CN103398925A - 一种利用双光谱成像进行雾场粒径平面分布测量的装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种利用双光谱成像进行雾场粒径平面分布测量的装置，该装置以激光片激发雾场的一个面（下文称之为激发面），激发面的液滴中含有受激光激发而产生荧光的物质。对激发面的微液滴群受激光片激发产生的Mie散射光和荧光散射光分别成像，综合利用这两幅图像信息，计算出激发面的SMD(Sault Mean Diameter，索特平均粒径)粒径分布数据。本发明提出的测量装置，相对于PDA技术，具有更高的测量效率和更高的空间分辨率，它可以将PDA的单点测量功能拓展至二维平面测量功能，且本发明利用一个相机，同时拍得两种不同光谱（Mie散射光谱和荧光光谱）图像，这与两个相机分别拍摄两种不同光谱图像方案相比，结构更简单，成本降低，时序控制也更简单可靠。

Description

一种利用双光谱成像进行雾场粒径平面分布测量的装置

技术领域

本发明涉及雾滴粒径分布的测量仪器，可以对雾化场粒径分布进行统计学意义上的测量。主要用于测量仪器领域，是获得用来进行喷雾或雾化功能结构功能评价和改进的数据的重要测量工具。具体涉及一种利用双光谱成像进行雾场粒径平面分布测量的装置。

背景技术

雾化粒径测量对于喷嘴和发动机燃烧室等的设计优化具有重要的意义。雾化粒径分布直接影响了发动机的燃烧效率，也是确定喷嘴的雾化特性的重要指标。由于雾化过程是极其复杂的过程，具有复杂性和多变性，目前还难以用理论模型进行精确描述和计算。因此，实验测量是雾化场特征参数获得的主要方法之一。近四十年来，科研人员对雾化场粒径测量方法进行了大量研究，取得了一定的成果。其中，光学测量方法具有对雾化场非入侵性、对于雾化场的温度、速度等有较强的适应性等优点，在雾化场测量中占据主导地位。具有代表性的研究成果有：1）、激光相位多普勒技术（简称PDA或PDPA）。G.Pitche,等人1991年出版《Applications of Laser Techniques to Fluid Mechanics》（著作中文名《流体力学激光技术应用》），该著作第227-247页主标题是“Sensitivity of Dropsize Measurements by PhaseDoppler Anemometry to Refractive Index Changes in Combusting Fuel Sprays”。在该文中，作者介绍了PDA基本原理，并重点讨论了燃料折射系数对于燃料燃烧雾化粒径测量结果的影响。PDA对于雾化场的粒径测量技术比较成熟可靠，但是存在缺陷有：只能进行单点测量、雾场浓度不能太高、测量效率低。费立森等人采用PLIF(planar laser induced fluorescence)系统测量，将激光束通过光学系统转化为激光片，测量超燃系统煤油冷态雾化浓度定性分布，相关论文“高速冷态气流中煤油雾化现象的实验研究”发表在《中国科学：E辑》2008年第1期。PLIF法可精确显示煤油液滴或浓度分布，但是不能测量液滴的粒径分布。需要说明的是，燃料液体的粒径对于燃烧效率具有关键性影响。

专利“扫描式喷嘴雾化场粒径和浓度空间分布分析仪”，发明人为吴伟亮、陈汉平、马会明、徐芬，专利号为200410053033，该发明主要用于各种喷雾场的研究。该发明通过电机带动导轨，实现激光光源和粒度传感器二维运动，从而实现对于雾场浓度和粒径的扫描测量。但是该专利没有对粒度传感器的工作原理进行介绍，也没有说明其是否克服了激光束进行粒度测量时，经常会遇到的线积分效应带来的沿激光束方向分辨率不高的问题。

发明内容

本发明提出以激光片激发的雾场的一个面（这个面的厚度就是激光片厚度，后文中，称这个被激光片激发的雾场面叫做“激发面”），激发面的液滴中含有受激光激发而产生荧光的物质。对激发面产生的Mie散射光和荧光散射光分别成像，综合利用这两幅图像信息，计算出激发面的SMD(Sault Mean Diameter，索特平均粒径)粒径分布数据。PDA是对雾场粒径进行点测量，而本发明提出的测量方法，能够仅用一个相机就可以实现对激发面粒径的二维分布进行测量。相对于PDA技术，本发明提出的一种利用双光谱成像进行雾场粒径平面分布测量的装置具有更高的测量效率和更高的空间分辨率，可以将PDA的单点测量拓展至二维平面测量。

本发明采用的技术方案为：一种利用双光谱成像进行雾场粒径平面分布测量的装置，该装置由四大部分组成：激光器、时序控制器、激光束转激光片光路以及成像光路，其中：

激光器作为激光光源，产生激光束；

时序控制器分别控制激光器外触发源和相机的快门控制端，使得在脉冲激光到达测量区域时，时序控制器启动相机快门并保持一段曝光时间，以便相机完成对荧光散射光和Mie散射光成像；

