一种同时测量速度场和浓度场的装置和方法
【专利摘要】本发明提供了一种同时进行流体速度场和浓度场测量的装置和方法，尤其适合于测量流体混合过程中的速度场和浓度场在线测量。在待测流体或混合流体中某一个流体中同时加入示踪粒子和荧光试剂，采用粒子图像测速方法测量速度场，采用激光诱导荧光方法测量浓度场。在测量相机前设置分光装置，通过分光，滤镜和光路汇聚方法，在同一个图像内，形成由激光照射的图像部分和由诱导荧光照射的图像部分。两个图像的拍摄对象完全相同，但是显示不同波长范围的图像。激光照射部分进行速度场分析，诱导荧光照射部分进行浓度场分析。使用单个测量相机完成速度场和浓度场的同时测量，克服了多相机拍摄同步性差，结构复杂，成本高的问题。
【专利说明】
一种同时测量速度场和浓度场的装置和方法
技术领域
[0001 ]本发明涉及一种流体流动测量领域，具体是一种流体速度场和浓度场同时测量装 置和方法。
【背景技术】
[0002] 流体混合过程中的流动测量，涉及流体的速度场测量和浓度场测量。速度场广泛 采用的PIV测量方法，浓度场采用PLIF测量方法。同时进行PIV和PLIF测量的方法，一般采取 两个或多个相机的方法，其缺点是系统结构复杂，图像不重合不同步，数据分析处理难度 大，并且采用两个或以上相机，成本较高。申请号CN200710069863.4，名称为:测量气固两相 流中固体颗粒三维浓度场、速度场的方法和装置，公开了一种测量气固两相流中固体颗粒 的浓度场和速度场测量方法和装置，并通过粒子图像分析方法获取浓度场和速度场。但是 其测量的气固两相流中的固体颗粒，其双视角立体镜获取的是对象两个不同视角的图像， 并不能进行流体同一视角下速度场和浓度场的同时测量。
【发明内容】
[0003] 本发明在于提供一种同时进行流体速度场和浓度场的同时测量装置和方法，通过 分光装置，将测速光波长范围和测浓度波长范围的图像分离，并通过同一个相机，实现同一 视场的同画幅分区成像，从而实现速度场和浓度场的同步准确测量。
[0004] 本发明采用的技术方案是：
[0005] -种同时测量速度场和浓度场的装置，其特征在于，主要包含双脉冲激光器、片光 源、透明混合装置、分光装置、相机、计算机，激光器与片光源连接，片光源发射的平面片光 照射到透明混合装置上，其片光平面通过透明混合装置的中心轴线，并与待测流场平面共 面，所述分光装置包括具有进光口、出光口的不透明的遮光外壳，以及设置在外壳内部的半 透射透镜、激光滤光片、诱导荧光滤光片、第一平面反射镜组、第二平面反射镜组，分光装置 的入光口正对待测流场的测量平面，且入光口平面与测量平面平行，所述第一平面反射镜 组包括第一平面反射镜、第二平面反射镜、第三平面反射镜，第二平面反射镜组包括第四平 面反射镜、第五平面反射镜;所述半透射透镜位于分光装置的入射光路上、且与进光轴线成 45度放置，第一平面反射镜位于半透射透镜的反射光路上、且与半透射透镜的反射光轴线 成45度角放置，第二平面反射镜位于第一平面反射镜的反射光路上、且与第一平面反射镜 的反射光轴线成45度角放置，第一平面反射镜与第二平面反射镜之间设置激光滤光片，第 三平面反射镜位于第二平面反射镜的反射光路上、且与第二平面反射镜平行放置;诱导荧 光滤光片、第四平面反射镜依次设置在半透射透镜的透射光路上，第四平面反射镜与半透 射透镜的透射光轴成45度放置，第五平面反射镜位于第四平面反射镜的反射光路上、且与 第四平面反射镜平行放置;所述分光装置的出光口位于第三平面反射镜、第四平面反射镜 的反射光路上；
[0006] 相机位于分光装置出光口处，其出光口与相机入光口连接，且出光口光轴与相机 入光口光轴在同一直线上;所述相机与计算机相连；
