技术领域
[0001] 本
发明属于教学用具技术领域，更具体地，涉及一种简易温度场测量系统及其应用。
背景技术
[0002] 在流动与
传热问题的研究中，获取到热量传递的相关信息并以此研究其中的内在联系，能够推动相关技术或装备的设计、优化和保养等问题的解决。因此如何有效且高
精度地测量到温度值在时间和空间上的分布就显得十分重要。
[0003] 在相关领域，特别是
能源和化工等领域，为了培养对应的技术人才，常常会开设大量的传热学实验课程，传授给学生现在常用或国内外先进实验技术的相关知识。但考虑到先进的温度场测温技术(如激光诱导
荧光技术、分子探针测温技术等)实验仪器过于昂贵，且部分高精尖的实验设备面临着严重的技术封
锁，国内至今没有一套针对于温度场测量技术教学的自主研发的实验系统。因此现阶段国内各个高校的实验课程往往只能让学生操作一些简单的点测温技术，如
热电偶测温法和
温度计测温法等，而对于国际上先进的温度场测量的实验技术则只能通过理论讲解的方法学习，或者进行一部分演示实验，教学效果颇为微弱，培养出来的学生也难以满足各行各业对于温度场测量技术日益增长的需求。
[0004] 现阶段为实现温度场测量，以材料热物性等原理为
基础开发了大量的测量技术，如
液晶测温法、分子探针测温法、激光诱导荧光测温法等。其中激光诱导荧光技术由于其无干扰、高
时空分辨率和高温度灵敏度的特点，在温度测量这一领域被国内外学者们在科研工作中广泛运用。现阶段往往采用脉冲
激光器和ICCD相机进行实验，2014年，William Chaze等人在《The saturation of the fluorescence and its consequences for laser-induced fluorescence thermometry in liquid flows》(《Experiments in Fluids》，2016，57)中采用Nd:YAG双
脉冲激光器和两台Princeton仪器公司的ICCD相机搭建了测量系统，对
荧光染料在测温过程中的饱和性进行研究；2019年，R.S.Volkov等人在《Measuring the temperature of a rapidly evaporating water droplet by Planar Laser Induced Fluorescence》(Measurement.2019 135:231-243)中采用Nd:YAG双脉冲激光器和两台CCD相机搭建了用于测量
蒸发液滴温度分布的实验平台；CN206432045U公开了棒束通道温度场测量
可视化实验系统，该
专利利用高速摄像机和双脉冲激光发生器构建了一套用于棒束内部流场温度场测量的实验系统；CN208672039U公开了一种可视化流场和温场耦合测量实验系统，该专利利用高速摄像机和双脉冲激光发生器构建了一套用于可视化流场和温度场的耦合测量系统。上述专利和文献中所采用的系统均是为了满足科研实验中高精度的要求，搭建了极为复杂且苛刻的系统，例如科研级CCD相机和同步
信号发生器、双脉冲激光器等，这些装备首先使得这些系统具有高昂的成本和过于复杂的操作流程，难以大量普及也增大了学生的上手难度；同时在实验中采用的脉冲激光器能在短时间内爆发巨大的
能量，极易烧坏人的
视网膜，对实验中学生的身体安全具有极大的潜在危害；最后在该实验中存在由Beer吸收定律导致的激光分布不均匀的问题，分布不均匀的激光强度使得其激发出来的荧光强度分布同样不均匀，从而给实验结果带来了巨大的干扰。过去的实验中往往是采用两台激光器互补打光的方式规避该问题，但是这种方式只是减小了该问题在实验中造成的影响，并没有从根本上解决该问题。
发明内容
[0005] 针对
现有技术的以上
缺陷或改进需求，本发明提供了一种简易温度场测量系统及其应用，其中该测量系统使用连续激光器替代脉冲式激光器，使得待测容器被连续照亮，避免了同步器的使用，并且提高了实验操作的安全性，因而尤其适用于实验教学的应用场合。
[0006] 为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提出了一种简易温度场测量系统，该系统包括双荧光素溶液、连续激光器、分光片、第一滤光片、第二滤光片、第一拍摄设备、第二拍摄设备和后处理设备，其中：所述双荧光素溶液为两种荧光素的混合溶液，工作时将该双荧光素溶液注满待测容器；所述连续激光器设置在所述待测容器的外侧，用于发射连续片状激光，从而激发所述待测容器中的双荧光素产生荧光，以此形成测量平面；所述分光片设置在所述待测容器的外侧，并且与所述测量平面垂直，同时所述第一滤光片和第二滤光片分别设置在所述分光片的两个分光方向上，用于将所述双荧光素的荧
光信号分离；所述第一拍摄设备和第二拍摄设备则分别设置在所述第一滤光片和第二滤光片的后侧，用于获取所述测量平面的荧光强度图像；所述后处理设备则用于处理该荧光强度图像，以此获取所述待测容器的温度场。
