[發明專利]激光散斑測試系統

無效

• 申請號: 200710132844.1
• 申請日: 2007-10-08
• 公開（公告）號: CN101408555A
• 公開（公告）日: 2009-04-15
• 發明（設計）人: 錢明;倪曉武;嚴琴;陸建;沈中華;駱曉森
• 申請（專利權）人: 南京理工大學
• 主分類號: G01P5/20
• 分類號: G01P5/20;G01M10/00
• 代理公司: 南京理工大學專利中心
• 代理人: 張駿鳴

一技術領域

本發明涉及一種激光測試系統，特別是一種用于納米流體中納米粒子運動速度測試的的激光散斑測試系統。

二背景技術

早在1977年，散斑計量技術就被引進到流體力學領域，用來測量流場的運動速度，稱之為激光散斑測速法，并逐漸發展成為粒子圖像測速法，在流場流速測量中應用尤為廣泛。激光散斑測試系統和粒子圖像測試系統的測試原理相似，都是通過測量示蹤粒子在已知很短時間間隔內的位移量來間接地測量流場中瞬態的速度分布，二者的主要區別是示蹤粒子濃度的大小。當散射粒子的濃度很小時，粒子間隔較遠，散射光之間不會發生干涉，因而在像平面上成粒子像，它可以通過粒子圖像測試技術得到。當散射粒子濃度較大時，粒子間隔很近，散射光相互干涉，從而形成隨機的亮斑，在像平面上成散斑像，它可以通過激光散斑測試技術得到。納米流體是一種新型流體，是以一定方式和比例在液體中添加納米級金屬或金屬氧化物粒子而形成的一種溶膠，由于其優越的穩定性和導熱性能而受到傳熱界的廣泛關注，而探測納米粒子在納米流體中運動狀態對了解納米流體的導熱機制具有深遠的應用研究價值。目前，在現有技術中，還未見有采用散斑計量技術對納米流體中納米粒子運動速度進行測試的報道。專利號03242216.4公開了一種粒子圖像測試系統，名稱為：“數字式粒子圖像測速系統”，它主要由激光光源、圓柱透鏡、長聚焦透鏡以及粒子圖像記錄裝置構成；該系統由YAG激光器發出激光束，經過圓柱透鏡和長聚焦透鏡后變成片光源，照射在由粒子發生器和布撒裝置布撒在流場中的微米級粒子，在垂直于片光源平面方向產生粒子像，由記錄裝置采集并做后期圖像處理，從而得到粒子速度值。這種粒子圖像測試系統和激光散斑測試系統的構成大致相同，只是粒子的布撒濃度不同，產生的是粒子像而不是散斑圖，而且上述系統主要是針對流場中微米級的示蹤粒子，因為微米級示蹤粒子的散射光足夠強，只需少量的粒子被照亮，散射光的相互干涉就可以形成散斑。而對于納米粒子，由于其具有的小尺寸效應而使其顯示出獨特的光學特性，納米粒子的粒徑介于幾個納米到100納米，遠遠小于照射光源的波長，當其被照射時，將產生瑞利散射。瑞利散射的一個特點就是散射光很微弱，單個納米粒子不能成粒子像，它必須照亮大量的粒子，然后大量粒子的散射光進行干涉疊加才能形成清晰可見的散斑圖像，因此現有粒子圖像測速系統受其系統本身限制，無論從光源的照射方式和散斑圖的記錄方式，都不適用于納米粒子在流場中的運動測量，而需要對系統進行重新設計改進。

三發明內容

本發明目的是針對現有技術的不足提供一種主要用于納米流體中納米粒子運動測量，同時也能用于微米粒子運動測量的激光散斑測試系統。

本發明的目的是通過以下技術方案來實現的，用于測量納米流體中納米粒子運動速度的激光散斑測試系統，它包括高功率激光光源和記錄裝置，其特征是在激光光源的出射光路上設置有擴束透鏡組，它是由兩個透鏡組成，經擴束透鏡組擴束后的光束照射被測透明管道中的納米流體，記錄裝置位于被測納米流體透明管道另一側的光路上，其接受面正對入射光方向。

本發明是在現有激光散斑測試系統結構基礎上，針對納米粒子獨特的光學特性，對光源的照射方式和記錄裝置的接收方式進行改進。采用了兩個透鏡組成的擴束透鏡組對高功率激光器發出的激光束進行二維擴束，然后照射裝有納米流體的透明管道，這樣在激光束經過的路徑上，將大量的納米粒子照亮，并產生瑞利散射，這些足夠多被照亮的納米粒子瑞利散射光會進行干涉疊加，形成清晰可見的散斑圖像。對于納米粒子，它在形成瑞利散射時，有一個顯著特點是在不同方向的散射光強度不同，散射光強度與入射光和觀測方向之間夾角余弦的平方成正比，也就是說正對入射光方向的散射光最強，而垂直于入射光方向的散射光強度幾乎為零。根據此特點，系統將記錄裝置設置在納米流體透明管道另一側正對入射光方向，當納米流體沿著管道流動時，記錄裝置就可以清晰的記錄下時間間隔很短的相鄰兩幅散斑圖像，通過對兩幅圖像進行圖像相關處理，得到兩幅圖中對應散斑的位移量。當入射激光束與被測透明管道的法線方面成一定的角度θ時，則散斑運動和粒子運動的夾角也為θ。若θ＝0，即入射激光束垂直照射于透明管道，散斑運動平行于粒子運動。實際應用中多采用垂直入射的方式，以簡化計算。利用散斑的運動和納米粒子運動之間的對應關系，間接地得到納米粒子的位移，同時可得到流場中瞬態的速度分布。