CN102494622A - 一种水滴直径的测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种水滴直径的测量方法，根据水滴对光的折射和衰减，得到获得被测水滴在光强感应阵列上投影的最大长度L以及最大宽度W；获得被测水滴在光强感应阵列上投影中光强衰减最大的阵列元素；根据均匀水滴的厚度计算公式得到被测水滴厚度H。由于水滴在空气中受到大气阻力的作用，会使得水滴成椭球形，由此根据L、W、H得到椭球型被测水滴的体积，将椭球型被测水滴体积换算成球形体积，由此得到被测水滴的直径。本发明的优点在于：方法简单，水滴模型更接近于现实生活中的各式各样的水滴，测量更加精确。本方法可以应用于观测水滴大小对结冰的影响，以及观测雨水的大小对农作物生长的影响等领域，为这些领域的研究提供更精确的数据。

Description

一种水滴直径的测量方法

技术领域

本专利涉及到光学工程、数据信号处理、软件工程等领域，具体来说是一种测量速度较低，相互间隔较远，不会相互影响的低速稀疏水滴直径的测量方法。 

背景技术

测量水滴直径的方法主要有：色斑法、面粉法、激光法、摄影法、浸入法等。色斑法和摄影法是应用比较广泛的水滴直径测量方法，这两种方法都是利用到水滴在同一材料上形成的色斑大小与水滴的直径大小成正比的假定，预先率定好水滴直径与色斑直径的关系，然后通过量水滴在滤纸、晒图纸、相纸等材料上形成的色斑大小推断出水滴的直径，或者是摄影图像的成像计算出水滴的直径。这两种方法都有相同的部分，就是根据水滴的周向判断水滴的直径，没有考虑厚度方向。而实际情况是水滴在空气中运动时，由于受到空气阻力的作用，往往是成椭球形，为了提高精度就不能完全按球形考虑水滴的直径。本专利就提出一种按椭球计算水滴的体积的模型，并换算成就球形计算出水滴的当量直径的方法。 

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出一种测量速度较低，相互间隔较远，不会相互影响的低速稀疏水滴直径的测量方法，以椭球形模型对水滴进行分析，得到更加符合实际情况的高精度水滴直径。 

本发明通过以下步骤来完成： 

步骤1：设备调试； 

开启光源与光强感应器，使光源发出的光照照向凹面镜，通过调整凹面镜角度，使光照通过凹面镜平行射出，并照射到光强感应器中的光强感应阵列上。 

步骤2：测得无水滴时光强感应阵列上各个阵列元素的光照强度； 

每间隔30秒，通过光强感应器测得光强感应阵列上各个阵列元素a_ij的光照强度I_ij，通过分析处理装置接收三次光照强度I_ij，取平均值 

为无水滴情况下各个阵列元素的光照强度；其中，i为光强感应阵列横坐标，j为光强感应阵列纵坐标。 

步骤3：获得被测水滴在光强感应阵列上投影的最大长度L； 

令被测水滴在光强感应阵列上投影为区域A，则区域A上的阵列元素a_pq上的光强发生衰减，通过光强感应器测得区域A上的阵列元素a_pq上衰减后的光强为 

根据区域A内所有阵列元素的坐标位置，选择间距最大的两个阵列元素 

和 

且得到 

和 

之间的距离L； 

步骤4：获得被测水滴在光强感应阵列上投影的最大宽度W； 

在区域A内选择两个阵列元素 

和 

使 

和 连线与 

和 

连线相互垂直，且 

和 

之间的距离W为 

和 

垂直方向上的最大距离。 

步骤5：获得区域A中光强衰减最大的阵列元素 

根据步骤3中获得的无水滴情况下光强感应阵列上每个阵列元素的光照强度，得到区域A中无水滴时阵列元素a_pq的对应的光照强度精准值 

则在区域A中，光强衰减最大的阵列元素 

为 

中的最大值所对应的阵列元素，且阵列元素 

在无水滴时光照强度精准值为 穿过水滴衰减后阵 列元素 

的光照强度 

步骤6：测得被测水滴直径； 

根据 

$\frac{\mathrm{dI}}{I}=-c_1\mathrm{dh}---\left(1\right)$

可得 

$I=I_0{e}^{-c_{1}h}---\left(2\right)$

则 $h=-1/c_1\ln \frac{I}{I_O}---\left(3\right)$

上式中，h为均匀水滴的厚度，I为初始入射光穿过厚度为h的均匀水滴衰减后的光强，I₀为初始入射光光强，c₁为衰减系数。 

由此可以得出被测水滴的厚度H，即： 

则： 

$H=-\frac{1}{c_1}\ln \frac{I_{a_{\mathrm{pmqm}}}^{\′}}{{\stackrel{\‾}{I}}_{a_{\mathrm{pmqm}}}}$

