CN212410375U - 一种大气云雾场颗粒探测与粒径测量的装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种大气云雾场颗粒探测与粒径测量的装置：激光扩束平行系统，激光扩束平行系统产生平行光束照射颗粒探测区域，当有颗粒存在时，颗粒产生颗粒散射光；颗粒探测与全息拍摄系统，包括数字相机，颗粒探测与全息拍摄系统用于判断颗粒探测区域是否有颗粒存在，有颗粒存在时，颗粒散射光的一部分进入数字相机并在控制与数据处理系统的控制下对所述颗粒探测区域记录颗粒全息图；控制与数据处理系统，包括光电探测器，颗粒散射光的另一部分触发光电探测器产生脉冲触发信号；控制与数据处理系统利用光电探测器产生的脉冲触发信号控制数字相机拍摄颗粒全息图，并进行重建和处理获得颗粒粒径大小。该装置极大提高了颗粒采样与测量效率。
Description
技术领域
本实用新型涉及多相流颗粒测量，具体涉及一种用于风力机大气云雾场颗粒探测与粒径测量的装置。
背景技术
大气云雾场与自然界和工业中的诸多领域都有着十分密切的联系，自然界中如大气环境气象探测，工业中如风力发电、飞行器飞行等。以风力发电为例，风场中的液滴颗粒对风力机叶片结冰有重要的影响。比如某些高纬度高海拔地区温度低，湿度大，风力发电机组在这些地区很容易结冰，对其叶片的完整性造成了很大的影响，从而大大降低了机组的运行性能和发电效率。另外，结冰还会造成叶片负载不均衡从而对机组的运行安全性造成严重危害，减少了机组的使用寿命。所以风力发电机结冰成为了风电行业一个迫在眉睫的问题。
目前国内外对结冰情况的监测主要是通过判断风力发电机组的叶片转速情况又或结合功率参数进行判断的，比如公布号为CN 108223307A的实用新型专利，它便是通过测取当前风速和机组转速并与预设风速阈值和转速阈值进行比较判断风力发电机组结冰情况。这类技术的不足之处在于其无法在风力发电机结冰前做出相应的防控措施，只能等到转速和功率下降时才能做出相应的判断。我们希望可以通过分析风力发电机组结冰的气象原因进而在机组结冰前采取相应措施，这样便可以最大程度降低结冰对于风力发电机机组的运行影响。
风力机结冰主要是气温在冰点温度以下，由冷冻的细雨、湿雪或结冰雾、云、霜等水汽凝结物沉积形成。概括地，可分为冻雾覆冰和降雨型结冰。其中，液态水含量和水滴中值体积直径是结冰气候条件的两个重要参数。低空云、雾中的液态水含量一般小于0.3g/m3。水滴中值体积直径是一个代表性的数值，该值将云雾中的小水滴分成数量相等的两部分。对积云和层云，水滴中值体积直径一般在10～50μ m之间；雾的水滴中值体积直径一般是15～50μm。研究表明，地面常见结冰气象条件的典型水滴中值体积直径为25μm左右。这些不同的颗粒参数会对结冰情况产生直接的影响。对于不同结冰情况需要采取相应的除冰措施，因此需要对风力发电机区域的空气颗粒粒径大小以及数量和分布情况进行监测分析，为后续风力发电机的结冰分析提供数据依据。
而对于风力机风场此类稀疏颗粒场测量时，若采用数字相机自由曝光照相模式，采样效率低下，不利于后期数据处理。
实用新型内容
本实用新型的目的在于提供一种大气云雾颗粒粒径全息实时测量的装置；本实用新型提供的装置极大提高了颗粒采样与测量效率。
本实用新型为实现上述目的，采用的具体技术方案如下。
本实用新型提供了一种大气云雾场颗粒探测与粒径测量的装置，所述装置包括：
激光扩束平行系统，所述激光扩束平行系统产生平行光束照射颗粒探测区域，当有颗粒存在时，颗粒产生颗粒散射光；
颗粒探测与全息拍摄系统，包括数字相机，所述颗粒探测与全息拍摄系统用于判断颗粒探测区域是否有颗粒存在，有颗粒存在时，颗粒散射光的一部分进入数字相机并在控制与数据处理系统的控制下对所述颗粒探测区域记录颗粒全息图；
控制与数据处理系统，包括光电探测器，颗粒散射光的另一部分触发光电探测器产生脉冲触发信号；所述控制与数据处理系统利用光电探测器产生的脉冲触发信号控制数字相机拍摄颗粒全息图，并进行重建和处理获得颗粒粒径大小。
所述激光扩束平行系统包括激光器、平凹透镜、空间滤波器、凸透镜和反射镜；激光器产生的激光经平凹透镜扩束和空间滤波器滤波去除杂质光后再经过凸透镜形成平行光束，由反射镜反射进入颗粒探测区域。
