CN103698256A

CN103698256A - 一种全场彩虹在线测量液体喷雾的方法和装置

Info

Publication number: CN103698256A
Application number: CN201310729284.3A
Authority: CN
Inventors: 吴学成; 岑可法; 陈玲红
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2013-12-25
Filing date: 2013-12-25
Publication date: 2014-04-02

Abstract

本发明涉及喷雾液滴参数测量技术，旨在提供一种全场彩虹在线测量液体喷雾的方法和装置；所述方法包括记录彩虹信号的光强、计算彩虹系数矩阵、演算粒径和折射率、演算全场彩虹并保存数据、以及对上述结果进行优化并重复，并最终得到得到喷雾的粒径分布、折射率，并结合事先折射率与溶液浓度、温度与组分的关系，得到液滴浓度、温度与组分；所述装置包括实现全场彩虹的喷雾系统、第一和第二透镜、小孔光阑、带有变焦镜头CCD相机和外接计算机处理系统的端口；本发明的有益效果是实现了喷雾液滴折射率、粒径及浓度、温度与组分等多参数同时测量；对系统进行紧凑化设计，便携带，现场操作性强，有利于彩虹技术在线实时测量的工业应用。

Description

一种全场彩虹在线测量液体喷雾的方法和装置

技术领域

本发明涉及喷雾液滴参数测量技术，具体涉及一种利用全场彩虹技术在线测量液体喷雾折射率、粒径及浓度、温度与组分的方法和装置。

背景技术

喷雾气液两相流在工业过程中有广泛应用，如喷雾燃烧、喷雾混合、喷雾吸收脱除污染物等，喷雾的雾化特性直接影响到燃烧、吸收或混合效率、污染物排放水平等。而喷雾流场中液滴粒径分布、速度、组分、浓度、温度等关键参数的检测对深入研究喷雾流场、优化喷雾系统具有重要科学意义和工业应用。因此发展在线测量液体喷雾参数的方法和装置是十分有必要的。

传统机械式方法多为接触式测量方法，如收集法、液滴固化法、熔蜡法、沉降法和压痕法等，这些方法操作简单，但是机械装置与喷雾场接触，会影响喷雾场结构。目前常用先进喷雾流场光学测试技术主要有阴影法、纹影法、激光Mie散射技术、相位多普勒分析仪、激光干涉成像粒径测量仪和粒子图像测速仪、数字全息技术、激光诱导荧光法等。阴影法与纹影法采用普通白光源，测量喷雾流场中密度梯度的变化，只能记录二维的喷雾特性。激光Mie散射技术受液滴形状和分布规律影响较大,只能获得测量区域中液滴粒径的平均值,同时其空间分辨率比较低,不能测量浓密度的喷雾场。PDA利用激光的多普勒效应，仅可以单点测量颗粒的粒径与三维速度；ILIDS和PIV只能测量喷雾流场的二维场。激光诱导荧光通过在液滴中加入荧光物质，通过用CCD测量激光激发出的荧光来分析液滴浓度，具有较高的时间和光谱分辨率，但是荧光剂的加入会改变液滴的理化性质而影响喷雾场。此外，激光诱导荧光法易受温度、压力、浓度以及荧光剂分子等因素影响，因此，该方法在实际应用中困难较多，精度不高。

所以，上述测量技术均无法同时、准确地获得喷雾液滴的折射率、粒径及浓度、温度与组分等关键参数。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，克服现有喷雾测量技术中的不足，提供一种全场彩虹在线测量液体喷雾的方法和装置。

为解决技术问题，本发明的解决方案是：

提供一种全场彩虹在线测量液体喷雾的方法，包括以下步骤：

（1）利用垂直偏振的半导体激光照射喷雾流场，喷雾颗粒彩虹角附近的散射光由透镜收集后，经傅里叶成像系统投射到CCD上，并记录彩虹信号的光强；

（2）利用Nussenzweig理论计算彩虹系数矩阵；

（3）利用非负最小二乘法反演粒径、折射率；

（4）计算反演的全场彩虹，并与原彩虹信号比较；如果收敛，则得到喷雾粒径分布和折射率，保存相应数据；

（5）如果步骤（4）中与原彩虹信号比较的结果不收敛，则对该结果进行Brent’sMethod优化，然后再重复步骤（2）至（4），以得到收敛结果，并最终得到得到喷雾的粒径分布、折射率，并结合事先获取的折射率与溶液浓度、温度与组分的标定关系，反推得到液滴的浓度、温度与组分。

本发明中还包括步骤：调整相机的曝光时间，记录多颗粒的散射光用于平滑高频纹波结构，即全场彩虹信号。

本发明进一步提供了用于实现前述方法的装置，包括用于实现全场彩虹的喷雾系统，还包括第一透镜、第二透镜、小孔光阑、带有变焦镜头的CCD相机，以及外接计算机处理系统的端口，CCD相机通过端口外接计算机处理系统；在第一透镜和第二透镜之间设反射镜以改变光路方向，小孔光阑位于第一透镜的像平面上，第二透镜的像平面与第一透镜的焦平面重合；第一透镜、第二透镜、反射镜和小孔光阑构成傅里叶成像系统，使第一透镜前表面的彩虹信号通过该成像系统投射到CCD上并被记录。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

（1）克服了传统喷雾液滴测量方法种种弊端，将全场彩虹技术应用到喷雾液滴的多参数测量中，提出了基于Nussenzveig理论的最优化单喷雾、多喷雾彩虹信号反演方法，真正实现了喷雾液滴折射率、粒径及浓度、温度与组分等多参数同时测量。

