專利名稱：單相機全場多普勒測速裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及流速的測量裝置，具體地說是涉及一種單相機全場多普勒測速 裝置。
技術(shù)背景隨著激光、計算機和傳感器等技術(shù)的發(fā)展，用于流場測量的新技術(shù)和新儀器不斷被創(chuàng)造出來，如激光多普勒風(fēng)速儀(LDA)、粒子成像測速儀(PIV)、 平面激光誘導(dǎo)熒光技術(shù)(PLIF)等應(yīng)用十分廣泛。但目前還有一些流場沒有很好手段來進行非接觸測量或測量中存在較大誤 差，例如，高馬赫數(shù)和超高馬赫數(shù)流場測量、大尺度風(fēng)洞流場實時測量、燃燒 場多參數(shù)實時測量等。對于基于PIV技術(shù)的測量裝置而言，由于對顆粒散射光 要求很高，要求流場內(nèi)顆粒較大，但對于高馬赫數(shù)流場而言跟隨性會隨之降低， 顆粒太小則散射光強變?nèi)?，粒子配對成功率下降，無法滿足全場測速的要求。 近些年發(fā)展起來的多普勒全場測速(DGV)技術(shù)應(yīng)用在上述應(yīng)用中具有一定潛 力。DGV的基本工作原理是測量運動粒子散射光的多普勒頻移。當(dāng)激光被移動 粒子散射時，會產(chǎn)生多普勒頻移，根據(jù)多普勒頻移公式有其中，5和f別是接收和發(fā)射光單位矢量，K是流動速度矢量，2是入射光 波長。DGV使用一個窄線寬激光來照亮流場中的某一平面。示蹤粒子散射光經(jīng)過 分子濾波器后由一相機采集。同時該圖像在不經(jīng)過濾波器的情況下被另外一個 相機一參考相機所采集。分子濾波器是一個簡單的光學(xué)元件(兩端開窗的玻璃 圓柱)，內(nèi)裝吸收分子，該分子具有能夠和激光光譜相匹配的吸收帶。這就形成 了一個具有有限長度斜邊的透射率曲線(如圖l所示)，通過濾波器的光譜強度 和光的頻率有關(guān)。/,//^是分子濾波器的光譜透射率，/,定義為通過濾波器后的 光譜強度(在頻率v處)，/。,為濾波器之前的光譜強度。通過濾波器的光譜強度 是散射光的光譜強度與濾波器分子吸收線的巻積。信號相機的每一個像素記錄 了積分光譜強度，/=仏&。參考相機采集了未通過濾波器的流場圖像，即與未經(jīng)濾波器的積分光譜強度/。= 以積分透射率為自變量，頻移(或頻率函數(shù)《)為因變量繪制頻移-透射率變化曲線(如圖2所示)，實際測試中，一 旦每個像素點上的透射率通過兩個相機信號對比得到后，多普勒頻移就可以根 據(jù)濾波器的頻率函數(shù)計算出，示蹤粒子速度(即流動速度)可以由頻移計算出。 盡管DGV有其優(yōu)點，但是在應(yīng)用過程中還存在一些問題。為消除激光頻率 和強度變化對測量結(jié)果的影響，需用參考信號來進行修正，因此DGV技術(shù)中每 個速度分量需用兩個相機，即信號相機和參考相機，由此造成設(shè)備造價昂貴， 且不可避免地存在光路對正誤差。為此，研究人員提出多種改進方法，如雙頻 激光、鏡頭分區(qū)等，這些方法效果都不是很理想。 發(fā)明內(nèi)容針對目前全場測速技術(shù)中存在的缺陷，本發(fā)明的目的在于提供一種單相機 全場多普勒測速裝置。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是Nd:YAG激光器發(fā)出的調(diào)制激光經(jīng)分光鏡進行分光后， 一路經(jīng)圓柱透鏡和 第一球面透鏡形成片光照亮流場測試區(qū)域，另一路經(jīng)平面鏡、第一碘分子濾波 器、第二球面透鏡、光電二極管和計算機接口接到控制計算機，計算機接口的 三路控制信號分別經(jīng)頻率控制器、溫度控制器、同步控制器與Nd:YAG激光器 連接，流場測試區(qū)域的散射光經(jīng)透鏡、第二碘分子濾波器和CCD相機接入控制 計算機。