所述空间滤波器包括物镜和针孔，针孔中心位于凸透镜的前焦点处。
所述颗粒探测与全息拍摄系统包括分束镜、平凸透镜、带孔反射镜、光电探测器以及数字相机；当颗粒探测区域有颗粒存在时，平行光束经过颗粒后会产生颗粒散射光，颗粒散射光和平行光束共同进入分束镜并分为两部分，颗粒散射光和平行光束的一部分进入数字相机；颗粒散射光的另一部分经平凸透镜汇聚后经带孔反射镜反射进入光电探测器产生脉冲触发信号；平行光束的另一部分经平凸透镜聚焦在带孔反射镜中的中心孔进而被光挡吸收。
所述数字相机上设有远心镜头。其中，所述数字相机处于外触发模式并与上位机相连接，通过软件编程可以控制数字相机的拍摄。光电探测器产生脉冲信号后传输至上位机中的控制与数据处理系统，控制数字相机拍摄颗粒的全息图；并可根据进入数字相机的光强选择适当的曝光时间。
所述带孔反射镜的中间设有与反射镜面成45°的斜孔，大小为 1-3mm。
所述光电探测器的感光区域与带孔反射镜的中心相距20-60mm，有效探测面积为10-100mm2。
具体地，在颗粒探测与全息拍摄系统中：当颗粒通过颗粒探测区域被入射平行光束照射时，会产生颗粒散射光(非平行光)，其中入射的平行光束通过利用平凸透镜对平行光的汇聚作用聚焦在45度倾斜放置的带孔反射镜中心孔，汇聚的平行光束穿过中心孔被光挡收集，不会进入光电探测器，从而当颗粒探测区域没有颗粒时光电探测器不响应。颗粒散射光通过平凸透镜后，由于入射角度会发生变化，不会聚焦在带孔反射镜中心孔，从而会有部分散射光通过带孔反射镜反射进入光电探测器的镜头区域，触发光电探测器产生相应幅值的脉冲电压信号，该信号作为触发控制数字相机记录全息图片。
所述装置包括双臂式的圆柱型外壳，激光扩束平行系统位于一端的圆柱型臂中，颗粒探测与全息拍摄系统和控制与数据处理系统位于另一端的圆柱型臂中，颗粒探测区域处于两圆柱型臂之间。颗粒探测区域处于激光发射臂和全息拍摄臂之间，能够在纵向不阻挡颗粒下落，能够在横向降低对流场的干扰。并且上述结构能够最大程度上减轻仪器本身对颗粒探测区域流场的影响。
上述大气云雾场颗粒探测与粒径测量的装置的使用方法，包括以下步骤：
(1)使用平行光束照射颗粒探测区域，当颗粒穿过颗粒探测区域时，被平行光束照射的颗粒产生颗粒散射光；
(2)颗粒散射光和平行光束的一部分进入数字相机，颗粒散射光的另一部分触发光电探测器产生脉冲触发信号；平行光束的另一部分被收集。
(3)根据步骤(2)得到的脉冲触发信号控制数字相机记录颗粒全息图；
(4)重建从步骤(3)得到的颗粒全息图获得颗粒的聚焦图像，根据聚焦图像获得颗粒粒径信息。
在步骤(4)中，根据聚焦图像获得颗粒粒径信息的方法为：
其中，d为颗粒的直径，n为聚焦图像覆盖的像素数量，δ为聚焦图像像素大小，π为圆周率。
本实用新型主要解决的问题是针对大气云雾场这种稀疏颗粒场传统测量方法采样效率过低的问题，利用光电传感器对颗粒散射光的响应，产生触发信号控制相机拍摄颗粒全息图，提高了采样效率；并且只有在颗粒探测区域存在颗粒时，数字相机才会记录颗粒信息，提高对稀疏颗粒场的采样效率，实现颗粒有针对性的测量，可大大减少冗余数据。
附图说明
图1为本实用新型提供的装置的结构示意图；
图2为实施例中的颗粒全息图；
图3为实施例中重建得到的颗粒的聚焦图像；
其中，1为激光器，2为平凹透镜，3为空间滤波器，4为凸透镜， 5为反射镜，6为光学窗口，7为平行光束，8为被测颗粒，9为颗粒散射光，10为分束镜，11为凸透镜，12为带孔反射镜，13为光挡， 14为光电探测器，15为远心镜头，16为数字相机，17为上位机，18 为激光发射臂，19为全息拍摄臂，20为颗粒探测区域；
具体实施方式
为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。本实用新型决不限于下面所提出的任何具体配置和算法，而是在不脱离本实用新型的精神的前提下覆盖了元素、部件和算法的任何修改、替换和改进。基于本实用新型中的实施例,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，都属于本实用新型保护的范围。
实施例1
如图1所示，下面对整个装置的光路结构进行阐释。
整个光学系统需要具备高精度、高稳定性的特征，优选地，各光学元器件全部采用笼式结构，以提高各个部分的连接稳定性。
