一种测量微幅波动液体表面的装置的制作方法

本实用新型涉及测量微幅波动水面领域，具体涉及一种测量微幅波动液体表面的装置。

背景技术：

3D扫描能够用以采集物体或环境的形状及外观信息，进而构建出数字化的三维模型。在复杂物体外形数据的测量，产品的复制、分析、修改，质量检测等方面均有很大的应用前景，有助于提高机械制造、电子等工业领域新产品研发的质量，缩短研发周期，降低研发成本。

3D扫描的测量方法总体上可分为接触式、非接触式两类。接触式测量方法发展较早，采用探针对物体表面形貌进行直接的测量，此方法具有量程大、测量结果稳定、重复性好等优点。而非接触式的测量方法可有效避免接触式测量中的一些问题，适用范围更广，测量技术的种类也更多，根据用以测量的媒介的不同可分为光学测量技术、微波技术、超声技术、电场技术等，其中光学测量技术因其简单、方便、直观而最为常用。

接触式测量常见的局限性：探针接触后磨损变形，精度下降；探针头部的曲率半径限制了测量精度；不能用于精密物件和软质物体的表面测量等。

传统的非接触式测量的局限性：不能测量透明物体的表面；空间高度分辨率有限。

技术实现要素：

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本实用新型提供一种测量微幅波动液体表面的装置。

技术方案：

一种测量微幅波动液体表面的装置，包括振动系统以及测试系统；所述振动系统包括依次连接的信号发生器、功率放大器、电声换能器以及振子；所述振子放置在待测液面内；所述测试系统包括激光束阵列发射装置及激光光点记录装置，所述激光束阵列发射装置及激光光点记录装置设置在所述待测液面的同侧或两侧，并根据所述待测液面的反射或透射形成激光光路。

所述激光束阵列发射装置为依次设置的激光器、凸透镜及滤光片。

所述激光光点记录装置为纸屏及其后设置的高速相机。

通过调整所述纸屏距离所述待测液面的距离调整整个装置的测试精度与量程。

所述振子接触所述待测液面的部分根据不同形式的液面波动激发需求设计成不同形状的结构。

所述振子接触所述待测液面的部分为横杆振子，激发的液面波动为平面波；所述振子接触所述待测液面的部分为纵杆振子，激发的液面波动为环形波。

所述电声换能器为扬声器，所述扬声器包括音圈以及设置在所述音圈外的纸盘；所述纸盘与所述振子连接。

所述电声换能器为电动换能器、电磁换能器、静电换能器、压电换能器或者磁致伸缩换能器。

所述高速相机与计算机连接，将其拍摄得到的激光光点分布数据导入计算机；所述计算机对光点位置进行读取，通过计算反推待测液面各点的斜率，最后通过插值、积分，重构出数据化的液面形貌。

有益效果：本实用新型从3D扫描的结构光法出发，利用光的折射定律设计出一种实时测量微幅振动透明液面3D形貌的方法，可以测量微米尺度振动的液面形貌。利用多束平行激光束穿透透明液体，并且实时测试光斑的移动量，我们的方法不仅可以得到指定点的波速，波高随时间变化的数据，也可以直接得到任意时刻测量区域波面的3D形貌。

附图说明

图1为本实用新型的装置结构示意图。

图2为本实用新型的滤光片示意图。

图3为本实用新型的测试原理示意图。

图4为本实用新型对平面波传播的测试结果示意图。

图5为本实用新型实施例中激光束阵列经液面折射后落于纸屏上的光点分布情况示意图；

其中，(a)为液面静止时光点分布图，(b)为液面波动时光点分布图。

图6为本实用新型实施例中波形重构结果示意图。

其中，1.信号发生器、2.功率放大器、3.电声换能器、4.振子、5.激光器、6.凸透镜、7.滤光片、8.待测液面、9.纸屏、10.高速相机。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作更进一步的说明。

图1为本实用新型的装置结构示意图。如图1所示，本实用新型的测量微幅波动液体表面的装置包括振动系统以及测试系统，所述振动系统用以激发各种类型的水面振动，包括依次连接的信号发生器1、功率放大器2、电声换能器3及振子4，所述振子4放置在待测液面8内；所述电声换能器3为扬声器，包括音圈以及设置在所述音圈外的纸盘；所述测试系统用以记录水面振动所导致的激光光点偏移，包括激光器5、凸透镜6、滤光片7、纸屏9以及高速相机10；所述激光器5、凸透镜6及滤光片7依次设置在所述待测液面8一侧，形成激光光路；在所述待测液面的另一侧与所述激光器5相对应的位置设有纸屏9，在所述纸屏9后设有高速相机10。

