专利名称：一种激光散斑管道气体颗粒测量设备及方法
技术领域：
本发明涉及气体测量分析技术领域，具体是一种利用粒子的激光散斑图和散斑图的运动实现管道气体颗粒动态特征参数辨识及记录的测量设备及方法。
背景技术：
激光散斑计量技术是在多学科基础上发展起来的现代光学测量方法，它具有全场、非接触、高精度、高灵敏度和实时快速等优点，一般应用于振动、位移、形变、断裂及粗糙度的测量，是无损计量领域的有效工具。早在上个世纪70年代，激光散斑测速法被引进到流体力学领域，用来测量流场的运动速度，并逐渐发展为粒子图像测速法，在流场流速测量中应用尤为广泛。激光散斑测试系统和粒子图像测试系统的测试原理相似，都是通过测量示踪粒子在已知很短时间间隔内的位移量来间接地测量流场中瞬态的速度分布，二者的主要区别是示踪粒子浓度的大小。当散射粒子的浓度很小时，粒子间隔较远，散射光之间不会发生干涉，因而在像平面上成粒子像，它可以通过粒子图像测试技术得到；当散射粒子的浓度较大时，粒子间隔很近，散射光相互干涉，从而形成随机的亮斑，在像平面上成散斑像， 它可以通过激光散斑测试技术得到。专利号为ZL03242216. 4的中国专利公开了一种数字式粒子图像测速系统，它主要由激光光源、圆柱透镜、长聚焦透镜以及粒子图像记录装置构成，该系统由YAG激光器发出激光束，经过圆柱透镜和长聚焦透镜后变成片光源，照射在由粒子发生器和布撒装置布撒在流场中的微米级粒子，在垂直于片光源平面方向产生粒子像，由记录装置采集并做后期图像处理，从而得到粒子速度值。这种粒子图像测试系统和激光散斑测试系统的构成大致相同，只是粒子的布撒浓度不同，产生的是粒子像而不是散斑图，而且上述系统主要是针对流场中微米级的示踪粒子，因为微米级示踪粒子的散射光足够强，只需少量的粒子被照亮，散射光的相互干涉就可以形成散斑。而对于纳米粒子，由于其具有的小尺寸效应而使其显示出独特的光学特性，纳米粒子的粒径介于几个纳米到100 纳米，远远小于照射光源的波长，当其被照射时，将产生瑞利散射，瑞利散射的一个特点就是散射光很微弱，单个纳米粒子不能成粒子像，它必须照亮大量的粒子，然后大量粒子的散射光相互干涉叠加才能形成清晰可见的散斑图像。公开号为CN101408555A的中国专利公开了一种激光散斑测试系统，主要用于测量纳米流体中纳米粒子运动速度，通过扩束透镜组对激光束进行二维扩束，形成面光源照射流动的纳米粒子，并用放置在正对激光束方向的高速CCD数码相机记录下时间间隔很短的相邻两幅散斑图像。该系统的测试对象为氧化铁水纳米流体，并未涉及纳米级的气体颗粒报道。
发明内容
针对上述存在的问题，本发明的目的是针对现有技术的不足提供一种主要用于纳米级管道气体粒子运动测量的激光散斑管道气体颗粒测量设备及方法，采用光电传感器将采集到的光信号转换为电信号，具有非接触、响应快、性能可靠等特点。本发明的目的是通过下述技术方案实现的一种激光散斑管道气体颗粒测量设备，其中，包括照射光源、光学系统、被测气体管道、 图像接收器和图像信号处理单元，所述照射光源为激光光源，所述光学系统包括第一透镜和第二透镜，所述第一透镜设置在所述激光光源的出射光路上，所述第二透镜、所述图像接收器和所述图像信号处理单元依次位于所述被测气体管道另一侧的光路上，从所述激光光源发出的激光束经所述第一透镜扩束后照射于所述被测气体管道区域内的气体粒子，从其反射的光信号通过所述第二透镜聚束后由所述图像接收器接收并传递给所述图像信号处理单元。上述激光散斑管道气体颗粒测量设备，其中，所述第一透镜和所述第二透镜位于所述被测气体管道的同一侧。上述激光散斑管道气体颗粒测量设备，其中，所述第一透镜和所述第二透镜分别位于所述被测气体管道的两侧。上述激光散斑管道气体颗粒测量设备，其中，所述图像接收器为图像传感器。上述激光散斑管道气体颗粒测量设备，其中，所述被测气体管道为全透明或者部分透明。一种如上述激光散斑管道气体颗粒测量设备的激光散斑管道气体颗粒测量方法， 其中，包括
激光光源作为照射光源，配上聚焦镜头后，以一定的角度照射被测气体管道区域内气体粒子；
用图像传感器接收被测气体粒子在照射光源下发生散射后所形成的激光散斑图的图
像；
