CN102003936A - 同时测量液滴位置、粒径和复折射率的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及多相流颗粒多参数同时在线测量技术，旨在提供一种同时测量液滴颗粒位置、粒径和复折射率的方法和装置。该方法包括：(1)将高相干性连续激光光束在空间滤波和准直扩束后分成两束，其中一束照射被测流场区域的颗粒，另一束作为参考光；(2)使被测流场区域颗粒的侧向30°～90°区域的散射光，与经衰减的参考光混合后发生干涉形成全息图，经成像装置由数字相机记录后存储于计算机；(3)利用数字重建技术获得被测颗粒沿深度方向的一系列重建图像；(4)利用数字图像处理技术从重建图像中识别出颗粒反射点和折射点，获得其空间坐标及其散射光强比。相对于彩虹测量技术，本发明所涉及的测量装置光路系统比较简单，容易实现。

Description

同时测量液滴位置、粒径和复折射率的方法和装置

技术领域

本发明涉及多相流颗粒多参数同时在线测量技术，具体涉及一种同时测量液滴颗粒位置、粒径和复折射率的方法和装置。

背景技术

喷雾是一种复杂的气液多相流动，在工业应用领域具有广泛的应用背景，如雾化混合、射流、液体燃料雾化燃烧等。液体雾化后液滴尺寸、速度、浓度等是衡量喷嘴雾化性能优劣的重要指标，同时液滴折射率、温度等参数对于研究雾化液滴传热、蒸发和燃烧机理具有重要意义。因此，为更深入地了解和认识雾化和喷雾燃烧机理，开发更先进高效的雾化和喷雾燃烧装置，对雾化液滴的粒径、速度、浓度、折射率、温度等参数的在线实时测量提出了要求。

目前液滴颗粒的粒径、速度和浓度参数测量已经有较好的解决方案，典型的有相位多普勒分析仪PDA和粒子图像测速仪PIV等，但无法同时进行温度和折射率的测量。在液滴颗粒折射率和温度测量方面，目前研究较多的是基于光散射的彩虹测量技术(Rainbowrefractometry)，通过检测彩虹角的大小计算折射率，进而由折射率和温度的关系得到液滴的温度。此方法还可以同时获得液滴的粒径。研究结果表明，彩虹技术具有较高的测量精度，但测量系统复杂，灵敏度高，需要对颗粒的彩虹角进行精确跟踪和测量，实现起来比较困难。另外一种方法是荧光技术，即在被测液体中加入荧光剂，通过荧光强度与温度的关系直接测量液滴的温度，该方法容易实现，但不能同时测量折射率，荧光剂的加入对被测液体产生干扰，不是真正意义上的非接触式测量，无法应用到雾化燃烧流场。

数字全息技术是一种三维成像测量技术，它利用干涉原理在二维成像介质如CCD阵面上同时记录了物体散射光的光强和相位信息，通过数字重建技术可以得到被测物体的三维空间位置，因此目前已在颗粒场的三维空间分布、粒径和速度测量中得到成功应用，但都采用前向散射共轴记录的经典Gabor全息记录方式，物光波主要为前向的衍射光为主。若采用颗粒侧向散射的记录方式，物光波则以反射光和折射光为主，可有望对颗粒表面反射光和折射光点的三维空间位置及其光强比值进行数字重建，进一步获得颗粒的复折射率信息，有关这方面的方法和装置还未见报道。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提供一种同时测量液滴颗粒位置、粒径和复折射率的方法和装置。

本发明中同时测量液滴颗粒位置、粒径和复折射率的方法，包括以下步骤：

(1)将高相干性连续激光光束在空间滤波和准直扩束后分成两束，其中一束照射被测流场区域的颗粒，另一束作为参考光；

(2)使被测流场区域颗粒的侧向30°～90°区域的散射光，与经衰减的参考光混合后发生干涉形成全息图，经成像装置由数字相机记录后存储于计算机；

(3)利用数字重建技术对全息图进行处理，获得被测颗粒沿深度方向的一系列重建图像；

(4)利用数字图像处理技术从重建图像中识别出颗粒反射点和折射点，获得其空间坐标(x_A，y_A)，(x_B，y_B)，并获得其散射光强比I_A/I_B；

首先，根据方程组(1)～(4)获得颗粒的中心位置(x_P，y_P)和粒径d_P：

$x_P^2+y_P^2=\frac{1}{4}{d}_p^2---\left(1\right)$

$x_P=x_B-\frac{1}{2}{d}_p\sin {\mathrm{\θ}}_r---\left(2\right)$

$y_P=y_B-\frac{1}{2}{d}_p\cos {\mathrm{\θ}}_r---\left(3\right)$

π-2θ_r＝θ                (4)

