专利名称：激光脉冲计数型流速测量系统的制作方法
技术领域：
本实用新型属于粒子成象流速测量技术领域。
自从60年代激光问世以来，伴随着激光技术的发展，采用激光光源的非接触流速测量手段也相继发展。到目前为止，激光流速测量技术大致可分为两大类，一类是以多普勒原理为主发展起来的LDA技术，另一类是粒子成象测速技术(PIV－PARTICAL IMAGE WELOCIMETRY)。
现有的PIV技术是根据信息光学原理或粒子运动定位原理，粒子成象的判读无一例外地要使用昂贵的测量仪器设备，涉及复杂的数字图像处理技术。对所获得的粒子分布图像，包括实象或散斑象等信息图形进行一系列繁复的运算如卷积、相关、付里叶变换等，这给流动测量实时性的提高和测试仪器成本的降低带来难以克服的困难。
本实用新型的目的，在于改进现有PIV测速技术复杂的光学系统和信号处理系统。以高重复频率倍频YAG激光器取代低重复率脉冲或连续激光器光源，使得简单的信号处理技术，主要是一位数字信号处理取代复杂的粒子图象判读处理技术成为可能。
本实用新型提出了一种激光脉冲计数测速(LPCV－Laser Pulse Counter Velocimetry)技术，其基本原理和测试方法由
图1描述的实验装置来表明。高重复频率倍频YAG激光器①发出的激光被一短焦距柱面正透镜②沿垂直方向发散，发散激光束又被一平行光透镜③变换成片状激光束。含有适量悬浮粒子的流动介质被片状激光束照射后形成测量区④，粒子成象透镜⑤将测量区④成象在光电探测器⑦的表面，光电探测器⑦的表面上放置长度为W，高度为H的矩形光栏⑥。
设片状激光束的厚度为T，粒子成象透镜⑤成象放大率为K，矩形光栏⑥限制的成象空间对应于片光源上测量区④的体积S为
S＝ (W)/(K) · (H)/(K) ·T当测量区④内有粒子通过，与此同时激光脉冲到来，则粒子的散射光可以被置于矩形光栏⑥后边的光电探测器⑦接收到。若光电探测器⑦的接收面积等于或大于光栏尺寸，激光脉冲的重复率为f(次／秒)，粒子在测量区④内存在期间散射出的激光脉冲个数N0可以全部被光电探测器⑦接收到。若粒子是在沿矩形光栏⑥的长度W方向运动，粒子在测量区④内，在长度W方向的平均速度W为V＝ (Wf)/(NoK)上述测量公式中有两个限定条件需注意，一是测量过程中的记数N0是单个粒子散射出的光脉冲数，二是粒子运动方向沿着矩形光栏⑥长度W方向。对于第一个条件，实验中可以限制流动介质中的粒子浓度或减小矩形光栏⑥的尺寸来实现。对于第二个条件，还需对图1中的成象和探测部分改动后可以实现。
由于粒子以什么方式和运动方向穿过测量区或粒子的象以什么方式穿过矩形光栏是未知，当粒子以某一角度穿过测量区④是可能存在的，这就提出伪数据判别和方向判别的问题。
当粒子不是沿光栏⑥的长度W方向运动，由于不能确切地知道粒子在测量运动的长度使速度计算无效。为克服这一缺陷，实用的LPCV系统必须有两套独立的完全相同的矩形光栏⑥和光电探测器⑦，两个矩形光栏⑥在空间上是相邻或等价相邻排列。如果光电探测器接收面积大，不便并列安装，可采用象面空间分割法。图2描述一个实用LPCV系统，遮光外套(12)又作为成象部分的固定壳体，孔径光栏⑧放在成象透镜⑤的后面。分光镜⑨插入成象光束，可在遮光外套的中部放置观察镜(11)，这将给系统调试带来方便。光电探测器⑦分为A和B两个探测器，电子计数处理和显示仪器13接收、处理和显示粒子计数数值。矩形光栏⑥的长度为2W，高度为H，2W×H象面被45度放置的平面反射镜⑩的棱边分成相等的两部分，一半由光电探测器A接收，另一半经45度镜反射后由光电探测器B接收。