CN213068628U - 一种双光路同步观测纹影*** - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种双光路同步观测纹影***，包括光源、平面镜、双刀口、CCD相机和四个凹面镜；光源形成两条光路；其特征在于，CCD相机数量为一个，CCD相机位于直接向CCD相机反射光的凹面镜的焦点上，平面镜位于直接向平面镜反射光的凹面镜的焦点上；在平面镜和CCD相机之间设置双刀口，两条光路分别进入双刀口的两个刀口；平面镜和直接向CCD相机反射光的凹面镜位于不同光路上。该***的两条光路同时进入同一个CCD相机，因此CCD相机能够同时获得被测流场的两个二维平面上的信息，实现被测流场的三维同步观测。

Description

一种双光路同步观测纹影***

技术领域

本实用新型属于光学观测技术领域，具体涉及一种双光路同步观测纹影***。

背景技术

纹影仪是流体力学试验的一种常用流场观测装置，其利用透光流场中流体的密度梯度产生的光线偏折观察流场结构，在超声速风洞试验和燃烧试验观测中尤为常见。

普通单光路纹影仪每次观测得到的结果只是流场结构的一种二维信息，并不能准确反应流场结构的三维信息；若要采用单光路纹影仪观测流场结构的三维信息，则需要通过改变观测方向进行两次观测，但这两次观测结果所获得的流场信息又缺乏同步性，尤其是对于超声速流场中的激波或震荡的火焰这一类非稳态流场而言，即便有两次观测结果，也只能反应一段时间内流场结构的三维叠加信息，无法对流场结构进行三维同步观测。

实用新型内容

针对上述问题，本实用新型拟解决的技术问题是，提供一种双光路同步观测纹影***；该纹影***通过一个CCD相机获得被测流场两个二维平面上的信息，实现被测流场的三维同步观测。

本实用新型解决所述技术问题采用的技术方案是：

一种双光路同步观测纹影***，包括光源、平面镜、双刀口、CCD相机和四个凹面镜；光源形成两条光路；其特征在于，CCD相机数量为一个，CCD相机位于直接向CCD相机反射光的凹面镜的焦点上，平面镜位于直接向平面镜反射光的凹面镜的焦点上；在平面镜和CCD相机之间设置双刀口，两条光路分别进入双刀口的两个刀口；平面镜和直接向CCD相机反射光的凹面镜位于不同光路上。

所述两条光路由一个单光源通过分光件提供，分光件为具有两个狭缝的分光板。

所述两条光路由两个单光源分别通过各自的分光件提供；一个分光件为具有一个通光孔的通光板，另一个分光件由半透镜和具有一个通光孔的通光板共同构成。

该***包括光源、平面镜、分光件、双刀口、CCD相机和四个凹面镜；四个凹面镜以被测流场为圆心呈圆周设置，相邻两个凹面镜之间的夹角为90°；光源和CCD相机分别位于被测流场的左、右两侧；分光件位于光源的一侧，光源产生的光经过分光件后被分成两路；其中一条光路呈Z字型路径从被测流场的前侧依次经过两个相对的凹面镜后被反射，被反射的光路再经过双刀口后照射至CCD相机的镜头上；另一条光路呈Z字型路径从被测流场的前侧或后侧依次经过另外两个相对的凹面镜后被反射，被反射的光路再依次经过平面镜和双刀口后照射至CCD相机的镜头上；两条光路经过被测流场时相互垂直，且被测流场位于两条光路的垂直交点上；光源位于接收光源发出光路的凹面镜的焦点上，位于相对位置上的两个凹面镜的焦距相同；CCD相机位于直接向CCD相机反射光的凹面镜的焦点上，平面镜位于直接向平面镜反射光的凹面镜的焦点上。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

本实用新型产生两条相互垂直且经过被测流场的光路，这两条光路同时进入同一个CCD相机，因此CCD相机能够同时获得被测流场的两个二维平面上的信息，实现被测流场的三维同步观测。与单光路纹影仪相比，本实用新型不需要对被测流场进行两次不同角度的观测，同时也避免了在两次观测之间由于时间间隔等因素产生的观测误差。与现有的双光路纹影***相比，本实用新型只用一个CCD相机，大大降低了试验成本。本实用新型适用于同步观测三维超声速流场或燃烧流场。

