一种紧凑式全场彩虹测量探头的制作方法

本发明涉及全场彩虹测量技术，具体涉及的是一种基于双透镜和带变焦镜头CCD相机测量喷雾液滴粒径分布、折射率、温度(或组分)等参数的紧凑式可调工作距离的彩虹散射测量探头。

背景技术：

气液两相流中的液体喷雾广泛地存在于当前的能源、环境、化工等领域。为了提高燃烧效率，将液体燃料雾化蒸发燃烧；电站锅炉脱硫脱硝设备中气液雾化混合吸收则是为了降低污染物排放，因此有效而精确地测量复杂喷雾场中喷雾液滴的多参数很有必要和意义。传统的接触式测量方法如浸液法、跟踪法、沉降法、冻结法、溶腊法和瞬时取样法等，存在着容易破坏原始流场、无法深入喷雾场内部测量、无法实时测量等缺点，而不适应目前的高精度实时测量需求。非干扰式的先进光学测量方法则突破了上述限制，具有不干扰原始流场、精度高、测量范围广、实时迅速等优势。

按照测量类型分类，测量喷雾场液滴粒径的常见方法有：光散射法、激光诱导荧光法、数字全息技术、激光干涉粒子成像技术(ILIDS)、相位多普勒技术(PDA)；测量喷雾液滴折射率的常见方法有：V形棱镜法、掠入射法(阿贝折射仪)、干涉条纹(牛顿环)法；测量喷雾液滴粒温度的测量方法主要有荧光法；测量喷雾场浓度常见的方法有：假彩色法、阴影法、层析成像技术(CT)。其中相位多普勒技术、光散射法属于单点测量方法，又称零维测量；粒子图像测速技术(PIV)、平面激光诱导技术(PLIF)、激光干涉粒子成像技术属于二维测量方法；数字全息技术、高速摄影属于三维测量方法。

彩虹技术是一种可同时测量液滴粒径或粒径分布、折射率、温度(或组分)等参数的光散射方法，分为标准彩虹技术(SRT)和全场彩虹技术(GRT)。标准彩虹的基本原理是激光光束照射到球形液滴上，部分光折射到液滴内部经液滴内表面一次反射后折射出去，相互干涉形成明暗相间的条纹(称为一阶彩虹)；另有部分光被液滴外表面直接反射，反射光与一次内反射的出射光之间相互干涉，形成一系列的高频率振荡的波纹(称为ripple结构)附叠在一阶彩虹上。由于一阶彩虹包含了所需要的测量信息，并且彩虹信号中多种高频条纹会对测量精度造成影响，因此需要对图像过滤去高频震荡结构形成光滑的彩虹信号。全场彩虹技术则是通过延长曝光时间和扩大通光孔径，记录成千上万颗具有一定粒径分布的液滴的彩虹，由于多个颗粒的散射光相互叠加，附加在单个颗粒一阶彩虹上的高频纹波信号被消除，可以平滑彩虹信号；同时对非球形液滴的灵敏度不高，因此对喷雾场液滴的球形度无要求，进而反演喷雾液粒的粒径及分布、平均折射率、平均温度等参数。全场彩虹技术为气液两相流中液体喷雾场测量领域提供一种非接触、多参数、高精度、实时在线测量。

尽管全场彩虹测量技术测量的是成千上万个液滴，但还属于单点定工作距离测量。实际应用中，需要对液体喷雾场的不同位置进行测量。但像固定容器中喷雾场允许的测量位置是唯一且固定的，且实验室中全场彩虹技术系统整体长度过长。这些都不利于在工程实际中的快速推广和应用。

为此，本发明所述的紧凑式全场彩虹测量装置利用全场彩虹技术测量原理，通过双透镜可改变工作距离，带变焦镜头CCD相机作为图像记录设备极大缩小系统长度，便于推广和实际工业应用，能实现良好的喷雾场测量效果。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是，克服现有技术的不足，提供一种紧凑式全场彩虹测量探头。该探头可变工作距离测量、整体装置小巧、便于工程实际中携带和应用。

为解决技术问题，本发明采用的技术方案是：

提供一种紧凑式全场彩虹测量探头，包括光路系统和CCD相机；所述光路系统包括沿光路依次布置的前透镜、内透镜、旋转调节器和开孔隔板，各部件的位置关系为：前透镜与内透镜的间距小于这两个透镜的焦距，并保证这两个透镜的等效像方焦平面位于内透镜与内透镜焦平面之间；旋转调节器位于内透镜像方焦平面上，其中心位置通过螺钉固定在开孔隔板上且能绕中心旋转；CCD相机上装有变焦镜头，其镜头参数使CCD相机能记录前透镜与内透镜等效像方焦平面处的清晰彩虹图像。

本发明中，所述光路系统和CCD相机均安装于圆筒形的主壳体中，主壳体的两端设可拆卸的顶盖；所述前透镜、内透镜、开孔隔板用螺钉固定在主壳体上，CCD相机由固定填充块实现固定。

本发明中，所述主壳体的内侧还装有一个调平反光镜，在其对向的主壳体上设有一个可开闭的侧孔。

本发明中，在CCD相机的变焦镜头处的主壳体上，设有一个用于更换镜头的可开闭侧门。

本发明中，所述旋转调节器由4个孔径光阑、一个倾斜反光镜和一个贴片LED灯组成；所述孔径光阑的孔径分别是2mm、4mm、10mm、20mm，倾斜反光镜的倾斜角是固定的，贴片LED灯为0.5W，由3V纽扣电池供电，并设有微触开关。

