基于背景纹影法的温度场、速度场同步测量装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于背景纹影法的温度场、速度场同步测量装置及方法，用于定量测量不可压缩流场的温度场和速度场。测量装置包括参考光束生成组件、流场、第一双侧远心透镜和相机，参考光束生成组件生成包含背景图像的平行光束，包含背景图像的平行光束经过流场后再入射至第一双侧远心透镜，接着经第一双侧远心透镜的透射后被相机采集。利用测量装置采集静态参考图像以及动态图像，从而重建获得待测流场的温度场和速度场。本发明专利技术采用远心背光光源提高背景图案的轮廓对比度和空间分辨率，使光线平行于光轴经过流场，因此可以得到无需矫正的定量数据，克服了传统向心背景纹影的光线沿程折射率二维简化引入较大的误差的缺点。程折射率二维简化引入较大的误差的缺点。程折射率二维简化引入较大的误差的缺点。

【技术实现步骤摘要】
基于背景纹影法的温度场、速度场同步测量装置及方法


[0001]本专利技术涉及流场可视化测量领域的一种温度场、速度场同步测量装置及方法，特别涉及一种基于背景纹影法的不可压缩流场的温度场、速度场同步测量装置及方法。

技术介绍

[0002]实验和工程领域的流动过程中压力、速度、温度、密度、浓度等因素的时空不均匀分布的测量有很大需求。例如，在浸没式光刻中，浸没流场作为最后一块“液体镜头”内部流体需要不断更新，其中核心流场的温度稳定性以及均匀性是影响曝光质量的主要因素之一。由于浸没流场的复杂性以及热边界较多，很难使用仿真的方法获得可靠的流场及温度场分布。实验一般使用温度传感器进行单点式检测，通过布置多个传感器获得主流场中的温度分布信息，但是空间分辨率受限于物理尺寸和工装安装的影响，此外侵入式测量也有干扰流场的风险。
[0003]现有的流动显示与检测技术主要针对单一物理量。例如，常规的速度场检测方法：粒子图像测速技术(Particle Image Velocimetry,PIV)利用示踪粒子的速度代表流场相应位置流体微元的速度，通过互相关方法得到流场的速度场信息；常规温度场检测方法：纹影法(Schlieren)通过像面的照度变化，形成的不规则明暗条纹表现折射率的变化。激光诱导荧光(Laser
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Induced Fluorescence,LIF)利用染料受到照射后发射荧光性质，获取流体流动中标量场(温度场、浓度场)的传输扩散信息。
[0004]背景纹影法(Background Oriented Schlieren Technique，BOS)是一种较新颖的流动检测技术，于2000年左右由Meier等人提出。BOS技术可以克服自发光对传统纹影技术照度变化带来的困难，同时使用PIV算法，省去了传统纹影技术复杂且昂贵的实验装置。BOS技术首先运用于定量测量气动光学中的密度场，之后扩展至气体温度场、随机介质折射率场以及流体自由表面的测量。
[0005]现有的温度场和速度场同步检测技术通常需要两套系统，例如，PIV联合PLIF技术同时测量流体速度场和标量场；LIF联合BOS同步测量浓度和密度场(详情见专利：CN 111458533 A)；PIV联合BOS同步测量流体速度场和温度场。LIF方法可以通过标量图像反演的方法获得流场的浓度分布和速度场。但是，在半导体、生物医药、电子级化工等对于洁净度要求较高的领域，超洁净流控中需要严格防止颗粒物等污染物造成的玷污和磨损，因此传统的LIF以及PIV方法不适用，目前亟须开展研究一种非接触式且不引入污染的温度场
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速度场同步测量与显示手段。