其中(x_B，y_B)为反射点B在坐标系XOY中的坐标，θ_r为反射角，θ为CCD相机接收颗粒散射光的角度；

其次，颗粒的复折射率为m＝n-iη，n为颗粒复折射率的实部，i＝(-1)^1/2为虚数单位，η为颗粒复折射率的虚部；

根据方程组(5)～(7)获得折射率实部n：

$\frac{1}{4}{d}_p^2[{(1+\sin {\mathrm{\θ}}_t)}^2+{\left(\cos {\mathrm{\θ}}_t\right)}^2]=x_B^2+y_B^2---\left(5\right)$

sinθ_i＝nsinθ_t                        (6)

2(θ_i-θ_t)＝θ                         (7)

其中θ_t为折射角，θ_i为入射角；

设激光入射到颗粒的光强为I₀，以垂直偏振为例，则散射角度为θ方向的反射光强I_B和折射光强I_A可由基于反射、折射和吸收定律的方程得到：

$I_A=I_0\frac{{\sin }^{2}2{\mathrm{\θ}}_i{\sin }^{2}2{\mathrm{\θ}}_t}{{\sin }^4({\mathrm{\θ}}_i+{\mathrm{\θ}}_t)}\·\exp (-\frac{4\mathrm{\π\η}{d}_p}{\mathrm{\λ}\cos {\mathrm{\θ}}_t})---\left(8\right)$

$I_B=I_0\frac{{\sin }^2({\mathrm{\θ}}_r-{\mathrm{\θ}}_2)}{{\sin }^2({\mathrm{\θ}}_r+{\mathrm{\θ}}_2)}---\left(9\right)$

其中λ为激光波长，θ₂为入射角为θ_r时的折射角，有：

sinθ_r＝nsinθ₂    (10)

于是，折射率虚部η可由实验测得的I_A/I_B比值以及方程组(8)～(9)获得。

进一步地，本发明提供了一种用于实现前所述方法的装置，包括激光器、由显微物镜和针孔光阑组成的空间滤波器、准直扩束器和分光镜位于同一光路上；激光经分光镜分成相互垂直的两束，其中一束穿过光强衰减器后作为参考光，另一束直接照射被测颗粒后发生散射，颗粒的部分散射光与参考光经混合镜后发生干涉，形成颗粒全息图，并由配备工业显微镜头的CCD相机记录；混合镜、工业显微镜头、CCD相机依次设置，CCD相机连接至内置全息图处理器和处理软件的计算机系统。

本发明中，在所述参考光的光路上，在分光镜与混合镜之间设置光强衰减器，衰减倍率为10～1000。

本发明中，所述颗粒全息图的物光为颗粒的侧向散射光波，通常为30°～90°散射角度，因为此角度范围内，颗粒的反射光和折射光占主导。

本发明中，所述CCD相机芯片通过一个成像放大镜头记录镜头物平面的颗粒全息图，从而根据需要可对全息图进行放大，放大倍率一般为5～10倍。

本发明中，通过配置成像放大镜头还可以方便地调整全息图记录距离，尤其是要求记录距离较短时。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)与传统Gabor全息相比，本发明提出利用颗粒的侧向散射光(主要包括反射光和折射光)作为物光波，从而可以重建出反射光和折射光在颗粒表面发射点的空间位置。

(2)本发明提出了根据球形颗粒表面反射光和折射光发射点的空间位置和光强比值计算颗粒空间位置、粒径和复折射率的方法。

(3)相对于彩虹测量技术，本发明所涉及的测量装置光路系统比较简单，容易实现。

(4)本发明提出了基于成像镜头的颗粒全息图记录方法和装置，便于根据需要放大全息图和选择合适的记录距离(特别是记录距离较短时)。

(5)本发明仅适用于单个球形颗粒的情形，对于实际喷雾流场存在大量液滴颗粒的情形，由于成像放大镜头对全息图进行放大，基本上可以使CCD相机每次记录的全息图仅包含一个或者若干个颗粒，利用图像处理算法可以很方便地对其进行识别和分离，因此，本发明也有望在实际喷雾流场中得到应用。

附图说明

图1为本发明中测量系统的光路布置示意图。

附图标记为：1激光器；2显微物镜；3针孔光阑；4扩束透镜；5分光镜；6全反镜；7衰减片；8混合镜；9工业显微镜头；10CCD相机；11内置全息图处理器和处理软件的计算机系统；12颗粒散射光；13被测颗粒。