激光束转激光片光路是将激光束转换为激光片。激光束转激光片光路由第一反射镜、凹柱面透镜、凸透镜和凸柱面透镜组成，该激光束转激光片光路将束激光展成一定宽度和一定厚度的片激光；激光片通过激发面，可以使激发面中的微液滴群受激发，受激光激发的微液滴都会产生荧光散射光和Mie散射光；

成像光路由Mie散射光和荧光散射光成像光路和ICCD相机构成；荧光散射光成像光路由第二反射镜，第三反射镜和低通滤光镜组成，激发面微液滴群发出荧光散射光和Mie散射光中的一部分被第二反射镜反射至第三反射镜，然后由低通滤光镜将波长与激光波长相等的Mie散射光滤除掉，而让波长比激发激光长的荧光通过，因此，光线经过低通滤光镜而在ICCD相机形成了半幅图像，这半幅图像是激发面微液滴群发出的荧光散射光图像；Mie散射光成像光路由第四反射镜，第五反射镜以及窄带滤光镜组成，激发面中微液滴发出荧光散射光和Mie散射光中的一部分光线被第五反射镜反射至第四反射镜，然后由窄带带通滤光镜将荧光滤除而让Mie散射光通过并被ICCD相机成像，因此，光线经过窄带滤光镜而在ICCD相机形成了半幅图像，这半幅图像是激发面微液滴散发出的Mie散射光图像；ICCD相机每次拍一幅图像，图像的一半是由激发面的微液滴群发出的Mie散射光成的像，另一半是由激发面的微液滴群发出的荧光散射光成的像。

进一步的，为了能够提供高能量密度的激光，以便使激发面中的雾滴能够激发出足够强的荧光和Mie散射光，应该采用大功率脉冲激光器，激光器产生的激光波长应该适合于激发雾场液滴中荧光物质的荧光。比如，激光波长选220nm～380nm之间数据，比较容易激发煤油荧光。

进一步的，该激光束转激光片光路将激光束展成宽度为20mm-100mm和厚度为0.5mm的片激光。

进一步的，通过成像光路，获得由半幅荧光散射光图像和半幅Mie散射光图像组成所拍摄的一幅双光谱图像，成像系统只需要一部ICCD相机。

进一步的，所述的成像光路，包含两组平面反射镜，每组反射镜由两片反射镜组成，成像光路还包括一个用于滤除荧光而让Mie散射光通过的窄带带通滤光镜以及用于滤除Mie散射光而让荧光通过的低通滤光镜。

本发明的优点和积极效果为：

1、本发明提出了一种利用双光谱成像进行雾场粒径平面分布测量的装置，其利用单一相机进行双光谱图成像进行雾场粒径平面分布测量的方法，相对于PDA单点粒径测量，本发明是对一个面进行粒径测量，而且成像是在极短时间内完成。这不仅使本方法的测量效率比PDA大大提高，而且测量具有很高的时间和空间分辨率，这对于瞬态雾场粒径的测量尤为重要。

2、相对于PLIF成像，本发明不仅可以进行雾场内一个平面的浓度进行定性测量，还可以进一步测量粒径的数值分布，而粒径的数值分布是雾场性能是一个关键参数。

3、本发明提出获得雾场激发面的Mie散射光图像和荧光图像的光路结构和控制策略。本发明能够测量雾场二维粒径分布，相对于现有的PDA单点测量方法，测量信息更加丰富、效率更高，时间和空间分辨率更高。本发明为喷嘴性能、优化发动机燃烧室等领域研究提供有力的测量工具，应用前景很好。

4、本发明提出通过光路，能够得到由半幅荧光散射光图像和半幅Mie散射光图像组成一幅双光谱图像，只需要一部ICCD相机，有效控制了测量系统成本，同时，可以简单可靠地在实现激光脉冲和相机快门之间的时序控制。

附图说明

图1为本发明一种利用双光谱成像进行雾场粒径平面分布测量的装置的示意图。

图中，1为激光器，2为第一反射镜，3为激光束，4为凹柱面透镜，5为凸透镜，6为凸柱面透镜，7为激光片，8为雾场，9为总支架，10、13、15、19为镜面支架，11为第二反射镜，12为第三反射镜，14为低通滤光镜，16为第四反射镜，17窄带滤光镜，18为第五反射镜，20为ICCD相机，21为时序控制器。

具体实施方式

本发明一种利用双光谱成像进行雾场粒径平面分布测量的装置由四大部分组成：激光器1、时序控制器21、激光束转激光片光路、Mie散射光和荧光散射光成像光路。

激光器1作为激光光源，产生激光束。为了能够提供高能量密度的激光，以便使激发面中的雾滴能够激发出足够强的荧光和Mie散射光，应该采用大功率脉冲激光器，激光器产生的激光波长应该适合于激发雾场液滴中荧光物质的荧光。比如，激光波长选220nm～380nm，比较容易激发煤油荧光。