根据步骤4得到的W与步骤5得到的L，通过椭球形的体积公式，得到： 

令被测水滴的直径为D，则： 

令V_球＝V_椭球，可得 

$D=\sqrt[3]{\mathrm{LWH}}.$

本发明的优点在于： 

1、本发明水滴直径测量方法，操作简单，水滴模型更接近于现实生活中的各式各样的水滴，测量结果更加精确。 

2、本方法可以应用于观测水滴大小对结冰的影响，以及观测雨水的大小对 农作物生长的影响等领域，为这些领域的研究提供更精确的数据。 

附图说明

图1为本发明方法流程图； 

图2为设备调试过程中光照射入、射出示意图； 

图3为光照穿过水滴示意图； 

图4为被测水滴在光强感应阵列上投影示意图。 

图中： 

1-光源  2-凹面镜  3-光强感应器  4-光强感应阵列  5-被测水滴 

具体实施方式

下面通过附图对本发明做进一步说明。 

本发明一种稀疏水滴直径测量方法，如图1所示，通过以下步骤来完成： 

步骤1：设备调试； 

开启光源1与光强感应器3，使由光源1发出的光照照向凹面镜2，通过调整凹面镜2角度，使光照通过凹面镜2平行射出，并照射到光强感应器3中的光强感应阵列4上，如图2所示。其中，光强感应器3与凹面镜2间为被测水滴通道， 

步骤2：测得无水滴时光强感应阵列4上各个阵列元素的光照强度； 

由于光源1的供电电压可能不完全稳定，因此本发明中在无水滴的情况下，每间隔30秒，通过光强感应器3测得光强感应阵列4上各个阵列元素a_ij的光照强度I_ij，通过分析处理装置接收三次光照强度I_ij，取平均值 为无水滴情况下各个阵列元素的光照强度；其中，i为光强感应阵列4横坐标，j为光强感应阵列4纵坐标，如图3所示。 

步骤3：获得被测水滴5在光强感应阵列4上投影的最大长度L； 

被测水滴5由凹面镜2与光强感应器3间经过时，入射光穿过水滴后光强衰减，如图3所示。衰减后的入射光使光强感应阵列4上产生被测水滴5的投影，如图4所示，令投影为区域A，则区域A上的阵列元素a_pq上的光强发生衰减，通过光强感应器3测得区域A上的阵列元素a_pq上衰减后的光强为 

根据区域A内所有阵列元素的坐标位置，选择间距最大的两个阵列元素 

和 且得到 和 

之间的距离L。 

步骤4：获得被测水滴5在光强感应阵列4上投影的最大宽度W； 

如图3所示，在区域A内选择两个阵列元素 

和 

使 

和 

连线与 

和 连线相互垂直，且 

和 

之间的距离W为 

和 

垂直方向上的最大距离。 

步骤5：获得区域A中光强衰减最大的阵列元素 

根据步骤3中获得的无水滴情况下光强感应阵列4上每个阵列元素的光照强度的精准值，得到区域A中无水滴时阵列元素a_pq的对应的光照强度精准值 

则在区域A中，光强衰减最大的阵列元素 

为 

中的最大值所对应的阵列元素，且阵列元素 

在无水滴时光照强度精准值为 穿过水滴衰减后阵列元素 

的光照强度 

步骤6：测得被测水滴5直径； 

根据 

$\frac{\mathrm{dI}}{I}=-c_1\mathrm{dh}---\left(1\right)$

可得 

$I=I_0{e}^{-c_{1}h}---\left(2\right)$

则 $h=-1/c_1\ln \frac{I}{I_O}---\left(3\right)$

上式中，h为均匀水滴的厚度，I为初始入射光穿过厚度为h的均匀水滴衰减后的光强，I₀为初始入射光光强，c₁为衰减系数。 

由此可以得出被测水滴5的厚度H，即： 

$H=-\frac{1}{c_1}\ln \frac{I_{a_{\mathrm{pmqm}}}^{\′}}{{\stackrel{\‾}{I}}_{a_{\mathrm{pmqm}}}}.$

在本发明中在光强感应器3的光强感应阵列4上设有厚度一定的透明膜，通过透明膜可以让光线穿过，且防止水滴不慎掉在光强感应阵列4上。光照通过透明膜后同样会产生一定衰减，令c₂为透明膜的衰减系数，透明膜厚度为h′，则根据公式(2)可得： 

