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顆粒運動的多鏡頭分時復(fù)用移軸斷層三維測量裝置與方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種氣固兩相流動過程中顆粒運動的多鏡頭分時復(fù)用移軸斷層三維測量裝置與方法，所述裝置包括高速CCD相機、移軸斷層裝置、高亮激光器、視頻信號采集器、頻率發(fā)生器、激光驅(qū)動器和測控計算機，所述移軸斷層裝置和高亮激光器置于目標(biāo)測量區(qū)域的兩側(cè)。本發(fā)明借鑒眼科醫(yī)學(xué)中常用的移軸斷層診斷方法，針對氣固兩相流動過程中顆粒運動速度高脈動強的特點，設(shè)計了多個移軸鏡頭同步調(diào)整，液晶高速快門與高速CCD相機配合分時復(fù)用成像，多方向圖像斷層重構(gòu)等技術(shù)方法，在不干擾流場的前提下，實現(xiàn)對氣固兩相流動過程中顆粒運動的三維、實時、準(zhǔn)確和安全測量。
【專利說明】顆粒運動的多鏡頭分時復(fù)用移軸斷層三維測量裝置與方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種氣固兩相流動過程中顆粒運動的多鏡頭分時復(fù)用移軸斷層三維測量裝置與方法，屬于多相流測量技術(shù)。
【背景技術(shù)】
[0002]氣固兩相流動是指氣體中夾帶有固體顆粒狀態(tài)下的流動現(xiàn)象。這種現(xiàn)象廣泛存在于自然界與工業(yè)界。大氣流動夾帶沙塵引起沙塵暴，固體顆粒污染物在空氣中的傳播，以及工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中固體顆粒干燥、氣力輸送、流化床鍋爐燃燒等都屬于氣固兩相流動過程，而這些現(xiàn)象都與我們的生活和生產(chǎn)息息相關(guān)。因此，對氣固兩相流動開展研究，掌握氣固兩相流動的規(guī)律，認(rèn)識氣固傳熱傳質(zhì)機理，不僅具有重要的科學(xué)研究價值，更是提高工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)率和改善自然環(huán)境的關(guān)鍵。
[0003]氣固兩相流動測量的主要對象是顆粒的運動參數(shù)(如速度、分布、聚團(tuán)以及空隙率)。目前，氣固兩相流動測量技術(shù)主要面臨著以下矛盾:侵入式測量方法(即將測量裝置的感受器伸入氣固兩相流動流場中的測量方法)雖然已能夠提供較為全面的顆粒運動數(shù)據(jù)，但是其本身在流場中造成的干擾使得侵入式測量的誤差來源難以評估。非侵入式測量方法(即測量裝置的感受器處于氣固兩相流動流場之外的測量方法)雖然不會對氣固兩相流場造成干擾，但是其能提供的測量參數(shù)十分有限。然而，隨著技術(shù)的發(fā)展，非侵入式測量方法得到了長足的進(jìn)步，同時越來越多其他領(lǐng)域的測量方法也被借鑒進(jìn)入到氣固兩相流動測量領(lǐng)域。目前，比較有代表性的非侵入式方法大體可以分為示蹤方法，成像方法以及結(jié)合兩種手段的方法。示蹤法主要是在氣固兩相流動流場內(nèi)摻入一定數(shù)量具有特殊標(biāo)記的示蹤顆粒，這些示蹤顆粒的動力學(xué)性質(zhì)與普通顆粒相同，但是具有區(qū)分性。然后通過儀器跟蹤或捕獲示蹤顆粒的運動來測量顆粒運動參數(shù)。比較有代表性的有熱顆粒示蹤、磷光顆粒示蹤、染色顆粒示蹤、磁性顆粒示蹤和放射性顆粒示蹤等測量顆粒運動的示蹤方法。但這些示蹤方法都存在或多或少的缺點:熱顆粒示蹤溫度衰減快，精度不理想，無法進(jìn)行三維測量；磷光顆粒示蹤和染色顆粒示蹤采用可見光捕獲顆粒運動，三維測量困難；磁性顆粒示蹤對流場有干擾；放射性顆粒示蹤法采用放射性同位素標(biāo)記示蹤顆粒，穩(wěn)定性和精確度較好，但是其安全問題還有待商榷。成像方法主要是通過對氣固兩相流場各種物理量進(jìn)行測量(密度、電容、電阻、可見光衰減系數(shù)、X光衰減系數(shù)等)形成流場的圖像，再通過分析圖像的來獲得顆粒運動。如PIV/PTV方法，X光/伽馬射線透視方法，X光層析成像等。但這些方法及其采用設(shè)備都極為昂貴，獲得數(shù)據(jù)的時間與空間精度也較為有限，同時后兩者也存在著放射性安全問題。兩種手段結(jié)合的方法比較有代表性的是PEPT和NMR方法，兩者分別借鑒了醫(yī)學(xué)中單光子發(fā)射型斷層掃描儀和核磁共振掃描儀的方法，是兩種較為精確的方法，但也面臨著高昂成本的問題。
