颗粒运动的多镜头分时复用移轴断层三维测量装置与方法
【专利摘要】本发明公开了一种气固两相流动过程中颗粒运动的多镜头分时复用移轴断层三维测量装置与方法，所述装置包括高速CCD相机、移轴断层装置、高亮激光器、视频信号采集器、频率发生器、激光驱动器和测控计算机，所述移轴断层装置和高亮激光器置于目标测量区域的两侧。本发明借鉴眼科医学中常用的移轴断层诊断方法，针对气固两相流动过程中颗粒运动速度高脉动强的特点，设计了多个移轴镜头同步调整，液晶高速快门与高速CCD相机配合分时复用成像，多方向图像断层重构等技术方法，在不干扰流场的前提下，实现对气固两相流动过程中颗粒运动的三维、实时、准确和安全测量。
【专利说明】颗粒运动的多镜头分时复用移轴断层三维测量装置与方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种气固两相流动过程中颗粒运动的多镜头分时复用移轴断层三维测量装置与方法，属于多相流测量技术。
【背景技术】
[0002]气固两相流动是指气体中夹带有固体颗粒状态下的流动现象。这种现象广泛存在于自然界与工业界。大气流动夹带沙尘引起沙尘暴，固体颗粒污染物在空气中的传播，以及工农业生产过程中固体颗粒干燥、气力输送、流化床锅炉燃烧等都属于气固两相流动过程，而这些现象都与我们的生活和生产息息相关。因此，对气固两相流动开展研究，掌握气固两相流动的规律，认识气固传热传质机理，不仅具有重要的科学研究价值，更是提高工农业生产率和改善自然环境的关键。
[0003]气固两相流动测量的主要对象是颗粒的运动参数(如速度、分布、聚团以及空隙率)。目前，气固两相流动测量技术主要面临着以下矛盾:侵入式测量方法(即将测量装置的感受器伸入气固两相流动流场中的测量方法)虽然已能够提供较为全面的颗粒运动数据，但是其本身在流场中造成的干扰使得侵入式测量的误差来源难以评估。非侵入式测量方法(即测量装置的感受器处于气固两相流动流场之外的测量方法)虽然不会对气固两相流场造成干扰，但是其能提供的测量参数十分有限。然而，随着技术的发展，非侵入式测量方法得到了长足的进步，同时越来越多其他领域的测量方法也被借鉴进入到气固两相流动测量领域。目前，比较有代表性的非侵入式方法大体可以分为示踪方法，成像方法以及结合两种手段的方法。示踪法主要是在气固两相流动流场内掺入一定数量具有特殊标记的示踪颗粒，这些示踪颗粒的动力学性质与普通颗粒相同，但是具有区分性。然后通过仪器跟踪或捕获示踪颗粒的运动来测量颗粒运动参数。比较有代表性的有热颗粒示踪、磷光颗粒示踪、染色颗粒示踪、磁性颗粒示踪和放射性颗粒示踪等测量颗粒运动的示踪方法。但这些示踪方法都存在或多或少的缺点:热颗粒示踪温度衰减快，精度不理想，无法进行三维测量；磷光颗粒示踪和染色颗粒示踪采用可见光捕获颗粒运动，三维测量困难；磁性颗粒示踪对流场有干扰；放射性颗粒示踪法采用放射性同位素标记示踪颗粒，稳定性和精确度较好，但是其安全问题还有待商榷。成像方法主要是通过对气固两相流场各种物理量进行测量(密度、电容、电阻、可见光衰减系数、X光衰减系数等)形成流场的图像，再通过分析图像的来获得颗粒运动。如PIV/PTV方法，X光/伽马射线透视方法，X光层析成像等。但这些方法及其采用设备都极为昂贵，获得数据的时间与空间精度也较为有限，同时后两者也存在着放射性安全问题。两种手段结合的方法比较有代表性的是PEPT和NMR方法，两者分别借鉴了医学中单光子发射型断层扫描仪和核磁共振扫描仪的方法，是两种较为精确的方法，但也面临着高昂成本的问题。
[0004]科学有效的气固两相流动测量方法应该具备对流场无干扰，并且具备三维、实时、准确和安全的特点。对气固两相流动的测量一直以来都是国际性难题，但是由于其巨大的科学研究和技术应用价值，国内外众多高校、科研机构和企业都投入大量人力物力，致力于开发新型的颗粒运动测量方法及装置，以抢夺知识产权的高地。

【发明内容】

