CN108444877B - 一种用于测量液滴的相位粒子干涉成像方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于测量液滴的相位粒子干涉成像方法及装置。所述相位粒子干涉成像方法包括：将由激光器发射的激光束经由光束扩束器扩束后，用柱透镜在一个方向汇聚调制成片光源；液滴在片光源内运动并产生前向散射光，采用散射光成像系统及相机记录，获得液滴的时间分辨前向散射光条纹图；标定液滴的前向散射光的绝对散射角度，得到前向散射光散射角；分析处理时间分辨前向散射光条纹图，获得液滴粒径和粒径变化。所述相位粒子干涉成像装置包括激光片光源入射系统、散射光成像系统以及信号处理系统。所述的相位粒子干涉成像方法及装置克服了现有离焦粒子干涉成像技术仅能测量球形液滴粒径的缺陷，能同时测量粒子尺寸及其粒径变化。
Description
技术领域
本发明涉及喷雾液滴测量领域，具体涉及一种用于测量液滴的相位粒子干涉成像方法及装置。
背景技术
喷雾及雾化液滴具有广泛的工业应用，比如包括内燃机、航空发动机和液体火箭在内的各种喷雾燃烧动力系统，食品与生物工程的喷雾制药与干燥，喷雾燃烧合成的纳米材料制备，以及喷雾冷却和吸收等。在这些过程中，喷雾液滴与环境介质存在传热传质等各种物理化学反应，典型的如蒸发、冷凝、加热及冷却。由于液滴质量的变化甚至在热胀冷缩的作用下，液滴的粒径在一个小的时间尺度内也发生微小变化。
已有的液滴测量技术可以分为接触式测量和非接触光学测量两大类。接触式测量方法，如沉降法、冻结法、溶腊法等，会对原有液滴流场产生干扰破坏，只能测量其粒径且误差大，无法实现其液滴粒径变化测量。非接触光学测量方法不干扰液滴液滴场，且具有精度高、快速测量等优点，近年发展了几种针对液滴粒径测量的光学方法和仪器。
相位多普勒技术能够高精度同时测量球形透明均匀液滴粒径及其运动速度且无需标定，是液滴粒径测量的标准测量方法和设备；阴影法通过拍摄液滴的投影对液滴粒径进行直观测量；衍射法通过分析液滴前向衍射条纹的间距或频率来测量液滴大小；液滴全息成像法通过记录液滴的全息图，反演重建获得液滴的聚焦图像，测量液滴粒径；彩虹折射仪通过分析液滴在彩虹角附近的散射光强度来求取液滴粒径；耀斑成像法通过测量液滴的耀斑的距离来反推液滴大小。
离焦粒子干涉成像法测量液滴粒径时，其基本原理为：采用离焦成像系统记录液滴的一阶透射光和表面发射光在前向散射方向的干涉条纹，分析记录条纹的频率或者条纹间距来测量液滴粒径。这种方法最早由Konig等人提出用来测量二维稀相喷雾液滴场。后来，Kawaguchi等人通过采用柱透镜或者狭缝光阑将干涉条纹圆形区域压缩成细长方形区域，扩大了液滴测量浓度。近期，Shen等人设计特殊的象散成像系统来测量液滴的三维位置信息。
上述非接触式光学测量方法主要针对液滴粒径的测量，其中绝对测量精度一般不超过1微米，相对精度一般不超过1％。在液滴粒径变化测量时，相位多普勒技术由于是点测量而无能为力；其他上述图像法则采用拉格朗日粒子跟踪策略，对比不同时刻液滴粒径尺寸来求取其变化。但是对于实际运动液滴，粒径为5-300微米，在通过几毫米到几厘米测量视场时的几毫秒时间内，其粒径变化变化范围一般为1纳米到1微米。这个小尺寸粒径变化往往超出了上述方法和设备的测量精度，因而上述方法和设备无法测量这个液滴粒径变化。
到目前为止，缺乏同时测量微米尺度的液滴粒径及其纳米尺度粒径变化的方法和装置。这类方法和装置是深入研究并揭示喷雾液滴动力学的一个重要实验测试工具，对其进行开发具有重要意义和实用价值。
发明内容