[0004]科學(xué)有效的氣固兩相流動測量方法應(yīng)該具備對流場無干擾，并且具備三維、實時、準(zhǔn)確和安全的特點。對氣固兩相流動的測量一直以來都是國際性難題，但是由于其巨大的科學(xué)研究和技術(shù)應(yīng)用價值，國內(nèi)外眾多高校、科研機構(gòu)和企業(yè)都投入大量人力物力，致力于開發(fā)新型的顆粒運動測量方法及裝置，以搶奪知識產(chǎn)權(quán)的高地。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]發(fā)明目的:為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提供一種氣固兩相流動過程中顆粒運動的非接觸式三維測量裝置與測量方法，借鑒眼科醫(yī)學(xué)中常用的移軸斷層診斷方法(測量眼球表面形狀，中國專利201010171281.9)，針對氣固兩相流動過程中顆粒運動速度高脈動強的特點，設(shè)計了多個移軸鏡頭同步調(diào)整、液晶高速快門與高速CCD相機配合分時復(fù)用成像、多方向圖像斷層重構(gòu)等技術(shù)方法，在不干擾流場的前提下，實現(xiàn)對氣固兩相流動過程中顆粒運動的三維、實時、準(zhǔn)確和安全測量；結(jié)構(gòu)簡單、使用方便，在保證了測量精度的同時大大降低裝置的成本。
[0006]技術(shù)方案:為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為:
[0007]一種多鏡頭分時復(fù)用移軸斷層氣固兩相流動三維測量裝置，包括高速CCD相機、移軸斷層裝置、高亮激光器、視頻信號采集器、頻率發(fā)生器、激光驅(qū)動器和測控計算機，所述移軸斷層裝置和高亮激光器置于目標(biāo)測量區(qū)域的兩側(cè)；
[0008]所述移軸斷層裝置包括外殼、背板和四個液晶高速快門，所述背板蓋在外殼的背面形成安裝腔，所述四個液晶高速快門安裝在安裝腔內(nèi)、環(huán)繞移軸斷層裝置的中心均勻布置；所述四個液晶高速快門均與頻率發(fā)生器相連，所述頻率發(fā)生器接收來自測控計算機提供的控制指令，通過測控計算機和頻率發(fā)生器控制四個液晶高速快門的曝光次序；
[0009]所述高速CCD相機安裝在背板的背面上，高速CCD相機的輸出信號接入視頻信號采集器，所述視頻信號采集器的輸出信號接入測控計算機；
[0010]所述高亮激光器的激光出口正對外殼正面的中心，高亮激光器通過激光驅(qū)動器驅(qū)動，所述激光驅(qū)動器接收來及測控計算機的控制指令，通過測控計算機和激光驅(qū)動器控制聞売激光器的啟閉。
[0011]所述移軸斷層裝置還包括光軸同步調(diào)節(jié)裝置，并且對應(yīng)每個液晶高速快門設(shè)計有位置對應(yīng)的全反射棱鏡、移軸裝置和鏡頭，其中液晶高速快門和全反射棱鏡均安裝在安裝腔內(nèi)；
[0012]所述移軸裝置包括底板、擺動架和調(diào)節(jié)絲杠，所述底板固定在外殼的正面，所述擺動架安裝在底板上，擺動架的中心擺動板與底板的中心對應(yīng)，在中心擺動板的中心設(shè)置有標(biāo)準(zhǔn)鏡頭接口，所述鏡頭安裝在標(biāo)準(zhǔn)鏡頭接口內(nèi)，所述調(diào)節(jié)絲杠通過調(diào)節(jié)擺動架的擺動角度調(diào)節(jié)鏡頭轉(zhuǎn)動；
[0013]在外殼上，對應(yīng)每個鏡頭設(shè)置有通光孔，通光孔的中心、液晶高速快門的中心和全反射棱鏡入射光軸精準(zhǔn)對齊；在背板的中心設(shè)置有透光孔，全反射棱鏡反射光軸穿過透光孔照射在高速CCD相機上；
[0014]所述光軸同步調(diào)節(jié)裝置通過調(diào)節(jié)四個調(diào)節(jié)絲杠同步移動調(diào)節(jié)鏡頭同步轉(zhuǎn)動。
[0015]所述移軸裝置包括上下兩部分，其中:
[0016]下部分包括底板、兩塊環(huán)形板、推桿、軸承、絲杠推力軸承和調(diào)節(jié)絲杠；所述環(huán)形板上設(shè)置有月牙形槽，兩塊環(huán)形板對稱布置在通光孔的左右兩側(cè)；所述推桿包括兩塊側(cè)推板和一塊中心推板，側(cè)推板上設(shè)置有直形槽，兩塊側(cè)推板位置平行、對稱固定在中心推板的左右兩側(cè)，絲杠推力軸承置于中心推板的中心；所述軸承固定在底板上，軸承和絲杠推力軸承的軸線一致、且垂直于通光孔的軸線；所述調(diào)節(jié)絲杠首先穿過軸承，再與絲杠推力軸承相配合；
[0017]上部分包括支撐架、擺動架、鉸鏈和柔性波紋避光管；所述支撐架固定在底板上；所述擺動架包括兩塊側(cè)擺板和一塊中心擺動板，兩塊側(cè)擺板位置平行、對稱固定在中心擺板的左右兩側(cè)，中心擺板通過鉸鏈鉸接在支撐架上；側(cè)擺板上設(shè)置有連桿，所述連桿垂直于側(cè)擺板、垂直于標(biāo)準(zhǔn)鏡頭接口的軸線；所述柔性波紋避光管對擺動架周側(cè)進(jìn)行包裹，為裝置提供必要的機械保護(hù)和遮光保護(hù)，并為調(diào)整過程提供必要的彈性扭轉(zhuǎn)余量；
