测定浓密悬浮颗粒流速的光学互相关系统.docx

1、74_叫欤卸恩W敦耘/，珑R.彩幻第5卷第4期光电子激光Vo1.5.No.41994年8月OPTRONICSLASERSAug.,1994测定浓密悬浮颗粒流速的光学互相关系统.施泉梁宝*周目辉觞文fhM塞大学物理系.天津300072)IL，摘要本文提出浏定浓密悬浮题粒平均流速的光学互相关系统。使用微型电子计算机采集和处理数据。通过确定两支激光束衰减扰动互相关函数的峰值位置，可以实现运动粒子速度的无接触测屋c实验结果证实光强扰动的互相关技术可以有效地运用于双组份流量计蚩领域。AnOpticaCrossCorrelationSystemforVelocityMeasurementofParticl

2、esinDenseSuspensionHeYuquan,LiangBaoshe.ZhouGuohuiandHeNaiwen(DepartmentofPhysics,TianJnUniversity,Tianjn300072)AbstractThispaperpresentsaopticalcrosscorrelationsystemwhichusesamicrocomputertocollectandprocessdataforaveragevelocitymeasurementofparticlecloudinanairsuspension.Acontactiessmeasurementof

3、amovingparticlevelocitycanbeobtainedbydeterminingthepositionofthepeakofthecrosscorrelationfunctionoftwoattenuatedlaserbeams.Theexperimentresultsshowthatthetecniqueofcorrelationofopticaintensityfluctuationcanbeusedasanefficienttooltomeasureflowvelosityiatwo-componentfluids.Subjectterms:intensityfluct

4、uation,crosscorrelation,velocitymeasurement.一、引言在许多工业生产过程中，如何测定流体中浓密悬浮颗粒的局部平均速度，是一个急需解决的困难问题。例如，工厂排放的烟尘中，烟尘颗粒可以看成悬浮于气流中的粒子，是气/固两相流体中的离散相。为了控制烟尘污染总量，要求监测离散相的流速口。作为流速测量的代表性仪器，如早期的毕托(Pitot)管，后来的热线热膜风速天津市自然科学基金资助项目1994年4月20日收到,7月20日录用4期何饪泉等：测定浓密卷浮颗粒流速的光学互相关系统-225-计.均属于接触式测量工具，难以在工业生产的恶劣环境条件下常时间运行。近期出现的激

5、光多普勒(Doppler)测速计.能十分精确地测定悬浮粒子速度，但也有局限性，主要适用于悬浮颗粒比较稀硫的窄小流场口。互相关测量的基本原理是，仅仅测量扰动在沿流动方向被间隔开来的两点之间的通过时间，向人们提供一种解决实际工业问题的途径。在采用两个静电探头的流体扰动互相关方法中，输出受局部电荷分布影响，要求两探头距离比较大，才能获得比较清晰的互相关函数极大值人们自然会问，能否直接测量两个相距为a的透射光瞳处光场的光强，运用电子计算机技术求出两束光强的相关，然后根据互相关函数的极大值确定离散相的速度呢?回答是肯定的，本文报导借助微机数据采集的激光束互相关法，测定浓密悬浮颗粒流动速度的实验系统。二、

6、工作原理实验的基本原理是运用数字互相关技术测量出流体扰动通过一定距离的传递时间。两相流体在管道内流动时，流体中离散相的局部浓度是随机变化的。假定一个观察者通过在管壁上开放的透明窗口来观察流体的流动情况，即使在流体中连续相和离散相的质量流速保持不变的情况下，该观察者也可以看到流体中离散相颗粒尺寸及其空间分布状分的杂乱无章变化。设沿流体流动方向彼此相隔必的两个光瞳处放置光电探测器，两束平行光穿过管道，上下游流动扰动信号为x和*。人均正比于接收的瞬时光强。实际上，光强相关信号取决于光电流的涨落部分，而与光电流时间平均值的直流成分无关1少。假定扰动的传播是穿过一个无色散线性路径，在传播过程中可能迭加了

