CN101782592B - 一种缝隙微流动粒子测速装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种缝隙微流动粒子测速装置，包括两个用于产生连续的脉冲激光的激光器、微流动装置、显微物镜、中继镜，高速摄相机，以及依次设置在脉冲激光的激光器与微流动装置之间的反射镜、偏振镜、三棱镜和柱面镜；其中一个激光器的光线射入偏振镜后经过三棱镜折射进入柱面镜，并由所述柱面镜投射到所述微流动装置；其中另一个激光器前设有反射镜，光线通过反射镜射入偏振镜后经过三棱镜折射进入柱面镜，并由所述柱面镜投射到所述微流动装置，所述显微物镜设置在微流动装置一面，光线通过中继镜投射到高速摄相机。本发明所述的缝隙微流动粒子测速装置由电脑控制脉冲激光产生的频率与高速摄相机拍摄的频率，安全可靠，结构简单，成本低。

Description

一种缝隙微流动粒子测速装置

技术领域

本发明涉及一种液体微流动特性检测装置，特别是一种结构简单稳定的缝隙微流动粒子测速装置。

背景技术

粒子图像测速技术是近年来出现的一种非接触式定量视觉化速度场测量技术。针对微流动的粒子测速，由于被测流体尺寸微小，传统的光源显得庞大而累赘，甚至可能损坏试验平台。

发明内容

发明目的：本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种缝隙微流动粒子测速装置。

技术方案：本发明公开了一种缝隙微流动粒子测速装置，包括两个用于产生连续的脉冲激光的激光器、微流动装置、显微物镜、中继镜，高速摄相机，以及依次设置在脉冲激光的激光器与微流动装置之间的反射镜、偏振镜、三棱镜和柱面镜；

其中一个激光器的光线射入偏振镜后经过三棱镜折射进入柱面镜，并由所述柱面镜投射到所述微流动装置；

其中另一个激光器前设有反射镜，光线通过反射镜射入偏振镜后经过三棱镜折射进入柱面镜，并由所述柱面镜投射到所述微流动装置；

两个激光器的脉冲光经过偏振镜后光线重叠；偏振镜同时起滤光作用，可以滤去杂光；

所述柱面镜用于扩展激光束形成所需照明光源，也可由其他光束扩展器代替；

所述显微物镜设置在微流动装置一面，光线通过中继镜投射到高速摄相机；

所述激光器的脉冲频率与所述高速摄相机拍摄的频率同步。

本发明中，优选地，所述微流动装置包括透明液体箱、液体箱固定调节装置以及支架；

所述液体箱固定调节装置包括上支架、下支架和下支架固定板，下支架固定板上设有滑槽，所述下支架的一端与下支架固定板的下端固定连接，所述上支架一端设置在所述滑槽内，所述上支架的另一端通过一弹簧与下支架的另一端连接；所述下支架固定板与支架之间通过一轴承连接；

所述上支架可以在下支架固定板的滑槽内上下滑动；弹簧用于拉紧上支架和下支架，对所述液体箱进行定位。

所述透明液体箱位于上支架、下支架以及下支架固定板三者之间形成的空间内；所述透明液体箱内设有用于液体流动的缝隙，液体箱两侧分别设有与所述缝隙连通的液体进口和液体出口，所述液体进口用于连通液体源，所述液体出口用于连通油箱，从而形成一个液体流动缝隙面，从柱面镜射出的光线以所述液体流动缝隙面的平行方向摄入照亮整个液体流动缝隙面，所述高速摄相机垂直于所述高速摄相机设置。

本发明中，优选地，所述下支架固定板上设置有水平校准块即凸块，一般设置为三个以上，用于将液体箱与下支架固定板之间的位置固定。

本发明中，优选地，所述上支架上设有调节螺栓，用于微调液体箱的位置。

本发明中，优选地，所述下支架上设有调节螺栓，用于微调液体箱的位置。

本发明中，优选地，所述透明液体箱的液体进口和液体出口分别设有密封圈。

本发明中，所述两个激光器以及高速摄相机同时与一个计算机连接，进行信号数据的传输控制。

本发明中，所述的缝隙微流场里的粒子被照亮后，经显微物镜后经中继镜聚焦最后进入相机成像。由于是两个连续脉冲激光曝光，可以形成二次曝光图像；所述的图像经相机晶片记录，由电脑对粒子运动位移进行统计分析获得速度场分布；获得速度场分布的原理：

