一種大范圍多點(diǎn)流體濃度測(cè)量系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種流體測(cè)量系統(tǒng)，尤其涉及一種大范圍多點(diǎn)流體濃度測(cè)量系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] PLIF (Planar Laser Induced Fluorescence)原理指的是利用激光將特定分子由 電子基態(tài)激發(fā)至激發(fā)態(tài)，稍后測(cè)量分子由電子激發(fā)態(tài)持續(xù)放出的光子，激光的波長(zhǎng)通過分 子的吸收譜帶，就可以把熒光強(qiáng)度描繪成激發(fā)激光波長(zhǎng)的函數(shù)，得到激發(fā)光譜。從熒光光譜 的強(qiáng)弱，可得知粒子的濃度以及溫度；利用其空間分辨性還可以測(cè)量粒子的空間濃度/溫 度分布。但是在現(xiàn)有技術(shù)中，傳統(tǒng)的PLIF只能測(cè)量小范圍平面濃度分布，單點(diǎn)測(cè)量傳感器 只能通過接觸單點(diǎn)獲取濃度值，或者需要通過測(cè)橋布設(shè)很多探頭，導(dǎo)致了測(cè)量效率低下且 測(cè)量成本高，已經(jīng)不能滿足人們的需求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的在于提供一種大范圍多點(diǎn)流體濃度測(cè)量系統(tǒng)，通過光學(xué)方式可一次 性測(cè)量大范圍濃度分布，解決現(xiàn)有技術(shù)存在的缺憾。
[0004] 本發(fā)明采用如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)： 一種大范圍多點(diǎn)流體濃度測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，包括激光子系統(tǒng)、圖像采集子系統(tǒng)、 圖像分析子系統(tǒng)和率定系統(tǒng)，其中： 所述激光子系統(tǒng)內(nèi)包括用于在流場(chǎng)中精確測(cè)量示蹤物質(zhì)的熒光劑，以及根據(jù)熒光劑的 類型與其吸收/發(fā)射光譜特征相適應(yīng)的連續(xù)激光器，還包括連續(xù)激光掃描系統(tǒng)，所述連續(xù) 激光掃描系統(tǒng)用于控制激光照射點(diǎn)位置，控制脈沖能量和重復(fù)速率、掃描點(diǎn)陣的數(shù)量和分 布； 所述圖像采集子系統(tǒng)內(nèi)包括一個(gè)或多個(gè)設(shè)置有CCD/CM0S的高分辨率的工業(yè)相機(jī)，該 工業(yè)相機(jī)可由外部觸發(fā)或由軟件觸發(fā)，所述工業(yè)相機(jī)由微控制器進(jìn)行控制采集，工業(yè)相機(jī) 架設(shè)在明渠水槽/試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷纳戏接糜诓杉涗浖す馔渡涮幍臒晒鈭D像，在CCD/CM0S相機(jī) 感光芯片上前置有長(zhǎng)通濾光鏡，長(zhǎng)通濾光鏡的作用是阻隔溶液中其他不溶性物質(zhì)對(duì)激光的 反射，根據(jù)視場(chǎng)尺寸和布設(shè)條件定焦；CCD (Charge-coupled Device)即電荷親合元件，也 稱為CCD圖像傳感器或圖像控制器。CCD是一種半導(dǎo)體器件，能夠把光學(xué)影像轉(zhuǎn)化為數(shù)字信 號(hào)。CCD廣泛應(yīng)用于數(shù)碼攝影尤其是光學(xué)遙測(cè)技術(shù)、光學(xué)與頻譜望遠(yuǎn)鏡和高速攝影技術(shù)。
[0005] 所述圖像分析子系統(tǒng)包括一個(gè)通過微控制器進(jìn)行遠(yuǎn)程控制的計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)內(nèi)設(shè) 置有大范圍濃度場(chǎng)測(cè)量軟件； 所述率定系統(tǒng)內(nèi)設(shè)置有率定水槽，遮光系統(tǒng)，示蹤精確滴定系統(tǒng)。
[0006] 進(jìn)一步的，所述熒光劑為熒光素二鈉鹽。
[0007] 進(jìn)一步的，所述長(zhǎng)通濾光鏡為500-600nm長(zhǎng)通濾光鏡。
[0008] 進(jìn)一步的，所述圖像采集子系統(tǒng)內(nèi)設(shè)置有wifi/3G/4G/ZigBee，用于進(jìn)行無(wú)線控制 和數(shù)據(jù)傳輸。