7、无关噪声n(t),那么y(t)=d/vif+n(0其中H(力是传播通道的频率响应函敬，由于流动系统的涨落频率远低于激光器的频率，故H哉可视为常数H.x(f)和*(，)对于时间滞后，的互相关函数为mA(t)=+t)drJ*s=LimjT;cQ)HxQd/v+t)+n(t+砂thT9=由于自相关函数A.在t=0时有极大值，因此R(z)在时有极大值。这个I值就是悬浮颗粒流经两个光瞳所需的时间。显然，采用互相关分析的优点就在于尽管xt)与y(t)可以有差别，但可以从淹没在噪声或其他无关信号中找出两个波形总体上最相似点的滞后时间，进而提取悬浮颗粒流动速度的信息。226何饪泉等：测定浓密悬:浮颗粒赤速的光

8、学互相关系统】994年IBMXT甚亟故大话波:j-:I,光牛枷SB光电检南器程功方向1半反射镜反射值Q蛆诲光器图1双光束光强互相关测速系统三、实验结果与讨论实验系统如图1所示。以风机形成气流作为栽体，在水平放置的直径50毫米的玻璃管道内，输送直径约100200微米石膏粉颗粒，其质量流量为0.81克/秒。工作波长6328A的氯氛激光器，经半反射镜和全反射镜产生相等光强的两束平行光。两束光彼此之间相隔50毫米，穿过管道之后落在光电检测器上，测量被粒子云衰减后的瞬时光强，关于光电检测技术参见文献6,7。系统以一台IBN-XT微机为核心完成数据采集与处理。为了在数据采集系统限制范围内获得高分辨率，将光

9、电信号截断直流成分，经12位精度的模数转换电路送入微机。这里采用美国模拟器件公司的AD578高速逐次比较式模数转换器和AD585采样保持芯片配合，构成高速数据采集系统CO,实现12KHZ速率转换。软件编程方面，采用汇编语言完成A/D转换及数据采集。用BASIC语言编案主程序，调用汇编模块并完成数据处理、峰值检测耻以及结果输出等功能。Time,Sec图2.粒子云沿水平管道流动的互相关典型测髭结果图2表示两种不同流速情况下典型互相关测量结果，由图可以清晰地辨认互相关函数的极大值。由t=0.016秒，或l0.009秒，给出沿管道中心线的平均粒子速度分别4期何饪泉等：测定浓密悬浮颗粒流速的光学互相关系

10、统227-为3.1米/秒或5.5米/秒。实验结果证实，以微型电子计算机为核心的光强扰动互相关技术，可以有效地运用于固/气两相流最计量领域。整个测量系统具有响应速度快、精度高、无接触式测量、结构简单以及价格低廉等优点。参考文献I1何任泉、杨宝林、迟瑞东、何乃文，城市环境与城市生态，7.1、41-43(1994).(2KjcUJ.Gasvik,Optica!Methology,Jchnwiley&SonLtl.,Chichester,201-203(1987),I31徐苓安，相关流量测量技术，夭漳大学出版社，68-96(1988).I4FredericdeCoulon,SignalTheoryan

11、dProcessing,ArtechHouseInc.Dedham,487-500(1986)。I5MilesV.KleinandThomasE.Furtak.Optics,secondEd.,JohnWiler&SonLtd.NewYork,555-564(1986).(6何饪泉.仪器仪表学报,44444-445(1983).I7何饪泉，关铁梁，物理学报，31,1,138-140(1982).【8沈兰茹,数据采集与处理,能源出版社，310-324(1987).(上接256页)小，疗效高的治疗方法，确实值得进一步推广使用。参考资料1赵辨主编，临床皮肤病学266-270,江苏科技出版社1987).【2马莘玲，尖锐湿疣与免疫2.87,国外医学皮朕病学分珊1992).I3郑华等，尖锐湿疣患者外周血可溶性白细胞介素上受体及T淋巴细胞亚群的检测，临床皮肤科杂志4.1791993).【4杨文彪、徐广坤，尖锐湿疣及HPV亚临床感染的组织病理及免疫组化改变，临床皮肤科杂志6.298(1993)作者简介王晋英女43岁山西医学院二附院皮肤科激光室主管技师。86