基于纹影成像技术的可视化口罩密合性检测装置的设计与应用

口罩佩戴不当造成的泄漏会显著降低口罩的有效性。现有的口罩密合性测试结果仅判断佩戴口罩过程中是否存在气体泄漏,但无法精确指出气流泄露部位,也不能实时调整口罩佩戴方式。为此,利用纹影成像技术设计口罩密合性检测装置。该技术利用气流对光波的扰动,将肉眼看不到的气流变化转化为可见的图像,从而实现气流的可视化。利用口罩密合性检测装置可观测不同口罩、不同佩戴个体下的口罩气流泄露情况,同时测量泄露气流的纹影面积。使用该装置测试头模或真人佩戴口罩时的密合性,结果显示:头模佩戴医用外科口罩时泄露气流的纹影最明显;不同个体佩戴同类口罩时泄露气流也存在纹影差异。采用医用外科口罩对装置有效性进行验证,数据显示正确佩戴口罩时口罩边缘气流泄漏率为36.83%。

冰面放电的纹影图像处理及折射率场重建方法

相比于电流、电压等传统测量方法,利用纹影技术拍摄得到的冰面局部电弧等放电的图像更加直观,其图像处理和折射率场重建是定量分析放电的几何尺寸、密度、粒子分布等物理特性的基础。从放电通道的光偏折特性出发,介绍了利用纹影成像技术测量放电通道的原理;提出了一套覆冰表面放电通道的图像处理和折射率场数值重建方法,通过数值实验验证了算法准确性。实测结果表明,所设计的纹影系统空间分辨率为10~100μm/像素可调、时间分辨率为1~38.45μs可调;提出的折射率场重建方法具有较高精度,能够有效得到冰面局部电弧形成过程中各个放电阶段的折射率场。

水介质预击穿过程液相温度纹影诊断技术研究

为研究水中亚毫秒脉冲放电过程液相温度的变化,构建了适用于水中脉冲放电的纹影观测系统,提出了水中脉冲放电过程温度诊断系统的影响因素及标定方法,获得了水中脉冲放电过程温度场的径向分布。与有限元仿真对比分析表明,当径向距离小于0.9 mm时,纹影诊断温度相对于仿真结果的偏差小于8%,为水中脉冲放电机理研究提供了技术基础。

纹影法轴对称温度场高精度测量

针对提高纹影法测温精度的需求,提出了一种基于Abel算法改进型轴对称流场的温度反演算法。该方法利用插值技术处理离散偏折角数据,生成连续函数,精确计算待测流场的折射率。通过比较插值法、离散法与两点法的折射率反演结果,验证了插值法在拟合理想高斯函数方面的优越性。实验结果表明,纹影与热电偶测量温度的平均相对误差小于12℃,相比于多光谱和RGB联合测温,纹影测温平均精度提高了6%,证实了该方法在提高温度分布测量精确度方面的有效性,为纹影法测温精度的提升提供了新思路。

基于视觉反馈的双光程纹影部件位置控制研究

在高超声速低密度风洞试验中,采用传统机械方法调试双光程纹影系统,无法确保球面镜机构工作位置的精细定位,光路两次穿过流场后无法完全重合。针对上述问题,研发了基于视觉反馈的双光程纹影部件位置控制系统。采用绝对式编码器指令控制交流伺服电机,对球面镜机构的工作位置进行定位控制;引入机器视觉系统,结合视觉信息反馈技术,对纹影图像质量进行研判,根据研判结果确定是否对球面镜的俯仰、左右偏转进行调节。结果表明:采用基于视觉反馈的双光程纹影部件位置控制系统,实现了双光程纹影球面镜机构的自动定位闭环控制,确保光路两次穿过流场后尽量重合,消除了模型流场成像时的重影;与传统方法相比,流场图像的清晰度提高了约2.2倍。