技术实现思路

[0006]为了克服上述现有技术的不足，本专利技术提供一种基于背景纹影的温度场
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速度场同步测量装置及方法，以实现对不可压缩流体的温度场和速度场的同步测量，可以获得视场内的温度场和速度场信息，还能降低系统复杂性，减小搭建多套系统的成本。使用双侧远心布置，克服了传统BOS系统分辨率和灵敏度的矛盾，提升空间分辨率；使用高速相机作为
图像接收装置保证时间分辨率。
[0007]本专利技术所采用的技术方案包括如下步骤：
[0008]一、一种基于背景纹影法的温度场、速度场同步测量装置
[0009]测量装置包括参考光束生成组件、流场、第一双侧远心透镜和相机，参考光束生成组件生成包含背景图像的平行光束，包含背景图像的平行光束经过流场后再入射至第一双侧远心透镜，接着经第一双侧远心透镜的透射后被相机采集。
[0010]所述流场的两侧分别间隔设置有参考光束生成组件和第一双侧远心透镜，参考光束生成组件生成的包含背景图像的平行光束经流场的透射后直接入射至第一双侧远心透镜。
[0011]所述流场包括两块平板玻璃和流体，两块平板玻璃平行且间隔布置，两块平板玻璃之间填充有流体。
[0012]将所述流场中的其中一块平板玻璃替换为反射镜，参考光束生成组件和第一双侧远心透镜放置在靠近另一块平板玻璃一侧，参考光束生成组件生成的包含背景图像的平行光束与流场的侧面之间设置有夹角，第一双侧远心透镜的光轴与流场的侧面之间设置有夹角，包含背景图像的平行光束经流场的透射、反射镜的反射以及流场的再次透射后入射至第一双侧远心透镜中。
[0013]所述参考光束生成组件包括背景图案板、光源和第二双侧远心透镜；光源中出射的光束经第二双侧远心透镜后再从背景图案板中穿射后，获得包含背景图像的平行光束。
[0014]一、一种基于背景纹影法的温度场、速度场同步测量方法
[0015]步骤1：搭建基于背景纹影的温度场、速度场同步测量装置；
[0016]步骤2：利用温度场、速度场同步测量装置依次采集流场中充满空气的参考图像I
air
(x，y，t0)、充满静止液体的参考图像I
static
(x，y，t0)、通入无温度梯度流体的参考图像I
flow
(x，y，t0)以及通入有温度梯度流体的动态图像；
[0017]步骤3：根据充满空气的参考图像I
air
(x，y，t0)、充满静止液体的参考图像I
static
(x，y，t0)、通入无温度梯度流体的参考图像I
flow
(x，y，t0)，对通入有温度梯度流体的动态图像进行折射率场重建，获得当前待测流场待测流场的折射率场；
[0018]步骤4：根据当前待测流场待测流场的折射率场，计算获得当前待测流场的温度场；
[0019]步骤5：根据当前待测流场的温度场反演获得对应的速度场。
[0020]所述基于背景纹影的温度场、速度场同步装置包括参考光束生成组件、流场、第一双侧远心透镜和相机，参考光束生成组件生成包含背景图像的平行光束，包含背景图像的平行光束经过流场后再入射至第一双侧远心透镜，接着经第一双侧远心透镜的透射后被相机采集。
[0021]所述步骤2中，当流场中的流体为空气时，相机采集获得充满空气的参考图像I
air
(x，y，t0)；当流场中的流体为静止液体时，相机采集获得充满静止液体的参考图像I
static
(x，y，t0)；当流场中的流体为无温度梯度流体时，相机采集获得通入无温度梯度流体的参考图像I
flow
(x，y，t0)；当流场中的流体为有温度梯度流体时，相机采集获得通入有温度梯度流体的动态图像。
[0022]所述步骤3具体为：
[0023]3.1)对充满空气的参考图像I
air
(x，y，t0)和充满静止液体的参考图像I
static
(x，y，t0)进行卷积后，获得背景图案偏移；
[0024]3.2)根据背景图案偏移，对通入无温度梯度流体的参考图像I
flow
(x，y，t0)进行重新映射，获得参考背景图像I
remapping
(x，y，t0)；
[0025本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于背景纹影法的温度场、速度场同步测量装置，其特征在于，包括参考光束生成组件、流场(2)、第一双侧远心透镜(3)和相机(5)，参考光束生成组件生成包含背景图像的平行光束，包含背景图像的平行光束经过流场(2)后再入射至第一双侧远心透镜(3)，接着经第一双侧远心透镜(3)的透射后被相机(5)采集。2.根据权利要求1所述的一种基于背景纹影法的温度场、速度场同步测量装置，其特征在于，所述流场(2)的两侧分别间隔设置有参考光束生成组件和第一双侧远心透镜(3)，参考光束生成组件生成的包含背景图像的平行光束经流场(2)的透射后直接入射至第一双侧远心透镜(3)。3.根据权利要求1所述的一种基于背景纹影法的温度场、速度场同步测量装置，其特征在于，所述流场(2)包括两块平板玻璃(7)和流体(13)，两块平板玻璃(7)平行且间隔布置，两块平板玻璃(7)之间填充有流体(13)。4.根据权利要求3所述的一种基于背景纹影法的温度场、速度场同步测量装置，其特征在于，将所述流场(2)中的其中一块平板玻璃(7)替换为反射镜(8)，参考光束生成组件和第一双侧远心透镜(3)放置在靠近另一块平板玻璃(7)一侧，参考光束生成组件生成的包含背景图像的平行光束与流场(2)的侧面之间设置有夹角，第一双侧远心透镜(3)的光轴与流场(2)的侧面之间设置有夹角，包含背景图像的平行光束经流场(2)的透射、反射镜(8)的反射以及流场(2)的再次透射后入射至第一双侧远心透镜(3)中。5.根据权利要求1所述的一种基于背景纹影法的温度场、速度场同步测量装置，其特征在于，所述参考光束生成组件包括背景图案板(1)、光源(4)和第二双侧远心透镜(14)；光源(4)中出射的光束经第二双侧远心透镜(14)后再从背景图案板(1)中穿射后，获得包含背景图像的平行光束。6.一种基于背景纹影法的温度场、速度场同步测量方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：搭建基于背景纹影的温度场、速度场同步测量装置；步骤2：利用温度场、速度场同步测量装置依次采集流场中充满空气的参考图像I
air
(x，y，t0)、充满静止液体的参考图像I
static
(x，y，t0)、通入无温度梯度流体的参考图像I
flow
(x，y，t0)以及通入有温度梯度流体的动态图像；步骤3：根据充满空气的参考图像I
air
(x，y，t0)、充满静止液体的参考图像I
static
(x，y，t0)、通入无温度梯度流体的参考图像I
flow
(x，y，t0)，对通入有温度梯度流体...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡亮，任政钢，苏芮，付新，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：