图2为本发明中典型球形颗粒侧向散射的全息图及重建图像示例。

左图：60μm颗粒70°散射方向的数字全息图(记录距离1mm)；右图：数字全息重建后在记录距离附近的重建颗粒图像。

图3为本发明中通过颗粒表面反射和折射发光点位置计算颗粒中心位置、粒径和折射率的光路示意图。

附图中θ_i：入射角；θ_t：折射角；θ_r：反射角；θ：散射角；n：复折射率；(x_P，y_P)，(x_B，y_B)：颗粒中心及反射点B在XOY坐标系下的坐标(XOY坐标系，原点位于折射点A，Y方向与折射光出射方向一致)。

具体实施方式

参考附图，下面将对本发明实施方法进行详细描述。

本发明中，用于实现同时测量液滴颗粒位置、粒径和复折射率方法的装置，包括高相干激光器1，显微物镜2和针孔光阑3组成的空间滤波器、扩束透镜(准直扩束器)4，分光镜5，全反镜6，光强衰减器7，混合镜8，工业显微镜头9，CCD相机10以及全息图处理器和处理软件11组成。

如图1所示，激光器1(相干长度要求10cm以上)发出的激光经过显微物镜(10X～50X)汇聚，并在其焦点处放置针孔光阑3(孔径5μm～100μm)，实现低通滤波，再通过扩束透镜4实现准直扩束。扩束后的激光通过分光镜5后分成相互垂直的两束，一束通过光强衰减器7衰减(根据情况选择衰减倍率10～1000，主要是与微弱的颗粒侧向散射光匹配，使全息图的可见度较高)后作为参考光；另外一束通过全反镜6反射后直接照射被测颗粒13。被测颗粒的侧向散射光12在混合镜8中与参考光相遇发生干涉，并进入到显微成像镜头9中。CCD芯片放置于工业显微镜头9的像平面，工业显微镜头9的物平面一般在混光镜8以上的位置。由于本发明中对球形颗粒(粒径通常为数十微米至数百微米)表面反射光和折射光的发射点进行定位，空间分辨率较高，因此要求成像系统有成像放大功能，一般为5～10倍，只有这样，CCD芯片(一般像素尺寸10μm)才有足够的分辨率来区分和定位颗粒表面的发射点。通过显微成像系统，CCD记录的不是到达其芯片表面的全息图，而是成像系统物平面对应的全息图，因此，全息图的记录距离可以很方便的根据需要进行调整。

CCD相机通过快门记录瞬态的颗粒全息图像，然后存储在计算机系统11中。获得的典型的侧向散射颗粒全息图如图2左图所示，利用常规的全息图数字重建算法可以获得深度方向的一系列重建图像，在颗粒反射光和折射光发射点附近的重建图像如图2右图所示。通过常规的数字图像处理方法可以从重建图像序列中方便地获的这两个发射点的空间位置和光强比值I_A/I_B。

根据颗粒散射的几何光路(如图3)，颗粒的空间位置、粒径和复折射率等信息可由如下方法获得。

首先，颗粒的中心位置(x_P，y_P)和粒径d_P由以下方程组(1～4)求得。

$x_P^2+y_P^2=\frac{1}{4}{d}_p^2---\left(1\right)$

$x_P=x_B-\frac{1}{2}{d}_p\sin {\mathrm{\θ}}_r---\left(2\right)$

$y_P=y_B-\frac{1}{2}{d}_p\cos {\mathrm{\θ}}_r---\left(3\right)$

π-2θ_r＝θ                        (4)

其中(x_B，y_B)为反射点B在坐标系XOY中的坐标，θ_r为反射角，θ为CCD相机接收颗粒散射光的角度。

其次，颗粒的复折射率为m＝n-iη，n为颗粒复折射率的实部，i＝(-1)^1/2为虚数单位，η为颗粒复折射率的虚部。折射率实部n由以下方程组(5～7)求得：

$\frac{1}{4}{d}_p^2[{(1+\sin {\mathrm{\θ}}_t)}^2+{\left(\cos {\mathrm{\θ}}_t\right)}^2]=x_B^2+y_B^2---\left(5\right)$

sinθ_i＝nsinθ_t                    (6)

2(θ_i-θ_t)＝θ                     (7)

其中θ_t为折射角(图3)，θ_i为入射角(图3)。设激光入射到颗粒的光强为I₀，以垂直偏振为例，则散射角度为θ方向的反射光强I_B和折射光强I_A可由基于反射、折射和吸收定律的方程得到：

$I_A=I_0\frac{{\sin }^{2}2{\mathrm{\θ}}_i{\sin }^{2}2{\mathrm{\θ}}_t}{{\sin }^4({\mathrm{\θ}}_i+{\mathrm{\θ}}_t)}\·\exp (-\frac{4\mathrm{\π\η}{d}_p}{\mathrm{\λ}\cos {\mathrm{\θ}}_t})---\left(8\right)$

