[发明专利]利用滚动快门相机实现空泡在一维方向动态过程的诊断系统及方法

说明书

本发明公开了一种利用滚动快门相机实现空泡在一维方向动态过程的诊断系统及方法，系统包括激光发射单元、空泡发生单元、空泡信号采集系统和信号处理单元；激光发射单元，由第一激光器发射的激光束经光束调制元件调制成片光源，用于照射空泡发生单元产生的空泡，产生一维空泡信号；空泡发生单元，由第二激光器发射的激光束照射水缸中的去离子水产生待测空泡；空泡信号采集单元，用于将产生的一维空泡信号按照卷帘曝光每行像素的延迟时间间隔分开成像在每行像素上；信号处理单元，用于转化接收到的空泡信号,以数据的形式经计算机处理后得到测量值。本发明可以探测空泡在一维方向上的动态过程,具有光学结构简单和实现成本低廉的优点。

技术领域

本发明涉及气液两相流测量领域，具体涉及一种利用滚动快门相机实现空泡在一维方向动态过程的诊断系统及方法。

背景技术

空泡及其空化过程是船舶、能源、动力、机械等工业领域广泛存在的气液两相流现象，如空化效应产生的射流冲击波以及高温效应被应用于管道清洗等。对空泡的动态过程的准确诊断，有助于人们掌握复杂气液两相流机理，从而指导工业优化设计和制造。

相关研究人员已经发明并应用了几种空泡的测量方法，主要可以分为光束偏转法、高速摄影法和阴影法。传统光束偏转法只能对球对称空泡外形演化进行测量，但无法测量2D非对称空泡外形演化过程。高速摄影法虽然可以进行测量，但其所需实验系统复杂并且昂贵，并且要求被测量的对象的产生和发展具有高重复性。阴影法虽然原理光路简单，但在实际过程中需要对光学部件消相差、加工和调整，因此实际测量非常复杂。

滚动快门相机是一种具有滚动快门(Rolling Shutter)模式的CMOS相机，滚动快门通过具有一定间隔的卷帘来控制曝光时间，其曝光时间取决于卷帘的开口大小和卷帘的运动速度，利用滚动快门相机每行像素采集信号都有极短时间间隔的特性，可以在卷帘一次从上至下完整的全帧扫描过程中获得类似高速相机拍摄的一维空泡图像。

发明内容

本发明的目的是为了解决目前空泡测量方法过于复杂与昂贵的缺陷,提供一种利用滚动快门相机实现空泡在一维方向动态过程的诊断系统及方法。

实现本发明目的的技术方案为：一种利用滚动快门相机实现空泡在一维方向动态过程的诊断系统，包括激光发射单元、空泡发生单元、空泡信号采集系统和信号处理单元四部分；

所述激光发射单元包括第一激光器、光束调制元件，由第一激光器发射的激光束经光束调制元件调制成片光源，用于照射空泡发生单元产生的空泡，产生一维空泡信号；

所述空泡发生单元包括第二激光器，由第二激光器发射的激光束照射水缸中的去离子水产生待测空泡；

所述空泡信号采集单元，用于将产生的一维空泡信号按照卷帘曝光每行像素的延迟时间间隔分开成像在每行像素上；

所述信号处理单元,用于转化接收到的空泡信号,以数据的形式经计算机处理后得到测量值。

进一步的，所述光束调制元件依次包括平凸柱透镜和平凹柱透镜，用于将出射激光束调制成片光源。

进一步的，所述第一激光器和第二激光器为脉冲激光器。

进一步的，空泡信号采集单元，依次包括成像透镜、狭缝光阑、竖直平凸柱透镜和滚动快门相机，所述成像透镜后设有狭缝光阑，用于消除杂散光，控制视场区域大小；所述狭缝光阑后设有垂直放置的平凸柱透镜，用于拉伸空泡信号在滚动快门相机上的成像宽度；所述滚动快门相机具备滚动式快门，曝光方式为线曝光。

进一步的，所述信号处理单元包括计算机，所述计算机通过数字脉冲延时器连接并同步控制第二激光器和滚动快门相机，包括控制第二激光器的开关以及脉冲光与滚动快门相机的频率。

本发明还提供一种利用滚动快门相机实现空泡在一维方向动态过程的诊断方法，基于第一方面所述的系统实现，该方法包括以下步骤：