本发明目的在于提供一种用于测量液滴的相位粒子干涉成像方法及装置，所述的相位粒子干涉成像方法及装置能同时测量液滴尺寸及其纳米尺度粒径变化，克服了现有离焦粒子干涉成像技术仅能测量微米尺度球形液滴粒径的缺陷。
一种用于测量液滴的相位粒子干涉成像方法，包括以下步骤：
(1)将由激光器发射的激光束经由光束扩束器扩束后，用柱透镜在一个方向汇聚调制成片光源；
(2)液滴在片光源内运动并产生前向散射光，采用散射光成像系统及相机记录，获得液滴的时间分辨前向散射光条纹图，其中前向散射角度位于30°到90°之间；
(3)标定液滴的前向散射光的绝对散射角度，得到前向散射光散射角；
(4)根据步骤(3)得到的前向散射光散射角，并分析时间分辨前向散射光条纹图的条纹间距或频率获得液滴粒径，分析时间分辨前向散射光条纹图在时间上的相移获得液滴粒径变化。
所述步骤(3)中标定前向散射光的绝对散射角度的方法包括以下步骤：
(3-1)将反射镜放置在测量区域，即运动液滴处；
(3-2)反射镜安装在高精度旋转位移台中心，转动旋转位移台，入射激光在反射镜上的反射光模拟不同角度的液滴散射光，并被相机记录在不同列；
(3-3)结合与反射镜反射激光与入射激光重合位置角度，可以获得相机记录的反射激光绝对角度，即前向散射光散射角。
所述步骤(3)中散射光条纹的频率与相移通过时间分辨前向散射光条纹图的互功率谱密度的幅度与相位来求取；所述互功率谱密度的幅度最大值处即为条纹频率，其可等效转换为条纹周期；所述互功率谱密度的相位在条纹周期处的值，即为散射光的相移。
进一步的，对标定过的两个时刻t1和t2液滴的前向散射光It1和It2减去其平均值，并进行归一化，然后计算其互功率谱密度Γrt(f)；互功率谱密度Γrt(f)的幅度最大值处fc即为条纹频率，其转换为条纹周期φπ，代入公式，并结合液滴折射率n，求得液滴粒径D；互功率谱密度Γrt(f)的相位在条纹周期fc处的值，即为前向散射光的相移Δφ，代入公式，即可获得粒径变化ΔD。
所述步骤(4)中液滴粒径的计算方法为：
其中，φπ为条纹周期，当相位差φδ变化2π时，记为φπ，θf为前向散射光散射角，n为液滴折射率，λ为激光波长。
所述步骤(4)中液滴粒径变化的计算方法为：
其中，λ为激光波长，θf为前向散射光散射角，n为液滴折射率，Δφδ为相移。
本发明还提供一种用于测量液滴的相位粒子干涉成像装置，所述相位粒子干涉成像装置包括激光片光源入射系统、散射光成像系统以及信号处理系统；所述激光片光源入射系统产生片光源；所述散射光成像系统采集液滴的前向散射光并记录液滴的时间分辨前向散射光条纹图；所述信号处理系统分析处理记录的时间分辨前向散射光条纹图，获得液滴的粒径及其粒径变化。
进一步的，所述激光片光源入射光路系统包括连续激光器或高频脉冲激光器，以及片光源调制组件。
所述片光源调制组件包括平凹柱透镜和平凸柱透镜。
所述连续激光器或高频脉冲激光器，产生小的激光光束，激光的强度可调；所述片光源调制组件，将激光器出射的小光束扩大并调制成片光源。
进一步的，所述的连续激光器的输出功率为100mW-10W。
进一步的，所述的高频脉冲激光器的工作频率范围在1kHz-1MHz内可调。
进一步的，所述的激光片光源平行，高度在1cm-10cm之间，厚度在0.5mm到2mm之间。
进一步的，所述的激光器为半导体激光器，波长在350nm到700nm可见光区域。
进一步的，所述液滴位于激光片光源束腰位置附近。