[0005]发明目的:为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种气固两相流动过程中颗粒运动的非接触式三维测量装置与测量方法，借鉴眼科医学中常用的移轴断层诊断方法(测量眼球表面形状，中国专利201010171281.9)，针对气固两相流动过程中颗粒运动速度高脉动强的特点，设计了多个移轴镜头同步调整、液晶高速快门与高速CCD相机配合分时复用成像、多方向图像断层重构等技术方法，在不干扰流场的前提下，实现对气固两相流动过程中颗粒运动的三维、实时、准确和安全测量；结构简单、使用方便，在保证了测量精度的同时大大降低装置的成本。
[0006]技术方案:为实现上述目的，本发明采用的技术方案为:
[0007]一种多镜头分时复用移轴断层气固两相流动三维测量装置，包括高速CCD相机、移轴断层装置、高亮激光器、视频信号采集器、频率发生器、激光驱动器和测控计算机，所述移轴断层装置和高亮激光器置于目标测量区域的两侧；
[0008]所述移轴断层装置包括外壳、背板和四个液晶高速快门，所述背板盖在外壳的背面形成安装腔，所述四个液晶高速快门安装在安装腔内、环绕移轴断层装置的中心均匀布置；所述四个液晶高速快门均与频率发生器相连，所述频率发生器接收来自测控计算机提供的控制指令，通过测控计算机和频率发生器控制四个液晶高速快门的曝光次序；
[0009]所述高速CCD相机安装在背板的背面上，高速CCD相机的输出信号接入视频信号采集器，所述视频信号采集器的输出信号接入测控计算机；
[0010]所述高亮激光器的激光出口正对外壳正面的中心，高亮激光器通过激光驱动器驱动，所述激光驱动器接收来及测控计算机的控制指令，通过测控计算机和激光驱动器控制闻売激光器的启闭。
[0011]所述移轴断层装置还包括光轴同步调节装置，并且对应每个液晶高速快门设计有位置对应的全反射棱镜、移轴装置和镜头，其中液晶高速快门和全反射棱镜均安装在安装腔内；
[0012]所述移轴装置包括底板、摆动架和调节丝杠，所述底板固定在外壳的正面，所述摆动架安装在底板上，摆动架的中心摆动板与底板的中心对应，在中心摆动板的中心设置有标准镜头接口，所述镜头安装在标准镜头接口内，所述调节丝杠通过调节摆动架的摆动角度调节镜头转动；
[0013]在外壳上，对应每个镜头设置有通光孔，通光孔的中心、液晶高速快门的中心和全反射棱镜入射光轴精准对齐；在背板的中心设置有透光孔，全反射棱镜反射光轴穿过透光孔照射在高速CCD相机上；
[0014]所述光轴同步调节装置通过调节四个调节丝杠同步移动调节镜头同步转动。
[0015]所述移轴装置包括上下两部分，其中:
[0016]下部分包括底板、两块环形板、推杆、轴承、丝杠推力轴承和调节丝杠；所述环形板上设置有月牙形槽，两块环形板对称布置在通光孔的左右两侧；所述推杆包括两块侧推板和一块中心推板，侧推板上设置有直形槽，两块侧推板位置平行、对称固定在中心推板的左右两侧，丝杠推力轴承置于中心推板的中心；所述轴承固定在底板上，轴承和丝杠推力轴承的轴线一致、且垂直于通光孔的轴线；所述调节丝杠首先穿过轴承，再与丝杠推力轴承相配合；
[0017]上部分包括支撑架、摆动架、铰链和柔性波纹避光管；所述支撑架固定在底板上；所述摆动架包括两块侧摆板和一块中心摆动板，两块侧摆板位置平行、对称固定在中心摆板的左右两侧，中心摆板通过铰链铰接在支撑架上；侧摆板上设置有连杆，所述连杆垂直于侧摆板、垂直于标准镜头接口的轴线；所述柔性波纹避光管对摆动架周侧进行包裹，为装置提供必要的机械保护和遮光保护，并为调整过程提供必要的弹性扭转余量；
[0018]同一侧的侧摆板、侧推板和环形板，连杆首先穿过侧推板上的直形槽，再插入环形板上的月牙形槽；调节丝杠的转动带动推杆的移动，卡在直形槽内的连杆随之沿月牙形槽移动，使摆动架沿铰链摆动。
[0019]所述光轴同步调节装置包括圆角矩形壳体、顶盖、第一锥形齿轮组、第二锥形齿轮组，所述圆角矩形壳体固定在外壳的正面，所述顶盖盖在圆角矩形壳体上形成同步腔，所述第一锥形齿轮组、第二锥形齿轮组安装在同步腔内；
