測定濃密懸浮顆粒流速的光學(xué)互相關(guān)系統(tǒng).docx

1、74_叫歟卸恩W敦耘/，瓏R.彩幻第5卷第4期光電子激光Vo1.5.No.41994年8月OPTRONICSLASERSAug.,1994測定濃密懸浮顆粒流速的光學(xué)互相關(guān)系統(tǒng).施泉梁寶*周目輝觴文fhM塞大學(xué)物理系.天津300072)IL，摘要本文提出瀏定濃密懸浮題粒平均流速的光學(xué)互相關(guān)系統(tǒng)。使用微型電子計(jì)算機(jī)采集和處理數(shù)據(jù)。通過確定兩支激光束衰減擾動(dòng)互相關(guān)函數(shù)的峰值位置，可以實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)粒子速度的無接觸測屋c實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)光強(qiáng)擾動(dòng)的互相關(guān)技術(shù)可以有效地運(yùn)用于雙組份流量計(jì)蚩領(lǐng)域。AnOpticaCrossCorrelationSystemforVelocityMeasurementofParticl

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

3、amovingparticlevelocitycanbeobtainedbydeterminingthepositionofthepeakofthecrosscorrelationfunctionoftwoattenuatedlaserbeams.Theexperimentresultsshowthatthetecniqueofcorrelationofopticaintensityfluctuationcanbeusedasanefficienttooltomeasureflowvelosityiatwo-componentfluids.Subjectterms:intensityfluct

4、uation,crosscorrelation,velocitymeasurement.一、引言在許多工業(yè)生產(chǎn)過程中，如何測定流體中濃密懸浮顆粒的局部平均速度，是一個(gè)急需解決的困難問題。例如，工廠排放的煙塵中，煙塵顆?？梢钥闯蓱腋∮跉饬髦械牧Ｗ樱菤?固兩相流體中的離散相。為了控制煙塵污染總量，要求監(jiān)測離散相的流速口。作為流速測量的代表性儀器，如早期的畢托(Pitot)管，后來的熱線熱膜風(fēng)速天津市自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目1994年4月20日收到,7月20日錄用4期何飪?nèi)龋簻y定濃密卷浮顆粒流速的光學(xué)互相關(guān)系統(tǒng)-225-計(jì).均屬于接觸式測量工具，難以在工業(yè)生產(chǎn)的惡劣環(huán)境條件下常時(shí)間運(yùn)行。近期出現(xiàn)的激

5、光多普勒(Doppler)測速計(jì).能十分精確地測定懸浮粒子速度，但也有局限性，主要適用于懸浮顆粒比較稀硫的窄小流場口?；ハ嚓P(guān)測量的基本原理是，僅僅測量擾動(dòng)在沿流動(dòng)方向被間隔開來的兩點(diǎn)之間的通過時(shí)間，向人們提供一種解決實(shí)際工業(yè)問題的途徑。在采用兩個(gè)靜電探頭的流體擾動(dòng)互相關(guān)方法中，輸出受局部電荷分布影響，要求兩探頭距離比較大，才能獲得比較清晰的互相關(guān)函數(shù)極大值人們自然會(huì)問，能否直接測量兩個(gè)相距為a的透射光瞳處光場的光強(qiáng)，運(yùn)用電子計(jì)算機(jī)技術(shù)求出兩束光強(qiáng)的相關(guān)，然后根據(jù)互相關(guān)函數(shù)的極大值確定離散相的速度呢?回答是肯定的，本文報(bào)導(dǎo)借助微機(jī)數(shù)據(jù)采集的激光束互相關(guān)法，測定濃密懸浮顆粒流動(dòng)速度的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。二、

6、工作原理實(shí)驗(yàn)的基本原理是運(yùn)用數(shù)字互相關(guān)技術(shù)測量出流體擾動(dòng)通過一定距離的傳遞時(shí)間。兩相流體在管道內(nèi)流動(dòng)時(shí)，流體中離散相的局部濃度是隨機(jī)變化的。假定一個(gè)觀察者通過在管壁上開放的透明窗口來觀察流體的流動(dòng)情況，即使在流體中連續(xù)相和離散相的質(zhì)量流速保持不變的情況下，該觀察者也可以看到流體中離散相顆粒尺寸及其空間分布狀分的雜亂無章變化。設(shè)沿流體流動(dòng)方向彼此相隔必的兩個(gè)光瞳處放置光電探測器，兩束平行光穿過管道，上下游流動(dòng)擾動(dòng)信號為x和*。人均正比于接收的瞬時(shí)光強(qiáng)。實(shí)際上，光強(qiáng)相關(guān)信號取決于光電流的漲落部分，而與光電流時(shí)間平均值的直流成分無關(guān)1少。假定擾動(dòng)的傳播是穿過一個(gè)無色散線性路徑，在傳播過程中可能迭加了