[0007] 计算机中内置有图像分割模块、PIV测速处理模块、PLIF浓度场处理模块，
[0008] 图像分割模块用于根据图像成像区域对应的光源特性进行图像分割；
[0009] 所述PIV测速处理模块用于对激光照亮部分的图像采用PIV测速方法处理获得速 度场，；
[0010] PLIF浓度场处理模块用于对诱导荧光照亮部分的图像采用PLIF方法处理获得浓 度场。
[0011] 优选地，所述分光装置的入光口直径为B，出光口直径为2B;入光口、半透射透镜和 诱导荧光滤光片的中心在同一直线即进光轴线上;第一平面反射镜的中心点与半透射透镜 中心点的距离为L = 3B，且第一平面反射镜中心点与半透射透镜中心点连线与进光轴线垂 直;第一平面反射镜的中心点和激光滤光片的中心点连线与进光轴线平行，且距离为3B;激 光滤光片和诱导荧光滤光片的直径为B;第五平面反射镜与第四平面反射镜间距为_
第 五平面反射镜14距离进光轴线最近距离为
第三平面反射镜与第二平面反射镜间距为
第三平面反射镜15距离进光轴线最近距离为
第二至第五平面反射镜的下侧端在 与出光口平行的同一平面上;半透射反射镜的透射和反射比例根据激光和诱导荧光强度比 例设定，使得经过激光滤光片和诱导荧光滤光片滤波后的光强接近1:1。
[0012]优选地，所述分光装置的诱导荧光滤光片为长通滤光片，其截止波长大于激光中 心波长纳米以上，分光装置的激光滤光片为带通滤光片，其中心波长等于激光波长，带宽长 度为±5纳米。
[0013] -种同时测量速度场和浓度场的方法，其特征在于，包括以下步骤，
[0014] 在待测流体流过透明混合装置时，通过透明混合装置侧壁上的流体入口加入含示 踪粒子、荧光试剂的流体与待测液体混合，通过双脉冲激光器发射的激光和片光源照亮混 合液体，光线通过分光装置的进光口进入分光装置，光线经半透射透镜处分为两路，一路为 反射光，一路为透射光，将激光和诱导荧光图像分开;反射光、透射光分别经第一反光镜组 与激光滤光片、第二反光镜组与诱导焚光滤光片滤光和反射，经出光口射出，并同时通过相 机成像；
[0015] 在设定的间隔时间内，双脉冲激光器照亮待测平面两次，经分光装置和相机获得 两幅图像，根据图像成像区域对应的光源特性采用图像分割模块对相机采集的图像进行分 害J，对激光照亮部分图像采用PIV测速处理模块对图像的激光照亮部分在已知的间隔时间 内的两帧图像进行示踪粒子分析，获取各示踪粒子的速度，即待测流体的速度场;对诱导荧 光照亮图像部分采用PLIF浓度场处理模块通过诱导事先进行荧光试剂浓度和图像灰度的 映射关系标定，获得荧光强度照亮部分的浓度场，即待测液体的浓度场。
[0016] 优选地，所述示踪粒子为与流体密度接近的颗粒，尺度在5-10微米，荧光试剂为双 脉冲激光器发出波长可激发诱导荧光的试剂，其激发峰值波长超过激光波长l〇nm以上。
[0017] 本发明的有益效果：
[0018] 本发明在流体中同时加入示踪粒子和荧光试剂，通过双脉冲激光和片光源照亮混 合液体，通过分光装置将激光和诱导荧光图像分开，并同时成像到测量相机;在设定的间隔 时间内，双脉冲激光器照亮待测平面两次，经分光装置和测量相机获得两幅图像，根据图像 成像区域对应的光源特性进行图像分割，对激光照亮部分图像采用PIV测速方法处理获得 速度场，对诱导荧光照亮图像部分采用PLIF方法处理获得浓度场。
[0019] 解决了速度场和浓度场的同步测量问题，实现一个相机同时测量速度场和浓度 场，并且浓度场和速度场为同一视场。这样实现了测量同步，提高了测量的准确性，并降低 了测量成本。单个相机测量稳定，同时速度场和浓度场测量准确，便于分析混合流场的动态 特性。