[0020]所述第一锥形齿轮组包括三个轴线在同一平面上的、形成U型结构的锥形齿轮，位于中间位置上的锥形齿轮与位于侧边位置上的两个锥形齿轮均构成传动比为1:10的直角传动；一个位于侧边位置上的锥形齿轮中心轴向外伸出并穿过圆角矩形壳体、作为第一输出轴，位于中间位置上的锥形齿轮中心轴向外伸出并穿过圆角矩形壳体、连接微调杆；
[0021]所述第二锥形齿轮组包括三个轴线在同一平面上的、形成U型结构的锥形齿轮，位于中间位置上的锥形齿轮与位于侧边位置上的两个锥形齿轮均构成传动比为1:1的直角传动；一个位于侧边位置上的锥形齿轮中心轴向外伸出并穿过圆角矩形壳体、作为第二输出轴，另一个位于侧边位置上的锥形齿轮中心轴向伸出并穿过圆角矩形壳体、作为第三输出轴，位于中间位置上的锥形齿轮中心轴向外伸出并穿过圆角矩形壳体、作为第四输出轴；
[0022]所述第一锥形齿轮组的另一个位于侧边位置上的锥形齿轮和第二锥形齿轮组的位于中心位置上的锥形齿轮背向设置，并通过同步连杆固定连接，所述同步连杆和这两个锥形齿轮的中心轴的轴线在同一条直线上；
[0023]所述第一输出轴、第二输出轴、第三输出轴和第四输出轴分别通过一个联轴器与调节丝杠连接；所述调节丝杠以第二锥形齿轮组的中心为中心均匀布置。
[0024]一种多镜头分时复用移轴断层气固两相流动三维测量方法，在测量前，首先调整移轴断层装置的光轴同步调节装置，使四个镜头的成像轴同时指向目标测量区域，使拍摄过程产生移轴效果；然后开启测控计算机，使用测控计算机控制激光驱动器开始运行，使高亮激光器按照设定频率工作并照亮目标测量区域；接着测控计算机同时向视频信号采集器和频率发生器发出同步指令，视频信号采集器驱动高速CCD相机开始工作并采集其回传的视频信号，经处理后上传给测控计算机；同时频率发生器控制四个液晶高速快门依次进行快速曝光拍摄目标测量区域四个方向上的移轴照片并记录；按顺时针方向，记四个液晶高速快门分别为第一液晶高速快门、第二液晶高速快门、第三液晶高速快门和第四液晶高速快门，测控计算机协调控制高速CCD相机、四个液晶高速快门和高亮激光器以以下的工作时序循环运行:
[0025](l)t时刻:高亮激光器发出激光，第一液晶高速快门开启，高速CCD相机开始曝光第η帧；
[0026](2)t+l时刻:高亮激光器停止发出激光，第一液晶高速快门关闭，高速CXD相机开始记录第η巾贞;
[0027](3) t+1.25时刻:高亮激光器发出激光，第二液晶高速快门开启，高速CXD相机开始曝光第η+1巾贞；
[0028](4)t+2.25时刻:高亮激光器停止发出激光，第二液晶高速快门关闭，高速C⑶相机开始记录第n+1巾贞；
[0029](5H+2.5时刻:高亮激光器发出激光，第三液晶高速快门开启，高速C⑶相机开始曝光第n+2巾贞；
[0030](6H+3.5时刻:高亮激光器停止发出激光，第三液晶高速快门关闭，高速C⑶相机开始记录第n+2巾贞；
[0031](7)t+3.75时刻:高亮激光器发出激光，第四液晶高速快门开启，高速CXD相机开始曝光第n+3帧；
[0032](8)t+4.75时刻:高亮激光器停止发出激光，第四液晶高速快门关闭，高速C⑶相机开始记录第n+3巾贞；
[0033]处理过程中，将以上工作时序一个周期内的四幅图像作为在同一时刻t获得；测控计算机在获得一定时间段内的图像后，首先按照帧编号分别提取四个方向同一时刻内的图像，采用断层重构算法(如ART、MART等)，对目标测量区域内的密度分布进行三维重构，获得目标测量区域内不同时刻颗粒的分布情况；由前后两个时刻颗粒分布情况估算出颗粒的位移，再除以两个时刻件的时间长度来获得颗粒的运动速度。
