用于高溫環鏡顆粒場三維測量的探針的制作方法
【專利摘要】本發明涉及高溫環鏡顆粒場三維測量技術，旨在提供一種用于高溫環鏡顆粒場三維測量的探針。該探針包括光纖激光器、激光準直器、光路系統和CCD相機，光纖激光器與激光準直器之間通過光纖連接；還包括具有開口端和封閉端的長管狀的中空外殼，CCD相機設于開口端；在外殼上開設一個徑向貫穿的通孔作為顆粒通道，在顆粒通道與外殼封閉端之間的空腔內裝設激光準直器，在顆粒通道與外殼開口端之間的空腔內裝設光路系統。本發明能實現高溫環鏡下三維顆粒場多參數的同時測量，圖像傳輸距離保護相機，便于工程應用。管殼式透鏡組成像，避免管壁反射造成的噪聲對目標光束的影響；具有無需標定、三維、多參數同時測量等優點。
【專利說明】
用于高溫環鏡顆粒場三維測量的探針
技術領域
[0001]本發明涉及一種高溫環鏡顆粒場三維測量技術，具體涉及一種利用全息技術同時測量高溫環鏡下顆粒粒徑、三維位置、顆粒速度等參數的測量裝置。
【背景技術】
[0002]顆粒狀物質在科學研究、工程應用以及社會生活領域中常常出現，在科研領域，研究顆粒的形貌、顆粒之間的相互作用;在工程應用領域，常見的有燃煤電場的關于煤粉顆粒的研究，包括對煤粉輸送、煤粉燃燒、飛灰顆粒的研究等;生活中應用則更常見，如當下的霧霾都與顆粒物有關。因而對顆粒物的研究十分必要。
[0003]雖然現代光學測量技術發展了大量對顆粒空間分布、粒徑、速度、濃度等參數測量的工具和儀器，高溫等惡劣環鏡下的顆粒場測量仍然很難實現，尤其是在鍋爐爐膛、內燃機燃燒室等封閉空間內的燃料顆粒或液滴的測量。探針或內窺式的測量工具是一個很好的選擇。目前存在一些基于圖像粒子測速(PIV)、相位多普勒技術(PDA)、高速攝影等光學手段的探針，發揮了一定的作用。但是PIV以測量顆粒整體運動速度為主，無法得到單個顆粒的粒徑、形貌、濃度等信息;PDA屬于單點測量技術，得到的是經過測量點的顆粒統計速度和粒徑分布，而且對非球形顆粒測量誤差較大;直接成像的方法受限于景深，只能得到聚焦平面的顆粒，離焦顆粒是模糊的散斑，影響測量的范圍和精度。開發一種適用于高溫環鏡內顆粒場三維、多參數同時測量的探針具有重大創新意義。
[0004]數字全息技術是一種以單相機實現顆粒場三維、多參數、定量測量的三維成像技術。通過數字相機記錄一張全息圖，然后使用數值模擬光傳播的方法重建再現像，具有裝置簡單、操作方便的優勢。目前廣泛引用于開口空間中噴霧液滴、燃料顆粒、氣泡、微生物等顆粒物的測量。但是該技術基本采用了無透鏡或單一物鏡的裝置，在管套式探針中，光束通過透鏡后會擴散至管壁，在管壁上進行反射，會對目標光束造成干擾，單透鏡系統工作距離受限，當相機與物平面距離過大時，成像質量受影響，因而在保證成像質量的前提下，相機與物平面距離有限，會造成相機的壽命損傷。以往的全息方法適用于高溫探針的也尚未有見。
[0005]為此，本發明在優化全息成像透鏡組的基礎上，開發了一種細長的全息探針，既能實現150(TC高溫環鏡顆粒場三維、定量測量，又能保護主要零件不受高溫損傷，適用于工程現場。
【發明內容】
[0006]本發明所要解決的技術問題是，克服現有顆粒場測量技術的不足，提供了一種用于高溫環鏡顆粒場三維測量的探針。
[0007]為解決技術問題，本發明的解決方案是:
[0008]提供一種用于高溫環鏡顆粒場三維測量的探針，包括光纖激光器、激光準直器、光路系統和CCD相機，光纖激光器與激光準直器之間通過光纖連接;其特征在于，還包括具有開口端和封閉端的長管狀的中空外殼，所述CCD相機設于開口端;在外殼上開設一個徑向貫穿的通孔作為顆粒通道，在顆粒通道與外殼封閉端之間的空腔內裝設激光準直器，在顆粒通道與外殼開口端之間的空腔內裝設光路系統；