[0007] 作为进一步优选地，所述连续激光器的功率为1W～8W。
[0008] 作为进一步优选地，所述双荧光素溶液中的两种荧光素分别为FL27和KR。
[0009] 作为进一步优选地，所述双荧光素溶液中FL27和KR的浓度比为5:1～10:1。
[0010] 作为进一步优选地，所述分光片为半透半反分光片或分光镜。
[0011] 作为进一步优选地，所述第一拍摄设备和第二拍摄设备为单反相机或带拍摄功能的手机。
[0012] 按照本发明的另一方面，提供了一种利用上述简易温度场测量系统进行教学实验的方法，该方法包括如下步骤：
[0013] (a)将两种荧光素混合获得所述双荧光素溶液，并将其注满所述待测容器；
[0014] (b)开启所述连续激光器，利用该连续激光器发射的片状激
光激发所述待测容器中的双荧光素产生荧光，从而形成测量平面；
[0015] (c)利用所述第一拍摄设备和第二拍摄设备记录所述测量平面的荧光强度图像，并利用所述后处理设备根据该荧光强度图像确定所述待测容器的温度场。
[0016] 作为进一步优选地，所述教学实验包括自然
对流、板间对流或圆柱绕流中温度场测量的教学实验。
[0017] 总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：
[0018] 1.本发明利用连续激光器替代了传统温度场测量系统中的脉冲式激光器，使得待测容器被连续照亮，同时利用拍摄设备进行连续拍摄记录，能够规避实验中对于激光器、相机在时间上高同步性的要求，并且连续激光器的能量比脉冲激光器低几个量级，不仅在教学实验中更加安全，同时还能避免由Beer吸收定律引发的激光分布不均匀的问题，有效提高实验的安全性和准确性；
[0019] 2.尤其是，本发明采用比值法从理论上彻底消除了激光分布不均匀对实验结果的干扰，并提升了实验的应用范围和测量灵敏度，增强了该系统在教学中的应用价值；
[0020] 3.此外，本发明不需要使用CCD相机，仅使用相机或带拍照功能的手机即可进行实验，使得学生能够尽快上手掌握实验的操作流程，并极大降低了系统的造价。
附图说明
[0021] 图1是按照本发明优选
实施例构建的简易温度场测量系统的结构示意图；
[0022] 图2是利用本发明提供的简易温度场测量系统进行
自然对流实验时待测容器的示意图；
[0023] 图3是利用本发明提供的简易温度场测量系统进行自然对流实验时获得的测量结果示意图，其中(a)为初始态，(b)为过渡态1，(c)为过渡态2，(d)为稳定态。
[0024] 在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：
[0025] 1-连续激光器，2-分光片，3-第一滤光片，4-第二滤光片，5-第一拍摄设备，6-第二拍摄设备，7-后处理设备，8-待测容器，9-
热电制冷片，10-
隔热板，11-第一
铝板，12-玻璃腔，13-第二铝板，14-加热板，15-隔热板。
具体实施方式
[0026] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0027] 如图1所示，本发明实施例提供了一种简易温度场测量系统，该系统包括双荧光素溶液、连续激光器1、分光片2、第一滤光片3、第二滤光片4、第一拍摄设备5、第二拍摄设备6和后处理设备7，其中：双荧光素溶液为两种荧光素的混合溶液，工作时将该双荧光素溶液注满待测容器8；连续激光器1设置在待测容器8的外侧，用于发射连续片状激光，从而激发待测容器8中的双荧光素产生荧光，以此形成测量平面；分光片2设置在待测容器的外侧，并且与测量平面垂直，同时第一滤光片3和第二滤光片4分别设置在分光片2的两个分光方向上，用于将双荧光素的荧光信号分离，第一拍摄设备5和第二拍摄设备6则分别设置在第一滤光片3和第二滤光片4的后侧，用于获取测量平面的荧光强度图像；后处理设备7则用于处理该荧光强度图像，以此获取待测容器8的温度场。
[0028] 由于被激发的荧光素产生荧光的强度与温度的关系满足以下公式：
[0029] If＝KoptKspecI0VCeβ(T)/T
[0030] 式中，If为荧光能量强度，Kopt、Kspec分别为光学特性(由光学系统决定)和
光谱特性(由荧光素对应波段决定)，I0为激光能量强度，V和C分别为测量体积和溶液浓度，β为温敏系数，T为温度；
[0031] 因此，测试过程中先在腔体内倒入双荧光素溶液，利用片状激光激发荧光形成测量平面后，在分光片2、第一滤光片3和第二滤光片4的作用下将不同荧光染料的荧光信号分离开来，之后通过第一拍摄设备5和第二拍摄设备6对不同温度下测量平面的荧光强度的分布进行
数据采集，运用MATLAB或者PYTHON等编程分析
软件对该数据进行分析，从而获取测量平面上空间各点处的温度和荧光的线性标定曲线；通过前期的标定工作获取到了荧光强度和温度的关系之后，便可使用该线性关系对实验中获取到的荧光强度图像中每一点的荧光强度进行线性变换，从而获取到实验目标测量的温度场的原始数据；最后通过编写程序对图像中的噪声进行滤波，便可获取到一定精度下的温度场测量数据。