[0018]同一側(cè)的側(cè)擺板、側(cè)推板和環(huán)形板，連桿首先穿過側(cè)推板上的直形槽，再插入環(huán)形板上的月牙形槽；調(diào)節(jié)絲杠的轉(zhuǎn)動帶動推桿的移動，卡在直形槽內(nèi)的連桿隨之沿月牙形槽移動，使擺動架沿鉸鏈擺動。
[0019]所述光軸同步調(diào)節(jié)裝置包括圓角矩形殼體、頂蓋、第一錐形齒輪組、第二錐形齒輪組，所述圓角矩形殼體固定在外殼的正面，所述頂蓋蓋在圓角矩形殼體上形成同步腔，所述第一錐形齒輪組、第二錐形齒輪組安裝在同步腔內(nèi)；
[0020]所述第一錐形齒輪組包括三個軸線在同一平面上的、形成U型結(jié)構(gòu)的錐形齒輪，位于中間位置上的錐形齒輪與位于側(cè)邊位置上的兩個錐形齒輪均構(gòu)成傳動比為1:10的直角傳動；一個位于側(cè)邊位置上的錐形齒輪中心軸向外伸出并穿過圓角矩形殼體、作為第一輸出軸，位于中間位置上的錐形齒輪中心軸向外伸出并穿過圓角矩形殼體、連接微調(diào)桿；
[0021]所述第二錐形齒輪組包括三個軸線在同一平面上的、形成U型結(jié)構(gòu)的錐形齒輪，位于中間位置上的錐形齒輪與位于側(cè)邊位置上的兩個錐形齒輪均構(gòu)成傳動比為1:1的直角傳動；一個位于側(cè)邊位置上的錐形齒輪中心軸向外伸出并穿過圓角矩形殼體、作為第二輸出軸，另一個位于側(cè)邊位置上的錐形齒輪中心軸向伸出并穿過圓角矩形殼體、作為第三輸出軸，位于中間位置上的錐形齒輪中心軸向外伸出并穿過圓角矩形殼體、作為第四輸出軸；
[0022]所述第一錐形齒輪組的另一個位于側(cè)邊位置上的錐形齒輪和第二錐形齒輪組的位于中心位置上的錐形齒輪背向設(shè)置，并通過同步連桿固定連接，所述同步連桿和這兩個錐形齒輪的中心軸的軸線在同一條直線上；
[0023]所述第一輸出軸、第二輸出軸、第三輸出軸和第四輸出軸分別通過一個聯(lián)軸器與調(diào)節(jié)絲杠連接；所述調(diào)節(jié)絲杠以第二錐形齒輪組的中心為中心均勻布置。
[0024]一種多鏡頭分時復(fù)用移軸斷層氣固兩相流動三維測量方法，在測量前，首先調(diào)整移軸斷層裝置的光軸同步調(diào)節(jié)裝置，使四個鏡頭的成像軸同時指向目標(biāo)測量區(qū)域，使拍攝過程產(chǎn)生移軸效果；然后開啟測控計算機，使用測控計算機控制激光驅(qū)動器開始運行，使高亮激光器按照設(shè)定頻率工作并照亮目標(biāo)測量區(qū)域；接著測控計算機同時向視頻信號采集器和頻率發(fā)生器發(fā)出同步指令，視頻信號采集器驅(qū)動高速CCD相機開始工作并采集其回傳的視頻信號，經(jīng)處理后上傳給測控計算機；同時頻率發(fā)生器控制四個液晶高速快門依次進(jìn)行快速曝光拍攝目標(biāo)測量區(qū)域四個方向上的移軸照片并記錄；按順時針方向，記四個液晶高速快門分別為第一液晶高速快門、第二液晶高速快門、第三液晶高速快門和第四液晶高速快門，測控計算機協(xié)調(diào)控制高速CCD相機、四個液晶高速快門和高亮激光器以以下的工作時序循環(huán)運行:
[0025](l)t時刻:高亮激光器發(fā)出激光，第一液晶高速快門開啟，高速CCD相機開始曝光第η幀；
[0026](2)t+l時刻:高亮激光器停止發(fā)出激光，第一液晶高速快門關(guān)閉，高速CXD相機開始記錄第η巾貞;
[0027](3) t+1.25時刻:高亮激光器發(fā)出激光，第二液晶高速快門開啟，高速CXD相機開始曝光第η+1巾貞；
[0028](4)t+2.25時刻:高亮激光器停止發(fā)出激光，第二液晶高速快門關(guān)閉，高速C⑶相機開始記錄第n+1巾貞；
[0029](5H+2.5時刻:高亮激光器發(fā)出激光，第三液晶高速快門開啟，高速C⑶相機開始曝光第n+2巾貞；
[0030](6H+3.5時刻:高亮激光器停止發(fā)出激光，第三液晶高速快門關(guān)閉，高速C⑶相機開始記錄第n+2巾貞；
[0031](7)t+3.75時刻:高亮激光器發(fā)出激光，第四液晶高速快門開啟，高速CXD相機開始曝光第n+3幀；
[0032](8)t+4.75時刻:高亮激光器停止發(fā)出激光，第四液晶高速快門關(guān)閉，高速C⑶相機開始記錄第n+3巾貞；
[0033]處理過程中，將以上工作時序一個周期內(nèi)的四幅圖像作為在同一時刻t獲得；測控計算機在獲得一定時間段內(nèi)的圖像后，首先按照幀編號分別提取四個方向同一時刻內(nèi)的圖像，采用斷層重構(gòu)算法(如ART、MART等)，對目標(biāo)測量區(qū)域內(nèi)的密度分布進(jìn)行三維重構(gòu)，獲得目標(biāo)測量區(qū)域內(nèi)不同時刻顆粒的分布情況；由前后兩個時刻顆粒分布情況估算出顆粒的位移，再除以兩個時刻件的時間長度來獲得顆粒的運動速度。