【附图说明】
[0020] 图1为本发明所述同时速度场和浓度场测量装置示意图。
[0021] 图2是分光装置光路原理图。
[0022] 图中：
[0023] 1-双脉冲激光器;2-片光源;3-透明混合管;4-相机;5-分光装置;6-计算机;7-入 光口； 8-出光口； 7-入光口； 8-出光口； 9-半透射透镜；10-第一平面反射镜；11诱导荧光滤光 片；12-激光滤光片；13-第四平面反射镜；14-第五平面反射镜；15-第三平面反射镜；16-第 二平面反射镜
【具体实施方式】
[0024]下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并 不限于此。
[0025]如图1所示，本发明所述的同时测量速度场和浓度场的装置，主要包含双脉冲激光 器1、片光源2、透明混合装置3、分光装置5、相机4、计算机6,激光器1与片光源2连接，片光源 2发射的平面片光照射到透明混合装置3上，其片光平面通过透明混合装置3的中心轴线，并 与待测流场平面共面，所述透明混合装置3的侧壁上设有一流体入口；所述分光装置位于透 明混合装置3的折射光路上，所述分光装置5包括具有进光口 7、出光口 8的不透明的遮光外 壳，以及设置在外壳内部的半透射透镜9、激光滤光片12、诱导焚光滤光片11、第一平面反射 镜组、第二平面反射镜组，所述第一平面反射镜组包括第一平面反射镜10、第二平面反射镜 16、第三平面反射镜15,第二平面反射镜组包括第四平面反射镜13、第五平面反射镜14;所 述半透射透镜9位于分光装置5的入射光路上、且与进光轴线成45度放置，第一平面反射镜 10位于半透射透镜9的反射光路上、且与半透射透镜9的反射光轴线成45度角放置，第二平 面反射镜16位于第一平面反射镜10的反射光路上、且与第一平面反射镜10的反射光轴线成 45度角放置，第一平面反射镜10与第二平面反射镜16之间设置激光滤光片12,第三平面反 射镜15位于第二平面反射镜16的反射光路上、且与第二平面反射镜16平行放置。诱导荧光 滤光片11、第四平面反射镜13依次设置在半透射透镜9的透射光路上，第四平面反射镜13与 半透射透镜9的透射光轴成45度放置，第五平面反射镜14位于第四平面反射镜13的反射光 路上、且与第四平面反射镜13平行放置。所述分光装置5的出光口 8位于第三平面反射镜15、 第四平面反射镜13的反射光路上。相机4位于分光装置5出光口 8处，其出光口 8与相机4入光 口连接，且出光口 8光轴与相机4入光口光轴在同一直线上;所述相机4与计算机6相连。 [0026]光线从分光装置5的进光口 7进入，半透射透镜9与进光轴线成45度放置，半透射透 镜9的反射光轴线与第一平面反射镜10成45度，光线从半透射透镜9处分为两路，一路为反 射光，一路为透射光;反射光经过第一平面反射镜10,投射到激光滤光片12,滤光后的光线 投射到第二平面反射镜16,第二平面反射镜16与经过滤光片12的光线成45度放置，光线经 第二平面反射镜16反射后投射到第三平面反射镜15,第三平面反射镜15与第二平面反射镜 16平行放置，间距为d，经第三平面反射镜15反射后的光线，投射到出光口8;经半透射透镜9 的第二路光为透射光，透射光出射后直接投射到诱导荧光滤光片11，滤波后的光线投射到 第四平面反射镜13,第四平面反射镜13与入射光轴成45度放置，经第四平面反射镜13反射 后的光投射到第五平面反射镜14,第五平面反射镜14与第四平面反射镜13平行放置，经第 五平面反射镜14反射后的光线投射到出光口 8;分光装置5放置在相机4的前面，其入光口光 轴对准待测对象，与片光源形成的片光平面垂直，其出光口 8与相机4入光口连接，且出光口 8光轴与相机4入光口光轴在同一直线上。