$\underset{\mathrm{\Δt}\→0}{\lim }\frac{\mathrm{\Δx}}{\mathrm{\Δt}}\≅u,\underset{\mathrm{\Δt}\→0}{\lim }\frac{\mathrm{\Δy}}{\mathrm{\Δt}}\≅v.$

有益效果：本发明所述的缝隙微流动粒子测速装置由电脑控制脉冲激光产生的频率与高速摄相机拍摄的频率，安全可靠，缝隙微流动粒子测速装置不仅可以多方位调整，还可以小范围微调，结构简单，成本低。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明做更进一步的具体说明，本发明的上述和/或其他方面的优点将会变得更加清楚。

图1为本发明装置结构示意图。

图2为本发明微流动装置与支架部分侧面结构示意图。

图3为本发明微流动装置与支架部分正面结构示意图。

图4为本发明中下支架固定板部分正面结构示意图。

图5为液体箱截面视图。

具体实施方式：

如图1所示本发明公开了一种缝隙微流动粒子测速装置，包括两个用于产生连续的脉冲激光的激光器、微流动装置、显微物镜8、中继镜9，高速摄相机10，以及依次设置在脉冲激光的激光器与微流动装置之间的反射镜3、偏振镜4、三棱镜5和柱面镜6；其中一个激光器2的光线射入偏振镜后经过三棱镜折射进入柱面镜，并由所述柱面镜投射到所述微流动装置；其中另一个激光器1前设有反射镜，光线通过所述反射镜3射入偏振镜后经过三棱镜折射进入柱面镜，并由所述柱面镜投射到所述微流动装置；所述显微物镜设置在微流动装置一面，光线通过中继镜投射到高速摄相机；所述激光器的脉冲频率与所述高速摄相机拍摄的频率同步。

如图2和图3所示，本发明中所述微流动装置包括透明液体箱13、液体箱固定调节装置以及支架14；所述液体箱固定调节装置包括上支架16、下支架18和下支架固定板19，所述下支架固定板19上设有滑槽17，所述下支架18的一端与下支架固定板的下端固定连接，所述上支架16一端设置在所述滑槽17内，所述上支架的另一端通过一弹簧21与下支架的另一端连接；所述下支架固定板与支架之间通过一轴承15连接；所述透明液体箱13位于所述上支架和下支架之间；所述透明液体箱13内设有用于液体流动的缝隙11，液体箱两侧分别设有与所述缝隙连通的液体进口24和液体出口25。所述下支架固定板上设置有三个水平校准块20。所述上支架上设有调节螺栓22，所述下支架上设有调节螺栓23。所述透明液体箱的液体进口和液体出口分别设有密封圈。

本发明中所述两个激光器1、2以及高速摄相机8同时与一个计算机10连接，进行信号数据的传输控制。

更具体地说，本发明包括有两个激光器1，2，一个反射镜3，一个偏振镜4，一个三棱镜5，一个柱面镜6，微流动装置7，一个显微物镜8，一个中继镜9，一个高速摄相机10。

如图1所示，所述两个激光器1，2产生两个连续的脉冲激光，产生的频率与高速摄相机10拍摄的频率同步。所述其中一个脉冲激光经过反射镜3后到达偏振镜4，另一个脉冲激光也到达偏振镜4，两个脉冲光经过偏振镜4后重叠其行走光线；偏振镜同时起滤光作用，可以滤去杂光；然后脉冲光然后射入三棱镜5，经三棱镜5折射后进入柱面镜6或其它光束扩展器(比如长春光电所BE-2X型光束扩展器)代替。脉冲激光带用来照亮液体流动的缝隙11里的粒子，微流动装置7可以微调，激光可以照射在缝隙中。所述的缝隙宽度一般设置为1um～1mm。所述的缝隙11的微流场里的粒子被照亮后，经显微物镜8放大后经中继镜9聚焦最后进入相机10成像。由于是两个连续脉冲激光曝光，可以形成二次曝光图像；所述的图像经相机晶片记录，由电脑12对粒子运动位移进行统计分析获得速度场分布；获得速度场分布的原理：