[0009] 進(jìn)一步的，所述工業(yè)相機(jī)的采集頻率為10-100FPS，每幀的曝光時(shí)間為l-100ms。
[0010] 本發(fā)明是基于現(xiàn)代激光技術(shù)、熒光技術(shù)和圖像處理技術(shù)的大范圍非接觸式測(cè)量系 統(tǒng)。激光通過三維振鏡掃描到二維測(cè)量平面，激發(fā)水中的熒光示蹤物質(zhì)，由配備長(zhǎng)通濾光鏡 的相機(jī)抓取熒光物質(zhì)釋放出來的熒光強(qiáng)度，通過相關(guān)算法可以精確的測(cè)量特定點(diǎn)的熒光物 質(zhì)濃度。相較其他方法，多點(diǎn)濃度測(cè)量系統(tǒng)的非接觸式特征使得安裝設(shè)備的用時(shí)更短，無(wú)擾 動(dòng)且布設(shè)簡(jiǎn)潔，可一次性地測(cè)量大范圍濃度分布，且不會(huì)對(duì)流體產(chǎn)生擾動(dòng)和影響，獲取數(shù)據(jù) 更為簡(jiǎn)易和快捷。
【附圖說明】
[0011] 圖1是熒光素二鈉鹽溶液的吸收/釋放光譜圖。
[0012] 圖2是通過激光投射點(diǎn)的RhodamineWT濃度時(shí)間序列曲線。
【具體實(shí)施方式】
[0013] 通過下面對(duì)實(shí)施例的描述，將更加有助于公眾理解本發(fā)明，但不能也不應(yīng)當(dāng)將申 請(qǐng)人所給出的具體的實(shí)施例視為對(duì)本發(fā)明技術(shù)方案的限制，任何對(duì)部件或技術(shù)特征的定義 進(jìn)行改變和/或?qū)φw結(jié)構(gòu)作形式的而非實(shí)質(zhì)的變換都應(yīng)視為本發(fā)明的技術(shù)方案所限定 的保護(hù)范圍。
[0014] 本發(fā)明基于 PLIF (Planar Laser Induced Fluorescence)原理，利用激光將特定 分子由電子基態(tài)激發(fā)至激發(fā)態(tài)，稍后測(cè)量分子由電子激發(fā)態(tài)持續(xù)放出的光子，激光的波長(zhǎng) 通過分子的吸收譜帶，就可以把熒光強(qiáng)度描繪成激發(fā)激光波長(zhǎng)的函數(shù)，進(jìn)而得到激發(fā)光譜。 從熒光光譜的強(qiáng)弱可得知粒子的濃度以及溫度；利用其空間分辨性還可以測(cè)量粒子的空間 濃度/溫度分布。
[0015] -種多點(diǎn)濃度流體測(cè)量系統(tǒng)，包括激光子系統(tǒng)、圖像采集子系統(tǒng)、圖像分析子系統(tǒng) 和率定系統(tǒng)，其中：激光子系統(tǒng)內(nèi)包括用于在流場(chǎng)中精確測(cè)量示蹤物質(zhì)的熒光劑，以及根據(jù) 熒光劑的類型與其吸收/發(fā)射光譜特征相適應(yīng)的連續(xù)激光器，還包括連續(xù)激光掃描系統(tǒng)， 連續(xù)激光掃描系統(tǒng)用于控制控制激光照射點(diǎn)位置，控制脈沖能量和重復(fù)速率、掃描點(diǎn)陣的 數(shù)量和分布。在本實(shí)施例中，熒光劑優(yōu)選為熒光素二鈉鹽（Fluorescein)溶液，熒光素二 鈉鹽溶液的吸收釋放光譜圖如圖1所示，其峰值吸收波長(zhǎng)為480nm，而熒光釋放峰值波長(zhǎng)為 520nm。PLIF系統(tǒng)可采用450nm、2W連續(xù)半導(dǎo)體激光器來激發(fā)熒光溶液。
[0016] 熒光劑在激光激發(fā)下會(huì)產(chǎn)生熒光，熒光強(qiáng)度和激光強(qiáng)度、熒光劑濃度等相關(guān)，根據(jù) Beer-Lambert 方程：
其中Itl為激光強(qiáng)度，If為熒光強(qiáng)度，A為熒光劑濃度。據(jù)此可知在其他參數(shù)固定的情 況下，熒光強(qiáng)度和熒光劑濃度成正比，測(cè)量熒光強(qiáng)度可以反映染色液濃度。
[0017] 圖像采集子系統(tǒng)內(nèi)包括一個(gè)設(shè)置有C⑶的高分辨率的工業(yè)相機(jī)，工業(yè)相機(jī)的采集 頻率為30FPS，每幀的曝光時(shí)間為10ms。該工業(yè)相機(jī)可由外部觸發(fā)或由軟件觸發(fā)，工業(yè)相 機(jī)由微控制器進(jìn)行控制采集，工業(yè)相機(jī)架設(shè)在明渠水槽的上方用于采集記錄激光投射處的 熒光圖像，在CCD相機(jī)感光芯片上前置有長(zhǎng)通濾光鏡，在本實(shí)施例中優(yōu)選510nm的長(zhǎng)通濾 光鏡，長(zhǎng)通濾光鏡的作用是阻隔溶液中其他不溶性物質(zhì)對(duì)激光的反射，根據(jù)視場(chǎng)尺寸和布 設(shè)條件定焦；若選用其他熒光溶液，則根據(jù)吸收/發(fā)射