一種基于液體變焦透鏡的火焰三維溫度場測量裝置及方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于火焰溫度測量技術領域，具體涉及一種基于液體變焦透鏡的燃燒火焰 三維溫度場測量方法及裝置。
【背景技術】
[0002] 溫度是表征燃燒火焰一個最主要的參數，火焰三維溫度場的測量，對全面研析火 焰的反應速度、三維結構、組分生成、整體特性等有決定性作用，有助于揭示燃燒現象的本 質和燃燒過程的規律，也有助于燃燒設備的工程設計改進和運行優化，最終對能源的高效 利用和低污染排放產生重大意義。因此，火焰三維溫度場的測量是火焰實驗研究中的一個 重要主題。
[0003] 依據感溫元件是否接觸火焰對象，火焰溫度的測量方法可分為接觸法和非接觸法 兩大類。接觸法以熱電偶的應用最為廣泛，熱電偶將火焰中某點的溫度信號轉換成熱電動 勢信號，通過電氣儀表（二次儀表）轉換成被測介質的溫度。但將熱電偶應用于測量火焰 三維溫度場，需要在火焰中布置大量熱電偶來獲得三維信息，因此存在著結構復雜、對火焰 產生干擾等缺點。此外，由于和火焰直接接觸，還存在著熱電偶由于腐蝕等原因導致壽命縮 減。非接觸法包括散射法、超聲法、輻射成像等。單色輻射頻率的激光照射透明物體時，會 有少量的光線偏離原來的傳播方向，發生光的散射現象，形成瑞利光譜。根據瑞利光譜強度 和氣體溫度之間的函數關系，可以得到氣體的溫度信息。瑞利光譜測溫法的測試系統簡易， 脈沖的瑞利光譜技術還可以用來觀察瞬時的火焰結構。但由于它研究彈性散射，所以不能 直接提供有關組分的信息，并且受顆粒Mie散射、背景光散射和火焰輻射的干擾，這些缺點 導致它的主要應用領域被限于自由散流和開口火焰以及某些燃料的干凈流場的測量。聲學 高溫計是基于理想氣體的性質，而鍋爐煙氣的熱力狀態參數難以事先確定。另外，聲波法得 到的是沿程平均結果，難以體現煙氣中溫度場或流場的突變。因此，要把聲速高溫計發展成 為精確、適用性強的測溫手段，還需解決許多理論與技術問題。
[0004] 基于火焰熱輻射，光學分層成像法是近年來發展起來的一種火焰三維溫度場的非 接觸式測量方法。光學分層成像法將三維連續的空間物體看成是若干平行的二維斷層的組 合。沿水平方向對物體移焦攝像，得到一組分層圖像，所得圖像是聚焦平面的清晰像和其它 平面的離焦像的疊加。對圖像進行反演重建，可以得到每一斷層的原始圖像。但該方法存 在著以下缺點：采用步進電機來移動相機對火焰進行分層聚焦成像，成像速度較慢，當動態 火焰快速變化時，難以實現火焰的瞬態三維溫度場分布測量；采用近似法恢復火焰的輻射 強度，應用于測量精度要求較高的場合效果不甚理想。
【發明內容】
[0005] 發明目的：為了克服現有分層成像法測量動態火焰三維溫度分布的不足，本發明 提出了一種基于液體變焦透鏡的火焰三維溫度分布測量方法及裝置。基本思路：對三維火 焰在相機光軸方向上分層，CCD相機結合液體變焦鏡頭，通過改變工作電壓控制液體變焦鏡 頭分別聚焦火焰的每一層，對火焰進行分層拍攝，計算機對CCD相機拍攝的火焰圖像進行 計算分析，計算各層火焰輻射強度，實現對火焰三維溫度場的光學非接觸式測量。
[0006] 為解決上述技術問題，本發明采用的技術方案是：
[0007] -種基于液體變焦透鏡的火焰三維溫度場測量裝置，其特征在于，包括：
[0008] 一 C⑶相機，用于拍攝記錄火焰圖像；
[0009] -液體變焦鏡頭，安裝在所述CCD相機上，實現對每一層火焰的聚焦；
[0010] 一計算機，通過控制電壓實現液體變焦鏡頭的焦距調整；存儲CCD相機獲得的聚 焦在各層火焰的疊加圖像，并對每張疊加圖像做高通濾波去除疊加圖像的低頻信息，得到 只含有對應聚焦層的聚焦像信息；通過每層聚焦像信息，獲得火焰的溫度分布。
[0011] 一種基于液體變焦透鏡的火焰三維溫度場分布測量方法，其特征在于，包括如下 步驟：
[0012] 步驟一、根據測量精度對火焰進行分層；
[0013] 步驟二、控制液體變焦鏡頭分別聚焦每一火焰分層，并通過CCD相機在每次聚焦 后，拍攝該斷層的火焰圖像；