在所述振动系统中，所述信号发生器1用于输出频率、幅值、波形可控的信号，输出信号经过所述功率放大器2后被放大至可以驱动所述电声换能器3，所述电声换能器3为扬声器，将输入的电信号转化为振动，通过与所述扬声器纸盘相连的所述振子4激发所述待测液面8波动；其中所述振子4接触所述待测液面8的部分可替换为不同形状的结构，以激发不同形式的待测液面波动，例如所述振子4接触所述待测液面8的部分为横杆振子，可以激发平面波；所述振子4接触所述待测液面8的部分为纵杆振子，可以激发环形波。

在所述测试系统中，由所述激光器5产生的发散激光经所述凸透镜6后被准直为一束平行光，所述平行光束经过所述滤光片7(如图2所示)后被分为激光束阵列，所述激光束阵列经过所述待测液面8后发生折射，折射后的激光光点落于所述纸屏9上，因液面的波动，所述纸屏9上的光点将具有特定的疏密分布，通过所述纸屏9后的所述高速相机10可以拍摄得到光点的实时分布情况，将光点分布导入计算机进行分析，就能得到待测液面测量区域的各项信息，并重构出数据化的液面形貌。理论上来说，只要计算机的处理分析速度足够快，通过此测试系统可实时得到测试区域液面的信息。

在本实用新型中，电声换能器3采用了扬声器作为将电信号转化为振动信号的装置，但本实用新型并不止于此，所有的电声换能器都能实现这样的功能，包括电动换能器、电磁换能器、静电换能器、压电换能器或磁致伸缩换能器等。

本实用新型适用于测量透明介质的表面形貌，十分适合于测量微幅波动的液体表面，可以测得微米尺度振动的液面形貌。系统中运用了光杠杆对微幅波动进行了放大，通过调节光杠杆的臂长(纸屏至液面的距离)，可以在很大程度上改变整套系统的测试精度与量程。

本实用新型使用了透射式的光路设计进行测量，只要满足激光器、凸透镜、滤光片与纸屏、高速相机分别位于待测液面两侧即可实现测量，使用方式较为灵活。并且对于反射系数较大的液体，也可以通过反射式光路在同测进行测量。

本实用新型采用了激光束阵列进行测量，可同时扫描多点的液面信息，大大加快了数据的获取速度。对于采集得到的数据，通过Matlab设计了相应的程序，可实现对光点位置的读取，并通过计算反推液面各点的斜率，最后通过插值、积分，可以重构出数据化的液面形貌。

激光束阵列从液面一侧入射，经液面折射后落于纸屏上，当液面静止时，各激光光点在纸屏上处于静止位置，而当液面波动时，各激光光点将相对于静止位置产生偏离。通过运用折射定律与几何关系，可以计算得到光点的偏离与光点照射位置液面斜率的对应关系。当满足滤光片的点阵间距小于水波波长时，即可对计算得到的各点液面斜率进行插值、积分，从而得到测试区域的液面形貌。对测试区域的液面形貌进行实时的分析，即可得到液面波动传播的各项参数。

图4展示了本实用新型对平面波传播的测试结果，其中an(n＝1，2，…,10)为等距分布的激光光点照射位置。通过比较各点对应的折射光点偏移随时间的变化情况，即可分析出平面波的传播情况，并计算其波速，计算结果与实际的波速完全吻合。

图5展示了激光束阵列经液面折射后落于纸屏上的光点分布情况，可以发现，当液面产生微幅波动后，光点相对平衡位置产生了偏离，并且此偏离可通过光杠杆调节放大倍率。通过设计的程序，读取光点位置，计算液面斜率，插值、积分重构出数据化的液面形貌如图6所示。

本实用新型的装置从3D扫描的原理入手，根据结构光法加以改进，结合光的折射原理，提出一套适合于测量液体表面微幅波动的三维形貌测量系统。对其测试表明，测试方法行之有效，测量结果与实际的波面情况符合很好，适用的测量范围为1-100μm。实验的光路设计运用了简单的光学放大原理，实现了较高精度的测量，相对误差在2％以内。

对平面波、环形波、水面涟漪等各类波形都实现了较好的表面形貌重构，同时可以获得水波的振幅、频率、波长、波速等参数。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护。