[0034]有益效果:本发明提供的颗粒运动的多镜头分时复用移轴断层三维测量装置与方法，具有如下有点:1、光学成像非接触式测量，测量过程不干扰气固两相流动的流场，较之介入式测量更加准确；2、多个移轴镜头联用，克服传统移轴断层设备机械旋转速度慢造成的时间精度损失；3、采用液晶高速快门和全反射棱镜，使一个高速CCD相机分时对准多个移轴镜头曝光，在保证时间精度前提下大幅度减少高速CCD相机数量，降低了设备的使用成本；4、采用高速CCD相机，与高亮激光器同步配合，实现高速实时测量；5、三维图像重构采用了断层扫描图像重构方法，精度高，信息全面。
【专利附图】

【附图说明】
[0035]图1为本发明的结构示意图；
[0036]图2为移轴断层装置结构示意图；
[0037]图3为移轴装置结构示意图，其中图3(a)为正视图，图3(b)为侧视图，图3(c)为俯视图，图3(d)为立体图；
[0038]图4为移轴装置下部分结构示意图，其中图4(a)为正视图，图4(b)为侧视图，图4(c)为俯视图，图4(d)为立体图；
[0039]图5为移轴装置上部分结构示意图，其中图5(a)为正视图，图5(b)为侧视图，图5(c)为俯视图，图5(d)为立体图；
[0040]图6为光轴同步调节装置结构及转动方向示意图。
[0041]包括:移轴断层装置1，目标测量区域2，高亮激光器3，视频信号采集器4，频率发生器5，激光驱动器6，测控计算机7，第一镜头8，第二镜头9，第三镜头10，第四镜头11，第一移轴装置12，第二移轴装置13，第三移轴装置14，第四移轴装置15，光轴同步调节装置16，外壳17，第三全反射棱镜18，第三液晶高速快门19，第四液晶高速快门20，第四全反射棱镜21，第一全反射棱镜22，第一液晶高速快门23，第二液晶高速快门24，第二全反射棱镜25，背板26，高速CXD相机27，顶盖28，调节丝杠29，底板30，环形板31，推杆32，轴承33，丝杠推力轴承34，摆动架35，铰链36，支撑架37，柔性波纹避光管38，联轴器39，微调杆40，第一输出轴41,第三输出轴42,第四输出轴43,第二输出轴44,第一锥形齿轮组45,第二锥形齿轮组46。
【具体实施方式】
[0042]下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
[0043]如图1所示为一种多镜头分时复用移轴断层气固两相流动三维测量装置，其特征在于:包括高速C⑶相机27、移轴断层装置1、高亮激光器3、视频信号采集器4、频率发生器
5、激光驱动器6和测控计算机7，所述移轴断层装置I和高亮激光器3置于目标测量区域2的两侧；
[0044]所述移轴断层装置I包括外壳17、背板26和四个液晶高速快门，所述背板26盖在外壳17的背面形成安装腔，所述四个液晶高速快门安装在安装腔内、环绕移轴断层装置I的中心均匀布置；所述四个液晶高速快门均与频率发生器5相连，所述频率发生器5接收来自测控计算机7提供的控制指令，通过测控计算机7和频率发生器5控制四个液晶高速快I?的曝光次序；
[0045]所述高速CXD相机27安装在背板26的背面上，高速CXD相机27的输出信号接入视频信号采集器4，所述视频信号采集器4的输出信号接入测控计算机7 ；
`[0046]所述高亮激光器3的激光出口正对外壳17正面的中心，高亮激光器3通过激光驱动器6驱动，所述激光驱动器6接收来及测控计算机7的控制指令，通过测控计算机7和激光驱动器6控制高亮激光器3的启闭。
[0047]所述移轴断层装置I还包括光轴同步调节装置16，并且对应每个液晶高速快门设计有位置对应的全反射棱镜、移轴装置和镜头，其中液晶高速快门和全反射棱镜均安装在安装腔内；
[0048]所述移轴装置包括底板30、摆动架35和调节丝杠29，所述底板30固定在外壳17的正面，所述摆动架35安装在底板30上，摆动架35的中心摆动板与底板30的中心对应，在中心摆动板的中心设置有标准镜头接口，所述镜头安装在标准镜头接口内，所述调节丝杠29通过调节摆动架的摆动角度调节镜头转动；
[0049]在外壳17上，对应每个镜头设置有通光孔，通光孔的中心、液晶高速快门的中心和全反射棱镜入射光轴精准对齐；在背板26的中心设置有透光孔，全反射棱镜反射光轴穿过透光孔照射在高速CXD相机27上；