$\underset{\mathrm{\Δt}\→0}{\lim }\frac{\mathrm{\Δx}}{\mathrm{\Δt}}\≅u,\underset{\mathrm{\Δt}\→0}{\lim }\frac{\mathrm{\Δy}}{\mathrm{\Δt}}\≅v$

如图2和图3所示，所述微流动装置7通过轴承15固定在支架14上，所述的微流动装置7可以利用球轴承15实现多方向微调，球轴承通过卡簧16定位在支架14上。微流动装置7通过球轴承15螺纹调节位置。微流动装置7包括上支架16，下支架18，下支架固定板19，水平校准块20，拉簧21，定位螺钉22组成。

如图3和图4所示，上支架16在滑槽17内滑动，下支架18相对于球轴承15是固定的。通过滑动上支架16，将液体箱13放置在上下支架间。上下两个支架间由拉簧19定位，限制其上下移动位置。下支架固定板19上有三个水平校准块20，上下两个支架上均设有定位螺钉22，用于微调液体箱13的位置。

如图5所示，液体箱13两端均有密封圈25，用于密封液体进口24与液体箱13，所述的液体出口25与液体箱13之间也有密封圈，从而避免微粒子从缝隙微流场中泄露。所述的液体箱13可以根据试验要求加工不同的内部结构，液体出口和液体出口的街头均不需要更换。

本发明的检测步骤：(1)两个脉冲激光发生器1，2产生两个连续的脉冲光；(2)其中一个脉冲激光经过反射镜3后到达偏振镜4，另一个脉冲激光也到达偏振镜4，两个脉冲光经过偏振镜4后重叠其行走光线；(3)这一对脉冲光然后射入三棱镜5。(4)经三棱镜5折射后进入柱面镜6或其它可以扩大光束形成光带的装置。(5)微调微流动装置7，使光带可以照射在流场中；(6)脉冲激光带经显微物镜8放大后经中继镜9聚焦最后进入相机10成像。由于是两个连续脉冲激光曝光，可以形成二次曝光图像。(7)图像经相机晶片记录，由电脑11对粒子运动位移进行统计分析获得速度场分布。

本发明提供了一种缝隙微流动粒子测速装置的思路及方法，具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。

Claims (5)

1.一种缝隙微流动粒子测速装置，其特征在于，包括两个用于产生连续的脉冲激光的激光器、微流动装置(7)、显微物镜(8)、中继镜(9)，高速摄相机(10)，以及依次设置在所述激光器与微流动装置之间的反射镜(3)、偏振镜(4)、三棱镜(5)和柱面镜(6)；

其中一个激光器(2)的光线射入偏振镜后经过三棱镜折射进入柱面镜，并由所述柱面镜投射到所述微流动装置(7)；

其中另一个激光器(1)前设有所述反射镜，光线通过所述反射镜(3)射入偏振镜后经过三棱镜折射进入柱面镜，并由所述柱面镜投射到所述微流动装置(7)；

所述显微物镜设置在微流动装置一面，光线通过中继镜投射到高速摄相机；

所述激光器的脉冲频率与所述高速摄相机拍摄的频率同步；

所述微流动装置包括透明液体箱(13)、液体箱固定调节装置以及支架(14)；

所述液体箱固定调节装置包括上支架(16)、下支架(18)和下支架固定板(19)，所述下支架固定板(19)上设有滑槽(17)，所述下支架(18)的一端与下支架固定板的下端固定连接，所述上支架(16)一端设置在所述滑槽(17)内，所述上支架的另一端通过一弹簧(21)与下支架的另一端连接；所述下支架固定板与支架之间通过一轴承(15)连接；

所述透明液体箱(13)位于所述上支架和下支架之间；所述透明液体箱(13)内设有用于液体流动的缝隙(11)，液体箱两侧分别设有与所述缝隙连通的液体进口(24)和液体出口(25)。

2.根据权利要求1所述的一种缝隙微流动粒子测速装置，其特征在于，所述下支架固定板上设置有水平校准块(20)。

3.根据权利要求1所述的一种缝隙微流动粒子测速装置，其特征在于，所述上支架上设有调节螺栓。

4.根据权利要求1所述的一种缝隙微流动粒子测速装置，其特征在于，所述下支架上设有调节螺栓。

5.根据权利要求1所述的一种缝隙微流动粒子测速装置，其特征在于，所述透明液体箱的液体进口和液体出口分别设有密封圈。

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