$I_B=I_0\frac{{\sin }^2({\mathrm{\θ}}_r-{\mathrm{\θ}}_2)}{{\sin }^2({\mathrm{\θ}}_r+{\mathrm{\θ}}_2)}---\left(9\right)$

其中λ为激光波长，θ₂为入射角为θ_r时的折射角，有：

sinθ_r＝nsinθ₂                    (10)

于是，折射率虚部η可由实验测得的I_A/I_B比值以及方程组(8～9)求得。

Claims (4)

1.同时测量液滴颗粒位置、粒径和复折射率的方法，包括以下步骤：

(1)将高相干性连续激光光束在空间滤波和准直扩束后分成两束，其中一束照射被测流场区域的颗粒，另一束作为参考光；

(2)使被测流场区域颗粒的侧向30°～90°区域的散射光，与经衰减的参考光混合后发生干涉形成全息图，经成像装置由数字相机记录后存储于计算机；

(3)利用数字重建技术对全息图进行处理，获得被测颗粒沿深度方向的一系列重建图像；

(4)利用数字图像处理技术从重建图像中识别出颗粒反射点和折射点，获得其空间坐标(x_A，y_A)，(x_B，y_B)，并获得其散射光强比I_A/I_B；

首先，根据方程组(1)～(4)获得颗粒的中心位置(x_P，y_P)和粒径d_P：

$x_P^2+y_P^2=\frac{1}{4}{d}_p^2---\left(1\right)$

$x_P=x_B-\frac{1}{2}{d}_p\sin {\mathrm{\θ}}_r---\left(2\right)$

$y_P=y_B-\frac{1}{2}{d}_p\cos {\mathrm{\θ}}_r---\left(3\right)$

π-2θ_r＝θ                        (4)

其中(x_B，y_B)为反射点B在坐标系XOY中的坐标，θ_r为反射角，θ为CCD相机接收颗粒散射光的角度；

其次，颗粒的复折射率为m＝n-iη，n为颗粒复折射率的实部，i＝(-1)^1/2为虚数单位，η为颗粒复折射率的虚部；

根据方程组(5)～(7)获得折射率实部n：

$\frac{1}{4}{d}_p^2[{(1+\sin {\mathrm{\θ}}_t)}^2+{\left({\cos \mathrm{\θ}}_t\right)}^2]=x_B^2+y_B^2---\left(5\right)$

sinθ_i＝nsinθ_t                    (6)

2(θ_i-θ_t)＝θ                     (7)

其中θ_t为折射角，θ_i为入射角；

设激光入射到颗粒的光强为I₀，以垂直偏振为例，则散射角度为θ方向的反射光强I_B和折射光强I_A可由基于反射、折射和吸收定律的方程得到：

$I_A=I_0\frac{{\sin }^{2}2{\mathrm{\θ}}_i{\sin }^{2}2{\mathrm{\θ}}_t}{{\sin }^4({\mathrm{\θ}}_i+{\mathrm{\θ}}_t)}\·\exp (-\frac{4\mathrm{\π\η}{d}_p}{\mathrm{\λ}\cos {\mathrm{\θ}}_t})---\left(8\right)$

$I_B=I_0\frac{{\sin }^2({\mathrm{\θ}}_r-{\mathrm{\θ}}_2)}{{\sin }^2({\mathrm{\θ}}_r+{\mathrm{\θ}}_2)}---\left(9\right)$

其中λ为激光波长，θ₂为入射角为θ_r时的折射角，有：

sinθ_r＝nsinθ₂        (10)

于是，折射率虚部η可由实验测得的I_A/I_B比值以及方程组(8)～(9)获得。

2.用于实现权利要求1所述方法的装置，包括激光器和CCD相机，其特征在于，激光器、由显微物镜和针孔光阑组成的空间滤波器、准直扩束器和分光镜位于同一光路上；激光经分光镜分成相互垂直的两束，其中一束穿过光强衰减器后作为参考光，另一束直接照射被测颗粒后发生散射，颗粒的部分散射光与参考光经混合镜后发生干涉，形成颗粒全息图，并由配备工业显微镜头的CCD相机记录；混合镜、工业显微镜头、CCD相机依次设置，CCD相机连接至内置全息图处理器和处理软件的计算机系统。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，在所述参考光的光路上，在分光镜与混合镜之间设置光强衰减器，衰减倍率为10～1000。

4.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述工业显微镜头的成像放大倍率为5～10倍。

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