本实施例提供的大气云雾场颗粒探测与粒径测量的装置采用双臂式的圆柱型外壳，包括两端的圆柱型臂，分别为激光发射臂18和全息拍摄臂19；颗粒探测区域20处于两圆柱型臂之间。
在激光发射臂18中，激光器1出光孔，平凹透镜2，空间滤波器3以及凸透镜4和反射镜5同轴心放置，利用笼杆和笼板相连，其中空间滤波器3的针孔中心位置与凸透镜4的焦点重合，反射镜5镜面与水平方向中心轴夹角为45°。激光器1、平凹透镜2、空间滤波器3、凸透镜4和反射镜5组成激光扩束平行系统。
在全息拍摄臂19中，反射镜5，通光窗口6，分束镜10，凸透镜11以及带孔反射镜12中心同轴放置，同样利用笼杆和笼板相连，带孔反射镜12与中心轴夹角为135°。另外，数字相机16通过远心镜头15经由套筒嵌入分束镜10所在笼式立方体中；其中，远心镜头 15与数字相机16的镜头同轴连接。分束镜10、远心镜头15和数字相机16中心同轴。光电探测器14经由套筒与带孔反射镜12所在的直角光学调整架相连接。光挡13用于过滤带孔反射镜斜孔中的出射光。分束镜10、透镜11、带孔反射镜12、光电探测器14、远心镜头 15和数字相机16组成颗粒探测与全息拍摄系统。
在全息拍摄臂19中，光电探测器14和数字相机16均与上位机 17连接，上位机17包括控制与数据处理系统。
最后采用多个支架将整个光路结构校准固定。
用上述装置进行探测空气区域颗粒粒径大小的具体操作如下：
S1、使用平行光束照射颗粒探测区域，当颗粒穿过颗粒探测区域时，被平行光束照射的颗粒产生颗粒散射光；
S1-1、激光器1输出0-1000mW功率可调的可见光波段激光。综合考虑数字相机16的曝光设置以及光电探测器14的灵敏度，优选地，激光器1为半导体激光器，激光器1功率为0.5W，波长为532nm。
S1-2、激光随后通过平凹透镜2进行扩束，然后经由空间滤波器 3进行滤波去除杂质光。优选地，平凹透镜2的焦距为-50mm的，物镜选择20X，针孔孔径为150μm。
S1-3、空间滤波器3的针孔中心位于凸透镜4的前焦点处，可以使经过空间滤波器3滤波后的原发散光束成为平行光束。优选地，凸透镜4焦距为50mm，调节空间滤波器3使经过凸透镜4产生的平行光束光斑直径为1cm左右，以此保证激光强度。
S1-4、随后，平行光束7经过反射镜5反射后，通过通光学窗口 6平行射入颗粒探测区域20，照射通过颗粒探测区域20的颗粒8并产生颗粒散射光9。优选地，所述颗粒探测区域20的宽度设定为 30-100mm。
S2、颗粒散射光和平行光束的一部分进入数字相机，颗粒散射光的另一部分触发光电探测器产生脉冲触发信号；平行光束的另一部分被收集：
S2-1、颗粒散射光9与入射的平行光束7通过光学窗口6后，被分束镜10分为两部分，一部分射入装有远心镜头15的数字相机16。优选地，分束镜10分束比为5:5。数字相机16设置为外触发模式。上位机17装配有控制数字相机的软件，可以控制数字相机16拍摄全息图。
S2-2、透过分束镜10的另一部分平行光束7则经过紧贴分束镜 10的凸透镜11汇聚到中心在凸透镜焦点的带孔反射镜12上，而后透过通光孔被光挡13吸收。该带孔反射镜中间有一个斜孔，便于将射入通光孔的光完全过滤，防止对后续光电探测器14的触发造成影响。优选地，凸透镜11的焦距为35mm，带孔反射镜12的中心孔为大小为1-3mm、与反射镜面成45°的斜孔。
S2-3、透过分束镜10的另一部分颗粒散射光9，其经过凸透镜11 不会聚焦在带孔反射镜12的斜孔中，而是一部分反射到光电探测器 14。光电探测器可以快速灵敏的感应光信号从而产生一个电压脉冲信号并将信号传输给上位机。优选地，光电探测器感光区域与带孔反射镜中心相距20-60mm，有效探测面积为10-100mm2，以便能探测不同位置颗粒的散射光。
S3、根据脉冲触发信号控制数字相机记录颗粒全息图：
上位机17每采集到一次电信号，则控制数字相机16拍一次全息图。拍摄得到的颗粒全息图将被保存在上位机中，如图2所示的颗粒全息图。优选地，光电探测器14的响应频率不低于1kHz，以对颗粒进行快速响应。
S4、重建得到的颗粒全息图获得颗粒的聚焦图像，根据聚焦图像获得颗粒粒径信息；