若光电探测器体积允许，可以不用平面反射镜⑩，将两只探测器对称装在长度为2W的矩形光栏⑥后面，当粒子象沿光栏长度方向运动经过相邻的两个测量区时，由于测量区很小，其速度变化不是很大，故两套LPCV应给出相等的或相差±1的计数值(数据处理量化误差)，这个数值报认可为有效计数。当粒子的象不平行长度W方向，而是以一定角度进入视场，由于矩形光栏的狭长形状(W远远大于H)，它或者只跨过光栏A或光栏B，或者虽然跨越了两个光栏，两套LPCV均不能给出同样计数，计数差值大于±1时认为是伪数据。实验中可以将矩形光栏⑥和光电探测器⑦绕成象系统的光轴转动，必能在某个角度上得到有效计数。
当两套LPCV系统绘出相同或相差±1计数结果时，在局部流速测量中，方向判别可以进行流动失量符号判别。有效计数时矩形光栏⑥的长度W方向即流动失量方向。失量符号的判定可以通过测量粒子首先出现在哪个矩形光栏里，可以规定粒子象首先出现在光栏A然后出现在光栏B的流动方向为负，反之为正，由于成象透镜⑤使物象倒置，实际粒子穿过测量区的运动方向与上面规定相反。
本系统与一般以粒子图象为研究对象的测速系统一样，需对粒子的浓度加以限制，希望粒子以较大的几率单独出现在测量区内，即粒子的浓度应小于K2／WHT(个／mm3)，如果W＝5mm，H＝2mm，K＝10，T＝0.5mm，这一浓度要求小于每5×10－2mm3中一个粒子，即每升介质中可以充许5×108个粒子，这显然不是一个苛刻的要求。若减小矩形光栏⑥的尺寸以缩小测量体积还可以降低对粒子浓度的要求。
本测量系统不需对粒子空间位置信息判断，两个光电探测器得到的是很方便接收和处理的光脉冲个数电信号，仅仅对光电探测器输出的信号进行计数处理和显示，那么一般的电子线路完全能够胜任。
本系统的一个实验数据为，W＝5mm，H＝2mm，T＝0.5mm，K＝10，f＝10KHZ，如测速误差要求限制在10％以内，测量的上限为0.5米／秒，此时光电探测器输出的脉冲计数不小于10。本实用新型提供了一种成本低，操作简单方便，测量数据稳定可靠的实时性粒子流速探测系统。
权利要求1.激光脉冲计数型流速测量系统，其特征是它由高重复率倍频YAG激光器①，柱面正透镜②，平行光透镜③，粒子成象透镜⑤，矩形光栏⑥，光电探测器⑦，孔径光栏⑧，分光镜⑨，平面反射镜⑩，观察镜(11)，遮光外套(12)组成，柱面正透镜②将YAG激光束沿垂直方向发散，平行光透镜③将发散激光束变换成片状激光束，含有悬浮粒子的流动介质被片状激光束照射后形成测量区④，粒子成象透镜⑤将测量区⑤成象在光电探测器⑦的表面，该表面上放置长度为2W，高度为H的矩形光栏⑥，平面反射镜⑩以45度角插入成象光束将二分之一成象平面偏折90度。
专利摘要激光脉冲计数型流速测量系统，本实用新型属于粒子成象流速测量技术领域。柱面透镜和正透镜将高重复率倍频YAG激光变换成片状光束，照亮含有悬浮粒子的流动介质，形成测量区。另一透镜将测量区成象在光电探测器表面，该表面放置矩形光栏。由矩形光栏尺寸、激光脉冲重复率、光电探测器接收光脉冲数可计算出悬浮粒子运动速度和方向。本实用新型提供了一种成本低、操作简单方便、测量数据稳定可靠的实时性粒子流速探测系统。
文档编号G01P5/20GK2090535SQ9020935
公开日1991年12月11日 申请日期1990年6月26日 优先权日1990年6月26日
发明者王仕康, 薛彬 申请人:天津大学