[0009]所述光路系統包括(2+2α)塊透鏡，α是正整數且2I;其中，靠近顆粒通道的第一塊透鏡為物鏡;除靠近物鏡的第一轉接鏡之外，其余均為用于平移成像平面的轉接鏡組合，且每兩個轉接鏡為一個組合;各透鏡之間具有下述位置關系:
[0010]假設顆粒通道位于物鏡的左側，物鏡的右側焦點與第一轉接鏡的左側焦點重合；第一轉接鏡的右側焦點與第二轉接鏡的左側焦點重合，第二轉接鏡的右側焦點與第三轉接鏡的左側焦點重合，以此類推；自第二轉接鏡與第三轉接鏡起，以每兩個轉接鏡為一組進行增減，CCD相機位于最后一塊轉接鏡右邊焦距之外。
[0011 ]本發明中，所述物鏡的直徑小于轉接鏡的直徑。
[0012]本發明中，所述激光準直器與光路系統位于同一直線上組成同軸全息系統，或者兩者之間存在偏角組成離軸全息系統。
[0013]本發明中，所述外殼具有冷卻夾套，接有冷卻劑進口和冷卻劑出口；
[0014]本發明中，所述冷卻夾套是雙層冷卻系統結構，其外層為冷卻劑進口通道，內層為冷卻劑出口通道;所述冷卻劑進口和冷卻劑出口均設在靠近外殼開口端的位置。
[0015]發明原理描述:
[0016]光纖激光器發射的激光經激光準直器后成為平行光，經顆粒場后，依次通過光路系統中的多塊透鏡到達所述的CCD相機上。平行光經過顆粒場發生投射和折射等光的傳播規律形成物光波，另一部分沒有照射到顆粒場的光作為參考光，物光波和參考光發生干涉，相機記錄下干涉后形成的全息圖，信號輸送至計算機，經全息圖重建可獲得顆粒場粒徑、形貌等具體參數。
[0017]與現有技術相比，本發明的有益效果是:
[0018]1、本發明能實現高溫環鏡下三維顆粒場多參數的同時測量，測量粒徑范圍與視場可分級調節，透鏡組全息成像系統增加了圖像傳輸距離，保護了相機，便于工程應用。
[0019]2、本發明利用管殼式透鏡組成像，避免管壁反射造成的噪聲對目標光束的影響；可以通過改變透鏡參數和位置，實現不同放大倍數的全息測量，測量粒徑可在Iym?Imm范圍內；全息圖遠距離傳遞使信號采集設備遠離測量區域的惡劣環鏡，從而得到保護;在高溫環鏡下實現顆粒場測量，包括顆粒粒徑、體積濃度、數濃度等參數，具有無需標定、三維、多參數同時測量等優點。
【附圖說明】
[0020]圖1本發明光路系統圖；
[0021 ]圖2本發明中探針結構示意圖。
[0022]圖中1.物鏡；2.第一轉接鏡；3.第二轉接鏡;4.第三轉接鏡；5.光纖;6.激光準直器;7.顆粒通道;8.冷卻劑進口通道;9.冷卻劑出口通道；10.光路系統；11.冷卻劑出口 ；12.CXD相機;13.連通通道;14.外殼的內部空腔;15.冷卻劑進口。
【具體實施方式】
[0023]下面結合附圖進行更進一步的詳細說明:
[0024]本發明所述用于高溫環鏡顆粒場三維測量的探針，包括光纖激光器、激光準直器
6、光路系統10和CCD相機12，光纖激光器與激光準直器6之間通過光纖5連接;還設置了具有開口端和封閉端的長管狀的中空外殼，CCD相機12設于外殼的開口端;在外殼上開設一個徑向貫穿的通孔作為顆粒通道7，激光準直器6設在顆粒通道7與外殼封閉端之間的空腔內，光路系統10設在顆粒通道與外殼開口端之間的空腔內。外殼具有雙層結構的冷卻夾套，其外層為冷卻劑進口通道8，內層為冷卻劑出口通道9 ；冷卻劑進口 15和冷卻劑出口 11均設在靠近外殼開口端的位置。
[°°25]光路系統10包括(2+2α)塊透鏡，α是正整數且^ I;其中，靠近顆粒通道7的第一塊透鏡為物鏡I;除靠近物鏡I的第一轉接鏡2之外，其余均為用于平移成像平面的轉接鏡組合，且每兩個轉接鏡為一個組合;物鏡I的直徑小于轉接鏡的直徑。激光準直器與光路系統位于同一直線上組成同軸全息系統，或者兩者之間存在偏角組成離軸全息系統。各透鏡之間具有下述位置關系:
