本发明专利技术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。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术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。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术采用的技术方案是：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、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；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；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，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。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。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。一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，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荧光滤光片滤光和反射，经出光口射出，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。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10nm以上。本专利技术的有益效果：本专利技术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。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。附图说明图1为本专利技术所述同时速度场和浓度场测量装置示意图。图2是分光装置光路原理图。图中：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下面结合附图以及具体实施例对本专利技术作进一步的说明，但本专利技术的保护范围并不限于此。如图1所示，本专利技术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的不本文档来自技高网...
【技术保护点】
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(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、)诱导荧光滤光片(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(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；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。...
【技术特征摘要】
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(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、)诱导荧光滤光片(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(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；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...
【专利技术属性】
技术研发人员：管贤平，邱白晶，欧鸣雄，董晓娅，董立立，贾卫东，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32
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