[0034]有益效果:本發(fā)明提供的顆粒運動的多鏡頭分時復(fù)用移軸斷層三維測量裝置與方法，具有如下有點:1、光學(xué)成像非接觸式測量，測量過程不干擾氣固兩相流動的流場，較之介入式測量更加準(zhǔn)確；2、多個移軸鏡頭聯(lián)用，克服傳統(tǒng)移軸斷層設(shè)備機械旋轉(zhuǎn)速度慢造成的時間精度損失；3、采用液晶高速快門和全反射棱鏡，使一個高速CCD相機分時對準(zhǔn)多個移軸鏡頭曝光，在保證時間精度前提下大幅度減少高速CCD相機數(shù)量，降低了設(shè)備的使用成本；4、采用高速CCD相機，與高亮激光器同步配合，實現(xiàn)高速實時測量；5、三維圖像重構(gòu)采用了斷層掃描圖像重構(gòu)方法，精度高，信息全面。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0035]圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0036]圖2為移軸斷層裝置結(jié)構(gòu)示意圖；
[0037]圖3為移軸裝置結(jié)構(gòu)示意圖，其中圖3(a)為正視圖，圖3(b)為側(cè)視圖，圖3(c)為俯視圖，圖3(d)為立體圖；
[0038]圖4為移軸裝置下部分結(jié)構(gòu)示意圖，其中圖4(a)為正視圖，圖4(b)為側(cè)視圖，圖4(c)為俯視圖，圖4(d)為立體圖；
[0039]圖5為移軸裝置上部分結(jié)構(gòu)示意圖，其中圖5(a)為正視圖，圖5(b)為側(cè)視圖，圖5(c)為俯視圖，圖5(d)為立體圖；
[0040]圖6為光軸同步調(diào)節(jié)裝置結(jié)構(gòu)及轉(zhuǎn)動方向示意圖。
[0041]包括:移軸斷層裝置1，目標(biāo)測量區(qū)域2，高亮激光器3，視頻信號采集器4，頻率發(fā)生器5，激光驅(qū)動器6，測控計算機7，第一鏡頭8，第二鏡頭9，第三鏡頭10，第四鏡頭11，第一移軸裝置12，第二移軸裝置13，第三移軸裝置14，第四移軸裝置15，光軸同步調(diào)節(jié)裝置16，外殼17，第三全反射棱鏡18，第三液晶高速快門19，第四液晶高速快門20，第四全反射棱鏡21，第一全反射棱鏡22，第一液晶高速快門23，第二液晶高速快門24，第二全反射棱鏡25，背板26，高速CXD相機27，頂蓋28，調(diào)節(jié)絲杠29，底板30，環(huán)形板31，推桿32，軸承33，絲杠推力軸承34，擺動架35，鉸鏈36，支撐架37，柔性波紋避光管38，聯(lián)軸器39，微調(diào)桿40，第一輸出軸41,第三輸出軸42,第四輸出軸43,第二輸出軸44,第一錐形齒輪組45,第二錐形齒輪組46。
【具體實施方式】
[0042]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作更進(jìn)一步的說明。
[0043]如圖1所示為一種多鏡頭分時復(fù)用移軸斷層氣固兩相流動三維測量裝置，其特征在于:包括高速C⑶相機27、移軸斷層裝置1、高亮激光器3、視頻信號采集器4、頻率發(fā)生器
5、激光驅(qū)動器6和測控計算機7，所述移軸斷層裝置I和高亮激光器3置于目標(biāo)測量區(qū)域2的兩側(cè)；
[0044]所述移軸斷層裝置I包括外殼17、背板26和四個液晶高速快門，所述背板26蓋在外殼17的背面形成安裝腔，所述四個液晶高速快門安裝在安裝腔內(nèi)、環(huán)繞移軸斷層裝置I的中心均勻布置；所述四個液晶高速快門均與頻率發(fā)生器5相連，所述頻率發(fā)生器5接收來自測控計算機7提供的控制指令，通過測控計算機7和頻率發(fā)生器5控制四個液晶高速快I?的曝光次序；
[0045]所述高速CXD相機27安裝在背板26的背面上，高速CXD相機27的輸出信號接入視頻信號采集器4，所述視頻信號采集器4的輸出信號接入測控計算機7 ；
`[0046]所述高亮激光器3的激光出口正對外殼17正面的中心，高亮激光器3通過激光驅(qū)動器6驅(qū)動，所述激光驅(qū)動器6接收來及測控計算機7的控制指令，通過測控計算機7和激光驅(qū)動器6控制高亮激光器3的啟閉。
[0047]所述移軸斷層裝置I還包括光軸同步調(diào)節(jié)裝置16，并且對應(yīng)每個液晶高速快門設(shè)計有位置對應(yīng)的全反射棱鏡、移軸裝置和鏡頭，其中液晶高速快門和全反射棱鏡均安裝在安裝腔內(nèi)；