对拍摄的全息图进行重建再现，从而获得被测颗粒的形貌，如图 3所示。分析全息重建图中颗粒图像，颗粒图像所占的像素个数n，像素大小为δ，通过
即可计算出粒径大小d。
本实施例通过光电探测器产生触发的方法便能做到当颗粒探测区域存在颗粒时实现相机实时拍摄全息图，而在没有颗粒存在时使数字相机保持待命状态。从而提高了数字相机拍摄全息图的效率，大大减少了无效全息图的数量，也为后期的数据分析减少了工作量。
Claims (8)
1.一种大气云雾场颗粒探测与粒径测量的装置，其特征在于，所述装置包括：
激光扩束平行系统，所述激光扩束平行系统产生平行光束照射颗粒探测区域，当有颗粒存在时，颗粒产生颗粒散射光；
颗粒探测与全息拍摄系统，包括数字相机，所述颗粒探测与全息拍摄系统用于判断颗粒探测区域是否有颗粒存在，有颗粒存在时，颗粒散射光的一部分进入数字相机并在控制与数据处理系统的控制下对所述颗粒探测区域记录颗粒全息图；
控制与数据处理系统，包括光电探测器，颗粒散射光的另一部分触发光电探测器产生脉冲触发信号；所述控制与数据处理系统利用光电探测器产生的脉冲触发信号控制数字相机拍摄颗粒全息图，并进行重建和处理获得颗粒粒径大小。
2.根据权利要求1所述的大气云雾场颗粒探测与粒径测量的装置，其特征在于，所述激光扩束平行系统包括激光器、平凹透镜、空间滤波器、凸透镜和反射镜；激光器产生的激光经平凹透镜扩束和空间滤波器滤波去除杂质光后再经过凸透镜形成平行光束，由反射镜反射进入颗粒探测区域。
3.根据权利要求2所述的大气云雾场颗粒探测与粒径测量的装置，其特征在于，所述空间滤波器包括物镜和针孔，针孔中心位于凸透镜的前焦点处。
4.根据权利要求1所述的大气云雾场颗粒探测与粒径测量的装置，其特征在于，所述颗粒探测与全息拍摄系统包括分束镜、平凸透镜、带孔反射镜、光电探测器以及数字相机；当颗粒探测区域有颗粒存在时，平行光束经过颗粒后会产生颗粒散射光，颗粒散射光和平行光束共同进入分束镜并分为两部分，颗粒散射光和平行光束的一部分进入数字相机；颗粒散射光的另一部分经平凸透镜汇聚后经带孔反射镜反射进入光电探测器产生脉冲触发信号；平行光束的另一部分经平凸透镜聚焦在带孔反射镜中的中心孔进而被光挡吸收。
5.根据权利要求4所述的大气云雾场颗粒探测与粒径测量的装置，其特征在于，所述数字相机上设有远心镜头。
6.根据权利要求4所述的大气云雾场颗粒探测与粒径测量的装置，其特征在于，所述带孔反射镜的中间设有与反射镜面成45°的斜孔，大小为1-3mm。
7.根据权利要求4所述的大气云雾场颗粒探测与粒径测量的装置，其特征在于，所述光电探测器的感光区域与带孔反射镜的中心相距20-60mm，有效探测面积为10-100mm2。
8.根据权利要求1所述的大气云雾场颗粒探测与粒径测量的装置，其特征在于，所述装置包括双臂式的圆柱型外壳，激光扩束平行系统位于一端的圆柱型臂中，颗粒探测与全息拍摄系统和控制与数据处理系统位于另一端的圆柱型臂中，颗粒探测区域处于两圆柱型臂之间。
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Cited By (2)
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|---|---|---|---|---|
| CN113552042A (zh) * | 2021-07-21 | 2021-10-26 | 乐金显示光电科技(中国)有限公司 | 一种湿法刻蚀设备及其管理方法 |
| US20230204485A1 (en) * | 2021-12-24 | 2023-06-29 | Triple Win Technology(Shenzhen) Co.Ltd. | Optical particle detection system and optical particle detecting method |
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- 2020-03-17 CN CN202020333429.3U patent/CN212410375U/zh active Active
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