基于轴对称喷流的背景纹影测量方法对比研究

背景纹影(BOS)是一种基于光线折射的非接触式流场测量技术,可以定量获得流场的密度信息。与层析技术结合的背景纹影层析技术(BOST)能够实现三维密度场重建。本文针对轴对称喷管,采用BOS方法测量获得了超声速喷流的二维密度分布,在轴对称假设下采用BOST方法重构了其三维密度场并与二维结果进行对比。研究表明,二维BOS将视线积分的流场信息进行平均,忽略了沿光路方向流场结构变化所带来的影响,BOST模型中包含多个角度的投影信息,更准确地重建了喷流的三维结构和高空间分辨率的密度场。

基于背景纹影的气液界面行为特性可视化

气密封技术是维持浸没流场稳定性的主要机制。气体射流冲击晶圆表面,防止浸没液体泄漏造成套刻误差和曝光缺陷。因此,浸没流场和密封气体的相互作用、气-液界面的行为特性亟需研究。采用背景纹影技术观测气体射流,介绍了该可视化技术的测量原理和硬件搭建。通过光路设计实现气-液、内-外流场同步观测,以及界面行为特性研究。对背景纹影技术等非接触式测量技术在超洁净流控中的应用提供指导。

稳定阴燃过程烟气流动的纹影分析

阴燃中烟气流动和氧气扩散是影响传播速度和温度场的关键,目前少有报道。本研究搭建了单镜离轴纹影系统,对不同直径(3、4、5 mm)和不同种类(生物质、炭)棒状燃料的阴燃烟气流动进行了纹影观察和图像记录分析。结果表明:与视觉下模糊的生物质阴燃烟气图像及不可见的炭棒阴燃烟气图像相比,两者的纹影图像较为清晰;纹影图像显示,在稳定阴燃过程棒状燃料周围的烟气流动为层流;相比于生物质棒,炭棒烟气流动的纹影图像更加明显,这可能是由于其CO_(2)浓度更高的原因;生物质棒阴燃最大烟气直径约为其直径的2倍,炭棒最大烟气直径约为其直径的3倍。

面向高速流场成像的聚焦纹影研究进展

相较于传统的光学流动可视化技术,聚焦纹影技术能对非聚焦区域的流场信息进行模糊化处理,从而反映窄景深内的流场信息,具有高空间分辨率、抗干扰能力强、无需播撒示踪粒子、低成本等特点,这些特点使得聚焦纹影十分适用于高速流场的流动显示和流场测量。本文在对聚焦纹影系统成像的基本原理进行介绍的基础上,以传统聚焦纹影在格栅对准和非定常流动多平面测量方面面临的挑战为出发点,总结了聚焦纹影的国内外相关研究,并进一步展望了聚焦纹影的未来发展。

基于纹影法的断路器击穿过程气流分布特性

断路器在分闸之后受多重雷击的影响会再次击穿,减小断路器寿命,威胁电力系统稳定运行。针对该问题,论文通过纹影法获得断路器开断冲击电流过程温度扩散过程,结合现有的图像识别技术获得了触头气隙气流温度特征、气流流动特征。研究结果表明断路器击穿过程产生激波波速约与同条件下声速相当,气流边界扩散最大速度约为同条件下的1/4声速,且衰减极快,在击穿后10 ms内即降低到气流漂移速度;热气流最大温度集中在6 000~8 000 K之间,温度变化近似与时间的平方成反比。研究为断路器触头结构设计、开断速度优化方法、灭弧室及绝缘设计优化等提供依据。

纹影技术在初中科学教学中的应用

纹影技术是一项使流动空气实现可视化的技术。将改良后的纹影装置用于初中科学气体对流、气体密度、流速与压强关系等知识点的教学,演示冷热空气的运动,空气的对流运动,密度不同的气体在空气中的运动情况,流速与压强的关系,摩擦生热等,能够提升观察效果,便于学生理解知识。纹影技术在初中科学教学中的具体应用,可以促进纹影技术在初中教学中的普及,从而为教师如何应用该技术进行初中科学相关知识的教学提供有益的参考。