[0048]所述移軸裝置包括底板30、擺動架35和調(diào)節(jié)絲杠29，所述底板30固定在外殼17的正面，所述擺動架35安裝在底板30上，擺動架35的中心擺動板與底板30的中心對應(yīng)，在中心擺動板的中心設(shè)置有標(biāo)準(zhǔn)鏡頭接口，所述鏡頭安裝在標(biāo)準(zhǔn)鏡頭接口內(nèi)，所述調(diào)節(jié)絲杠29通過調(diào)節(jié)擺動架的擺動角度調(diào)節(jié)鏡頭轉(zhuǎn)動；
[0049]在外殼17上，對應(yīng)每個鏡頭設(shè)置有通光孔，通光孔的中心、液晶高速快門的中心和全反射棱鏡入射光軸精準(zhǔn)對齊；在背板26的中心設(shè)置有透光孔，全反射棱鏡反射光軸穿過透光孔照射在高速CXD相機27上；
[0050]所述光軸同步調(diào)節(jié)裝置16通過調(diào)節(jié)四個調(diào)節(jié)絲杠29同步移動調(diào)節(jié)鏡頭同步轉(zhuǎn)動。
[0051]所述移軸裝置包括上下兩部分，其中:
[0052]下部分包括底板30、兩塊環(huán)形板31、推桿32、軸承33、絲杠推力軸承34和調(diào)節(jié)絲杠29 ;所述環(huán)形板31上設(shè)置有月牙形槽，兩塊環(huán)形板31對稱布置在通光孔的左右兩側(cè)；所述推桿32包括兩塊側(cè)推板和一塊中心推板，側(cè)推板上設(shè)置有直形槽，兩塊側(cè)推板位置平行、對稱固定在中心推板的左右兩側(cè)，絲杠推力軸承34置于中心推板的中心；所述軸承33固定在底板30上，軸承33和絲杠推力軸承34的軸線一致、且垂直于通光孔的軸線；所述調(diào)節(jié)絲杠29首先穿過軸承33,再與絲杠推力軸承34相配合；
[0053]上部分包括支撐架37、擺動架35、鉸鏈36和柔性波紋避光管38 ;所述支撐架37固定在底板30上；所述擺動架35包括兩塊側(cè)擺板和一塊中心擺動板，兩塊側(cè)擺板位置平行、對稱固定在中心擺板的左右兩側(cè)，中心擺板通過鉸鏈36鉸接在支撐架37上；側(cè)擺板上設(shè)置有連桿，所述連桿垂直于側(cè)擺板、垂直于標(biāo)準(zhǔn)鏡頭接口的軸線；所述柔性波紋避光管38對擺動架35周側(cè)進(jìn)行包裹，為裝置提供必要的機械保護(hù)和遮光保護(hù)，并為調(diào)整過程提供必要的彈性扭轉(zhuǎn)余量；
[0054]同一側(cè)的側(cè)擺板、側(cè)推板和環(huán)形板31，連桿首先穿過側(cè)推板上的直形槽，再插入環(huán)形板31上的月牙形槽；調(diào)節(jié)絲杠29的轉(zhuǎn)動帶動推桿32的移動，卡在直形槽內(nèi)的連桿隨之沿月牙形槽移動，使擺動架35沿鉸鏈擺動。
[0055]所述光軸同步調(diào)節(jié)裝置16包括圓角矩形殼體、頂蓋28、第一錐形齒輪組45、第二錐形齒輪組46，所述圓角矩形殼體固定在外殼17的正面，所述頂蓋28蓋在圓角矩形殼體上形成同步腔，所述第一錐形齒輪組45、第二錐形齒輪組46安裝在同步腔內(nèi)；
[0056]所述第一錐形齒輪組45包括三個軸線在同一平面上的、形成U型結(jié)構(gòu)的錐形齒輪，位于中間位置上的錐形齒輪與位于側(cè)邊位置上的兩個錐形齒輪均構(gòu)成傳動比為1:10的直角傳動；一個位于側(cè)邊位置上的錐形齒輪中心軸向外伸出并穿過圓角矩形殼體、作為第一輸出軸41，位于中間位置上的錐形齒輪中心軸向外伸出并穿過圓角矩形殼體、連接微調(diào)桿40 ；
[0057]所述第二錐形齒輪組46包括三個軸線在同一平面上的、形成U型結(jié)構(gòu)的錐形齒輪，位于中間位置上的錐形齒輪與位于側(cè)邊位置上的兩個錐形齒輪均構(gòu)成傳動比為1:1的直角傳動；一個位于側(cè)邊位置上的錐形齒輪中心軸向外伸出并穿過圓角矩形殼體、作為第二輸出軸44，另一個位于側(cè)邊位置上的錐形齒輪中心軸向伸出并穿過圓角矩形殼體、作為第三輸出軸42，位于中間位置上的錐形齒輪中心軸向外伸出并穿過圓角矩形殼體、作為第四輸出軸43 ；
[0058]所述第一錐形齒輪組45的另一個位于側(cè)邊位置上的錐形齒輪和第二錐形齒輪組46的位于中心位置上的錐形齒輪背向設(shè)置，并通過同步連桿固定連接，所述同步連桿和這兩個錐形齒輪的中心軸的軸線在同一條直線上；
[0059]所述第一輸出軸41、第二輸出軸44、第三輸出軸42和第四輸出軸43分別通過一個聯(lián)軸器39與調(diào)節(jié)絲杠29連接；所述調(diào)節(jié)絲杠29以第二錐形齒輪組46的中心為中心均勻布置。
[0060]本例中高速CXD相機27可采用Basler510系列高速CXD相機，視頻信號采集器4可采用Matrox系列采集裝置，四個鏡頭采用了四個尼康50mm全畫幅鏡頭,高亮激光器3采用高亮度固態(tài)激光器嗎，頻率發(fā)生器5使用可編程方波信號發(fā)生器制成，移軸斷層裝置I的外殼17和背板26，以及四個移軸裝置的部件采用鋁合金精密加工制成。