在图像信号处理单元利用纳米级气体颗粒特征数据库对被测气体粒子进行成份辨识， 根据图像散斑的动态变化，同时利用激光散斑统计相关特性分析出气体颗粒的运动参数。上述激光散斑管道气体颗粒测量方法，其中，所述气体颗粒的运动参数包括位移、 速度和加速度。上述激光散斑管道气体颗粒测量方法，其中，所述激光光源以连续方式或间歇方式工作。上述激光散斑管道气体颗粒测量方法，其中，所述纳米级气体颗粒特征数据库在已经公开的纳米级气体颗粒特征数据基础上进行收集而建立。与已有技术相比，本发明的有益效果在于
(1)利用已有的光学图像传感系统，改进更新配置后进行激光散斑纳米级管道气体颗粒测量，可以应用在各类工业气体实时在线检测测量，极大拓展了气体测量范围，特别适合工业废气排放及焦炉气、火炬气等复杂介质气体的检测；
(2)数据采集效率和准确率高；
(3)机械设计易安装，易维护，确保在一定的温度范围内的高可靠性。
图1是本发明激光散斑管道气体颗粒测量设备及方法实施例一的结构示意图； 图2是本发明激光散斑管道气体颗粒测量设备及方法实施例二的结构示意图3是本发明激光散斑管道气体颗粒测量设备及方法所产生的气体粒子散斑示意图。
具体实施例方式下面结合原理图和具体操作实施例对本发明作进一步说明。如图1或图2所示，本发明激光散斑管道气体颗粒测量设备包括照射光源1、光学系统、被测气体管道3、图像接收器5和图像信号处理单元6，照射光源1为激光光源，光学系统包括第一透镜2和第二透镜4，第一透镜2设置在激光光源1的出射光路上，第二透镜 4、图像接收器5和图像信号处理单元6依次位于被测气体管道3的出射光路上，从激光光源1发出的激光束经第一透镜2扩束后照射于被测气体管道3区域内的气体粒子7，从其反射的光信号通过第二透镜4聚束后由图像接收器5接收并传递给图像信号处理单元6。进一步的，图像接收器5为图像传感器，具体为性能高端的安捷伦公司的传感器芯片ADNS-6090及其外围电路，可选分辨率最高可达3000cpi，测量速度可达每秒7200帧图像。图像信号处理单元7接收从图像传感器6发来的光学信号，将之转换成模拟电信号，即所谓的图像信号，在一定的时间内，通过DSP数字处理单元对于运动中的图像进行识别，计算并分析出图像的特征参数及动态信号，并进行存储和信号输出。进一步的，被测气体管道3为全透明或者部分透明，以保证实验光线可以通过固定路线无障碍地进出管道。实施例一，如图1所示，第一透镜2和第二透镜4位于被测气体管道3的同一侧。 此时激光光源1的出射光线经第一透镜2扩束后形成一定角度地入射被测气体管道3，由气体粒子7的散射相互干涉并在与入射光方向相隔一定角度路径上形成散斑图像，光信号仍然从被测气体管道3的同一侧射出，经过第二透镜4聚束后由图像接收器5接收并通过光纤传递给图像信号处理单元6。上述过程中所形成的气体散斑图例图如图3所示。实施例二，如图2所示，第一透镜2和第二透镜4分别位于被测气体管道3的两侧。 此时激光光源1的出射光线经第一透镜2扩束后垂直入射被测气体管道3，当被测气体以一定速度移动时，在激光束经过的路径上的纳米气体粒子7被照亮并发出散射光，大量纳米气体粒子7的散射相互干涉并在与入射光方向相隔一定角度路径上形成散斑图像，光信号从被测气体管道3的另一侧射出，经过第二透镜4聚束后由图像接收器5接收并通过光纤传递给图像信号处理单元6。上述过程中所形成的气体散斑图例图如图3所示。如图1或图2所示，本发明如上述激光散斑管道气体颗粒测量设备的激光散斑管道气体颗粒测量方法，具体操作方法是将激光光源1作为照射光源，调整其光学聚焦距离以能接收到的最佳信号为宜，配上聚焦镜头后，以一定的角度照射被测气体管道3区域内气体粒子7 ；用图像传感器5接收被测气体粒子7在照射光源下发生散射后所形成的激光散斑图的图像；在图像信号处理单元6利用纳米级气体颗粒特征数据库对被测气体粒子7 进行成份辨识，根据图像散斑的动态变化，同时利用激光散斑统计相关特性分析出气体颗粒的运动参数。其中，纳米级气体颗粒特征数据库是由本申请人在少量的已经公开的纳米级气体颗粒特征数据基础上进行收集后建立起来的数据库，也可以参考自己的实验数据进行总结，而图像传感器5与图像信号处理单元6之间的信号传递采用ModbuSRS485协议和 RS232。另外，本发明主要用于测量具有一定流动性的气体颗粒参数，被测气体可以是天然气等通过不同大小的管道进行排放，对被测气体颗粒大小无要求。进一步的，气体颗粒7的运动参数包括位移、速度和加速度。