复杂动态背景条件下喷雾纹影图像的处理

纹影方法是研究喷雾过程的重要可视化手段之一。本文分析了这种复杂动态背景条件下喷雾纹影图像的特征,使用当前帧减去前一帧的减背景方法、中值滤波去噪方法、阈值分割方法、阿尔法形态轮廓计算方法以及活动轮廓演化图像分割方法对喷雾纹影图像进行了处理,获得了喷雾区域,为处理类似低质量喷雾纹影图像提供了参考。

爆炸激波管出口流场特征的纹影诊断与分析

冲击波是爆炸毁伤的主要载荷形式之一,炸药驱动激波管是较真实复现高超压冲击波场景的可能方式,当前亟需关注冲击波与产物分离状态、波阵面形态等实验参数测试问题,仅依靠传统电测原理的单一点源压力测量无法满足上述流场表征需要。基于反射式纹影原理并利用激光光源和系列光学元件,搭建了一套激波管出口流场诊断系统,将流动现象的可视化观测结果与传统压力测量相结合,完善流场特征诊断与分析方法。研究表明,该纹影系统能够清晰获得激波管出口的冲击波和产物运动流场图像,通过与压力测试与激波管点火时序的同步控制,可有效揭示压电式冲击波压力传感器数据振荡、压力突变、漂移等特征,以及爆炸后管道中应力波引起的管口及空气振动等现象。基于图像分析可分析获得炸药爆炸激波管出口冲击波运动速度和压力的空间衰减特性,该结果为更好理解炸药驱动激波管冲击波压力的形成和演化规律研究提供了诊断途径和分析基础。

采用干涉条纹纹影法的轴对称温度场测量

温度场作为一种状态监测参数,在大型工业装备状态监测领域有着广泛应用,纹影法作为一种流场可视化方法,是进行空间温度场测量的有效手段。传统纹影法一般通过直接测量光线偏折角重构空间折射率场,进而解算温度场,然而光线偏折角一般非常微小,直接测量会产生较大的测量误差。因此,本文提出一种采用干涉条纹的纹影偏折角放大方法,从而提高空间温度场重构精度。首先,测量激光通过双缝后将形成干涉条纹以代替传统背景纹影法的随机散斑图案;接着,通过视觉的方法测量干涉条纹穿越非均匀温度空间后所产生的条纹偏移,并基于该偏移量解算光线偏折角;然后,通过阿贝尔逆变换的方法解算空间折射率场的分布情况,进而获取空间温度场,最后,通过仿真与实验对本文所提方法的有效性及测量精度进而了验证。实验结果表明:与传统的背景纹影法相比,温度场重构误差下降约30%。本文所提的干涉条纹纹影法可有效提高纹影测量精度,拓展纹影温度测量的应用范围。

障碍物数量对含尘瓦斯爆炸特性影响的试验和数值模拟研究

为探究含尘瓦斯爆炸条件下不同数量障碍物的激励效应,运用中尺度激波管道和激光纹影系统,对比不同数量障碍物影响下含尘瓦斯爆炸的火焰传播和压力变化,分析爆炸流场结构的变化。通过数值模拟软件Fluent模拟含尘瓦斯爆炸,对试验结论进行补充说明。结果表明,障碍物对爆炸火焰的加速作用在单一瓦斯参与下更加强烈。煤尘的加入使得流场湍流度增大,混合爆炸释放更多能量,激波强度增大,爆炸压力提升。障碍物对火焰的影响仅在其附近有效,障碍物下游最大超压明显提升。随障碍物数量的增加,激波反复振荡、叠加,使得压力升高,湍流度增加,火焰形成射流并加速燃烧。火焰传播速度和最大超压与障碍物数量呈正相关关系。

双蜡烛火焰振荡的纹影光学探究

两根相同的燃烧蜡烛17 mm的间距时,可以观察到它们火焰的同步和异步振动。为了探究蜡烛火焰振动原因,通过搭建反射式纹影光路,实现了蜡烛火焰气流场的可视化观察。随着两根蜡烛的靠近,双蜡烛火焰上方气流场会从无耦合的平流状态过度到相互耦合的湍流状态,而湍流区域向下扩散到火焰区域是导致火焰振动的原因。燃烧过程中火焰体积的不对称性涨落导致振荡火焰在同步与异步振荡之间切换;而燃烧过程中火焰周围气流的稳定,则会导致两振荡火焰解耦,湍流层上升离开火焰,火焰恢复稳定燃烧。