时序控制器21分别控制激光器外触发源和ICCD相机的快门控制端，使得在脉冲激光到达测量区域时，时序控制器启动相机快门并保持一段曝光时间，以便相机完成荧光散射光和Mie散射光成像。

激光束转激光片光路是将激光束3转换为激光片7。激光束转激光片光路由第一反射镜2、凹柱面透镜4、凸透镜5和凸柱面透镜6组成。该光路将束激光展成一定宽度（一般为20mm-100mm）和一定厚度（一般为0.5mm左右）的片激光。

激光片7通过的激发面，可以使得激发面中的微液滴群被激发，产生荧光散射光和Mie散射光。

成像光路：该光路由Mie散射光成像光路和荧光散射光成像光路和ICCD构成。

荧光散射光成像光路由第二反射镜11，第三反射镜12和低通滤光镜14组成。激发面中微液滴发出荧光散射光和Mie散射光中的一部分被第二反射镜11反射至第三反射镜12，然后由低通滤光镜14将波长与激光波长相等的Mie散射光滤除掉，而让波长比激发激光长的荧光通过。因此，光线经过低通滤光镜14而在ICCD相机20形成了半幅图像，这半幅图像是激发面的微液滴群发出的荧光散射光图像。

Mie散射光成像光路由第四反射镜16，第五反射镜18以及窄带滤光镜17组成。激发面中微液滴发出荧光散射光和Mie散射光中的一部分被第五反射镜18反射至第四反射镜16，然后由窄带滤光镜17将荧光滤除而让Mie散射光通过并被ICCD相机20成像。因此，光线经过窄带滤光镜17而在ICCD相机20形成了半幅图像，这半幅图像是激发面微液滴群散发出的Mie散射光图像。

由上述可知，ICCD每次拍一幅图像，图像的一半是由激发面的微液滴群发出的Mie散射光成的像，另一半是由激发面的微液滴群发出的荧光散射光成的像。

粒径分布测量的基本原理：

从统计意义上说，荧光散射光强与d³成正比（d为微液滴直径），而Mie散射光强和颗粒d²成正比。因此，一个区域的索特平均粒径SMD可以用（式1）表示：

$\mathrm{SMD}=\frac{{\mathrm{\Σ}}_{i=0}^N{d}_i^3}{{\mathrm{\Σ}}_{i=0}^N{d}_i^2}........................\left(1\right),$

其中N表示某个区域的液滴总数，d_i表示第i个液滴的直径。

在相机的一定响应范围之内，荧光散射图像中每个像素的像素值I_f近似地与该像素对应的激发面的成像区域的荧光散射光强度成正比;而Mie散射光图像中每个像素的像素值I_m近似地与该像素对应的激发面的成像区域的Mie散射光强度成正比。

在获得激发面的微液滴群的Mie散射光图像和荧光散射光图像后，通过（式2），可以算出图像的一个像素对应的激发面的一个成像区域的SMD值，

$\mathrm{SMD}=\frac{{\mathrm{\Σ}}_{i=0}^N{d}_i^3}{{\mathrm{\Σ}}_{i=0}^N{d}_i^2}=K\frac{I_f}{I_m}........................\left(2\right),$

其中，I_f为荧光图像上一个像素的值，而I_m为与荧光图像上的像素具有相同激发面成像位置的Mie散射光图像上的像素的值，K为定标常数，与成像光路和相机特性有关。可以利用（式2）逐个像素对地对荧光散射光图像和Mie散射光图像中像素对应的激发面的区域的索特平均粒径进行定标计算，进而，通过两种光谱图像的全部像素定标计算出被成像的激发面那部分区域的SMD值。

结合本发明的内容提供以下实施例：

喷嘴被广泛地使用在科学研究和各类工业生产领域，喷嘴喷出的雾滴粒径在空间的分布对于其性能有很大影响。同时喷雾过程是一个及其复杂的过程，通过实验测量获得其喷雾粒径分布数据是目前主要研究方法之一。本发明可以为研究人员提供测量雾场粒径二维分布的设备和方法。其实施方法如下：

