CN108507912A - 用于动态液滴物理参数测量的相位彩虹测量方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于动态液滴物理参数测量的相位彩虹测量方法及测量装置。所述相位彩虹测量方法包括记录彩虹信号、反演折射率和粒径的值、从记录彩虹信号中减去反演值对应的艾里彩虹以获得纹波结构、计算纹波结构间的相位差、最后根据相位差和粒径变化的关系计算出对应的粒径变化和蒸发速率。所述相位彩虹测量装置包括喷雾系统、激光发射单元、信号采集单元和信号处理单元。所述用于动态液滴物理参数测量的相位彩虹测量方法及装置实现了对动态液滴粒径及变化、折射率、温度等参数的同时测量，从而分析液滴动力学过程，实现喷雾冷却、液滴燃烧等过程的在线测量；测得的液滴粒径变化还可以用于计算瞬时蒸发速率。
Description
技术领域
本发明涉及喷雾液滴测量领域，具体涉及一种用于动态液滴物理参数测量的相位彩虹测量方法及装置。
背景技术
液滴和喷雾广泛存在于能源、化工等工业领域的多种应用中，如汽车和航空燃烧系统中液体燃料的喷雾燃烧、食品工业中的喷雾干燥等。准确地测量并控制动态液滴的关键参数，对改善上述装置的性能有重要的指导作用。本领域中已有多种用于测量喷雾场中液滴参数的技术。传统的接触式测量方法有：浸液法、跟踪法、沉降法、冻结法、溶腊法和瞬时取样法等，上述方法会对原流场产生破坏，造成误差，且应用局限性较大，难以适应当前的高精度测量需求。
而非干扰式的先进光学测量方法，例如激光多普勒测速技术、光散斑测速技术、粒子图像测速技术、双色激光诱导荧光法、激光诱导磷光法、平面激光诱导荧光法等方法均难以实现对雾化液滴的粒径、浓度、组分和温度等关键参数同时、准确、多点的测量。与上述测量技术相比，彩虹测量技术能够精确实时地测量雾化液滴的粒径、温度(或成分)及其演变规律，对于雾化气液两相流机理的揭示具有重要意义。
非平衡状态下的液滴性质(如粒径)的微小变化，准确地反映了液滴与周围环境的热质交换速率，这对研究相关的物理化学过程是非常重要的。现有的全场彩虹、一维彩虹等彩虹测量技术采用拉格朗日法测量液滴变化，对测量区域内的研究液滴进行多个高频采样，跟踪测量液滴的绝对大小。但拉格朗日法只适用于较大尺寸的变化，在实际瞬态蒸发测量的应用中，液滴参数变化很小，甚至会小于当前测量技术的分辨率。因此，上述方法都无法实现该情况下液滴粒径和粒径变化的同时测量，不利于彩虹技术的推广应用和液滴蒸发率的测量。
在此，我们考虑对粒径变化进行直接测量，提出相位彩虹测量方法与装置，可以实时、精确、非接触地实现微米级液滴粒径及纳米级粒径变化、折射率和蒸发速率等参数的在线测量，可为液滴动力学的研究提供更好的测试工具，对进一步监测、优化相关的工业设备具有重要意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于动态液滴物理参数测量的相位彩虹测量方法及装置，所述用于动态液滴物理参数测量的相位彩虹测量方法及装置可以对动态液滴粒径及变化、折射率和蒸发速率等参数同时测量，可以分析液滴动力学过程，实现喷雾冷却、液滴燃烧等过程的在线测量。
本发明为解决上述技术问题，采用的具体技术方案是：
一种用于动态液滴物理参数测量的相位彩虹测量方法，包括以下步骤：
(1)使用激光器对光路进行彩虹信号高度及散射角度的标定，得到相机像素与测量点高度和散射角之间的关系；
(2)用线性偏振的激光片光源照射液滴场，液滴散射的彩虹信号通过光学系统单元后成像在相机的感光芯片上，并记录时间分辩的彩虹信号，得到相位彩虹图像；
(3)从步骤(2)得到的相位彩虹图像中选取一对彩虹信号，即参考彩虹信号和目标彩虹信号；
(4)对参考彩虹信号和目标彩虹信号进行反演，得到液滴的粒径和折射率；
(5)根据步骤(4)得到的粒径和折射率计算参考彩虹信号和目标彩虹信号的艾里彩虹，从参考彩虹信号和目标彩虹信号中减去艾里彩虹，获得参考纹波结构和目标纹波结构；
(6)通过交叉功率谱密度CPSD确定参考纹波结构和目标纹波结构的相位差，根据相位差和粒径变化的线性关系，计算得到粒径变化大小；
(7)根据粒径和时间间隔Δt内的粒径变化ΔD计算蒸发速率。