所述的散射光成像系统包括球透镜和高速线阵相机；所述高速线阵相机位于球透镜的后焦平面上，构成一个傅里叶成像系统；所述球透镜收集液滴的前向散射光；所述高速线阵相机用于将前向散射光在时间上分离，并记录液滴的时间分辨前向散射光条纹图。
进一步的，所述的球透镜的直径在3cm到10cm之间，焦距在0.5cm到15cm之间。
进一步的，所述的高速线阵相机的采集频率在5kHz到200kHz之间，记录液滴的动态前向散射光，获得相位粒子干涉成像的信号。
所述的散射光成像系统为象散成像系统；所述的散射光成像系统包括第一球透镜、水平狭缝、竖直狭缝、第二球透镜、柱透镜和面阵相机；调整第一球透镜的位置，使其收集液滴的前向散射光；水平狭缝位于第一球透镜的后焦平面，过滤液滴的前向散射光；竖直狭缝位于液滴在第一球透镜的像平面上，用于限制液滴运动轨迹；液滴的前向散射光通过第二球透镜与柱透镜到达面阵相机，得到液滴的时间分辨前向散射光条纹图。
所述面阵相机及象散成像系统在空间上将液滴的前向散射光分离。
进一步的，所述的第一球透镜的直径在5cm到10cm之间，焦距在5cm到15cm之间。
进一步的，所述的水平狭缝的高度在0.1mm到1mm之间，宽度不小于第一球透镜的半径。
进一步的，所述的竖直狭缝的宽度在0.1mm到1mm之间，高度不小于第一球透镜的半径。
进一步的，所述的第二球透镜的直径在5cm到10cm之间，焦距在3cm到15cm之间。
进一步的，所述的柱透镜的高度、宽度均不小于第二球透镜的半径，焦距在5cm到25cm之间。
进一步的，所述的面阵相机为CCD/CMOS电子感光相机，像素不小于100万。
本发明提供的用于测量液滴的相位粒子干涉成像方法及装置的基本原理为：记录液滴的时间分辨前向散射光条纹图，分析散射光条纹图的条纹间距或频率获得液滴截面尺寸，分析条纹在时间上的相移角度获得液滴粒径变化。
同时，结合粒子跟踪测速技术，获得液滴的运动速度。该技术可以应用于液滴蒸发特性、液滴冷凝特性等液滴动力学测量。
前向散射光主要包含两部分，穿过液滴的一阶透射光与在液滴表面反射的反射光。这两部分光由于具有不同路径，因而具有光程，其光程差引起两部分光散射，产生干涉条纹。以与入射光和出射光垂直但与液滴表面相切的平面AE和DG分别为入射参考面和出射参考面。透射光的路径为AB，BC和CD，其光程为：
Lp1＝LAB+LBC+LCD＝D(1-cosθ1+ncosθ2) (1)
其中θ1为折射光与液滴表面法线的入射角，θ2为入射光在液滴内部的折射角。
反射光的路径为EF和FG，其光程为：
Lp0＝LEF+LFG＝D(1-cosθ3) (2)
其中θ3为反射光的入射角。
透射光与反射光的光程差为：
Lδ＝Lp1-Lp0＝D(cosθ3-cosθ1+ncosθ2) (3)
与之对应的相位差为：
其中θf为前向散射角度。当相位差φδ变化2π时，记为φπ，干涉条纹变化一个周期。对相位差在前向散射角度θf进行泰勒级数展开，并取一次项，可得液滴粒径与条纹间距关系：
公式(4)同时也表明，当液滴粒径D变化时，在前向散射角θf处的相位差也会变化。公式(4)中对粒径D微分，整理可得：
公式(6)标明，液滴粒径变化ΔD与散射条纹的相位变化Δφδ成正比，其比例与液滴折射率n与前向散射角θf有关。
与现有技术相比，本发明提供的用于测量液滴的相位粒子干涉成像方法及装置可以对喷雾液滴粒的粒径、粒径变化以及蒸发速率进行多参数、多尺度的测量，其中液滴粒径大小为5-300微米之间，粒径变化为5纳米到5微米之间。
附图说明
图1为本发明提供的用于测量液滴的相位粒子干涉成像方法的原理示意图；
图2为对时间分辨前向散射光条纹图进行归一化的示意图；