[0050]所述光轴同步调节装置16通过调节四个调节丝杠29同步移动调节镜头同步转动。
[0051]所述移轴装置包括上下两部分，其中:
[0052]下部分包括底板30、两块环形板31、推杆32、轴承33、丝杠推力轴承34和调节丝杠29 ;所述环形板31上设置有月牙形槽，两块环形板31对称布置在通光孔的左右两侧；所述推杆32包括两块侧推板和一块中心推板，侧推板上设置有直形槽，两块侧推板位置平行、对称固定在中心推板的左右两侧，丝杠推力轴承34置于中心推板的中心；所述轴承33固定在底板30上，轴承33和丝杠推力轴承34的轴线一致、且垂直于通光孔的轴线；所述调节丝杠29首先穿过轴承33,再与丝杠推力轴承34相配合；
[0053]上部分包括支撑架37、摆动架35、铰链36和柔性波纹避光管38 ;所述支撑架37固定在底板30上；所述摆动架35包括两块侧摆板和一块中心摆动板，两块侧摆板位置平行、对称固定在中心摆板的左右两侧，中心摆板通过铰链36铰接在支撑架37上；侧摆板上设置有连杆，所述连杆垂直于侧摆板、垂直于标准镜头接口的轴线；所述柔性波纹避光管38对摆动架35周侧进行包裹，为装置提供必要的机械保护和遮光保护，并为调整过程提供必要的弹性扭转余量；
[0054]同一侧的侧摆板、侧推板和环形板31，连杆首先穿过侧推板上的直形槽，再插入环形板31上的月牙形槽；调节丝杠29的转动带动推杆32的移动，卡在直形槽内的连杆随之沿月牙形槽移动，使摆动架35沿铰链摆动。
[0055]所述光轴同步调节装置16包括圆角矩形壳体、顶盖28、第一锥形齿轮组45、第二锥形齿轮组46，所述圆角矩形壳体固定在外壳17的正面，所述顶盖28盖在圆角矩形壳体上形成同步腔，所述第一锥形齿轮组45、第二锥形齿轮组46安装在同步腔内；
[0056]所述第一锥形齿轮组45包括三个轴线在同一平面上的、形成U型结构的锥形齿轮，位于中间位置上的锥形齿轮与位于侧边位置上的两个锥形齿轮均构成传动比为1:10的直角传动；一个位于侧边位置上的锥形齿轮中心轴向外伸出并穿过圆角矩形壳体、作为第一输出轴41，位于中间位置上的锥形齿轮中心轴向外伸出并穿过圆角矩形壳体、连接微调杆40 ；
[0057]所述第二锥形齿轮组46包括三个轴线在同一平面上的、形成U型结构的锥形齿轮，位于中间位置上的锥形齿轮与位于侧边位置上的两个锥形齿轮均构成传动比为1:1的直角传动；一个位于侧边位置上的锥形齿轮中心轴向外伸出并穿过圆角矩形壳体、作为第二输出轴44，另一个位于侧边位置上的锥形齿轮中心轴向伸出并穿过圆角矩形壳体、作为第三输出轴42，位于中间位置上的锥形齿轮中心轴向外伸出并穿过圆角矩形壳体、作为第四输出轴43 ；
[0058]所述第一锥形齿轮组45的另一个位于侧边位置上的锥形齿轮和第二锥形齿轮组46的位于中心位置上的锥形齿轮背向设置，并通过同步连杆固定连接，所述同步连杆和这两个锥形齿轮的中心轴的轴线在同一条直线上；
[0059]所述第一输出轴41、第二输出轴44、第三输出轴42和第四输出轴43分别通过一个联轴器39与调节丝杠29连接；所述调节丝杠29以第二锥形齿轮组46的中心为中心均匀布置。
[0060]本例中高速CXD相机27可采用Basler510系列高速CXD相机，视频信号采集器4可采用Matrox系列采集装置，四个镜头采用了四个尼康50mm全画幅镜头,高亮激光器3采用高亮度固态激光器吗，频率发生器5使用可编程方波信号发生器制成，移轴断层装置I的外壳17和背板26，以及四个移轴装置的部件采用铝合金精密加工制成。