[0027]计算机6中内置有图像分割模块、PIV测速处理模块、PLIF浓度场处理模块，图像分 割模块用于根据图像成像区域对应的光源特性进行图像分割;所述PIV测速处理模块用于 对激光照亮部分的图像采用PIV测速方法处理获得速度场;PLIF浓度场处理模块用于对诱 导荧光照亮部分的图像采用PLIF方法处理获得浓度场。
[0028]双脉冲激光器的波长为532nm。透明混合装置3注入液体1和液体2,在液体2中加入 平均直径为8微米的空心玻璃微珠和荧光试剂罗丹明6G。如图2所示，分光装置5包括进光口 7、出光口 8、半透射透镜9、激光滤光片12、诱导荧光滤光片11、平面反射镜组等部分，光线从 分光装置的进光口 7进入，半透射透镜9与进光轴线成45度放置，半透射透镜的反射光轴线 与第一平面反射镜10成45度，光线从半透射透镜9处分为两路，一路为反射光，一路为透射 光;半透射透镜9透射和反射的光强比例为1:1;反射光经过第一平面反射镜10，投射到激光 滤光片12,激光滤光片为中心波长为532nm，带宽为±5nm的带通滤光片。滤光后的光线投射 到第二平面反射镜16,第二平面反射镜16与经过滤光片12的光线成45度放置，光线经第二 平面反射镜16反射后投射到第三平面反射镜15，第三平面反射镜15与第二平面反射镜16平 行放置，间距为d，经第三平面反射镜15反射后的光线，投射到出光口 8;经半透射透镜9的第 二路光为透射光，透射光出射后直接投射到诱导焚光滤光片11，焚光滤光片为波长545nm的 长通滤光片;滤波后的光线投射到第四平面反射镜13,第四平面反射镜13与入射光轴成45 度放置，经第四平面反射镜13反射后的光投射到第五平面反射镜14,第五平面反射镜14与 第四平面反射镜13平行放置，经第五平面反射镜14反射后的光线投射到出光口 8;分光装置 外面覆盖不透明的遮光外壳，只有入光口和出光口不遮挡;分光装置放置在相机的前面，其 入光口光轴对准待测对象，与片光源形成的片光平面垂直，其出光口与相机入光口连接，且 出光口光轴与相机入光口光轴在同一直线上。
[0029] 所述分光装置5的入光口 7直径为B，出光口 8直径为2B;入光口 7、半透射透镜9和诱 导荧光滤光片11的中心在同一直线即进光轴线上;第一平面反射镜10的中心点与半透射透 镜9中心点的距离为L = 3B，且第一平面反射镜10中心点与半透射透镜9中心点连线与进光 轴线垂直;第一平面反射镜10的中心点和激光滤光片12的中心点连线与进光轴线平行，且 距离为3B;激光滤光片12和诱导荧光滤光片11的直径为B;第五平面反射镜14与第四平面反 射镜13间距为
_第五平面反射镜14距离进光轴线最近距离为第三平面反射镜15与第
二平面反射镜16间距为 第三平面反射镜15距离进光轴线最近距离为
第二至第五
， 平面反射镜的下侧端在与出光口平行的同一平面上;半透射反射镜9的透射和反射比例根 据激光和诱导荧光强度比例设定，使得经过激光滤光片12和诱导荧光滤光片11滤波后的光 强接近1:1。
[0030] 采用上述的同时测量速度场和浓度场的装置，在待测流体流过透明混合装置3时， 通过透明混合装置3侧壁上的流体入口加入含空心玻璃微珠示踪粒子、荧光试剂罗丹明6G 的流体与待测液体混合，通过双脉冲激光器1发射的激光和片光源照亮混合液体，光线通过 分光装置5的进光口 7进入分光装置5，光线经半透射透镜9处分为两路，一路为反射光，一路 为透射光，将激光和诱导荧光图像分开，；反射光、透射光分别经第一反光镜组与激光滤光 片12、第二反光镜组与诱导焚光滤光片11滤光和反射，经出光口8射出，并同时通过相机成 像；