附图说明

图1是本实用新型的实施例1的各个部件的位置示意图；

图2是本实用新型的实施例1的单光源、遮光罩与分光板的安装示意图；

图3是本实用新型的双刀口的结构示意图；

图4是本实用新型的通光板的结构示意图；

图5是本实用新型的实施例2的各个部件的位置示意图；

图6是本实用新型的实施例3的各个部件的位置示意图；

附图标记说明：1-一号单光源；2-分光板；3-遮光罩；4-一号凹面镜；5-二号凹面镜；6-三号凹面镜；7-四号凹面镜；8-一号平面镜；9-双刀口；10-CCD相机；11-被测流场；12-右侧狭缝；13-左侧狭缝；14-右刀口；15-左刀口；16-二号平面镜；17-半透镜；18-通光板；19-通光孔；20-二号单光源。

具体实施方式

下面给出本实用新型的具体实施例。具体实施例仅用于进一步详细说明本实用新型，不限制本申请权利要求的保护范围。

本实用新型提供了一种双光路同步观测纹影***(简称纹影***)，包括光源、遮光罩3、分光件、双刀口9、CCD相机10和四个凹面镜；四个凹面镜以被测流场11为圆心呈圆周设置，相邻两个凹面镜之间的夹角为90°；光源和CCD相机10分别位于被测流场11的左、右两侧；遮光罩3的一端设有开口，遮光罩3罩在光源的四周，分光件位于遮光罩3开口的一侧，使光源产生的光从遮光罩3的开***出，经过分光件后被分成两路；其中，一条光路呈Z字型路径从被测流场11的前侧依次经过两个相对的凹面镜后被反射，被反射的光路再经过双刀口9的一个刀口后照射至CCD相机10的镜头上，使CCD相机10拍摄一张二维图像；另一条光路呈Z字型路径从被测流场11的前侧或后侧依次经过另外两个相对的凹面镜后被反射，被反射的光路再依次经过一个平面镜和双刀口9的另一个刀口后照射至CCD相机10的镜头上，使CCD相机10拍摄另一张二维图像；两条光路经过被测流场11时相互垂直，且被测流场11位于两条光路的垂直交点上，因此这两张二维图像在空间上相互垂直；光源位于接收光源发出光路的凹面镜的焦点上，保证两组相对凹面镜之间的光路相互垂直；

相对位置上的两个凹面镜的焦距相同，相对位置上的两个凹面镜之间的距离根据试验空间大小和光源的光照强度确定；试验空间大，可以考虑较大焦距的凹面镜，使得各个部件之间的安装距离较远，但是大焦距需要选用光照强度大的光源，保证进入CCD相机10的光照强度在长距离传递过程中，发生衰减后仍能够达到观测的要求；CCD相机位于直接向CCD相机10反射光的凹面镜的焦点上，平面镜位于直接向平面镜反射光的凹面镜的焦点上。

本实用新型的工作原理和工作流程是：

本实用新型利用的原理是盖斯定律，即气体流场的密度ρ变化与气体折射率n两者之间存在线性关系；光线经过流体区域后被折射，利用光在气体流场的折射率变化正比于气流密度，因此气流密度的变化可以直接反映为光的折射率变化，而气流密度又可以反映出气体的成分、温度、速度和压力等各种物理性质，实现流场内气流状态的观察。

光源发出的光经过分光件后被分成两路，其中一条光路呈Z字型路径从被测流场11的前侧依次经过两个相对的凹面镜后被反射，被反射的光路再经过双刀口9的一个刀口，刀口让光路的一半(这样的设置是为了让密度大的区域透过的光由于偏折大被刀口挡住，在屏幕上出现暗纹，密度小的区域透过的光由于偏折小不被挡住，在CCD相机10的镜头上出现亮纹，从而能清晰地看见流场的状态)进入CCD相机10的镜头，拍摄被测流场11的x-z面的流场图像；另一条光路呈Z字型路径从被测流场11的前侧或后侧依次经过另外两个相对的凹面镜后被反射，被反射的光路再依次经过平面镜和双刀口9的另一个刀口后照射至CCD相机10的镜头上，拍摄被测流场11的y-z面的流场图像，由这两张流场图像可以得到被测流场11的三维状态图。