[0061 ] 上述装置在使用时，首先需要进行接线安装，具体如下:首先将高速CCD相机27安装在移轴断层装置I的背板26上，并与视频信号采集器4相连，视频信号采集器4的信号输出和控制输入连入测控计算机7。高亮激光器3驱动线连入与其配套的激光驱动器6中，激光驱动器6的控制线与测控计算机7相连，接受来自测控计算机7的控制指令。将移轴断层装置I内的四个液晶高速快门与频率发生器5的输出口相连，频率发生器5的控制线连入测控计算机7，由测控计算机7控制信号发出的时序，进一步控制四个液晶高速快门曝光的次序；将高亮激光器3和移轴断层装置I安装在气固两相流动通道的两侧，通道壁面是透明的，以使激光透过。
[0062]基于上述装置和接线的多镜头分时复用移轴断层气固两相流动三维测量方法，在测量前，首先调整移轴断层装置I的光轴同步调节装置16，使四个镜头的成像轴同时指向目标测量区域2，使拍摄过程产生移轴效果；然后开启测控计算机7，使用测控计算机7控制激光驱动器6开始运行，使高亮激光器3按照设定频率工作并照亮目标测量区域2 ;接着测控计算机7同时向视频信号采集器4和频率发生器5发出同步指令，视频信号采集器4驱动高速CCD相机27开始工作并采集其回传的视频信号，经处理后上传给测控计算机7 ;同时频率发生器5控制四个液晶高速快门依次进行快速曝光拍摄目标测量区域2四个方向上的移轴照片并记录；按顺时针方向，记四个液晶高速快门分别为第一液晶高速快门23、第二液晶高速快门24、第三液晶高速快门19和第四液晶高速快门20，测控计算机7协调控制高速CCD相机27、四个液晶高速快门和高亮激光器3以以下的工作时序循环运行:
[0063](l)t时刻:高亮激光器3发出激光，第一液晶高速快门23开启，高速C⑶相机27开始曝光第η帧；
[0064](2) t+Ι时刻:高亮激光器3停止发出激光，第一液晶高速快门23关闭，高速CXD相机27开始记录第η帧；
[0065](3Η+1.25时刻:高亮激光器3发出激光，第二液晶高速快门24开启，高速C⑶相机27开始曝光第n+1帧；
[0066](4) t+2.25时刻:高亮激光器3停止发出激光，第二液晶高速快门24关闭，高速CXD相机27开始记录第n+1帧；
[0067](5) t+2.5时刻:高亮激光器3发出激光，第三液晶高速快门19开启，高速C⑶相机(27)开始曝光第n+2帧；
[0068](6)t+3.5时刻:高亮激光器3停止发出激光，第三液晶高速快门19关闭，高速CXD相机27开始记录第n+2帧；
[0069](7H+3.75时刻:高亮激光器3发出激光，第四液晶高速快门20开启，高速C⑶相机27开始曝光第n+3帧；
[0070](8)t+4.75时刻:高亮激光器3停止发出激光，第四液晶高速快门20关闭，高速CXD相机27开始记录第n+3帧；
[0071]处理过程中，将以上工作时序一个周期内的四幅图像作为在同一时刻t获得；测控计算机7在获得一定时间段(比如IOs)内的图像后，首先按照帧编号分别提取四个方向同一时刻内的图像，采用断层重构算法(如ART、MART等)，对目标测量区域2内的密度分布进行三维重构，获得目标测量区域2内不同时刻(每5s时刻)颗粒的分布情况；由前后两个时刻颗粒分布情况估算出颗粒的位移，再除以两个时刻件的时间长度(5s)来获得颗粒的运动速度。[0072]以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出:对于本【技术领域】的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
【权利要求】
1.一种多镜头分时复用移轴断层气固两相流动三维测量装置，其特征在于:包括高速C⑶相机(27)、移轴断层装置(I)、高亮激光器(3)、视频信号采集器(4)、频率发生器(5)、激光驱动器(6 )和测控计算机(7 )，所述移轴断层装置(I)和高亮激光器(3 )置于目标测量区域(2)的两侧； 所述移轴断层装置(I)包括外壳(17)、背板(26)和四个液晶高速快门，所述背板(26)盖在外壳(17)的背面形成安装腔，所述四个液晶高速快门安装在安装腔内、环绕移轴断层装置(I)的中心均匀布置；所述四个液晶高速快门均与频率发生器(5)相连，所述频率发生器(5 )接收来自测控计算机(7 )提供的控制指令，通过测控计算机(7 )和频率发生器(5 )控制四个液晶高速快门的曝光次序； 所述高速CCD相机(27)安装在背板(26)的背面上，高速CCD相机(27)的输出信号接入视频信号采集器(4)，所述视频信号采集器(4)的输出信号接入测控计算机(7)； 所述高亮激光器(3 )的激光出口正对外壳(17 )正面的中心，高亮激光器(3 )通过激光驱动器(6)驱动，所述激光驱动器(6)接收来及测控计算机(7)的控制指令，通过测控计算机(7 )和激光驱动器(6 )控制高亮激光器(3 )的启闭。
2.根据权利要求1所述的多镜头分时复用移轴断层气固两相流动三维测量装置，其特征在于:所述移轴断层装置(I)还包括光轴同步调节装置(16)，并且对应每个液晶高速快门设计有位置对应的全反射棱镜、移轴装置和镜头，其中液晶高速快门和全反射棱镜均安装在安装腔内； 所述移轴装置包括底板(30)、摆动架(35)和调节丝杠(29)，所述底板(30)固定在外壳(17)的正面，所述摆动架(35)安装在底板(30)上，摆动架(35)的中心摆动板与底板(30)的中心对应，在中心摆动板的中心设置有标准镜头接口，所述镜头安装在标准镜头接口内，所述调节丝杠(29)通过调节摆动架的摆动角度调节镜头转动； 在外壳(17)上，对应每个镜头设置有通光孔，通光孔的中心、液晶高速快门的中心和全反射棱镜入射光轴精准对齐；在背板(26)的中心设置有透光孔，全反射棱镜反射光轴穿过透光孔照射在高速CXD相机(27)上； 所述光轴同步调节装置(16)通过调节四个调节丝杠(29)同步移动调节镜头同步转动。
3.根据权利要求2所述的多镜头分时复用移轴断层气固两相流动三维测量装置，其特征在于:所述移轴装置包括上下两部分，其中: 下部分包括底板(30)、两块环形板(31)、推杆(32)、轴承(33)、丝杠推力轴承(34)和调节丝杠(29);所述环形板(31)上设置有月牙形槽，两块环形板(31)对称布置在通光孔的左右两侧；所述推杆(32)包括两块侧推板和一块中心推板，侧推板上设置有直形槽，两块侧推板位置平行、对称固定在中心推板的左右两侧，丝杠推力轴承(34)置于中心推板的中心；所述轴承(33)固定在底板(30)上，轴承(33)和丝杠推力轴承(34)的轴线一致、且垂直于通光孔的轴线；所述调节丝杠(29)首先穿过轴承(33)，再与丝杠推力轴承(34)相配合；上部分包括支撑架(37)、摆动架(35)、铰链(36)和柔性波纹避光管(38);所述支撑架(37)固定在底板(30)上；所述摆动架(35)包括两块侧摆板和一块中心摆动板，两块侧摆板位置平行、对称固定在中心摆板的左右两侧，中心摆板通过铰链(36)铰接在支撑架(37)上；侧摆板上设置有连杆，所述连杆垂直于侧摆板、垂直于标准镜头接口的轴线；所述柔性波纹避光管(38)对摆动架(35)周侧进行包裹； 同一侧的侧摆板、侧推板和环形板(31)，连杆首先穿过侧推板上的直形槽，再插入环形板(31)上的月牙形槽；调节丝杠(29)的转动带动推杆(32)的移动，卡在直形槽内的连杆随之沿月牙形槽移动，使摆动架(35 )沿铰链摆动。
4.根据权利要求2所述的多镜头分时复用移轴断层气固两相流动三维测量装置，其特征在于:所述光轴同步调节装置(16)包括圆角矩形壳体、顶盖(28)、第一锥形齿轮组(45)、第二锥形齿轮组(46)，所述圆角矩形壳体固定在外壳(17)的正面，所述顶盖(28)盖在圆角矩形壳体上形成同步腔，所述第一锥形齿轮组(45)、第二锥形齿轮组(46)安装在同步腔内； 所述第一锥形齿轮组(45)包括三个轴线在同一平面上的、形成U型结构的锥形齿轮，位于中间位置上的锥形齿轮与位于侧边位置上的两个锥形齿轮均构成传动比为1:10的直角传动；一个位于侧边位置上的锥形齿轮中心轴向外伸出并穿过圆角矩形壳体、作为第一输出轴(41)，位于中间位置上的锥形齿轮中心轴向外伸出并穿过圆角矩形壳体、连接微调杆(40)； 