所述步骤(4)中参考彩虹信号和目标彩虹信号反演的步骤为：采用复角动量彩虹理论求解液滴的折射率和粒径，并采用布伦特法对结果进行优化，计算得到折射率和粒径。
所述步骤(4)中液滴的粒径和折射率的计算方法，将均匀球形液滴在单色激光照射下产生的主彩虹描述为:
其中p为米散射的德拜展开级数，外部反射光(p＝0)，二阶折射光(p＝2)；式中第一项为折射光的自干涉，对应于艾里彩虹，该项的角度位置对折射率很敏感，可以用来测量折射率；主彩虹的散射角为：
液滴的粒径可以通过艾里彩虹的强度分布和纹波结构的角间距来联合测量；其中液滴粒径与主彩虹散射角处纹波结构的角间距关系为：
其中n为折射率，λ为波长，Φrg为彩虹角处纹波结构的角间距。
所述步骤(5)中的艾里彩虹的计算方法为：将粒径和折射率的反演值代入主彩虹公式的第一项中，计算得到艾里彩虹。
所述步骤(6)中相位差和粒径变化的线性关系为：
其中n为折射率，λ为波长，Δφd，rg为纹波结构的相位差。
所述步骤(7)中蒸发速率的计算公式为：
其中，D为粒径，ΔD为时间间隔Δt内的粒径变化。
本发明还提供一种用于上述相位彩虹测量方法的用于动态液滴物理参数测量的相位彩虹测量装置，所述相位彩虹测量装置包括喷雾系统、激光发射单元、信号采集单元、信号处理单元；所述喷雾系统产生液滴场，液滴场用激光发射单元产生的片光源进行照射；所述信号采集单元在液滴场附近收集并记录液滴场散射的彩虹信号，得到相位彩虹图像；所述信号处理单元接收信号采集单元发送的彩虹信号，进行相位彩虹图像的处理。
所述激光发射单元包括激光器、调制元件和台架系统三部分，激光片光源的线性偏振，波长在350nm到700nm的可见波段之间，激光器的功率在100mW到5W之间。
所述的信号采集单元包括球面透镜和线阵相机，线阵相机放置于球面透镜的焦平面上，彩虹信号通过球面透镜进行收集并投射到线阵相机的感光芯片上记录。
上述信号采集单元的配置方式适用于流动的单液滴。
球面透镜的直径为25mm-150mm，焦距为5mm-200mm；线阵相机的横向像素为1024-8192，采样频率不低于1kHz。
所述的信号采集单元包括两个球面透镜、一个柱透镜、水平线光阑、竖直线光阑以及面阵相机，液滴散射的彩虹光依次通过第一球面透镜、水平线光阑、竖直线光阑、第二球面透镜及柱透镜后进入面阵相机，其中：
水平线光阑位于第一球面透镜的后焦平面处，形成一维光学滤光器；
竖直线光阑放置于液滴的成像平面处，定义了测量区域；
第二球面透镜将水平线光阑的像投射到面阵相机的感光芯片上记录；
柱透镜位于第二球面透镜和面阵相机之间，用于扩展彩虹光，并将不同高度液滴散射的彩虹光成像到面阵相机感光芯片的不同行上。
上述信号采集单元的配置方式适用于流动的单液滴以及液滴场。
所述的第一球面透镜和第二球面透镜的直径为50mm-150mm，焦距为40mm-200mm；所述的水平线光阑线宽为0.1mm-1mm，所述的竖直线光阑线宽为0.1mm-1mm；所述的面阵相机的像素为1M-16M，采样频率不低于1Hz。
所述用于动态液滴物理参数测量的相位彩虹测量方法的具体原理如下：
均匀球形液滴对于环境介质的折射率为n，其在单色激光照射下产生的主彩虹可以用米散射理论精确地描述。散射过程可以等效地记为具有不同级数p的德拜级数，例如，反射(p＝0)，透射(p＝1)以及不同阶次的折射(p＝2，3，4，……)。忽略大于2阶的折射，主彩虹可以描述为：
第一项是折射光的自干涉，对应于艾里彩虹；该项的角度位置对折射率很敏感，因此被用来测量折射率。第二项是折射与反射之间的干涉，对应于纹波结构。第三项是外表面的反射，其强度小且相对平坦，可以忽略不计。
分析彩虹光两个主要部分(折射和外部反射)的光路，根据几何光学关系可知，由光程差Ld引起的两光路的相位差(φd)是取决于折射率(n)，液滴直径(D)和取样散射角(θb)的多元函数。沿着散射角(θb)的相位变化产生了一组明暗交替的条纹，即纹波结构，其角间距(Φb)可以通过在θb的泰勒展开来获得：
式中，λ是在环境介质中的入射波长，θ1和θ3分别为折射和反射光线的入射角。
彩虹角(θrg)处纹波结构的角间距(фrg)可以表示为：
