[发明专利]用于高温环镜颗粒场三维测量的探针

说明书

技术领域

本发明涉及一种高温环镜颗粒场三维测量技术，具体涉及一种利用全息技术同时测量高温环镜下颗粒粒径、三维位置、颗粒速度等参数的测量装置。

背景技术

颗粒状物质在科学研究、工程应用以及社会生活领域中常常出现，在科研领域，研究颗粒的形貌、颗粒之间的相互作用；在工程应用领域，常见的有燃煤电场的关于煤粉颗粒的研究，包括对煤粉输送、煤粉燃烧、飞灰颗粒的研究等；生活中应用则更常见，如当下的雾霾都与颗粒物有关。因而对颗粒物的研究十分必要。

虽然现代光学测量技术发展了大量对颗粒空间分布、粒径、速度、浓度等参数测量的工具和仪器，高温等恶劣环镜下的颗粒场测量仍然很难实现，尤其是在锅炉炉膛、内燃机燃烧室等封闭空间内的燃料颗粒或液滴的测量。探针或内窥式的测量工具是一个很好的选择。目前存在一些基于图像粒子测速(PIV)、相位多普勒技术(PDA)、高速摄影等光学手段的探针，发挥了一定的作用。但是PIV以测量颗粒整体运动速度为主，无法得到单个颗粒的粒径、形貌、浓度等信息；PDA属于单点测量技术，得到的是经过测量点的颗粒统计速度和粒径分布，而且对非球形颗粒测量误差较大；直接成像的方法受限于景深，只能得到聚焦平面的颗粒，离焦颗粒是模糊的散斑，影响测量的范围和精度。开发一种适用于高温环镜内颗粒场三维、多参数同时测量的探针具有重大创新意义。

数字全息技术是一种以单相机实现颗粒场三维、多参数、定量测量的三维成像技术。通过数字相机记录一张全息图，然后使用数值模拟光传播的方法重建再现像，具有装置简单、操作方便的优势。目前广泛引用于开口空间中喷雾液滴、燃料颗粒、气泡、微生物等颗粒物的测量。但是该技术基本采用了无透镜或单一物镜的装置，在管套式探针中，光束通过透镜后会扩散至管壁，在管壁上进行反射，会对目标光束造成干扰，单透镜系统工作距离受限，当相机与物平面距离过大时，成像质量受影响，因而在保证成像质量的前提下，相机与物平面距离有限，会造成相机的寿命损伤。以往的全息方法适用于高温探针的也尚未有见。

为此，本发明在优化全息成像透镜组的基础上，开发了一种细长的全息探针，既能实现1500℃高温环镜颗粒场三维、定量测量，又能保护主要零件不受高温损伤，适用于工程现场。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，克服现有颗粒场测量技术的不足，提供了一种用于高温环镜颗粒场三维测量的探针。

为解决技术问题，本发明的解决方案是：

提供一种用于高温环镜颗粒场三维测量的探针，包括光纤激光器、激光准直器、光路系统和CCD相机，光纤激光器与激光准直器之间通过光纤连接；其特征在于，还包括具有开口端和封闭端的长管状的中空外壳，所述CCD相机设于开口端；在外壳上开设一个径向贯穿的通孔作为颗粒通道，在颗粒通道与外壳封闭端之间的空腔内装设激光准直器，在颗粒通道与外壳开口端之间的空腔内装设光路系统；

所述光路系统包括(2+2α)块透镜，α是正整数且≥1；其中，靠近颗粒通道的第一块透镜为物镜；除靠近物镜的第一转接镜之外，其余均为用于平移成像平面的转接镜组合，且每两个转接镜为一个组合；各透镜之间具有下述位置关系：

假设颗粒通道位于物镜的左侧，物镜的右侧焦点与第一转接镜的左侧焦点重合；第一转接镜的右侧焦点与第二转接镜的左侧焦点重合，第二转接镜的右侧焦点与第三转接镜的左侧焦点重合，以此类推；自第二转接镜与第三转接镜起，以每两个转接镜为一组进行增减，CCD相机位于最后一块转接镜右边焦距之外。

本发明中，所述物镜的直径小于转接镜的直径。

本发明中，所述激光准直器与光路系统位于同一直线上组成同轴全息系统，或者两者之间存在偏角组成离轴全息系统。

本发明中，所述外壳具有冷却夹套，接有冷却剂进口和冷却剂出口；

本发明中，所述冷却夹套是双层冷却系统结构，其外层为冷却剂进口通道，内层为冷却剂出口通道；所述冷却剂进口和冷却剂出口均设在靠近外壳开口端的位置。

发明原理描述：

光纤激光器发射的激光经激光准直器后成为平行光，经颗粒场后，依次通过光路系统中的多块透镜到达所述的CCD相机上。平行光经过颗粒场发生投射和折射等光的传播规律形成物光波，另一部分没有照射到颗粒场的光作为参考光，物光波和参考光发生干涉，相机记录下干涉后形成的全息图，信号输送至计算机，经全息图重建可获得颗粒场粒径、形貌等具体参数。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：