.25mm的片状光束；片光束经分束镜41和三个反射镜51、52、53分成强度相等的两束光，相向照射粒子场8，粒子产生散射。 

②粒子条纹图和聚焦两点像采集 

粒子散射光经第二分束镜42后分成两路，第一成像透镜61和第一CCD71组成第一成像系统，记录粒子条纹图；第二成像透镜62和第二CCD72组成第二成像系统，记录粒子聚焦两点像。聚焦像和条纹图存储于计算机9中。实验中，可以同时记录，也可以分别记录聚焦像和条纹图。图4所示为采集的一个标称直径为45μm的标准粒子聚焦像和条纹图，图4(a)是离焦像，图4(d)是聚焦像，图4(b)～图4(c)、图4(e)～图4(f)分别是单光束照射时粒子离焦像和聚焦像。在第一成像系统中可引入狭缝或柱透镜，将2D的圆形条纹图压缩为1D的线形条纹图，条纹图的大小根据粒子场的密度确定。此时，物平面(光束平面)、成像透镜平面和CCD像面三者互相平行，成像系统放大率相同。 

③粒子条纹图和聚焦像处理 

对采集到的粒子条纹图，利用图2(a)所示的粒子尺寸测量方法，对粒子干涉图进行单向梯度匹配运算得到每个粒子中心坐标，提取每个粒子干涉条纹图。再对其进行傅立叶变换和修正Rife/二次修正Rife方法的插值计算，得到粒子干涉条纹间距/条纹数N。对采集到的聚焦像，利用图2(b)所示的粒子尺寸测量方法，对粒子聚焦像进行相关运算得到每个粒子中心坐标，提取每个粒子两点像图像。再对每个粒子两点像进行自相关，Gaussian插值提取两点像之间距离△l。 

④粒子尺寸测量 

对条纹图，利用计算得到粒子直径，对45μm标准粒子测量值为d＝44.57±0.76μm。对点模式，利用计算得到粒子直径，对45μm标准粒子测量值为d＝45.56±0.53μm。 

⑤粒子速度测量 

通过两次曝光，记录粒子的聚焦像和条纹图，结合PTV技术，利用v＝△s(M△t)计算得到粒子速度，式中为两聚焦像距离或/和两条纹图中心距离，(x1,y₁)、(x₂,y₂)为利用③提取的两聚焦像中心坐标或/和两条纹图中心坐标，△x＝△y为CCD的象素尺寸。对15.3μm标准粒子条纹像测得最大速度为1.99mm/s，最小速度为0.74mm/s，平均速度为1.45mm/s。 

尽管上面结合图对本实用新型进行了描述，但是本实用新型并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本实用新型的启示下，在不脱离本实用新型宗旨的情况下，还可以作出很多变形，这些均属于本实用新型的保护之内。 

Claims (1)

1.一种基于双光束照射的干涉粒子成像测量装置，包括片状光束相向照射系统和接收成像系统，其特征在于，所述片状光束相向照射系统由激光器（1）、扩束准直系统（2）、光束压缩系统（3）、第一分束镜（41）和反射镜组（51、52、53）组成；所述接收成像系统包括聚焦成像系统和离焦成像系统；第二分束镜（42）将粒子散射光分成两部分，聚焦成像系统由第一CCD（71）和第一成像透镜（61）组成，离焦成像系统由第二成像透镜（62）和第二CCD（72）组成，采集到的图像存储于计算机（9）中；在聚焦成像系统和离焦成像系统中，物平面、透镜平面和CCD像面相互平行。