[0014] 步驟三、對拍攝的每層火焰圖像進行處理，去除每層火焰圖像中包含的其它層的 離焦信息，得到每一火焰斷層圖像的輻射強度近似值：
[0015]
[0016] 式中： .?.為第j層火焰單色輻射強度近似值的二維分布；8]為光學系統對第j層 火焰聚焦所成的單波長的光亮度分布；α為火焰的吸收系數；hk ,為聚焦第j層時第k層 離焦成像的點擴散函數；N為火焰劃分的層數；k。為二維高通濾波矩陣；△為每層火焰的厚 度；
[0017] 將計算出的近似輻射強度§代入下式中的的進行迭代計算：
[0018]
[0019]
,停止迭代過程，以最后一次（m。）迭代結果彳乍為各 層的原始輻射強度，其中V為預先設定的閥值；
[0020] 步驟四、根據步驟三得到的各層火焰的輻射強度，計算每一火焰層的溫度分布：
[0021]
[0022] 其中，λ為波長為物體在波長λ下的輻射強度，以步驟四中最后一次迭代 結果作為U的值；ε為火焰發射率；T為每層火焰的溫度分布；c 第一輻射常數 3· 742X 10 16W · m2;c 2為第二輻射常數 I. 438X 10 2m · K。
[0023] 所述點擴散函數采用如下方法得到：采用Donald B. Gennery提出的尋找圖像頻 譜零點的方法確定各層光學傳遞函數H(s)，對光學傳遞函數作反Fourier變換得到點擴散 函數h。
[0024] 有益效果：與現有技術相比，本發明具有如下優點：采用液體變焦技術改變鏡頭 焦距，實現對火焰的分層成像，變焦迅速，為系統的實時性工作提供了條件，對于測量溫度 分布快速變化的動態火焰有較大優勢；測量系統在結構上對火焰溫度分布無影響，屬于非 接觸式測量方法，具有實驗裝置簡單、可靠、實用的特點；提出的輻射強度迭代計算方法，在 不過分犧牲計算時間的情況下，提高了計算精度，減弱了傳統近似算法計算結果對設計的 高通濾波器的依賴性。
【附圖說明】
[0025] 圖1是測量火焰發射率、吸收率的裝置示意圖；
[0026] 圖2是基于液體變焦透鏡的光學分層成像火焰三維溫度測量裝置示意圖；
[0027] 圖3是液體變焦透鏡的結構示意圖；
[0028] 圖4是離焦光程差w與首個頻譜零點的關系圖；
[0029] 其中，1 一紅色半導體激光器、2-火焰、3-濾波片、4 一光電二極管、5-信號放大 器、6-數顯；7-計算機、8 -(XD相機、9一液體變焦鏡頭、10-實驗臺、11 一防風罩；12-負 電極、13-正電極、14 一玻璃、15-電解液、16-油。
【具體實施方式】
[0030] 基于液體變焦透鏡分層成像火焰三維溫度測量方法，其步驟包括如下：
[0031] 1)參照圖1所示，用于測量火焰吸收系數和發射率的裝置主要包括紅色半導體激 光器1、火焰2、紅色濾波片3、光電二極管4、信號放大器5和數顯6。火焰2及火焰左邊放 置的激光器1作為光源，穿過紅色濾波片3,照射在光電二極管4上，光電二極管將光信號轉 化為電信號，信號放大器5與光電二極管相連，電信號經放大后送至數顯顯示分析處理。
[0032] 首先，激光光源穿過火焰和紅色濾波片射向探測器（光電二極管），信號經放大器 放大后輸出得到L ;接著去掉激光，火焰單獨存在，得到輸出信號Lf;最后去掉火焰，激光單 獨存在，得到輸出信號Ls。火焰的吸收系數和發射率計算公式如下：
[0033]
(1)
[0034] 其中，α，ε分別為火焰的吸收系數和發射率，δ為火焰厚度，L為激光和火焰共 同存在時檢測的信號強度，Lf為火焰單獨存在時檢測的信號強度，L s為激光單獨存在時檢 測的信號強度。
[0035] 2)對火焰進行N等分。所分層數N應依據火焰寬度、測量精度需求等要求合理選 擇。
[0036] 3)參照圖2所示，采用液體變焦的光學分層成像測量火焰三維溫度分布的裝置主 要包括計算機7、C⑶相機8、液體變焦鏡頭9、實驗臺10、防風罩11。實驗臺上布置有計算 機，CCD相機，液體變焦鏡頭，液體變焦鏡頭安裝在CCD相機上，計算機分別與CCD相機和液 體變焦鏡頭相連，測量系統布置在距被測火焰合適距離處。
[0037] 在相機光軸方向上對火焰進行分層，計算各層成像的脈沖響應。對某一個確定分 層，將物體放置在離焦層，拍攝離焦下的原始圖像。提取離焦圖像矩陣中