所述的第一、第二碘分子濾波器均為在石英玻璃筒體的兩端加上光學(xué)玻璃 窗口，石英玻璃筒體外壁分別開有與真空泵相連的連接口，與冷端盲頭的連接 接口，經(jīng)截止閥與裝有固態(tài)碘的側(cè)臂的連接接口。所述的第一碘分子濾波器是接受流場測試區(qū)域的散射光經(jīng)透鏡后通過一個 光學(xué)玻璃窗口接收，再經(jīng)過另一個光學(xué)玻璃窗口，由CCD相機接收；第二碘分 子濾波器是接受經(jīng)平面鏡的反射光，輸出至第二球面透鏡。本發(fā)明具有的有益的效果是1. 與傳統(tǒng)DGV測速裝置相比，只采用一個CCD相機，簡化測速裝置，降 低設(shè)備成本。2. 與PIV測速裝置相比，可以滿足大尺度流場全場測速的需要。3. 針對大尺度流場，具有超過上述兩種測速裝置的測量精度。


圖l是濾波器透射率曲線。圖2是濾波器多普勒頻移函數(shù)曲線。圖3是頻率調(diào)制DGV光強調(diào)制示意圖。圖4是典型的檢測信號及其頻譜特性。圖5是一次諧波和二次諧波幅值^JA/)和4加(A/)。圖6是比值《(A/^^加(A/)/4加(A/)。圖7是系統(tǒng)實施示意圖。圖8是碘分子濾波器結(jié)構(gòu)圖。圖9是頻率采樣點分布原理圖。圖10是一、二次諧波比值算法原理圖。圖中1、 Nd:YAG激光器，2、頻率控制器，3、溫度控制器，4、同步控 制器，5、計算機接口， 6、控制計算機，7、 CCD相機，8碘分子濾波器，9、 平面鏡，10、球面透鏡，11、圓柱透鏡，12、分光鏡，13、光電二極管，14、 流場測試區(qū)域，15、透鏡，16、熱電偶，17、連接口， 18、冷端盲頭，19、截 止閥，20、側(cè)壁，21、冷卻水，22、筒體。
具體實施方式
下面結(jié)合附圖和實施方式對本發(fā)明作進一步說明。本發(fā)明解決其技術(shù)問題的基本方法是采用頻率調(diào)制激光代替常規(guī)DGV中恒 定頻率激光(測量期間)，假設(shè)其頻率其中，,為激光中心頻率，A為頻率調(diào)制幅度，厶為調(diào)制頻率。 由于分子濾波器的頻率變化-光強變化的轉(zhuǎn)換作用，通過分子濾波器后，相 機(或探頭)檢測到的是光強調(diào)制信號(如圖3所示)。由于分子濾波器透射率 曲線是非線性的，光強信號中包含了各次諧波。如圖4所示，給出的是典型光 強調(diào)制信號及其能譜(僅顯示一次和二次諧波)。當(dāng)激光中心頻率變化時，一、 二次諧波的幅值隨之變化，如圖5所示，示意性給出了一次諧波和二次諧波幅 值隨激光中心頻率的變化曲線。很顯然，粒子運動產(chǎn)生的散射光頻移相當(dāng)于激 光中心頻率發(fā)生變化，而這個變化將反應(yīng)在兩個諧波的幅值變化上。而這兩個 諧波幅值4(A/)和4"A/)都正比于光強，比值^/)"，(A/)/4,JA/)的數(shù)值僅 取決于中心頻率的位置(如圖6所示)，因此，F(xiàn)M-DGV中考察多普勒頻移引起 的比值《(A/)的變化，即可得到多普勒頻移，不再需要常規(guī)DGV系統(tǒng)中的參考 圖像，分光過程自然也省略了。如圖7所示，Nd:YAG激光器1發(fā)出的調(diào)制激光經(jīng)分光鏡12進行分光后， 一路經(jīng)圓柱透鏡11和第一球面透鏡10形成片光照亮流場測試區(qū)域14，另一路 經(jīng)平面鏡9、第一碘分子濾波器8、第二球面透鏡IO、光電二極管13和計算機 接口 5接到控制計算機6，計算機接口 5的三路控制信號分別經(jīng)頻率控制器2、 溫度控制器3、同步控制器4與Nd:YAG激光器1連接，流場測試區(qū)域14的散 射光經(jīng)透鏡15、第二碘分子濾波器8和CCD相機7接入控制計算機6。