令 $k=e^{-c_2{h}^{\′}},$ 可得： 

I_透明膜＝kI_0透明膜

其中I_0透明膜为透明膜上的入射光强，I_透明膜为经过透明膜后衰减的光强。 

由于光照在透明膜上各处对光强的衰减作用相同，由此在可以得出被测水滴5的厚度H。即： 

$H=-\frac{1}{c_1}\ln \frac{\frac{I_{a_{\mathrm{pmqm}}}^{\′}}{k}}{\frac{{\stackrel{\‾}{I}}_{a_{\mathrm{pmqm}}}}{k}}$

则： 

$H=-\frac{1}{c_1}\ln \frac{I_{a_{\mathrm{pmqm}}}^{\′}}{{\stackrel{\‾}{I}}_{a_{\mathrm{pmqm}}}}$

根据步骤4得到的W与步骤5得到的L，通过椭球形的体积公式，得到： 

令被测水滴5的直径为D，则： 

令V_球＝V_椭球，可得 

$D=\sqrt[3]{\mathrm{LWH}}$

由此通过上述方法便可以获得更加精确的被测水滴5直径，为观测水滴大小对结冰的影响，以及观测雨水的大小对农作物生长的影响等领域的研究提供更精确的数据。 

Claims (2)

1.本发明一种水滴直径测量方法，其特征在于：通过以下步骤来完成：

步骤1：设备调试；

开启光源与光强感应器，使光源发出的光照照向凹面镜，通过调整凹面镜角度，使光照通过凹面镜平行射出，并照射到光强感应器中的光强感应阵列上；被测水滴由凹面镜与光强感应器间经过；

步骤2：测得无水滴时光强感应阵列上各个阵列元素的光照强度；

每间隔30秒，通过光强感应器测得光强感应阵列上各个阵列元素a_ij的光照强度I_ij，通过分析处理装置接收三次光照强度I_ij，取平均值

为无水滴情况下各个阵列元素的光照强度；其中，i为光强感应阵列横坐标，j为光强感应阵列纵坐标；

步骤3：获得被测水滴在光强感应阵列上投影的最大长度L；

令被测水滴在光强感应阵列上投影为区域A，则区域A上的阵列元素a_pq上的光强发生衰减，通过光强感应器测得区域A上的阵列元素a_pq上衰减后的光强为根据区域A内所有阵列元素的坐标位置，选择间距最大的两个阵列元素

和

且得到

和

之间的距离L；

步骤4：获得被测水滴在光强感应阵列上投影的最大宽度W；

在区域A内选择两个阵列元素

和

使

和

连线与

和

连线相互垂直，且

和

之间的距离W为

和

垂直方向上的最大距离；

步骤5：获得区域A中光强衰减最大的阵列元素

根据步骤3中获得的无水滴情况下光强感应阵列上每个阵列元素的光照强度的精准值，得到区域A中无水滴时阵列元素a_pq的对应的光照强度精准值

则在区域A中，光强衰减最大的阵列元素

为

中的最大值所对应的阵列元素，且阵列元素在无水滴时光照强度为

穿过水滴衰减后阵列元素

的光照强度

步骤6：测得被测水滴直径；

根据

$\frac{\mathrm{dI}}{I}=-c_1\mathrm{dh}---\left(1\right)$

可得

$I=I_0{e}^{-c_{1}h}---\left(2\right)$

则 $h=-1/c_1\ln \frac{I}{I_O}---\left(3\right)$

上式中，h为均匀水滴的厚度，I为初始入射光穿过厚度为h的均匀水滴衰减后的光强，I₀为初始入射光光强，c₁为衰减系数；

由此可以得出被测水滴的厚度H，即：

则：

$H=-\frac{1}{c_1}\ln \frac{I_{a_{\mathrm{pmqm}}}^{\′}}{{\stackrel{\‾}{I}}_{a_{\mathrm{pmqm}}}}$

根据步骤4得到的W与步骤5得到的L，通过椭球形的体积公式，得到：

令被测水滴的直径为D，则：

令V_球＝V_椭球，可得

$D=\sqrt[3]{\mathrm{LWH}}.$

2.如权利要求1所述一种水滴直径测量方法，其特征在于：所述光强感应器的光强感应阵列上设置有厚度均匀的透明膜，令c₂为透明膜的衰减系数，透明膜厚度为h′，则：

令 $k=e^{-c_2{h}^{\′}},$ 可得：

I_透明膜＝kI_0透明膜

其中I_0透明膜为透明膜上的入射光强，I_透明膜为经过透明膜后衰减的光强；由此在光强感应阵列上具有透明膜时，被测水滴的厚度为：

$H=-\frac{1}{c_1}\ln \frac{\frac{I_{a_{\mathrm{pmqm}}}^{\′}}{k}}{\frac{{\stackrel{\‾}{I}}_{a_{\mathrm{pmqm}}}}{k}}.$

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