本发明中，所述带有变焦镜头的CCD相机，其CCD芯片为帧频和曝光时间可调的线性CCD，像素范围为1～16M，最高频率为30Hz，探测彩虹角附件范围为10～20°，最小分辨角为0.002°，变焦镜头放大倍数为1/5～1/3。

本发明中，在位于CCD相机一侧的顶盖上，设有电源接口和数据传输接口开孔。

本发明中，所述前透镜是可替换的，其直径为100mm，可替换焦距范围为100mm～500mm；所述内透镜直径为100mm，焦距为160mm。

本发明中，所述保护壳是金属材料制成的圆柱体结构。

本发明中，在旋转调节器位置处的主壳体上，设有一个开口，旋转调节器的外缘伸出开口以用于旋转调节。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1、本发明的紧凑式全场彩虹测量探头利用了全场彩虹技术测量原理，通过双透镜可改变工作距离，带变焦镜头CCD相机作为图像记录设备极大缩小系统长度，便于推广和实际工业应用，能实现良好的喷雾场测量效果。

2、本发明的探头可变工作距离测量，整体装置小巧，便于工程实际中携带和应用。

附图说明

图1紧凑式全场彩虹测量探头光路图；

图2紧凑式全场彩虹测量探头结构分解图。

图中1.前透镜；2.内透镜；3.旋转调节器；4.开孔隔板；5.CCD相机；6.固定填充块；7.后顶盖；8.前顶盖；9.侧孔；10.调平反光镜；11.螺钉；12.主壳体。

具体实施方式

下面结合附图进行更进一步的详细说明：

本发明中的紧凑式全场彩虹测量探头，包括光路系统和CCD相机5；所述光路系统包括沿光路依次布置的前透镜1、内透镜2、旋转调节器3和开孔隔板4，各部件的位置关系为：前透镜1与内透镜2的间距小于这两个透镜的焦距，并保证这两个透镜的等效像方焦平面位于内透镜2与内透镜2的焦平面之间；旋转调节器3位于内透镜2像方焦平面上，其中心位置通过螺钉固定在开孔隔板4上且能绕中心旋转；CCD相机5上装有变焦镜头，其镜头参数使CCD相机5能记录前透镜1与内透镜2等效像方焦平面处的清晰彩虹图像；

所述光路系统和CCD相机5均安装于金属材料制成圆筒形的主壳体12中，主壳体12的两端设可拆卸的前顶盖8和后顶盖7，前顶盖7、后顶盖8通过螺钉11固定在主壳体12上。前透镜1、内透镜2、开孔隔板4用分别螺钉11(本发明中，螺钉11有多个)固定在主壳体12上，CCD相机5带有变焦镜头且由固定填充块6实现固定。

在主壳体12的内侧还装有一个调平反光镜10，在其对向的主壳体12上设有一个可开闭的侧孔9。调平反光镜10用于在调平模式下，调节光路至水平，保证探头的中心轴与激光处于同一水平面。侧孔9在光路调平模式、确定测量点模式下是开口状态，在正式测量模式下是闭口状态。

在CCD相机5的镜头处的主壳体12上，设有一个用于更换镜头的可开闭侧门。在位于CCD相机5一侧的后顶盖7上，设有电源接口和数据传输接口开孔。在旋转调节器3位置处的主壳体12上，设有一个开口，旋转调节器3的外缘伸出开口以用于旋转调节至不同工作模式。

前透镜1是可替换的，其直径为100mm，可替换焦距范围为100mm～500mm；所述内透镜直径为100mm，焦距为160mm。旋转调节器3由4个孔径光阑和一个倾斜反光镜、一个贴片LED灯组成；孔径光阑的孔径分别是2mm、4mm、10mm、20mm，倾斜反光镜的倾斜角是固定的，贴片LED灯为0.5W，由3V纽扣电池供电，并设有微触开关。CCD相机5的CCD芯片为帧频和曝光时间可调的线性CCD，像素范围为1～16M，最高频率为30Hz，探测彩虹角附件范围为10～20°，最小分辨角为0.002°，变焦镜头放大倍数为1/5～1/3。

使用方法说明：

紧凑式全场彩虹测量探头共有3种工作模式，依次为光路调平模式、确定测量点模式、正式测量模式。

光路调平模式下，调节旋转调节器3，让其倾斜反光镜旋转至开孔隔板4的开孔处(测量光轴处)，经过外置调平激光调节相交，让光路处于同一平面。

确定测量点模式下，调节旋转调节器3，让其LED灯旋转至开孔隔板4的开孔处，经过外置调平激光调节，让测量点位于前透镜1的焦距处，确定测量点。

正式测量模式下，调节旋转调节器3，让大小合适的孔径光阑旋转至开孔隔板4的开孔处。

外置激光光束折射进入液滴内部(该液滴位于前可替换透镜焦距处)，并经过一次内部反射后重新折射出的光束，相互干涉形成干涉条纹(一阶彩虹)，由前透镜1、内透镜2收集；旋转调节器3处的孔径光阑可选择测量区域大小，并滤除空间干扰光。带有可变焦镜头的CCD相机5通过调节变焦镜头至CCD出现清晰干涉条纹彩虹图。CCD后面的电源接口为CCD供电，数据传输接口将彩虹图实时传输到计算机终端中进一步处理，利用相关的处理软件，即可得到液滴粒径、折射率、温度(组分)等信息。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。