如圖7所示，Nd:YAG激光器l發(fā)出的調(diào)制激光首先進行分光，大部分用于 測量， 一小部分用于激光頻率和能量監(jiān)測；第一部分激光經(jīng)過圓柱透鏡ll和球 面透鏡10形成片光，用于照亮被測流場。示蹤粒子的散射光經(jīng)過透鏡15和碘分 子濾波器8后被CCD相機7采集。相機采集的一組圖像(至少三幅)，傳輸?shù)接嬎?機6進行處理和計算。系統(tǒng)中Nd:YAG激光器l采用的是單塊固體環(huán)形連續(xù)激光器 (532nm)，激光線寬可窄至100kHz，能量為1W。頻率控制器2將激光信號調(diào)制 成正弦波信號，調(diào)制頻率為2 21kHz，調(diào)制幅值為士200MHz 400MHz，溫度控 制器3采用PID控溫技術(shù)，控溫精度控制到0.01度，同步控制器4用于負(fù)責(zé)激光照 明和相機同步。本測速裝置中，頻率控制器2選用FC200，溫度控制器3選用 TC350，同步控制器4選用DG580，計算機接口5采用的控制卡為PCI1506。激光 頻率監(jiān)測，激光相機同步以及激光溫度監(jiān)測等功能通過控制計算機6的操作軟件 和數(shù)據(jù)處理軟件來實現(xiàn)。如圖8所示，所述的第一、第二碘分子濾波器8均為在石英玻璃筒體22的 兩端加上光學(xué)玻璃窗口 ，石英玻璃筒體22外壁分別開有與真空泵相連的連接口 17，與冷端盲頭18的連接接口，經(jīng)截止閥19與裝有固態(tài)碘的側(cè)臂20的連接接 PI。所述的第一碘分子濾波器8是接受流場測試區(qū)域14的散射光經(jīng)透鏡15后 通過一個光學(xué)玻璃窗口接收，再經(jīng)過另一個光學(xué)玻璃窗口，由CCD相機7接收； 第二碘分子濾波器8是接受經(jīng)平面鏡9的反射光，輸出至第二球面透鏡10。筒體部分用加熱帶纏繞并作絕熱處理，保持一定的加熱溫度(340-380K)。 濾波器筒體22溫度控制不要求很精確，只要保證碘不粘在窗口上即可。與筒體 相連的側(cè)臂20保持在一個較低的溫度， 一般310-325K。由于濾波器工作時對側(cè) 臂20溫度特別敏感，通常通過一個精密系統(tǒng)來保持溫度恒定(如恒溫水浴)， 通過冷卻水21和熱電偶16的反饋值來保持溫度恒定。濾波器上的冷端盲頭18 用來調(diào)節(jié)碘蒸汽分壓(摩爾濃度)，以便獲得理想的透射率曲線。當(dāng)固態(tài)和氣態(tài) 碘達到平衡后，關(guān)閉截至閥19，使側(cè)臂20與濾波器筒體22分開。CCD相機13采用Nikon單CCD相機，采集頻率為lOHz,最高可達13Hz， 單幅分辨率為1600x1200，采集的信號直接通過1394或usb通訊接口存儲到控 制計算機6?？刂朴嬎銠C可采用目前主流的計算機，如DELL的OPTIPLEX330 品牌機。本裝置中平面鏡9選用O30X5，球面透鏡10選用￡200，圓柱透鏡11 選用f50，分光鏡12分光比針對532nm為10:1，透鏡15選用f50。
數(shù)據(jù)處理算法原理，如圖9， 10所示。對于周期性調(diào)制曲線，只需測量一 個周期內(nèi)的數(shù)據(jù)點就可以，理論上知道(0)-(4)五個點的值就可以確定這條曲線。 g(l)和g(3)數(shù)值可假定為相同，g(0)和g(4)為同一值，這樣最少只需采集3幅圖 像就可以滿足計算要求，采用公式如下所示，
《04) — g,,,(0)-g",(2)