[0026]假設顆粒通道7位于物鏡I的左側，物鏡I的右側焦點與第一轉接鏡2的左側焦點重合;第一轉接鏡2的右側焦點與第二轉接鏡3的左側焦點重合，第二轉接鏡3的右側焦點與第三轉接鏡4的左側焦點重合，以此類推；自第二轉3接鏡與第三轉接鏡4起，以每兩個轉接鏡為一組進行增減，C⑶相機位于最后一塊轉接鏡右邊焦距之外。
[0027]實施例1:
[0028]如圖1所示，該光路系統10中使用了四塊透鏡，從左到右依次是物鏡1、第一轉接鏡
2、第二轉接鏡3和第三轉接鏡4。這四塊透鏡組成無焦透鏡組，物鏡I的右邊焦點與第一轉接鏡2的左邊焦點重合，第一轉接鏡2的右邊焦點與第二轉接鏡3的左邊焦點重合，第二轉接鏡3的右邊焦點與第三轉接鏡4的左邊焦點重合，CCD相機12的成像位置位于第三轉接鏡4右邊焦點的右邊d處(d2 O)。改變物鏡I的參數與位置可以改變無焦光路系統的放大倍數，實現對小顆粒的測量，測量范圍為Iym?1mm。第二轉接鏡3和第三轉接鏡4的聯合使用可以實現像平面的平移，可進一步增大相機與像平面的距離，使得顆粒測量系統可在高達1500°C的溫度下工作的同時，保證C⑶相機12在常溫下工作。
[0029]探針的使用說明:
[0030]將探針置于高溫環鏡中，火焰中顆粒經顆粒通道7進入，物平面為物鏡I的左側焦以外。平行光經顆粒場后穿過光路系統10，CCD相機12按照實際測量要求放置在合適位置，輸出信號經信號線連接至計算機，經全息圖重建可獲得顆粒具體參數。測量過程中，冷卻劑從冷卻劑入口 15進入，由冷卻劑進口通道8流至冷卻劑出口通道9，最后從冷卻劑出口 11流出。
[0031]以上所述是本發明的優選實施方式，應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也視為本發明的保護范圍。
【主權項】
1.一種用于高溫環鏡顆粒場三維測量的探針，包括光纖激光器、激光準直器、光路系統和CCD相機，光纖激光器與激光準直器之間通過光纖連接;其特征在于，還包括具有開口端和封閉端的長管狀的中空外殼，所述CCD相機設于開口端;在外殼上開設一個徑向貫穿的通孔作為顆粒通道，在顆粒通道與外殼封閉端之間的空腔內裝設激光準直器，在顆粒通道與外殼開口端之間的空腔內裝設光路系統； 所述光路系統包括(2+2α)塊透鏡，α是正整數且2 I;其中，靠近顆粒通道的第一塊透鏡為物鏡;除靠近物鏡的第一轉接鏡之外，其余均為用于平移成像平面的轉接鏡組合，且每兩個轉接鏡為一個組合;各透鏡之間具有下述位置關系: 假設顆粒通道位于物鏡的左側，物鏡的右側焦點與第一轉接鏡的左側焦點重合;第一轉接鏡的右側焦點與第二轉接鏡的左側焦點重合，第二轉接鏡的右側焦點與第三轉接鏡的左側焦點重合，以此類推；自第二轉接鏡與第三轉接鏡起，以每兩個轉接鏡為一組進行增減，C⑶相機位于最后一塊轉接鏡右邊焦距之外。2.根據權利要求1所述的探針，其特征在于，所述物鏡的直徑小于轉接鏡的直徑。3.根據權利要求1所述的探針，其特征在于，所述激光準直器與光路系統位于同一直線上組成同軸全息系統，或者兩者之間存在偏角組成離軸全息系統。4.根據權利要求1至3任意一項中所述的探針，其特征在于，所述外殼具有冷卻夾套，接有冷卻劑進口和冷卻劑出口。5.根據權利要求4所述的探針，其特征在于，所述冷卻夾套是雙層冷卻結構，其外層為冷卻劑進口通道，內層為冷卻劑出口通道;所述冷卻劑進口和冷卻劑出口均設在靠近外殼開口端的位置。
【文檔編號】G01D21/02GK105890671SQ201610417407
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2016年6月15日
【發明人】吳學成, 岑可法, 邱坤贊, 陳玲紅, 高翔, 駱仲泱, 姚龍超, 吳晨月
【申請人】浙江大學