图3为实施例1提供的用于测量液滴的相位粒子干涉成像装置中激光片光源入射系统和散射光成像系统的结构示意图；
图4为实施例2提供的用于测量液滴的相位粒子干涉成像装置中激光片光源入射系统和散射光成像系统的结构示意图。
具体实施方式
根据以上发明内容，结合附图，以下将对本发明提供的用于测量液滴的相位粒子干涉成像方法及装置通过实施例进行详细说明。
一种用于测量液滴的相位粒子干涉成像方法，包括以下步骤：
(1)将由激光器发射的激光束经由光束扩束器扩束后，用柱透镜在一个方向汇聚调制成片光源；
(2)液滴在片光源内运动并产生前向散射光，采用散射光成像系统及相机记录，获得液滴的时间分辨前向散射光条纹图，其中前向散射角度位于30°到90°之间；
(3)标定液滴的前向散射光的绝对散射角度，得到前向散射光散射角；
(4)根据步骤(3)得到的前向散射光散射角，并分析时间分辨前向散射光条纹图的条纹间距或频率获得液滴粒径，分析时间分辨前向散射光条纹图在时间上的相移获得液滴粒径变化。
所述步骤(3)中标定前向散射光的绝对散射角度的方法包括以下步骤：
(3-1)将反射镜放置在测量区域，即运动液滴处；
(3-2)反射镜安装在高精度旋转位移台中心，转动旋转位移台，入射激光在反射镜上的反射光模拟不同角度的液滴散射光，并被相机记录在不同列；
(3-3)结合与反射镜反射激光与入射激光重合位置角度，可以获得相机记录的反射激光绝对角度，即前向散射光散射角。
所述步骤(3)中散射光条纹的频率与相移通过时间分辨前向散射光条纹图的互功率谱密度的幅度与相位来求取；所述互功率谱密度的幅度最大值处即为条纹频率，其可等效转换为条纹周期；所述互功率谱密度的相位在条纹周期处的值，即为散射光的相移。
进一步的，如图2所示，对标定过的两个时刻t1和t2液滴前向散射光It1和It2减去其平均值，并进行归一化，然后计算其互功率谱密度Γrt(f)；互功率谱密度Γrt(f)的幅度最大值处fc即为条纹频率，其转换为条纹周期φπ，代入公式，并结合液滴折射率n，求得液滴粒径D；互功率谱密度Γrt(f)的相位在条纹周期fc处的值，即为前向散射光的相移Δφ，代入公式，即可获得粒径变化ΔD。
所述步骤(4)中液滴粒径的计算方法为：
其中，φπ为条纹周期，当相位差φδ变化2π时，记为φπ，θf为前向散射光散射角，n为液滴折射率，λ为激光波长。
所述步骤(4)中液滴粒径变化的计算方法为：
其中，λ为激光波长，θf为前向散射光散射角，n为液滴折射率，Δφδ为相移。
一种用于测量液滴的相位粒子干涉成像装置，所述相位粒子干涉成像装置包括激光片光源入射系统、散射光成像系统以及信号处理系统；所述激光片光源入射系统产生片光源；所述散射光成像系统采集液滴的前向散射光；所述信号处理系统分析处理记录的液滴干涉条纹信号，获得液滴的粒径及其粒径变化。
所述用于测量液滴的相位粒子干涉成像装置的测量过程包括：
(1)搭建激光片光源入射光路系统
将由激光器发射的激光束经由光束扩束器扩束后，用柱透镜在一个方向汇聚调制成片光源。
(2)散射光成像系统采集液滴的前向散射光
液滴在片光源内运动并产生散射光；采用高速离焦成像系统，记录获得液滴的时间分辨前向散射光条纹图。
(3)信号处理系统
分析液滴的时间分辨前向散射光条纹图，获得液滴的粒径及其粒径变化。
本发明提供的用于测量液滴的相位粒子干涉成像方法及装置，其原理如下：
如图1所示，前向散射光主要包含两部分，穿过液滴1的一阶透射光2与在液滴表面反射的反射光3。这两部分光由于具有不同路径，因而具有光程，其光程差引起两部分光散射，产生干涉条纹。以与入射光和出射光垂直但与液滴表面相切的平面AE和DG分别为入射参考面和出射参考面。透射光2的路径为AB，BC和CD，其光程为：