《(2/M) — ~(0)-&,;(1) + ~(2)-
《OZm)和《(2/m)分別表示一次諧波幅值和二次諧波的幅值g"(O) ， g,，,(l)， ^(2)為對應(yīng)的三次圖像采集信號。
通過上述公式，可以對所拍攝流場的圖像進行單個像素點分析處理，獲該
像素點所對應(yīng)的一次和二次諧波幅值之比，并根據(jù)標(biāo)定過的其商與對應(yīng)的多普
勒頻移對應(yīng)的曲線關(guān)系，獲得該點的多普勒頻移量，最終獲得該點的速度值。
同樣，對每個像素點進行類似的數(shù)據(jù)處理，進而可獲得整個流場的速度分布。
權(quán)利要求
1、一種單相機全場多普勒測速裝置，其特征在于Nd:YAG激光器(1)發(fā)出的調(diào)制激光經(jīng)分光鏡(12)進行分光后，一路經(jīng)圓柱透鏡(11)和第一球面透鏡(10)形成片光照亮流場測試區(qū)域(14)，另一路經(jīng)平面鏡(9)、第一碘分子濾波器(8)、第二球面透鏡(10)、光電二極管(13)和計算機接口(5)接到控制計算機(6)，計算機接口(5)的三路控制信號分別經(jīng)頻率控制器(2)、溫度控制器(3)、同步控制器(4)與Nd:YAG激光器(1)連接，流場測試區(qū)域(14)的散射光經(jīng)透鏡(15)、第二碘分子濾波器(8)和CCD相機(7)接入控制計算機(6)。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種單相機全場多普勒測速裝置，其特征在于 所述的第一、第二碘分子濾波器(8)均為在石英玻璃筒體(22)的兩端加上光學(xué)玻璃 窗口，石英玻璃筒體(22)外壁分別開有與真空泵相連的連接口(17)，與冷端盲頭 (18)的連接接口 ，經(jīng)截止閥(19)與裝有固態(tài)碘的側(cè)臂(20)的連接接口 。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種單相機全場多普勒測速裝置，其特征在 于所述的第一碘分子濾波器(8)是接受流場測試區(qū)域(14)的散射光經(jīng)透鏡(15)后 通過一個光學(xué)玻璃窗口接收，再經(jīng)過另一個光學(xué)玻璃窗口，由CCD相機CO接 收；第二碘分子濾波器(8)是接受經(jīng)平面鏡(9)的反射光，輸出至第二球面透鏡 (10)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種單相機全場多普勒測速裝置。Nd:YAG激光器發(fā)出的調(diào)制激光經(jīng)分光鏡進行分光后，一路經(jīng)圓柱透鏡和第一球面透鏡形成片光照亮流場測試區(qū)域，另一路經(jīng)平面鏡、第一碘分子濾波器、第二球面透鏡、光電二極管和計算機接口接到控制計算機，計算機接口的三路控制信號分別經(jīng)頻率控制器、溫度控制器、同步控制器與Nd:YAG激光器連接，流場測試區(qū)域的散射光經(jīng)透鏡、第二碘分子濾波器和CCD相機接入控制計算機。與傳統(tǒng)DGV測速裝置相比，只采用一個CCD相機，簡化測速裝置，降低設(shè)備成本。與PIV測速裝置相比，可以滿足大尺度流場全場測速的需要。針對大尺度流場，具有超過傳統(tǒng)DGV和PIV兩種測速裝置的測量精度。
文檔編號G01P5/00GK101576568SQ20091009936
公開日2009年11月11日 申請日期2009年6月4日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月4日
發(fā)明者張洪軍, 彭海波, 趙曉東 申請人:中國計量學(xué)院