现有的测量技术均无法同时、准确地获得喷雾液滴的折射率、粒径及浓度、温度与组分等关键参数，而彩虹信号的散射角位置对折射率比较敏感且散射光强信号分布和粒径分布相关，所以可以通过分析彩虹信号得到液滴折射率和粒径分布两种参数。而折射率大小又随浓度、温度、组分变化而变化，所以可以通过折射率的测量值进一步反演得到浓度等参数，这些参数在科学研究和工业生产中具有重要作用。

（2）在原测量系统基于实验室、不便于现场测量的基础上，对该系统进行了紧凑化设计，便于携带，现场操作性强，有利于彩虹技术在线实时测量的工业应用。

附图说明

图1为本发明中测量系统的布置和测量原理示意图；

附图标记为：1喷雾系统；2低功率半导体连续激光器；3带有变焦镜头的CCD相机；4第一透镜；5反射镜；6小孔光阑；7第二透镜；8外接计算机处理系统的端口；

图2为本发明测量装置的操作面板图；

附图标记为：9光信号窗口；10反射镜调节旋钮；11总开关；12激光出射口；13激光器开关；

图3为全场彩虹信号处理算法流程图。

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。

如图1所示，本发明装置包括用于实现全场彩虹的喷雾系统1、第一透镜4、第二透镜7、小孔光阑6、带有变焦镜头的CCD相机3，以及外接计算机处理系统的端口8；在第一透镜4和第二透镜7之间设反射镜5以改变光路方向，小孔光阑6位于第一透镜4的像平面上，第二透镜7的像平面与第一透镜4的焦平面重合；第一透镜4、第二透镜7、反射镜5和小孔光阑6构成傅里叶成像系统，第一透镜4前表面的彩虹信号通过该成像系统投射到CCD上并被记录，CCD相机通过端口外接计算机处理系统。

本发明的双透镜组成傅里叶成像系统，在第一个透镜4与第二个透镜7中增加一个反射镜5，使光路旋转90度，使光路元器件位于长宽大致相等的矩形空间内，因而可以把整个彩虹测试系统的硬件封装在一个约60cm×80cm的矩形盒子中，形成紧凑式全场彩虹测试系统。系统外部操作面板如图2所示。计算机处理系统通过端口8控制全场彩虹系统对喷雾流场进行测试。紧凑式全场彩虹测试系统便于携带，方便现场安装测试，可以实现仪器化。

本发明使用垂直偏振的半导体激光照射喷雾流场，喷雾颗粒彩虹角（P=2，本实施例使用实验对象水和乙醇溶液，约为132°～147°）附近的散射光的被第一透镜4收集，第二透镜7的像平面与第一透镜4的焦平面重合，二者构成一个傅里叶成像系统，第一透镜4前表面的彩虹信号通过这个傅里叶成像系统被投射到CCD上并被记录。小孔光阑6位于测量区域在第一透镜4的像平面上，通过调节小孔光阑6的大小来控制测量区域的大小。调整相机的曝光时间，用于记录多颗粒的散射光来平滑高频纹波结构。对测量信号进行反演得到喷雾液滴的折射率、粒径分布。结合折射率与溶液浓度、温度的关系，反推液滴的浓度与温度。

采用光散射理论中的Lorenz-Mie理论作为标准，对彩虹信号反演算法理论——Nussenzveig理论进行物理理论上的检验修正，使得修正后Nussenzveig理论不但具有快速的计算速度且具有精确的计算结果，并将其用于喷雾全场彩虹信号的反演过程。

喷雾反演算法的流程图如图3所示。假设CCD记录的彩虹信号的光强为各个颗粒散射光的光强之和，应用Nussenzweig理论，对液滴折射率和粒径分布采用无分布函数算法进行最优化求解。采用非负最小二乘法（NNLS）对方程组求解，加入光顺因子r作为光顺约束，得到比较平滑的粒径分布；并用Brent’s Method对结果进行优化，得到折射率n和粒径分布D。并进一步依据的折射率、粒径和浓度、温度与组分的标定关系，可以完成实现对喷雾多参数的在线测量。

Claims

1.一种全场彩虹在线测量液体喷雾的方法，其特征在于，包括以下步骤：

（2）利用Nussenzweig理论计算彩虹系数矩阵；

（3）利用非负最小二乘法反演粒径、折射率；

（5）如果步骤（4）中与原彩虹信号比较的结果不收敛，则对该结果进行Brent’sMethod优化，然后再重复步骤（2）至（4），以得到收敛结果，并最终得到得到喷雾的粒径分布和折射率，并结合事先获取的折射率与溶液浓度、温度与组分的标定关系，反推得到液滴的浓度、温度与组分。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤（1）之后，还包括步骤：调整相机的曝光时间，记录多颗粒的散射光用于平滑高频纹波结构，即全场彩虹信号。

3.一种用于实现权利要求1所述方法的装置，包括用于实现全场彩虹的喷雾系统，其特征在于，还包括第一透镜、第二透镜、小孔光阑、带有变焦镜头的CCD相机，以及外接计算机处理系统的端口，CCD相机通过端口外接计算机处理系统；在第一透镜和第二透镜之间设反射镜以改变光路方向，小孔光阑位于第一透镜的像平面上，第二透镜的像平面与第一透镜的焦平面重合；第一透镜、第二透镜、反射镜和小孔光阑构成傅里叶成像系统，使第一透镜前表面的彩虹信号通过该成像系统投射到CCD上并被记录。