一種便攜式錐形光彩色紋影儀的設(shè)計

李寶華（山東省特種設(shè)備檢驗研究院日照分院，山東 日照 276825）

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一種便攜式錐形光彩色紋影儀的設(shè)計

李寶華
（山東省特種設(shè)備檢驗研究院日照分院，山東 日照 276825）

通過闡述彩色紋影儀的原理，進一步分析了雙透鏡紋影系統(tǒng)、反射式Z形光路平行光紋影系統(tǒng)和錐形光紋影系統(tǒng)的特點和便攜式改進的可行性。提出了一種利用錐形光紋影系統(tǒng)加裝兩組平面反射鏡的設(shè)計方法，縮小了裝置尺寸；同時通過采用大功率LED發(fā)光管代替?zhèn)鹘y(tǒng)鹵素?zé)酎c光源，減小了裝置的重量。最后簡述了改進后裝置的測試情況，證實了光路折疊式錐形光彩色紋影儀的便攜式應(yīng)用設(shè)計方案是可行的。

便攜；紋影儀；流場；光學(xué)成像

1 研究目的

紋影技術(shù)是空氣動力學(xué)和熱動力學(xué)研究實驗中最常應(yīng)用的一種流場成像方法，它也是是一種非接觸式的光學(xué)測量方法。由于人的肉眼對于色彩的變化比黑白灰度的變化更靈敏些，因而彩色紋影系統(tǒng)比黑白紋影系統(tǒng)更容易反映流場圖像的細節(jié)，具有更強的成像靈敏度和圖像分辨力。因此，彩色紋影系統(tǒng)已成為研究流場特別是超音速空氣流的重要光學(xué)成像方法，如果用照相機或攝象機記錄流場的動態(tài)圖像，就能對流場現(xiàn)象進行反復(fù)觀察和更加深入的研究。

目前，國內(nèi)外的紋影儀由于光路設(shè)計的原因，其裝置尺寸均較龐大，而且由于紋影儀的光路精度要求很高，調(diào)節(jié)復(fù)雜，僅適用于提前安裝條件下的固定場所，難以實現(xiàn)現(xiàn)場的便攜應(yīng)用。本文旨在設(shè)計一種既能滿足測試區(qū)的觀察口徑，又能顯著縮小裝置尺寸的彩色紋影成像裝置，從而提高紋影儀的現(xiàn)場適應(yīng)能力。

2 彩色紋影儀成像原理及幾種傳統(tǒng)紋影儀的便攜性分析

傳統(tǒng)的彩色紋影儀，最典型的型式是采用雙透鏡光路結(jié)構(gòu)的紋影儀，其工作原理如圖1所示，設(shè)置于最左側(cè)（凸透鏡1的焦點處）的點光源發(fā)出的光線，經(jīng)過凸透鏡1后變?yōu)橐皇叫泄?，如果平行光的光路中沒有流場的擾動，光線在經(jīng)過凸透鏡2后將匯聚于凸透鏡2的右側(cè)焦點處，在焦點的右側(cè)合適位置設(shè)置凸透鏡3，實現(xiàn)對光源的成像。

當(dāng)在凸透鏡1和凸透鏡2之間的測試區(qū)存在流場的擾動時，經(jīng)過凸透鏡2的光線將會由于擾動流場造成的折射作用發(fā)生偏折，最終無法匯聚于凸透鏡2右側(cè)的焦點位置，而是使發(fā)生擾動偏折的光線匯聚于凸透鏡2右側(cè)焦點的周圍附近。如果測試區(qū)的流場密度梯度越大，光線偏離焦點的距離便越大，反之則越??；如果測試區(qū)的流場分布的形狀不同，光線偏離焦點的方位便也不同。當(dāng)在光軸方向上，凸透鏡2右側(cè)的焦點處加上如圖1中所示的黃色和透明的濾光片光刀；并同時在Y軸方向上，使濾光片的黃色與透明交界線剛好位于凸透鏡2右側(cè)的焦點的位置。如果測試區(qū)沒有流場的擾動，光源的成像將是濾光片上黃色與透明（無色）的均色；如果測試區(qū)存在流場的擾動，由于光線偏折到濾光片上黃色區(qū)域和無色區(qū)域的當(dāng)量不同，光源像將呈現(xiàn)黃色與無色之間不同梯度的差異圖像，從而呈現(xiàn)出測試區(qū)流場的梯度圖像。

如圖1所示，如果將濾光片設(shè)置為帶有多種顏色的過渡色條紋，由于測試區(qū)流場擾動使光線偏折到彩色條紋上的位置不同，在成像屏上也將呈現(xiàn)不同的顏色，而這種顏色的差異和梯度變化，直觀反映了測試區(qū)擾動流場的密度梯度變化和形狀。由于人的眼睛對色彩的分辨力遠遠高于對灰度的分辨力，因此，這種彩色紋影圖像相對于黑白紋影圖像具有更高的綜合靈敏度。

通過上述原理可以發(fā)現(xiàn)，在實際的應(yīng)用中，如果想要增大測試區(qū)的體積，在X軸方向上可以較為方便的延長；但在Y軸方向上想增大尺寸，只能增大凸透鏡的口徑，但由于加工大口徑的凸透鏡非常困難，而且容易產(chǎn)生色差，這種類型光路結(jié)構(gòu)的紋影儀系統(tǒng)并不常用。