[0061 ] 上述裝置在使用時，首先需要進(jìn)行接線安裝，具體如下:首先將高速CCD相機27安裝在移軸斷層裝置I的背板26上，并與視頻信號采集器4相連，視頻信號采集器4的信號輸出和控制輸入連入測控計算機7。高亮激光器3驅(qū)動線連入與其配套的激光驅(qū)動器6中，激光驅(qū)動器6的控制線與測控計算機7相連，接受來自測控計算機7的控制指令。將移軸斷層裝置I內(nèi)的四個液晶高速快門與頻率發(fā)生器5的輸出口相連，頻率發(fā)生器5的控制線連入測控計算機7，由測控計算機7控制信號發(fā)出的時序，進(jìn)一步控制四個液晶高速快門曝光的次序；將高亮激光器3和移軸斷層裝置I安裝在氣固兩相流動通道的兩側(cè)，通道壁面是透明的，以使激光透過。
[0062]基于上述裝置和接線的多鏡頭分時復(fù)用移軸斷層氣固兩相流動三維測量方法，在測量前，首先調(diào)整移軸斷層裝置I的光軸同步調(diào)節(jié)裝置16，使四個鏡頭的成像軸同時指向目標(biāo)測量區(qū)域2，使拍攝過程產(chǎn)生移軸效果；然后開啟測控計算機7，使用測控計算機7控制激光驅(qū)動器6開始運行，使高亮激光器3按照設(shè)定頻率工作并照亮目標(biāo)測量區(qū)域2 ;接著測控計算機7同時向視頻信號采集器4和頻率發(fā)生器5發(fā)出同步指令，視頻信號采集器4驅(qū)動高速CCD相機27開始工作并采集其回傳的視頻信號，經(jīng)處理后上傳給測控計算機7 ;同時頻率發(fā)生器5控制四個液晶高速快門依次進(jìn)行快速曝光拍攝目標(biāo)測量區(qū)域2四個方向上的移軸照片并記錄；按順時針方向，記四個液晶高速快門分別為第一液晶高速快門23、第二液晶高速快門24、第三液晶高速快門19和第四液晶高速快門20，測控計算機7協(xié)調(diào)控制高速CCD相機27、四個液晶高速快門和高亮激光器3以以下的工作時序循環(huán)運行:
[0063](l)t時刻:高亮激光器3發(fā)出激光，第一液晶高速快門23開啟，高速C⑶相機27開始曝光第η幀；
[0064](2) t+Ι時刻:高亮激光器3停止發(fā)出激光，第一液晶高速快門23關(guān)閉，高速CXD相機27開始記錄第η幀；
[0065](3Η+1.25時刻:高亮激光器3發(fā)出激光，第二液晶高速快門24開啟，高速C⑶相機27開始曝光第n+1幀；
[0066](4) t+2.25時刻:高亮激光器3停止發(fā)出激光，第二液晶高速快門24關(guān)閉，高速CXD相機27開始記錄第n+1幀；
[0067](5) t+2.5時刻:高亮激光器3發(fā)出激光，第三液晶高速快門19開啟，高速C⑶相機(27)開始曝光第n+2幀；
[0068](6)t+3.5時刻:高亮激光器3停止發(fā)出激光，第三液晶高速快門19關(guān)閉，高速CXD相機27開始記錄第n+2幀；
[0069](7H+3.75時刻:高亮激光器3發(fā)出激光，第四液晶高速快門20開啟，高速C⑶相機27開始曝光第n+3幀；
[0070](8)t+4.75時刻:高亮激光器3停止發(fā)出激光，第四液晶高速快門20關(guān)閉，高速CXD相機27開始記錄第n+3幀；
[0071]處理過程中，將以上工作時序一個周期內(nèi)的四幅圖像作為在同一時刻t獲得；測控計算機7在獲得一定時間段(比如IOs)內(nèi)的圖像后，首先按照幀編號分別提取四個方向同一時刻內(nèi)的圖像，采用斷層重構(gòu)算法(如ART、MART等)，對目標(biāo)測量區(qū)域2內(nèi)的密度分布進(jìn)行三維重構(gòu)，獲得目標(biāo)測量區(qū)域2內(nèi)不同時刻(每5s時刻)顆粒的分布情況；由前后兩個時刻顆粒分布情況估算出顆粒的位移，再除以兩個時刻件的時間長度(5s)來獲得顆粒的運動速度。[0072]以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當(dāng)指出:對于本【技術(shù)領(lǐng)域】的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種多鏡頭分時復(fù)用移軸斷層氣固兩相流動三維測量裝置，其特征在于:包括高速C⑶相機(27)、移軸斷層裝置(I)、高亮激光器(3)、視頻信號采集器(4)、頻率發(fā)生器(5)、激光驅(qū)動器(6 )和測控計算機(7 )，所述移軸斷層裝置(I)和高亮激光器(3 )置于目標(biāo)測量區(qū)域(2)的兩側(cè)； 所述移軸斷層裝置(I)包括外殼(17)、背板(26)和四個液晶高速快門，所述背板(26)蓋在外殼(17)的背面形成安裝腔，所述四個液晶高速快門安裝在安裝腔內(nèi)、環(huán)繞移軸斷層裝置(I)的中心均勻布置；所述四個液晶高速快門均與頻率發(fā)生器(5)相連，所述頻率發(fā)生器(5 )接收來自測控計算機(7 )提供的控制指令，通過測控計算機(7 )和頻率發(fā)生器(5 )控制四個液晶高速快門的曝光次序； 所述高速CCD相機(27)安裝在背板(26)的背面上，高速CCD相機(27)的輸出信號接入視頻信號采集器(4)，所述視頻信號采集器(4)的輸出信號接入測控計算機(7)； 所述高亮激光器(3 )的激光出口正對外殼(17 )正面的中心，高亮激光器(3 )通過激光驅(qū)動器(6)驅(qū)動，所述激光驅(qū)動器(6)接收來及測控計算機(7)的控制指令，通過測控計算機(7 )和激光驅(qū)動器(6 )控制高亮激光器(3 )的啟閉。