所述第二锥形齿轮组(46)包括三个轴线在同一平面上的、形成U型结构的锥形齿轮，位于中间位置上的锥形齿轮与位于侧边位置上的两个锥形齿轮均构成传动比为1:1的直角传动；一个位于侧边位置上的锥形齿轮中心轴向外伸出并穿过圆角矩形壳体、作为第二输出轴(44)，另一个位于侧边位置上的锥形齿轮中心轴向伸出并穿过圆角矩形壳体、作为第三输出轴(42)，位于中间位置上的锥形齿轮中心轴向外伸出并穿过圆角矩形壳体、作为第四输出 轴(43)；所述第一锥形齿轮组(45)的另一个位于侧边位置上的锥形齿轮和第二锥形齿轮组(46)的位于中心位置上的锥形齿轮背向设置，并通过同步连杆固定连接，所述同步连杆和这两个锥形齿轮的中心轴的轴线在同一条直线上； 所述第一输出轴(41)、第二输出轴(44)、第三输出轴(42)和第四输出轴(43)分别通过一个联轴器(39 )与调节丝杠(29 )连接；所述调节丝杠(29 )以第二锥形齿轮组(46 )的中心为中心均匀布置。
5.一种多镜头分时复用移轴断层气固两相流动三维测量方法，其特征在于:在测量前，首先调整移轴断层装置(I)的光轴同步调节装置(16)，使四个镜头的成像轴同时指向目标测量区域(2)，使拍摄过程产生移轴效果；然后开启测控计算机(7)，使用测控计算机(7)控制激光驱动器(6)开始运行，使高亮激光器(3)按照设定频率工作并照亮目标测量区域(2);接着测控计算机(7)同时向视频信号采集器(4)和频率发生器(5)发出同步指令，视频信号采集器(4)驱动高速CCD相机(27)开始工作并采集其回传的视频信号，经处理后上传给测控计算机(7);同时频率发生器(5)控制四个液晶高速快门依次进行快速曝光拍摄目标测量区域(2)四个方向上的移轴照片并记录；按顺时针方向，记四个液晶高速快门分别为第一液晶高速快门(23)、第二液晶高速快门(24)、第三液晶高速快门(19)和第四液晶高速快门(20 )，测控计算机(7 )协调控制高速CCD相机(27 )、四个液晶高速快门和高亮激光器(3)以以下的工作时序循环运行: (I )t时刻:高亮激光器(3 )发出激光，第一液晶高速快门(23 )开启，高速CXD相机(27 )开始曝光第η帧；(2)t+l时刻:高亮激光器(3)停止发出激光，第一液晶高速快门(23)关闭，高速CCD相机(27 )开始记录第η帧； (3)t+1.25时刻:高亮激光器(3)发出激光，第二液晶高速快门(24)开启，高速CXD相机(27)开始曝光第n+1帧； (4)t+2.25时刻:高亮激光器(3)停止发出激光，第二液晶高速快门(24)关闭，高速CXD相机(27)开始记录第n+1帧； (5)t+2.5时刻:高亮激光器(3)发出激光，第三液晶高速快门(19)开启，高速C⑶相机(27)开始曝光第n+2帧； (6 ) t+3.5时刻:高亮激光器(3 )停止发出激光，第三液晶高速快门(19 )关闭，高速CXD相机(27)开始记录第n+2帧； (7)t+3.75时刻:高亮激光器(3)发出激光，第四液晶高速快门(20)开启，高速CXD相机(27)开始曝光第n+3帧； (8 )t+4.75时刻:高亮激光器(3 )停止发出激光，第四液晶高速快门(20 )关闭，高速CXD相机(27)开始记录第n+3帧； 处理过程中，将以上工作时序一个周期内的四幅图像作为在同一时刻t获得；测控计算机(7)在获得一定时间段内的图像后，首先按照帧编号分别提取四个方向同一时刻内的图像，采用断层重构算法，对目标测量区域(2)内的密度分布进行三维重构，获得目标测量区域(2)内不同时刻颗粒的分布 情况；由前后两个时刻颗粒分布情况估算出颗粒的位移，再除以两个时刻件的时间长度来获得颗粒的运动速度。
【文档编号】G01N15/00GK103760071SQ201410023539
【公开日】2014年4月30日 申请日期:2014年1月17日 优先权日:2014年1月17日
【发明者】钟文琪, 陈曦, 邵应娟, 张勇, 金保昇 申请人:东南大学