圖1 雙透鏡紋影儀原理圖及彩色條紋濾光片

圖2所示的是最常用的反射式Z形光路結(jié)構(gòu)的平行光紋影成像系統(tǒng)，其光路結(jié)構(gòu)主要由兩個凹面反射鏡、光刀系統(tǒng)和反射成像系統(tǒng)組成。這種紋影儀由于點光源裝設(shè)于凹面反射鏡的1倍焦點位置，產(chǎn)生的光線平行通過測試區(qū)，因此可以將測試區(qū)的流場擾動情況幾乎毫不失真的呈現(xiàn)到成像屏上，在流場的測試與分析研究中得到了廣泛應(yīng)用。但從便攜性能來看，這種紋影系統(tǒng)由于采用了兩個凹面反射鏡，不僅重量大大增加，其光路支持機械的體積和重量都將無法實現(xiàn)輕量化。

圖3是典型的錐形光紋影儀結(jié)構(gòu)示意圖，光路中的點光源設(shè)置于一個拋物面反射鏡的2倍焦距處，其發(fā)射出的光線經(jīng)拋物面反射鏡反射并匯聚于點光源同側(cè)的e2倍焦距處，通過調(diào)節(jié)拋物面反射鏡的位置，可使點光源與反射匯聚點分布于兩個不同位置，在反射匯聚點處裝設(shè)好上文所述的彩色光刀（濾光片），最后將紋影圖像直接成像或通過攝像機進行記錄。這種紋影系統(tǒng)最大的特點是結(jié)構(gòu)簡單，整個裝置主要由一個拋物面反射鏡和光刀系統(tǒng)構(gòu)成，雖然通過被測流場的光線不完全重合，會造成一定程度的圖像失真，但這種系統(tǒng)由于每一條光線反復(fù)經(jīng)過被測流場區(qū)段，其靈敏度可以達到平行光紋影儀的兩倍。

3 便攜式錐形光彩色紋影儀的設(shè)計

由于輕微的圖像失真并不影響空氣動力學(xué)和熱動力學(xué)的研究，相反，其高出平行光紋影儀一倍靈敏度和簡單的結(jié)構(gòu)，為設(shè)計便攜式的紋影系統(tǒng)提供了條件。因此，本裝置以錐形光紋影儀的原理為基礎(chǔ)做了如圖4所示的光路設(shè)計。

如圖4所示，首先，該光路的設(shè)計在不降低成像裝置靈敏度的同時，為了縮小裝置的尺寸，增加了兩個平面反射鏡（平面反射鏡1、平面反射鏡2），從而使原來2倍焦距的最低尺寸要求，通過兩面平面反射鏡的反射，實現(xiàn)了對錐形光光路的兩次折疊，其最終尺寸，減小了一半。其次，在重量方面，雖然增加了兩面反射鏡，但與上述Z形光路平行光紋影儀的凹面反射鏡相比，其重量卻是大大減輕了。另外，為了進一步減輕裝置的重量，對傳統(tǒng)的鹵素?zé)艉屯雇哥R組合點光源進行了變更，采用了大功率LED發(fā)光管，不但減輕了重量，省去了兩組凸透鏡，還大大縮小了體積，節(jié)省了成本。

為保證成像裝置的檢測區(qū)域和靈敏度，本裝置選用了口徑152 mm，焦距608 mm的拋物面反射鏡，錐形光紋影系統(tǒng)將點光源設(shè)置于距拋物面反射鏡2倍焦距即1 216 mm處。另外，為了實時記錄測試圖像，本裝置在設(shè)計時直接加裝了一臺微距望遠鏡和攝像裝置，能夠?qū)⒓y影圖像或視頻直接記錄到電腦中，以便后期分析和研究。也可直接通過數(shù)字顯示屏呈現(xiàn)給現(xiàn)場觀測人員。

其具體工作原理是：由點光源發(fā)射出的光線經(jīng)平面反射鏡1的反射，轉(zhuǎn)向平面反射鏡2，再反射后經(jīng)過測試區(qū)到達拋物面反射鏡，拋物面反射鏡再次將光線反射至測試區(qū)后到達平面反射鏡2、平面反射鏡1，通過適當(dāng)調(diào)節(jié)平面反射鏡2和平面反射鏡1的角度，可使返回的光線適當(dāng)偏離點光源的發(fā)射點，使其匯聚焦點位于彩色光刀的位置，然后再進入微距望遠鏡和攝錄裝置。

圖2 反射式Z形光路平行光紋影儀

圖3 典型錐形光紋影儀光路結(jié)構(gòu)示意圖

當(dāng)測試區(qū)中有擾動存在時，則通過測試區(qū)的光線將發(fā)生偏轉(zhuǎn)，從而使部分光線最終偏轉(zhuǎn)至彩色光刀的不同彩色條紋位置或者同色條紋的不同過渡色位置，形成彩色的流場圖像。

4 測試結(jié)果與結(jié)論

圖5是使用該便攜式錐形光紋影儀拍攝的各類流場成像畫面，可以看出，畫面呈像清晰，色彩分辨力強。能夠通過畫面色彩的輪廓清晰的分辯丁烷氣體泄漏的漏點，能夠清晰的呈現(xiàn)打火機火焰和電烙鐵周邊產(chǎn)生的溫度場分布和氣流擾動情況。

總之，這種折疊式光路設(shè)計的錐形光彩色紋影儀實現(xiàn)了觀測各類氣體的密度梯度和熱流擾動情況的目標(biāo)；整臺紋影儀制作完成后的重量只有4.5 kg，最大尺寸為0.6 m；紋影儀在使用前，只需打開光路啟動開關(guān)和裝置上的平板電腦，無需任何安裝調(diào)試，即可實現(xiàn)現(xiàn)場測試，提高了測試效率。因此，這種光路折疊式錐形光彩色紋影儀的便攜式應(yīng)用設(shè)計方案是有效可行的。

圖4 便攜式流場光學(xué)成像裝置光路結(jié)構(gòu)示意圖

圖5 丁烷泄漏氣體、打火機火焰和加熱的電烙鐵的成像畫面

TH74

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