[0032] 进一步，连续激光器1的功率优选为1W～8W，其中1W的连续激光器能够进行一定精度下的温度场的测量，而8W的连续激光器可以保证测量出的温度场具有较高的
信噪比；
[0033] 进一步，双荧光素溶液中的两种荧光素分别为FL27和KR，为降低实验中双荧光素溶液对于激光的吸收和荧光信号再吸收效果，KR荧光素浓度小于1×10-7mol/L，当两种信号的强度不一致时，信噪比的不同会在衰弱比值法效果的同时产生大量噪声，因此FL27和KR的浓度比为5:1～10:1，避免
亮度不够或溶液吸光太强；
[0034] 进一步，分光片2为半透半反分光片或分光镜，其中当FL27和KR的浓度比为5:1时，分光镜的透过率与反射率比值为8:2，当FL27和KR的浓度比为8:1时，分光镜的透过率与反射率比值为7:3，当FL27和KR的浓度比为10:1时，分光镜的透过率与反射率比值为6:4，通过上述参数的相互作用，能够有效提高简易温度场测量系统的准确性。
[0035] 进一步，第一拍摄设备5和第二拍摄设备6可以任选具有较高感光能
力和拥有记录14位或者16位数据能力，并可手动调
节拍摄参数的单反相机或带拍摄功能的手机，本发明利用单反相机或手机代替了ICCD相机进行数据采集工作，与ICCD相机类似，此单反相机或手机可以与计算机直接进行数据传输，除噪声和感光能力等性能的差别外，在一定程度上亦可实现对温度场测量的数据采集要求，同时在由于单反相机较高的普及性，能使得学生更快上手实验；在本发明的一个优选实施例中，可以采用型号为NIKON D7100的单反相机，该类单反相机空间分辨率为6000×4000，并且其ISO最大可达6400且连
拍速度最快为6fps，记录数据位深达14bit；
[0036] 测量过程中，若使用单反相机进行拍摄，由于涉及到同步拍摄，采用单反相机的配件——外置快
门进行两台单反相机的同步拍摄，其中一个外置快门产生拍摄
控制信号并控制其连接的单反相机，另一个快门接受控制信号并控制其连接的单反相机，从而实现同一拍摄信号控制两台相机拍摄的目标，实现拍摄的同步性。
[0037] 按照本发明的另一方面，提供了一种利用上述简易温度场测量系统进行教学实验的方法，该方法包括如下步骤：
[0038] (a)将两种荧光素混合获得双荧光素溶液，并将其注满待测容器8；
[0039] (b)开启连续激光器1，利用该连续激光器1发射的片状激光激发待测容器8中的双荧光素产生荧光，从而形成测量平面；
[0040] (c)利用第一拍摄设备5和第二拍摄设备6记录测量平面的荧光强度图像，并利用后处理设备7根据该荧光强度图像确定待测容器8的温度场。
[0041] 进一步，教学实验包括自然对流、板间对流或圆柱绕流中温度场测量的教学实验。
[0042] 下面根据具体实施例对本发明作进一步说明。
[0043] 利用本发明对板间自然对流这种传热学研究中的经典模型进行温度场的测量，采用5W的532nm连续激光器作为
光源，该类型的激光器能够保证实验过程中激发出足够强度的荧光信号，满足单反相机信号采集的需求，同时在待测容器中加入浓度比为10:1(cFL27:cKR)的FL27和KR的双荧光素溶液，该混合溶液具有高温度灵敏度，高信号强度的特点，第一拍摄设备5和第二拍摄设备6选用单反相机，第一滤光片3为520nm短通滤光片，第二滤光片4为580nm长通滤光片；
[0044] 图2是自然对流腔体，其从上至下依次包括热电制冷片9、隔热板10、第一铝板11、玻璃腔12、第二铝板13、加热板14和隔热板15，可以在玻璃腔12中形成清晰可见的自然对流，实验中首先进行标定实验，给加热板14设置10W的加热功率，由于其功率较小，使得玻璃腔12内的温度以0.2℃/min的速度上升，在温度上升的过程中通过单反相机记录下不同荧光素的空间分布，经过数据转换和处理后，利用MATLAB或PYTHON等软件计算出空间上不同点处温度与不同荧光素比值的线性关系；
[0045] 在正式实验中，维持实验参数和标定过程中的参数一致，采用532nm的连续固体激光器激发荧光，玻璃腔12中会形成随温度变化的荧光强度空间分布，通过分光片2、第一滤光片3和第二滤光片4对不同的荧光素的型号进行分割，并通过单反相机自带的信号存储单元以RAW格式记录下来，导入个人电脑，通过PYTHON或MATLAB将其处理为数据矩阵后，计算出其荧光强度比值的空间分布情况，最后利用前期标定过程获取的荧光强度比值和温度的线性关系进行线性转换，从而获取到目标工况下测量平面的温度场，如图3所示，其中(a)为初始态，(b)为过渡态1，(c)为过渡态2，(d)为稳定态。
[0046] 本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何
修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