7、無關(guān)噪聲n(t),那么y(t)=d/vif+n(0其中H(力是傳播通道的頻率響應(yīng)函敬，由于流動(dòng)系統(tǒng)的漲落頻率遠(yuǎn)低于激光器的頻率，故H哉可視為常數(shù)H.x(f)和*(，)對于時(shí)間滯后，的互相關(guān)函數(shù)為mA(t)=+t)drJ*s=LimjT;cQ)HxQd/v+t)+n(t+砂thT9=由于自相關(guān)函數(shù)A.在t=0時(shí)有極大值，因此R(z)在時(shí)有極大值。這個(gè)I值就是懸浮顆粒流經(jīng)兩個(gè)光瞳所需的時(shí)間。顯然，采用互相關(guān)分析的優(yōu)點(diǎn)就在于盡管xt)與y(t)可以有差別，但可以從淹沒在噪聲或其他無關(guān)信號中找出兩個(gè)波形總體上最相似點(diǎn)的滯后時(shí)間，進(jìn)而提取懸浮顆粒流動(dòng)速度的信息。226何飪?nèi)龋簻y定濃密懸:浮顆粒赤速的光

8、學(xué)互相關(guān)系統(tǒng)】994年IBMXT甚亟故大話波:j-:I,光牛枷SB光電檢南器程功方向1半反射鏡反射值Q蛆誨光器圖1雙光束光強(qiáng)互相關(guān)測速系統(tǒng)三、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示。以風(fēng)機(jī)形成氣流作為栽體，在水平放置的直徑50毫米的玻璃管道內(nèi)，輸送直徑約100200微米石膏粉顆粒，其質(zhì)量流量為0.81克/秒。工作波長6328A的氯氛激光器，經(jīng)半反射鏡和全反射鏡產(chǎn)生相等光強(qiáng)的兩束平行光。兩束光彼此之間相隔50毫米，穿過管道之后落在光電檢測器上，測量被粒子云衰減后的瞬時(shí)光強(qiáng)，關(guān)于光電檢測技術(shù)參見文獻(xiàn)6,7。系統(tǒng)以一臺(tái)IBN-XT微機(jī)為核心完成數(shù)據(jù)采集與處理。為了在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)限制范圍內(nèi)獲得高分辨率，將光

9、電信號截?cái)嘀绷鞒煞郑?jīng)12位精度的模數(shù)轉(zhuǎn)換電路送入微機(jī)。這里采用美國模擬器件公司的AD578高速逐次比較式模數(shù)轉(zhuǎn)換器和AD585采樣保持芯片配合，構(gòu)成高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)CO,實(shí)現(xiàn)12KHZ速率轉(zhuǎn)換。軟件編程方面，采用匯編語言完成A/D轉(zhuǎn)換及數(shù)據(jù)采集。用BASIC語言編案主程序，調(diào)用匯編模塊并完成數(shù)據(jù)處理、峰值檢測恥以及結(jié)果輸出等功能。Time,Sec圖2.粒子云沿水平管道流動(dòng)的互相關(guān)典型測髭結(jié)果圖2表示兩種不同流速情況下典型互相關(guān)測量結(jié)果，由圖可以清晰地辨認(rèn)互相關(guān)函數(shù)的極大值。由t=0.016秒，或l0.009秒，給出沿管道中心線的平均粒子速度分別4期何飪?nèi)龋簻y定濃密懸浮顆粒流速的光學(xué)互相關(guān)系

10、統(tǒng)227-為3.1米/秒或5.5米/秒。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)，以微型電子計(jì)算機(jī)為核心的光強(qiáng)擾動(dòng)互相關(guān)技術(shù)，可以有效地運(yùn)用于固/氣兩相流最計(jì)量領(lǐng)域。整個(gè)測量系統(tǒng)具有響應(yīng)速度快、精度高、無接觸式測量、結(jié)構(gòu)簡單以及價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)。參考文獻(xiàn)I1何任泉、楊寶林、遲瑞東、何乃文，城市環(huán)境與城市生態(tài)，7.1、41-43(1994).(2KjcUJ.Gasvik,Optica!Methology,Jchnwiley&SonLtl.,Chichester,201-203(1987),I31徐苓安，相關(guān)流量測量技術(shù)，夭漳大學(xué)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何飪?nèi)?儀器儀表學(xué)報(bào),44444-445(1983).I7何飪?nèi)P(guān)鐵梁，物理學(xué)報(bào)，31,1,138-140(1982).【8沈蘭茹,數(shù)據(jù)采集與處理,能源出版社，310-324(1987).(上接256頁)小，療效高的治療方法，確實(shí)值得進(jìn)一步推廣使用。參考資料1趙辨主編，臨床皮膚病學(xué)266-270,江蘇科技出版社1987).【2馬莘玲，尖銳濕疣與免疫2.87,國外醫(yī)學(xué)皮朕病學(xué)分珊1992).I3鄭華等，尖銳濕疣患者外周血可溶性白細(xì)胞介素上受體及T淋巴細(xì)胞亞群的檢測，臨床皮膚科雜志4.1791993).【4楊文彪、徐廣坤，尖銳濕疣及HPV亞臨床感染的組織病理及免疫組化改變，臨床皮膚科雜志6.298(1993)作者簡介王晉英女43歲山西醫(yī)學(xué)院二附院皮膚科激光室主管技師。86