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多鏡頭分時復(fù)用移軸斷層氣固兩相流動三維測量裝置，其特征在于:所述移軸斷層裝置(I)還包括光軸同步調(diào)節(jié)裝置(16)，并且對應(yīng)每個液晶高速快門設(shè)計有位置對應(yīng)的全反射棱鏡、移軸裝置和鏡頭，其中液晶高速快門和全反射棱鏡均安裝在安裝腔內(nèi)； 所述移軸裝置包括底板(30)、擺動架(35)和調(diào)節(jié)絲杠(29)，所述底板(30)固定在外殼(17)的正面，所述擺動架(35)安裝在底板(30)上，擺動架(35)的中心擺動板與底板(30)的中心對應(yīng)，在中心擺動板的中心設(shè)置有標(biāo)準(zhǔn)鏡頭接口，所述鏡頭安裝在標(biāo)準(zhǔn)鏡頭接口內(nèi)，所述調(diào)節(jié)絲杠(29)通過調(diào)節(jié)擺動架的擺動角度調(diào)節(jié)鏡頭轉(zhuǎn)動； 在外殼(17)上，對應(yīng)每個鏡頭設(shè)置有通光孔，通光孔的中心、液晶高速快門的中心和全反射棱鏡入射光軸精準(zhǔn)對齊；在背板(26)的中心設(shè)置有透光孔，全反射棱鏡反射光軸穿過透光孔照射在高速CXD相機(27)上； 所述光軸同步調(diào)節(jié)裝置(16)通過調(diào)節(jié)四個調(diào)節(jié)絲杠(29)同步移動調(diào)節(jié)鏡頭同步轉(zhuǎn)動。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的多鏡頭分時復(fù)用移軸斷層氣固兩相流動三維測量裝置，其特征在于:所述移軸裝置包括上下兩部分，其中: 下部分包括底板(30)、兩塊環(huán)形板(31)、推桿(32)、軸承(33)、絲杠推力軸承(34)和調(diào)節(jié)絲杠(29);所述環(huán)形板(31)上設(shè)置有月牙形槽，兩塊環(huán)形板(31)對稱布置在通光孔的左右兩側(cè)；所述推桿(32)包括兩塊側(cè)推板和一塊中心推板，側(cè)推板上設(shè)置有直形槽，兩塊側(cè)推板位置平行、對稱固定在中心推板的左右兩側(cè)，絲杠推力軸承(34)置于中心推板的中心；所述軸承(33)固定在底板(30)上，軸承(33)和絲杠推力軸承(34)的軸線一致、且垂直于通光孔的軸線；所述調(diào)節(jié)絲杠(29)首先穿過軸承(33)，再與絲杠推力軸承(34)相配合；上部分包括支撐架(37)、擺動架(35)、鉸鏈(36)和柔性波紋避光管(38);所述支撐架(37)固定在底板(30)上；所述擺動架(35)包括兩塊側(cè)擺板和一塊中心擺動板，兩塊側(cè)擺板位置平行、對稱固定在中心擺板的左右兩側(cè)，中心擺板通過鉸鏈(36)鉸接在支撐架(37)上；側(cè)擺板上設(shè)置有連桿，所述連桿垂直于側(cè)擺板、垂直于標(biāo)準(zhǔn)鏡頭接口的軸線；所述柔性波紋避光管(38)對擺動架(35)周側(cè)進(jìn)行包裹； 同一側(cè)的側(cè)擺板、側(cè)推板和環(huán)形板(31)，連桿首先穿過側(cè)推板上的直形槽，再插入環(huán)形板(31)上的月牙形槽；調(diào)節(jié)絲杠(29)的轉(zhuǎn)動帶動推桿(32)的移動，卡在直形槽內(nèi)的連桿隨之沿月牙形槽移動，使擺動架(35 )沿鉸鏈擺動。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的多鏡頭分時復(fù)用移軸斷層氣固兩相流動三維測量裝置，其特征在于:所述光軸同步調(diào)節(jié)裝置(16)包括圓角矩形殼體、頂蓋(28)、第一錐形齒輪組(45)、第二錐形齒輪組(46)，所述圓角矩形殼體固定在外殼(17)的正面，所述頂蓋(28)蓋在圓角矩形殼體上形成同步腔，所述第一錐形齒輪組(45)、第二錐形齒輪組(46)安裝在同步腔內(nèi)； 