进一步的，激光光源1以连续方式或间歇方式工作，并可随时被切断，激光光源功率也可自动调整，以达到最佳信号采集及图像捕捉效果。综上所述，本发明激光散斑管道气体颗粒测量设备及方法利用光学图像传感器及时捕获管道气体粒子光学图像，并根据纳米级气体颗粒特征数据库对被测颗粒进行成份辨识，同时根据图像散斑的动态变化等基于激光散斑统计相关特性分析出包括位移、流速和加速度在内的气体粒子光学特征及运动参数，以满足工业测量和分析之用。以上对本发明的具体实施例进行了详细描述，但本发明并不限制于以上描述的具体实施例，其只是作为范例。对于本领域技术人员而言，任何对该激光散斑管道气体颗粒测量设备及方法进行的等同修改和替代也都在本发明的范畴之中。因此，在不脱离本发明的精神和范围下所作出的均等变换和修改，都应涵盖在本发明的范围内。
权利要求
1.一种激光散斑管道气体颗粒测量设备，其特征在于，包括照射光源、光学系统、被测气体管道、图像接收器和图像信号处理单元，所述照射光源为激光光源，所述光学系统包括第一透镜和第二透镜，所述第一透镜设置在所述激光光源的出射光路上，所述第二透镜、所述图像接收器和所述图像信号处理单元依次位于所述被测气体管道另一侧的光路上，从所述激光光源发出的激光束经所述第一透镜扩束后照射于所述被测气体管道区域内的气体粒子，从其反射的光信号通过所述第二透镜聚束后由所述图像接收器接收并传递给所述图像信号处理单元。
2.根据权利要求1所述的激光散斑管道气体颗粒测量设备，其特征在于，所述第一透镜和所述第二透镜位于所述被测气体管道的同一侧。
3.根据权利要求1所述的激光散斑管道气体颗粒测量设备，其特征在于，所述第一透镜和所述第二透镜分别位于所述被测气体管道的两侧。
4.根据权利要求1或2或3所述的激光散斑管道气体颗粒测量设备，其特征在于，所述图像接收器为图像传感器。
5.根据权利要求1或2或3所述的激光散斑管道气体颗粒测量设备，其特征在于，所述被测气体管道为全透明或者部分透明。
6.一种如上述激光散斑管道气体颗粒测量设备的激光散斑管道气体颗粒测量方法，其特征在于，包括激光光源作为照射光源，配上聚焦镜头后，以一定的角度照射被测气体管道区域内气体粒子；用图像传感器接收被测气体粒子在照射光源下发生散射后所形成的激光散斑图的图像；在图像信号处理单元利用纳米级气体颗粒特征数据库对被测气体粒子进行成份辨识， 根据图像散斑的动态变化，同时利用激光散斑统计相关特性分析出气体颗粒的运动参数。
7.根据权利要求6所述的激光散斑管道气体颗粒测量方法，其特征在于，所述气体颗粒的运动参数包括位移、速度和加速度。
8.根据权利要求6所述的激光散斑管道气体颗粒测量方法，其特征在于，所述激光光源以连续方式或间歇方式工作。
9.根据权利要求6所述的激光散斑管道气体颗粒测量方法，其特征在于，所述纳米级气体颗粒特征数据库在已经公开的纳米级气体颗粒特征数据基础上进行收集而建立。
全文摘要
本发明公开了一种激光散斑管道气体颗粒测量设备，包括激光光源、光学系统、被测气体管道、图像接收器和图像信号处理单元，光学系统包括第一透镜和第二透镜，从激光光源发出的激光束经第一透镜扩束后照射于被测气体管道区域内的气体粒子，从其反射的光信号通过第二透镜后由图像接收器接收并传递给图像信号处理单元。另外还公开了相关的测量方法其中图像信号处理单元利用纳米级气体颗粒特征数据库对被测气体粒子进行成份辨识，根据图像散斑的动态变化，同时利用激光散斑统计相关特性分析出气体颗粒的位移、流速和加速度等运动参数。本发明数据采集效率和准确率高，机械设计易安装，易维护，可以应用在各类工业气体实时在线检测测量。
文档编号G01P5/26GK102565002SQ20111008745
公开日2012年7月11日 申请日期2011年4月8日 优先权日2011年4月8日
发明者曾春雨 申请人:曾春雨