实施例1

本实施例一种双光路同步观测纹影***(参见图1-4)，包括一号单光源1、分光板2、遮光罩3、一号凹面镜4、二号凹面镜5、三号凹面镜6、四号凹面镜7、一号平面镜8、双刀口9和CCD相机10；

四个凹面镜以被测流场11为圆心呈圆周设置，相邻两个凹面镜之间的夹角为90°；一号凹面镜4和二号凹面镜5相对，一号凹面镜4和二号凹面镜5的焦距相同；三号凹面镜6和四号凹面镜7相对，三号凹面镜6和四号凹面镜7的焦距相同；一号单光源1位于二号凹面镜5和四号凹面镜7之间，且同时位于一号凹面镜4和三号凹面镜6的焦点上；CCD相机10位于一号凹面镜4和三号凹面镜6之间，CCD相机位于二号凹面镜5的焦点上；一号平面镜8和双刀口9位于CCD相机10靠近被测流场11的一侧，双刀口9位于一号平面镜8和CCD相机10之间；一号平面镜8靠近双刀口9的左刀口15，一号平面镜8位于四号凹面镜7的焦点上；

遮光罩3的一端设有开口，遮光罩3罩在一号单光源1的四周；分光板2位于遮光罩3开口的一侧，分光板2上设有右侧狭缝12和左侧狭缝13；一号单光源1产生的光从遮光罩3的开***出，经过分光板2上的右侧狭缝12和左侧狭缝13后被分成两条光路；其中一条光路呈Z字型路径从被测流场11的前侧依次经过一号凹面镜4、被测流场11、二号凹面镜5后被反射，被反射的光路再经过双刀口9的右刀口14后照射至CCD相机10的镜头上，使CCD相机10拍摄一张x-z面的二维图像；另一条光路呈Z字型路径从被测流场11的后侧依次经过三号凹面镜6、被测流场11、四号凹面镜7后被反射，被反射的光路再经过一号平面镜8并从双刀口9的左刀口15照射至CCD相机10的镜头上，使CCD相机10拍摄y-z面的二维图像，两张二维图像能够得到被测流场11的三维状态图。

上述四个凹面镜的焦距均为3m，因此一号单光源1到一号凹面镜4、三号凹面镜6的距离均为3m；一号凹面镜4至二号凹面镜5的距离、三号凹面镜6至四号凹面镜7的距离均为3m，相对两个凹面镜之间的距离是任意的，只需要保证光路在传递过程中衰减之后，进入CCD相机时依旧可以呈现清晰的图像即可；二号凹面镜5至CCD相机10的距离、四号凹面镜7至一号平面镜8的距离与一号平面镜8至CCD相机10的距离之和均为3m，这是根据凹面镜成像原理，平行光入射后，光线会在凹面镜的焦点汇聚，因此光线传递进入CCD相机的距离需要与对应凹面镜的焦距相等；CCD相机10至双刀口9的距离、一号平面镜8至双刀口9的距离均为0.2m，方便调节CDD相机10的焦距。本实施例双光路同步观测纹影***适用于被测流场11较小、试验场地空间较小、普通光照强度的情况。

实施例双光路同步观测纹影***的安装：首先采用激光水平仪调整四个凹面镜的角度，即将激光水平仪放在安装架上从上到下照射被测流场11，调整四个凹面镜的角度，使得两条光路与激光水平仪发出的两条垂直激光重合，进而保证两条光路相互垂直，且被测流场11位于两条光路的垂直交点上；然后调整一号单光源1的角度，使两条光路正好覆盖一号凹面镜4和三号凹面镜6，即光路全部照进凹面镜中，尽量使得光路的边界与凹面镜的边界重合，可以出现部分超过的现象，最好不要出现没有覆盖完全的现象；最后调整双刀口9和CCD相机10的角度，保证双刀口9的中心轴、CCD相机10的中心轴均与二号凹面镜5的光路主轴重合，使二号凹面镜5的焦点落在双刀口9的右刀口14上。

