[发明专利]一种用于观察圆形管道内流场的纹影系统

说明书

本发明公开了一种用于观察圆形管道内流场的纹影系统，包括：沿光线路径依次布置的点光源系统1、反射镜2、第一凹面镜3、遮光板4、圆形管道5、矫正透镜组6、第二凹面镜7、光刀8和相机9，所述圆形管道5为透明材质且其轴向与光线传播方向垂直，所述遮光板4为两个非透光材质薄片，所述矫正透镜组6的设计由光线光谱、圆形管道5的材质、圆形管道5的几何尺寸、被测流场共同决定。通过本发明可以利用纹影原理分析圆形管道内流场。

技术领域

本发明涉及一种纹影系统，特别涉及一种用于观察圆形管道内流场的纹影系统。

背景技术

纹影仪主要用于分析透明介质中的非均匀性，纹影图像反映了折射率的一阶导数场。它的主要工作原理是光线在透明非均匀介质流场内传播会发生折射偏转，偏转的光线无法像正常的光线那样传播进入相机，形成亮暗不均的图像。该亮暗不均的图像能够用于分析流场。

目前“Z”字形纹影仪的核心工作原理是：通过合理的空间布置，点光源系统发出的光线经过第一反射镜的反射之后射入第一凹面镜，经过第一凹面镜之后光线变成平行光进入第二凹面镜，然后依次经过第二反射镜、光刀和相机。光刀处于在第二凹面镜的焦点位置，可以挡住部分射向焦点的光线。观察的流场处于第一凹面镜和第二凹面镜之间。如果流场为均匀的，相机内的成像也是均匀的；如果第一凹面镜和第二凹面镜之间的流场为非均匀的，平行光线从第一凹面镜向第二凹面镜运动的过程中会由于折射率的变化而发生不同角度的偏转，偏转的光线在光刀处被阻挡程度与正常光线不同。相机内的成像就会明暗不一。

由纹影仪的原理限制，目前“Z”字形纹影仪两个凹面镜之间的主体光线必须是平行的，所以观察的流场都是敞开的空间或者壁面为平板的方形容器内。但是在一些实验或生产中，圆形管道为更适合的设备。圆形管道的左右两个壁面相当于两个异形透镜，如果观察圆形管道内的流场，从第一凹面镜发出的平行光线在射入和射出圆形管道的过程中出现不均匀的发散，第二凹面镜就无法接收到平行的光线，第二透镜无法把这些光线聚焦于一点，光刀作用消失，相机无法产生纹影效果的图像。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种用于观察圆形管道内流场的纹影系统，从目前纹影仪观察圆形管道内流场失效的原理入手，根据光线光谱、纹影仪尺寸、圆形管道尺寸、圆形管道材质设计等，在圆形管道和凹面镜之间设计布置一个遮光板和一个矫正透镜组，把从圆形管道射出的不均匀光线矫正为平行光。该发明很好地解决了圆形管道无法利用纹影仪的问题。

一种用于观察圆形管道内流场的纹影系统，包括：沿光线路径依次布置的点光源系统、反射镜、第一凹面镜、遮光板、圆形管道、矫正透镜组、第二凹面镜、光刀和相机；被观测的流场在圆形管道内；所述圆形管道为透明材质且其轴向与光线传播方向垂直；所述遮光板为两个非透光材质薄片，两个薄片之间的距离为圆形管道内径，能够遮挡不必要的光线最终进入相机影响成像效果；所述矫正透镜组的设计由光线光谱、圆形管道的材质、圆形管道的几何尺寸、被测流场共同决定。

所述矫正透镜组包括一个或者多个透镜。光学设计中为达到同样或者相似效果可以有多种设计结果，并且达到光学要求的透镜制作成本很高，所以需要根据观测要求制作不同复杂程度的矫正透镜组。矫正透镜组最低效果标准为：穿过矫正透镜组的光线为平行线。这种情况下的平行线可能在圆形管道和光线组成平面的法线方向存在拉伸。矫正透镜组的最高效果标准为：光线在穿过圆形管道和矫正透镜组之后空间位置不发生变化。需要说明的是，在纹影图像分析的时候还可以利用图像处理手段进一步处理图像形成中的缺陷。

附图说明

图1为本发明结构示意图

图2为实施例中光线经过遮光板、圆形管道和柱面镜的光路图

图中：1-点光源系统，2-反射镜，3-第一凹面镜，4-遮光板，5-圆形管道，6-矫正透镜组，7-第二凹面镜，8-光刀，9-相机、10-柱面镜

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明：