[0031] 在设定的间隔时间内，双脉冲激光器照亮待测平面两次，经分光装置和相机获得 两幅图像，根据图像成像区域对应的光源特性采用图像分割模块对相机采集的图像进行分 害J，对激光照亮部分图像采用PIV测速处理模块对图像的激光照亮部分在已知的间隔时间 内的两帧图像进行示踪粒子分析，获取各示踪粒子的速度，即待测流体的速度;对诱导荧光 照亮图像部分采用PLIF浓度场处理模块通过诱导事先进行荧光试剂浓度和图像灰度的映 射关系标定，获得荧光强度照亮部分的浓度场，即待测液体的浓度场。
[0032] 在进行实际测量之前进行浓度的标定。使得测量装置在测量状态，通过在透明混 合管中依次充满已知荧光试剂浓度的混合液，获取对应荧光图像的平均灰度，采用灰度与 浓度线性拟合方法获取灰度与浓度的映射关系。在实际测量中，根据灰度与浓度的映射关 系，计算出诱导荧光照亮图像部分各个的灰度对应的浓度值，从而获得浓度场。
[0033] 所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不 背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换 或变型均属于本发明的保护范围。
【主权项】
1. 一种同时测量速度场和浓度场的装置，其特征在于，主要包含双脉冲激光器（I)、片 光源(2)、透明混合装置(3)、分光装置(5)、相机(4)、计算机(6)，激光器（1)与片光源(2)连 接，片光源发射的平面片光照射到透明混合装置(3上，其片光平面通过透明混合装置(3)的 中心轴线，并与待测流场平面共面，所述分光装置(5)包括具有进光口（7)、出光口（8)的不 透明的遮光外壳，以及设置在外壳内部的半透射透镜(9)、激光滤光片（12、）诱导焚光滤光 片（11)、第一平面反射镜组、第二平面反射镜组，分光装置(5)的入光口（7)正对待测流场的 测量平面，且入光口（ 7)平面与测量平面平行，所述第一平面反射镜组包括第一平面反射镜 (I O )、第二平面反射镜（16 )、第三平面反射镜（15 )，第二平面反射镜组包括第四平面反射镜 (13)、第五平面反射镜（14);所述半透射透镜(9)位于分光装置(5)的入射光路上、且与进光 轴线成45度放置，第一平面反射镜（10位于半透射透镜(9)的反射光路上、且与半透射透镜 (9)的反射光轴线成45度角放置，第二平面反射镜（16)位于第一平面反射镜（10)的反射光 路上、且与第一平面反射镜（10)的反射光轴线成45度角放置，第一平面反射镜（10与第二平 面反射镜（16)之间设置激光滤光片（12)，第三平面反射镜（15)位于第二平面反射镜（16的 反射光路上、且与第二平面反射镜（16)平行放置;诱导荧光滤光片（11)、第四平面反射镜 (13) 依次设置在半透射透镜(9)的透射光路上，第四平面反射镜（13)与半透射透镜(9)的透 射光轴成45度放置，第五平面反射镜（14)位于第四平面反射镜（13)的反射光路上、且与第 四平面反射镜（13)平行放置;所述分光装置(5)的出光口（ 8)位于第三平面反射镜（15、第四 平面反射镜（13)的反射光路上； 相机(4)位于分光装置(5)出光口（8)处，其出光口（8)与相机(4)入光口连接，且出光口 (8)光轴与相机(4)入光口光轴在同一直线上;所述相机(4与计算机(6)相连； 计算机(6)中内置有图像分割模块、PIV测速处理模块、PLIF浓度场处理模块， 图像分割模块用于根据图像成像区域对应的光源特性进行图像分割； 所述PIV测速处理模块用于对激光照亮部分的图像采用PIV测速方法处理获得速度场； PLIF浓度场处理模块用于对诱导荧光照亮部分的图像采用PLIF方法处理获得浓度场。