由公式(3)可知，纹波结构的角间距与液滴尺寸成反比，因此可用于液滴尺寸的测量。
彩虹角处折射和外部反射光的相位差为：
在公式(4)中，相位差是液滴直径的线性函数，这表明相位随着液滴尺寸的变化线性移动。对公式(4)两边进行微分并移项，可得：
ΔD＝crgΔφd，rg (5)
其中系数(crg)为：
经上述分析可知，彩虹测量技术可以由艾里彩虹的角度位置(公式(1)的第一项)反演折射率，结合艾里彩虹的形状和纹波结构(公式(1)的第一和第二项)反演液滴大小。且公式(5)表明，液滴尺寸的变化可以由纹波结构(公式(1)的第二项)的相移计算得到。基于以上原理，我们提出了相位彩虹测量技术。
基于相位彩虹技术测量的液滴粒径D及其在时间间隔Δt内的变化ΔD，可以获得液滴瞬态蒸发率
本发明的有益效果在于：本发明提供的用于动态液滴物理参数测量的相位彩虹测量方法及装置克服了现有技术中不能同时测量液滴粒径及瞬态微小变化的缺陷，实现了对动态液滴粒径及其变化、折射率和蒸发速率等参数的同时测量，从而分析液滴动力学过程，实现喷雾冷却、液滴燃烧等过程的在线测量；测量方法具有高精度、实时、非接触测量的优点；测量装置具有结构简单、价格低廉等特点。
本发明提供的用于动态液滴物理参数测量的相位彩虹测量方法及装置测得的液滴粒径变化精度较高，且准确性不受液滴大小的影响；可应用于粒径为数十至数百微米的液滴，适合扩展于广泛的工业化应用；测得的液滴粒径变化还可以用于计算瞬时蒸发速率，这对深入研究相关的物理、化学过程，监测及优化相关的工业设备具有重要意义。
附图说明
图1为液滴散射彩虹光光路示意图；
图2为实施例1提供的相位彩虹测量装置中光路结构的主视图；
图3为实施例1提供的相位彩虹测量装置中光路结构的俯视图；
图4为实施例2提供的相位彩虹测量装置中光路结构的主视图；
图5为实施例2提供的相位彩虹测量装置中光路结构的俯视图；
图6为信号处理单元处理相位彩虹图像的流程图；
图7为实施例3中参考彩虹信号和目标彩虹信号的比较图；
图8为实施例3中参考彩虹信号优化拟合的反演过程；
图9为实施例3中参考纹波结构和目标纹波结构的比较图；
图10为实施例3中纹波结构的相移角与粒径变化的线性关系图。
具体实施方式
下面通过实施例，并结合附图对本发明技术方案的具体实施方式作进一步的说明。
一种用于动态液滴物理参数测量的相位彩虹测量方法，包括以下步骤：
(1)使用激光器对光路进行彩虹信号高度及散射角度的标定，得到相机像素与测量点高度和散射角之间的关系；
(2)用线性偏振的激光片光源照射液滴场，液滴散射的彩虹信号通过光学系统单元后成像在相机的感光芯片上，并记录时间分辩的彩虹信号，得到相位彩虹图像；
(3)从步骤(2)得到的相位彩虹图像中选取一对彩虹信号，即参考彩虹信号和目标彩虹信号；
(4)对参考彩虹信号和目标彩虹信号进行反演，得到液滴的粒径和折射率；
(5)根据步骤(4)得到的粒径和折射率计算参考彩虹信号和目标彩虹信号的艾里彩虹，从参考彩虹信号和目标彩虹信号中减去艾里彩虹，获得参考纹波结构和目标纹波结构；
(6)通过交叉功率谱密度CPSD确定参考纹波结构和目标纹波结构的相位差，根据相位差和粒径变化的线性关系，计算得到粒径变化大小；
(7)根据粒径和时间间隔Δt内的粒径变化ΔD计算蒸发速率。
其中，光源照射液滴场时液滴散射彩虹光的光路示意图如图1所示，1为液滴，2为外部反射光，3为折射光。
所述步骤(4)中参考彩虹信号和目标彩虹信号反演的步骤为：采用复角动量彩虹理论求解液滴的折射率和粒径，并采用Brent方法对结果进行优化，计算得到折射率和粒径。
所述步骤(4)中液滴的粒径和折射率的计算方法为：将均匀球形液滴在单色激光照射下产生的主彩虹描述为:
其中p为级数，反射(p＝0)，二阶折射(p＝2)；式中第一项为折射光的自干涉，对应于艾里彩虹，该项的角度位置对折射率很敏感，可以用来测量折射率；粒径的测量公式为：
其中n为折射率，λ为波长，Φrg为彩虹角处纹波结构的角间距。
所述步骤(5)中的艾里彩虹的计算方法为：将粒径和折射率的反演值代入主彩虹公式的第一项中，计算得到艾里彩虹。
所述步骤(6)中相位差和粒径变化的线性关系为：
其中n为折射率，λ为波长，Δφd，rg为纹波结构的相位差。