Lp1＝LAB+LBC+LCD＝D(1-cosθ1+ncosθ2) (1)
其中θ1为折射光与液滴表面法线的入射角，θ2为入射光在液滴内部的折射角。
反射光3的路径为EF和FG，其光程为：
Lp0＝LEF+LFG＝D(1-cosθ3) (2)
其中θ3为反射光的入射角。
透射光2与反射光3的光程差为：
Lδ＝Lp1-Lp0＝D(cosθ3-cosθ1+ncosθ2) (3)
与之对应的相位差为：
其中θf为前向散射角度。当相位差φδ变化2π时，记为φπ，干涉条纹变化一个周期。对相位差在散射角度θf进行泰勒级数展开，并取一次项，可得液滴粒径与条纹间距关系：
公式(4)同时也表明，当液滴粒径D变化时，在前向散射角θf处的相位差也在会变化。公式(4)中对粒径D微分，整理可得：
公式(6)标明，液滴粒径变化ΔD与散射条纹的相位变化Δφδ成正比，其比例与液滴折射率n与前向散射角θf有关。
实施例1
本发明提供一种用于测量液滴的相位粒子干涉成像装置，激光片光源入射系统和散射光成像系统的结构示意图如图3所示。
利用连续激光器1产生大功率激光束，其功率为5W；激光束通过由平凹柱透镜2和平凸柱透镜3构成的片光源组件，产生激光片光源4；调节片激光位置，照射到待测液滴5上，并且覆盖部分液滴运动轨迹6；调整球透镜7的位置，使其收集液滴5的前向散射光。
调整高速线阵相机14，使之位于球透镜7的后焦平面上。
其中，激光器为半导体激光器，波长为532nm可见光区域。
其中，激光片光源平行，高度为3cm，厚度为1mm。
其中，球透镜7的直径为7.5cm，焦距为10cm。
其中，高速线阵相机的采集频率为100kHz，记录液滴5的动态散射光，获得相位粒子干涉成像的信号。
在本实施例中，连续激光器1可以替换为与相机同步的高频脉冲激光器。
实施例2
如实施例1提供的用于测量液滴的相位粒子干涉成像装置，其不同之处在于激光片光源入射系统和散射光成像系统的结构示意图如图4所示。
利用连续激光器1产生激光束，其功率为1W；激光束通过由平凹柱透镜2和平凸柱透镜3构成的片光源组件，产生激光片光源4；调节片激光位置，照射到待测液滴5上，并且覆盖部分液滴运动轨迹6；调整第一球透镜7的位置，使其收集液滴5的前向散射光；水平狭缝8位于第一球透镜7的后焦平面，过滤液滴的前向散射光；竖直狭缝9位于液滴5的第一球透镜7的像平面上，用于限制液滴运动轨迹；之后，液滴的前向散射光通过第二球透镜10与柱透镜11到达面阵相机12，记录液滴的时间分辨散射光条纹图13。
柱透镜11水平放置，与第二球透镜10共同构成一个局部的象散成像系统，该系统在水平方向上的像平面位于第一球透镜4的后焦平面，即水平狭缝8处，而在竖直方向上位于竖直狭缝6的平面上，使得信号最强。
液滴在运动过程中不同高度处的前向散射光被记录在相机的不同行，为了记录其动态散射光，面阵相机的曝光时间比较长，可设为数毫秒。
在该实施例中，第一球透镜7、水平狭缝8、竖直狭缝9、第二球透镜10、柱透镜11与面阵相机12，共同构成象散成像系统，其特点为在水平方向上为液滴散射光傅里叶成像，在竖直方向上为液滴聚焦成像。
在该实施例中，液滴5可以替换为相同的液滴流，这样可以增强信号。
其中，第一球透镜7的直径为10cm，焦距为15cm。
其中，水平狭缝8的高度为0.5mm，宽度为5cm。
其中，竖直狭缝9的宽度为0.5mm，高度为5cm。
其中，第二球透镜10的直径为7.5cm，焦距为10cm。
