高温射流中粒子测速的脉冲激光显微照像技术

　　0　引　言

　　开展材料抗烧蚀/侵蚀耦合性能研究,喷射粒子的速度参数和数密度是影响侵蚀量的重要因素。如果无法获得粒子的这些参数,就不能确定粒子的速度和浓度对材料侵蚀的影响,对材料表面的损伤机理也就不能够进行准确的描述,会影响到研究的广度和深度。

　　为了满足这方面的测试要求,有必要开展高速微小粒子显微成像技术研究,并研发一套用于粒子测速的显微照像装置。

　　1　粒子显微成像系统的功能

　　运用该系统并结合激光光源可实现的功能有:

        (a)运用单脉冲激光光源时可以在像接收介质上获得1幅粒子图像,运用2~3个序列脉冲激光光源时可以在同一像面或不同像面接收介质上获得2~3幅粒子图像;

　　(b)根据同一试验获得的多幅粒子图像来判断单个粒子飞行特征,结合激光器的不同脉冲闪光时间间隔可计算出某单个粒子的运行速度;

　　(c)根据图像可以判断粒子的数密度(即单位体积内的粒子的个数)。

　　要获得清晰的粒子图像,需要解决以下3方面的难点。

　　(1)高温流场及自发光

　　由于喷射的气流温度能达到4000℃,并伴随着强烈的自发光,该自发光的波段与可见光底片或CCD的感光波段一致。而喷射的粒子被该自发光所包围,粒子成像时,如果不消除自发光,则在成像底片上或CCD上会过度曝光,照片上的粒子信息会被强光掩盖,甚至从照片上根本不能识别粒子。

　　(2)粒子直径小

　　测试流场中的粒子直径最小达到50μm,而在通常的阴影照像(如图1所示)中,对目标的成像是缩小的,缩小比例最小为3倍,在该比例成像情况下,粒子在画面上的直径最小为17μm。因为使用激光光源时,粒子边缘会带来衍射效应,导致图像的模糊。另外,普通胶片的分辨率为50线对/mm,即在画面上只能分辨直径为0.02mm的粒子。

　　同时,受环境的影响,要求成像系统的入口表面与测试目标中心的距离大于3m,这样,更增加了识别小粒子的难度。

　　(3)系统成像景深要求小

　　试验时从喷口处喷射出大量的粒子,如果成像系统的景深很大,不同平面上的粒子都清晰成像,则在画面上根据粒子的轮廓难以判断某个粒子的运行轨迹,也就不能计算出粒子的飞行速度。为了使得某个窄的平面区域中粒子的成像清晰,其它平面上的粒子成像模糊,则要求该成像系统的景深比较小。

　　2　系统设计

　　2.1　成像放大倍数

　　因为喷射粒子直径小的只有50μm,为了在照片上能够识别该粒子,须利用光学成像放大技术使得粒子在底片上成放大实像。又因为测试视场要求最小直径为12mm,按底片的分辨率为50线对/mm计算时,底片可分辨直径0.02mm大小的粒子。考虑激光的衍射效应,以及根据粒子的轮廓判断粒子的运动特征要求,在像面上粒子的直径应在0.4mm以上,从而系统的放大倍数应大于8倍,也就是说成像底片上对应测试视场的光斑直径大于12mm×8=96mm。综合底片的分辨率后可以把放大倍数设计为4~12倍可调。