实施例2

本实施例一种双光路同步观测纹影***(参见图5)，包括一号单光源1、一号凹面镜4、二号凹面镜5、三号凹面镜6、四号凹面镜7、一号平面镜8、双刀口9、CCD相机10、二号平面镜16、二号单光源20、两个遮光罩3和两个通光板18；

四个凹面镜以被测流场11为圆心呈圆周设置，相邻两个凹面镜之间的夹角为90°；一号凹面镜4和二号凹面镜5相对，一号凹面镜4和二号凹面镜5的焦距相同；三号凹面镜6和四号凹面镜7相对，三号凹面镜6和四号凹面镜7的焦距相同；一号单光源1和二号单光源20均位于二号凹面镜5和四号凹面镜7之间，一号单光源1位于一号凹面镜4的焦点上；二号平面镜16安装在二号单光源20靠近被测流场11的一侧，二号平面镜16位于四号凹面镜7的焦点上；两个遮光罩3罩在各自的一号单光源1上，两个通光板18安装在各自的遮光罩3上；CCD相机10位于一号凹面镜4和三号凹面镜6之间，且位于二号凹面镜5的焦点上；一号平面镜8和双刀口9位于CCD相机10靠近被测流场11的一侧，双刀口9位于一号平面镜8和CCD相机10之间；一号平面镜8位于双刀口9的右刀口14的一侧，一号平面镜8位于三号凹面镜6的焦点上；

两个单光源各产生一条光路，一号单光源1产生的光路经过相应的通光板18的通光孔19后呈Z字型路径，从被测流场11的前侧依次经过一号凹面镜4、被测流场11、二号凹面镜5后被反射，被反射的光路再经过双刀口9的左刀口15后照射至CCD相机10的镜头上，使CCD相机10拍摄一张x-z面的二维图像；二号单光源20产生的光路经过相应的通光板18的通光孔19后被二号平面镜16反射至四号凹面镜7，然后该光路呈Z字型路径，从被测流场11的前侧依次经过被测流场11、三号凹面镜6后被反射，被反射的光路再经过一号平面镜8并从双刀口9的右刀口14照射至CCD相机10的镜头上，使CCD相机10拍摄y-z面的二维图像，两张二维图像能够得到被测流场11的三维状态图。

一号凹面镜4和二号凹面镜5的焦距均为5m，故一号单光源1至一号凹面镜4的距离为5m；三号凹面镜6和四号凹面镜7的焦距均为3m，故二号单光源20到四号凹面镜7的距离为3m；一号凹面镜4至二号凹面镜5的距离为3m，三号凹面镜6至四号凹面镜7的距离为5m；二号凹面镜5至CCD相机10的距离为5m，三号凹面镜6至一号平面镜8的距离与一号平面镜8至CCD相机10的距离之和为3m，这是根据凹面镜成像原理，平行光入射后，光线会在凹面镜的焦点汇聚，因此光线传递进入CCD相机的距离需要与对应凹面镜的焦距相等；CCD相机10至双刀口9的距离、一号平面镜8至双刀口9的距离均为0.2m，方便调节CDD相机10的焦距。

本实施例的双光路同步观测纹影***适用于被测流场11较大，同时试验场地的空间足够大、二号单光源20的强度足够大的情况。

实施例3

本实施例一种双光路同步观测纹影***(参见图6)，包括一号单光源1、通光板18、遮光罩3、一号凹面镜4、二号凹面镜5、三号凹面镜6、四号凹面镜7、半透镜17、双刀口9和CCD相机10；

四个凹面镜以被测流场11为圆心呈圆周设置，相邻两个凹面镜之间的夹角为90°；一号凹面镜4和二号凹面镜5相对，一号凹面镜4和二号凹面镜5的焦距相同；三号凹面镜6和四号凹面镜7相对，三号凹面镜6和四号凹面镜7的焦距相同；一号单光源1位于二号凹面镜5和四号凹面镜7之间，且同时位于一号凹面镜4的焦点上；遮光罩3的一端设有开口，遮光罩3罩在一号单光源1的四周，通光板18位于遮光罩3开口的一侧；半透镜17位于通光板18的一侧，且位于四号凹面镜7的焦点上；CCD相机10位于一号凹面镜4和三号凹面镜6之间；一号平面镜8和双刀口9位于CCD相机10靠近被测流场11的一侧，双刀口9位于一号平面镜8和CCD相机10之间；一号平面镜8位于双刀口9的右刀口14的一侧，一号平面镜8位于三号凹面镜6的焦点上；