2. 根据权利要求书1所述的一种同时测量速度场和浓度场的装置，其特征在于，所述分 光装置(5)的入光口（7)直径为B，出光口（8)直径为2B;入光口（7)、半透射透镜(9)和诱导荧 光滤光片（11)的中心在同一直线即进光轴线上;第一平面反射镜（10)的中心点与半透射透 镜(9)中心点的距离为L = 3B，且第一平面反射镜（10)中心点与半透射透镜(9)中心点连线 与进光轴线垂直;第一平面反射镜（10)的中心点和激光滤光片（12)的中心点连线与进光轴 线平行，且距离为3B;激光滤光片（12)和诱导荧光滤光片（11)的直径为B;第五平面反射镜 (14) 与第四平面反射镜（13)间距为D=|第五平面反射镜（14)距离进光轴线最近距离为 第三平面反射镜（15)与第二平面反射镜（16)间距为n S第三平面反射镜（15)距离进光轴 D=： a 线最近距离为7第二至第五平面反射镜的下侧端在与出光口平行的同一平面上;半透射反 射镜(9)的透射和反射比例根据激光和诱导荧光强度比例设定，使得经过激光滤光片（12) 和诱导荧光滤光片（11)滤波后的光强接近1:1。3. 根据权利要求书1所述的一种同时测量速度场和浓度场的装置，其特征在于，所述分 光装置(5)的诱导荧光滤光片（11)为长通滤光片，其截止波长大于激光中心波长10纳米以 上，分光装置(5)的激光滤光片（12)为带通滤光片，其中心波长等于激光波长，带宽长度为 ±5纳米。4. 根据权利要求书1所述的同时测量速度场和浓度场的装置同时测量速度场和浓度场 的方法，其特征在于，包括以下步骤， 在待测流体流过透明混合装置(3)时，通过透明混合装置(3)侧壁上的流体入口加入含 示踪粒子、荧光试剂的流体与待测液体混合，通过双脉冲激光器(1)发射的激光和片光源照 亮混合液体，光线通过分光装置(5)的进光口（7)进入分光装置(5)，光线经半透射透镜(9) 处分为两路，一路为反射光，一路为透射光，将激光和诱导焚光图像分开;反射光、透射光分 别经第一反光镜组与激光滤光片（12)、第二反光镜组与诱导焚光滤光片（11)滤光和反射， 经出光口（8)射出，并同时通过相机成像； 在设定的间隔时间内，双脉冲激光器照亮待测平面两次，经分光装置和相机获得两幅 图像，根据图像成像区域对应的光源特性采用图像分割模块对相机采集的图像进行分割， 对激光照亮部分图像采用PIV测速处理模块对图像的激光照亮部分在已知的间隔时间内的 两帧图像进行示踪粒子分析，获取各示踪粒子的速度，即待测流体的速度;对诱导荧光照亮 图像部分采用PLIF浓度场处理模块通过诱导事先进行荧光试剂浓度和图像灰度的映射关 系标定，获得荧光强度照亮部分的浓度场，即待测液体的浓度场。5. 根据权利要求书4所述的同时测量速度场和浓度场的方法，其特征在于，所述示踪粒 子为与流体密度接近的颗粒，尺度在5-10微米，荧光试剂为双脉冲激光器发出波长可激发 诱导荧光的试剂，其激发峰值波长超过激光波长IOnm以上。
【文档编号】G01N21/01GK106018280SQ201610571613
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年7月19日
【发明人】管贤平, 邱白晶, 欧鸣雄, 董晓娅, 董立立, 贾卫东
【申请人】江苏大学