所述第一錐形齒輪組(45)包括三個軸線在同一平面上的、形成U型結(jié)構(gòu)的錐形齒輪，位于中間位置上的錐形齒輪與位于側(cè)邊位置上的兩個錐形齒輪均構(gòu)成傳動比為1:10的直角傳動；一個位于側(cè)邊位置上的錐形齒輪中心軸向外伸出并穿過圓角矩形殼體、作為第一輸出軸(41)，位于中間位置上的錐形齒輪中心軸向外伸出并穿過圓角矩形殼體、連接微調(diào)桿(40)； 所述第二錐形齒輪組(46)包括三個軸線在同一平面上的、形成U型結(jié)構(gòu)的錐形齒輪，位于中間位置上的錐形齒輪與位于側(cè)邊位置上的兩個錐形齒輪均構(gòu)成傳動比為1:1的直角傳動；一個位于側(cè)邊位置上的錐形齒輪中心軸向外伸出并穿過圓角矩形殼體、作為第二輸出軸(44)，另一個位于側(cè)邊位置上的錐形齒輪中心軸向伸出并穿過圓角矩形殼體、作為第三輸出軸(42)，位于中間位置上的錐形齒輪中心軸向外伸出并穿過圓角矩形殼體、作為第四輸出 軸(43)；所述第一錐形齒輪組(45)的另一個位于側(cè)邊位置上的錐形齒輪和第二錐形齒輪組(46)的位于中心位置上的錐形齒輪背向設(shè)置，并通過同步連桿固定連接，所述同步連桿和這兩個錐形齒輪的中心軸的軸線在同一條直線上； 所述第一輸出軸(41)、第二輸出軸(44)、第三輸出軸(42)和第四輸出軸(43)分別通過一個聯(lián)軸器(39 )與調(diào)節(jié)絲杠(29 )連接；所述調(diào)節(jié)絲杠(29 )以第二錐形齒輪組(46 )的中心為中心均勻布置。
5.一種多鏡頭分時復(fù)用移軸斷層氣固兩相流動三維測量方法，其特征在于:在測量前，首先調(diào)整移軸斷層裝置(I)的光軸同步調(diào)節(jié)裝置(16)，使四個鏡頭的成像軸同時指向目標(biāo)測量區(qū)域(2)，使拍攝過程產(chǎn)生移軸效果；然后開啟測控計算機(7)，使用測控計算機(7)控制激光驅(qū)動器(6)開始運行，使高亮激光器(3)按照設(shè)定頻率工作并照亮目標(biāo)測量區(qū)域(2);接著測控計算機(7)同時向視頻信號采集器(4)和頻率發(fā)生器(5)發(fā)出同步指令，視頻信號采集器(4)驅(qū)動高速CCD相機(27)開始工作并采集其回傳的視頻信號，經(jīng)處理后上傳給測控計算機(7);同時頻率發(fā)生器(5)控制四個液晶高速快門依次進(jìn)行快速曝光拍攝目標(biāo)測量區(qū)域(2)四個方向上的移軸照片并記錄；按順時針方向，記四個液晶高速快門分別為第一液晶高速快門(23)、第二液晶高速快門(24)、第三液晶高速快門(19)和第四液晶高速快門(20 )，測控計算機(7 )協(xié)調(diào)控制高速CCD相機(27 )、四個液晶高速快門和高亮激光器(3)以以下的工作時序循環(huán)運行: (I )t時刻:高亮激光器(3 )發(fā)出激光，第一液晶高速快門(23 )開啟，高速CXD相機(27 )開始曝光第η幀；(2)t+l時刻:高亮激光器(3)停止發(fā)出激光，第一液晶高速快門(23)關(guān)閉，高速CCD相機(27 )開始記錄第η幀； (3)t+1.25時刻:高亮激光器(3)發(fā)出激光，第二液晶高速快門(24)開啟，高速CXD相機(27)開始曝光第n+1幀； (4)t+2.25時刻:高亮激光器(3)停止發(fā)出激光，第二液晶高速快門(24)關(guān)閉，高速CXD相機(27)開始記錄第n+1幀； (5)t+2.5時刻:高亮激光器(3)發(fā)出激光，第三液晶高速快門(19)開啟，高速C⑶相機(27)開始曝光第n+2幀； (6 ) t+3.5時刻:高亮激光器(3 )停止發(fā)出激光，第三液晶高速快門(19 )關(guān)閉，高速CXD相機(27)開始記錄第n+2幀； (7)t+3.75時刻:高亮激光器(3)發(fā)出激光，第四液晶高速快門(20)開啟，高速CXD相機(27)開始曝光第n+3幀； (8 )t+4.75時刻:高亮激光器(3 )停止發(fā)出激光，第四液晶高速快門(20 )關(guān)閉，高速CXD相機(27)開始記錄第n+3幀； 處理過程中，將以上工作時序一個周期內(nèi)的四幅圖像作為在同一時刻t獲得；測控計算機(7)在獲得一定時間段內(nèi)的圖像后，首先按照幀編號分別提取四個方向同一時刻內(nèi)的圖像，采用斷層重構(gòu)算法，對目標(biāo)測量區(qū)域(2)內(nèi)的密度分布進(jìn)行三維重構(gòu)，獲得目標(biāo)測量區(qū)域(2)內(nèi)不同時刻顆粒的分布 情況；由前后兩個時刻顆粒分布情況估算出顆粒的位移，再除以兩個時刻件的時間長度來獲得顆粒的運動速度。
【文檔編號】G01N15/00GK103760071SQ201410023539
【公開日】2014年4月30日 申請日期:2014年1月17日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月17日
【發(fā)明者】鐘文琪, 陳曦, 邵應(yīng)娟, 張勇, 金保昇 申請人:東南大學(xué)