其中，柱透镜11的高度、宽度均为5cm，焦距为10cm。
其中，面阵相机12为CCD/CMOS电子感光相机，像素为400万。
除上述实施例外，在本发明的权利要求书及说明书所公开的范围内，本发明的技术特征或技术数据可以进行重新选择及组合，从而构成新的实施例，这些都是本领域技术人员无需进行创造性劳动即可实现的，因此这些本发明没有详细描述的实施例也应视为本发明的具体实施例而在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种用于测量液滴的相位粒子干涉成像方法，包括以下步骤：
(1)将由激光器发射的激光束经由光束扩束器扩束后，用柱透镜在一个方向汇聚调制成片光源；
(2)液滴在片光源内运动并产生前向散射光，采用散射光成像系统及相机记录，获得液滴的时间分辨前向散射光条纹图，其中前向散射角度位于30°到90°之间；
(3)标定液滴的前向散射光的绝对散射角度，得到前向散射光散射角；
(4)根据步骤(3)得到的前向散射光散射角，并分析时间分辨前向散射光条纹图的条纹间距或频率获得液滴粒径，分析时间分辨前向散射光条纹图在时间上的相移获得液滴粒径变化；
所述方法采用的相位粒子干涉成像装置包括激光片光源入射系统、散射光成像系统以及信号处理系统；所述激光片光源入射系统产生片光源；所述散射光成像系统采集液滴的前向散射光并记录液滴的时间分辨前向散射光条纹图；所述信号处理系统分析处理记录的时间分辨前向散射光条纹图，获得液滴的粒径及其粒径变化；
所述激光片光源入射光路系统包括连续激光器或高频脉冲激光器，以及片光源调制组件；所述片光源调制组件包括平凹柱透镜和平凸柱透镜；
所述的散射光成像系统为象散成像系统；所述的散射光成像系统包括第一球透镜、水平狭缝、竖直狭缝、第二球透镜、柱透镜和面阵相机；
调整第一球透镜的位置，使其收集液滴的前向散射光；水平狭缝位于第一球透镜的后焦平面，过滤液滴的前向散射光；竖直狭缝位于液滴在第一球透镜的像平面上，用于限制液滴运动轨迹；液滴的前向散射光通过第二球透镜与柱透镜到达面阵相机，得到液滴的时间分辨前向散射光条纹图；
所述步骤(4)中液滴粒径D的计算方法为：
其中，φπ为条纹周期，当相位差φδ变化2π时，记为φπ，θf为前向散射光散射角，n为液滴折射率，λ为激光波长；
所述步骤(4)中液滴粒径变化ΔD的计算方法为：
其中，λ为激光波长，θf为前向散射光散射角，n为液滴折射率，Δφδ为相移。
2.根据权利要求1所述的用于测量液滴的相位粒子干涉成像方法，其特征在于，所述步骤(3)中标定前向散射光的绝对散射角度的方法包括以下步骤：
(3-1)将反射镜放置在测量区域，即运动液滴处；
(3-2)反射镜安装在高精度旋转位移台中心，转动旋转位移台，入射激光在反射镜上的反射光模拟不同角度的液滴散射光，并被相机记录在不同列；
(3-3)结合与反射镜反射激光与入射激光重合位置角度，可以获得相机记录的反射激光绝对角度，即前向散射光散射角。
3.根据权利要求1所述的用于测量液滴的相位粒子干涉成像方法，其特征在于，所述步骤(3)中散射光条纹的频率与相移通过时间分辨前向散射光条纹图的互功率谱密度的幅度与相位来求取；所述互功率谱密度的幅度最大值处即为条纹频率，其可等效转换为条纹周期；所述互功率谱密度的相位在条纹周期处的值，即为散射光的相移。
4.根据权利要求1所述的用于测量液滴的相位粒子干涉成像方法，其特征在于，所述象散成像系统在空间上将液滴的前向散射光分离。
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