搭建喷雾实验台，将喷嘴固定在一定高度，喷雾方向向下。实验用来进行喷雾的液体可以是煤油、汽油等有机透明液体，也可以是添加了荧光剂的其它透明液体。如附图1所示，调整激光器1输出激光的波长和功率，使其能够激发激发面微液滴群得到合适强度的荧光散射光和Mie散射光。调整第一反射镜2、凹柱面透镜4、凸透镜5和凸柱面透镜6，使得激光片7透过所要测量的激发面。将4个镜面支架10、13、15、19分别安装在总支架9上面。将第二反射镜11安装在镜面支架10上，第五反射镜18安装在镜面支架19上，第三反射镜12、第四反射镜16安装在镜面支架15上面。将低通滤光镜14和窄带滤光镜17安装在镜面支架13上。调整总支架9和激发面的相对位置，同时联合调整总支架9与ICCD相机20位置以及ICCD的调焦镜头，使得ICCD相机透过窄带滤光镜17和低通滤光镜14，能够清晰完整地对激发面进行Mie散射光和荧光散射光两种光谱成像。

时序控制器21可以选DG535或其它控制时间精度不小于1nS的时序控制器。时序控制器21分别控制激光器1外触发接口和ICCD相机20的快门触发接口，使得在脉冲激光到达测量区域时，时序控制器启动相机快门并保持一段曝光时间，以便ICCD相机完成荧光散射光和Mie散射光成像。

得到了激发面的Mie散光光图像和荧光图像后，依据（式2）对这两种图像进行处理，最终得到雾场粒径在激发面上的分布数据，多次改变激光片与雾场的相对位置得到新的激发面，并调整成像光路与新激发面的相对位置，可以多个激发面双光谱图像，定标计算后，可以得到多个激发面的SMD粒径分布数据。

本发明未详细公开的部分属于本领域的公知技术。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (5)

1.一种利用双光谱成像进行雾场粒径平面分布测量的装置，其特征在于：该装置由四大部分组成：激光器（1）、时序控制器（21）、激光束转激光片光路以及成像光路，其中：

激光器（1）作为激光光源，产生激光束；

时序控制器（21）分别控制激光器外触发源和相机的快门控制端，使得在脉冲激光到达测量区域时，时序控制器启动相机快门并保持一段曝光时间，以便相机完成荧光散射光和Mie散射光成像；

激光束转激光片光路是将激光束（3）转换为激光片（7），激光束转激光片光路由第一反射镜（2）、凹柱面透镜（4）、凸透镜（5）和凸柱面透镜（6）组成，该激光束转激光片光路将束激光展成一定宽度和一定厚度的片激光；激光片（7）通过激发面，可以使激发面中的微液滴群受激发，产生荧光散射光和Mie散射光；

成像光路由Mie散射光成像光路和荧光散射光成像光路以及ICCD相机构成；荧光散射光成像光路由第二反射镜（11），第三反射镜（12）和低通滤光镜（14）组成，激发面中微液滴群发出荧光散射光和Mie散射光中的一部分被第二反射镜（11）反射至第三反射镜（12），然后由低通滤光镜（14）将波长与激光波长相等的Mie散射光滤除掉，而让波长比激发激光长的荧光通过，因此，光线经过低通滤光镜（14）而在ICCD相机（20）形成了半幅图像，这半幅图像是激发面的微液滴群发出的荧光散射光图像；Mie散射光成像光路由第四反射镜（16），第五反射镜（18）以及窄带滤光镜（17）组成，激发面中微液滴群发出荧光散射光和Mie散射光中的一部分被第五反射镜（18）反射至第四反射镜（16），然后由窄带带通滤光镜（17）将荧光滤除而让Mie散射光通过并被ICCD相机（20）成像，因此，光线经过窄带滤光镜（17）而在ICCD相机（20）形成了半幅图像，这半幅图像是激发面微液滴群散发出的Mie散射光图像；ICCD相机（20）每次拍一幅图像，图像的一半是由激发面的微液滴群发出的Mie散射光成的像，另一半是由激发面的微液滴群发出的荧光散射光成的像。

2.根据权利要求1所述的一种利用双光谱成像进行雾场粒径平面分布测量的装置，其特征在于：为了能够提供高能量密度的激光，以便使激发面中的雾滴群能够被激发出足够强的荧光散射光和Mie散射光，从而提高ICCD成像质量，采用脉冲激光器作为激光器（1）。

3.根据权利要求1所述的一种利用双光谱图像进行雾场粒径平面分布测量的装置，其特征在于：该激光束转激光片光路将激光束展成宽度在20mm-100mm之间，且厚度约为0.5mm的片激光。

4.根据权利要求1所述的一种利用双光谱成像进行雾场粒径平面分布测量的装置，其特征在于：通过成像光路，获得由半幅荧光散射光图像和半幅Mie散射光图像组成所需要拍摄的一幅图像，成像系统只需要一部ICCD相机。

5.根据权利要求4所述的一种利用双光谱成像进行雾场粒径平面分布测量的装置，其特征在于，所述的成像光路，包含两组平面反射镜，每组反射镜由两片反射镜组成，成像光路还包括一个用于滤除荧光而让Mie散射光通过的窄带带通滤光镜以及用于滤除Mie散射光而让荧光通过的低通滤光镜。