磷酸二氢铵对甲烷爆炸火焰结构影响的抑爆试验研究

本研究旨在探讨磷酸二氢铵对甲烷/空气爆炸火焰传播和结构的直观影响。基于能量守恒和化学动力学原理,在60L定容燃烧弹中进行甲烷抑爆试验,利用纹影技术获取爆炸火焰传播图像并进行分析。试验结果表明,磷酸二氢铵对爆炸火焰有减弱作用,并且随着其浓度增加,火焰传播速度下降显著,火焰半径缩小,在接近最佳甲烷气体爆炸浓度时,效果更加明显。其中,150 g/m 3磷酸二氢铵抑制9.5%、8.0%浓度甲烷爆炸体现出高效性。此外,磷酸二氢铵使甲烷爆炸反应时间延长,表现为流场中自发光时间的显著增加。从热力学角度来看,磷酸二氢铵的分解吸热效应降低了火焰温度,不仅减缓火焰传播速度,也导致火焰边界呈现出片状和变薄的特征。这种现象在甲烷浓度为11%时表现得尤为突出,进一步证实了磷酸二氢铵作为抑爆添加剂的潜在效能。

基于脉冲定量纹影系统的正先导放电起始阶段通道瞬态温度测量

正极性先导放电特性是超特高压输变电系统操作过电压外绝缘配合和地面高目标物雷电屏蔽性能优化的基础。先导放电起始过程是流注茎向连续先导通道转化的关键阶段,通道处于非局部热力学平衡态,通道气体温度与电子密度、电场强度及径向尺寸等参数相互耦合,获取先导起始阶段通道温度演化规律对于揭示先导放电物理机制和实现全过程仿真建模至关重要。该文设计构建了一种脉冲LED光源驱动的定量纹影系统,时间和空间分辨率分别达到了0.37μs和31μm/像素,解决了长空气间隙放电通道瞬态温度时域连续测量的难题。开展了1.0 m棒-板间隙正极性先导放电观测实验,获得了放电电流、定量纹影图像及通道光学图像等数据。通过反演定量纹影图像获得了流注茎温度分布特性,发现了流注茎前端生长出一种热细通道的现象,其温度介于400~800 K,通道直径约为0.2 mm,轴向发展速度约为0.1 mm/μs。实验获得了二次流注电流注入阶段通道快速温升,以及不稳定先导弛豫阶段通道温度分布演化特性。

通风射流纹影成像可视化实验设计

针对通风工程中气流不可视、射流理论抽象,学生无法对气流分布形成直观认识的难点,该文利用纹影成像技术构思了自由射流理论的新实验方法,并进行了实验教学设计。实验利用纹影成像技术可视化效果突出、能够进行流场尺寸量化的优点,制作了一种基于纹影成像原理的Y型光学实验系统,在通风空调实验平台基础上配合传统热敏风速元件的测量,可充分展示通风射流的湍流发展和变化规律,并获得定量特征参数。该实验利用纹影可视化手段与通风射流理论相结合,实验结果形象直观,实验过程操作性强,有助于学生充分理解通风工程中的基础射流理论知识和难点,培养学生实践和创新能力。

纹影技术综述

纹影技术是一种无接触式光学技术,可以将不可见的相位分布转换为清晰的可见图像。该文将简述多种纹影技术的发展历程及各类纹影技术在国内外的发展现状,然后将阐述彩色纹影技术、激光纹影技术和背景纹影技术的基本光学原理以及各类纹影法在不同领域中的研究与应用,还总结了各种纹影技术在实际操作及其实验模拟等方面的具体应用方法,展示了其在不同领域的极高的普适性,列举了目前纹影技术的一系列优点与不足之处,并指出了纹影法在实际运用中所需要注意的问题。