一号单光源1产生的光从遮光罩3的开***出，经过通光板18的通光孔19后，一部分被半透镜17反射形成一条光路，此条光路呈Z字型路径从被测流场11的前侧依次经过四号凹面镜7、被测流场11、三号凹面镜6后被反射，被反射的光路再经过双刀口9的右刀口14后照射至CCD相机10的镜头上，使CCD相机10拍摄一张x-z面的二维图像；一号单光源1的另一部分光作为一条光路从被测流场11的前侧呈Z字型路径依次经过一号凹面镜4、被测流场11、二号凹面镜5后被反射，被反射的光路再经过一号平面镜8并从双刀口9的右刀口14照射至CCD相机10的镜头上，使CCD相机10拍摄y-z面的二维图像，两张二维图像能够得到被测流场11的三维状态图。

一号凹面镜4和二号凹面镜5的焦距均为5m，故一号单光源1至一号凹面镜4的距离为5m；三号凹面镜6和四号凹面镜7的焦距均为3m；一号凹面镜4至二号凹面镜5的距离为3m，三号凹面镜6至四号凹面镜7的距离为5m；二号凹面镜5至CCD相机10的距离为5m，三号凹面镜6至一号平面镜8的距离L3与一号平面镜8至CCD相机10的距离L4之和为3m，这是根据凹面镜成像原理，平行光入射后，光线会在凹面镜的焦点汇聚，因此光线传递进入CCD相机的距离需要与对应凹面镜的焦距相等；CCD相机10至双刀口9的距离、一号平面镜8至双刀口9的距离均为0.2m，方便调节CDD相机10的焦距。

本实施例的双光路同步观测纹影***被测流场11较大，同时试验场地的空间足够大，同时一号单光源1的强度足够大的情况。

本实用新型未述及之处适用于现有技术。

Claims (4)

1.一种双光路同步观测纹影***，包括光源、平面镜、双刀口、CCD相机和四个凹面镜；光源形成两条光路；其特征在于，CCD相机数量为一个，CCD相机位于直接向CCD相机反射光的凹面镜的焦点上，平面镜位于直接向平面镜反射光的凹面镜的焦点上；在平面镜和CCD相机之间设置双刀口，两条光路分别进入双刀口的两个刀口；平面镜和直接向CCD相机反射光的凹面镜位于不同光路上。

2.根据权利要求1所述的双光路同步观测纹影***，其特征在于，所述两条光路由一个单光源通过分光件提供，分光件为具有两个狭缝的分光板。

3.根据权利要求1所述的双光路同步观测纹影***，其特征在于，所述两条光路由两个单光源分别通过各自的分光件提供；一个分光件为具有一个通光孔的通光板，另一个分光件由半透镜和具有一个通光孔的通光板共同构成。

4.根据权利要求1所述的双光路同步观测纹影***，其特征在于，该***包括光源、平面镜、分光件、双刀口、CCD相机和四个凹面镜；四个凹面镜以被测流场为圆心呈圆周设置，相邻两个凹面镜之间的夹角为90°；光源和CCD相机分别位于被测流场的左、右两侧；分光件位于光源的一侧，光源产生的光经过分光件后被分成两路；其中一条光路呈Z字型路径从被测流场的前侧依次经过两个相对的凹面镜后被反射，被反射的光路再经过双刀口后照射至CCD相机的镜头上；另一条光路呈Z字型路径从被测流场的前侧或后侧依次经过另外两个相对的凹面镜后被反射，被反射的光路再依次经过平面镜和双刀口后照射至CCD相机的镜头上；两条光路经过被测流场时相互垂直，且被测流场位于两条光路的垂直交点上；光源位于接收光源发出光路的凹面镜的焦点上，位于相对位置上的两个凹面镜的焦距相同；平面镜位于直接向平面镜反射光的凹面镜的焦点上。

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