所述步骤(7)中蒸发速率的计算公式为：
其中，D为粒径，ΔD为时间间隔Δt内的粒径变化。
实施例1
如图2、3所示，针对流动单液滴的相位彩虹测量装置，包括用于实现相位彩虹的喷雾系统-单液滴发生系统1、用于照射液滴场的激光片光源2、球面透镜3、线阵相机9以及与线阵相机9相连的信号处理单元；线阵相机9放置于球面透镜3的焦平面上，彩虹信号通过球面透镜3进行收集并投射到线阵相机9的感光芯片上记录，得到时间分辨的彩虹光信号。
其中，单液滴发生系统1产生的液滴粒径为100μm，液滴折射率为1.33，液滴的运动速度为25m/s。
激光片光源2的线性偏振，波长为532nm的可见波段，激光器的功率为2.5W。
球面透镜3的直径为100mm，焦距为100mm；线阵相机9的横向像素为4096，采样频率为100kHz。
用上述相位彩虹测量装置测量相位彩虹的方法，包括以下步骤：
(1)使用激光器对光路进行彩虹信号高度及散射角度的标定，得到相机像素与测量点高度和散射角之间的关系；
(2)打开单液滴发生系统1，液滴从喷嘴向上喷射，调整液滴场至稳定状态；
(3)开启激光器，经调制产生波长为532nm的线性偏振的连续激光片光源2，用其照射液滴场的测量区域，只有平行于x-z平面的散射光经过球面透镜3到达相机9感光芯片上记录，得到相位彩虹图像；
(4)用信号处理单元对步骤(3)得到的相位彩虹图像处理，处理方法如图6所示。
实施例2
如图4、5所示，针对液滴场的相位彩虹测量装置，喷雾系统为液滴发生系统1，彩虹信号采集部分由球面透镜4、水平线光阑5、竖直线光阑6、球面透镜7、柱透镜8以及面阵相机9构成，其余和实施例1相同。
彩虹信号由球面透镜4收集，水平线光阑5位于球面透镜4的后焦平面处，且与透镜中心高度相同，形成选择性透光的一维光学滤光器；竖直线光阑6位于液滴场的成像平面处，以定义测量区域；球面透镜7将水平线光阑的像投射于面阵相机9的感光芯片上记录；柱透镜8在球面透镜7和面阵相机9之间，用于扩展彩虹光，并将不同高度液滴散射的光成像到面阵相机9的感光芯片的不同行上。
其中，球面透镜4和球面透镜7的直径为100mm，焦距为150mm；水平线光阑线宽为0.5mm，竖直线光阑线宽为0.5mm；面阵相机9的像素为4M，采样频率为10Hz。
实施例3
如实施例1提供的测量装置，测量得到直径为100μm的单液滴在532nm激光片光源照射下、采样频率为100kHz下的相位彩虹图像，用信号处理单元处理相位彩虹图像，其流程图并按如图6。
从相位彩虹图像中选取一对彩虹信号进行预处理，即归一化处理，得到如图7所示的参考彩虹信号和目标彩虹信号。
对参考彩虹信号和目标彩虹信号进行反演，计算得到彩虹信号的最佳拟合，此时液滴的折射率为1.3297，粒径为99.7μm。
该粒径和折射率下的艾里彩虹也可以计算得到，参考彩虹信号的最佳拟合和艾里彩虹如图8所示，计算得到彩虹信号的最佳拟合，此时液滴的折射率为1.3297，粒径为99.7μm。
从参考彩虹信号和目标彩虹信号中减去艾里彩虹，获得参考纹波结构和目标纹波结构，如图9所示；绘制参考纹波结构和目标纹波结构的交叉功率谱密度(CPSD)图，确定参考纹波结构和目标纹波结构的相移角为-67.5°，计算得到粒径变化为40.72nm。
以同样的方法计算相位彩虹图像的第一行中每个纹波结构相对于参考纹波结构的相移角，得到如图10所示的纹波结构的相移角与粒径变化的线性关系图，同时，根据粒径变化与时间的关系可以计算得到蒸发速率。
上述是结合实施例对本发明作出的详细说明，但是本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其它任何在本发明专利核心指导思想下所作的改变、替换、组合简化等都包含在本发明专利的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种用于动态液滴物理参数测量的相位彩虹测量方法，包括以下步骤：
(1)使用激光器对光路进行彩虹信号高度及散射角度的标定，得到相机像素与测量点高度和散射角之间的关系；
(2)用线性偏振的激光片光源照射液滴场，液滴散射的彩虹信号通过光学系统单元后成像在相机的感光芯片上，并记录时间分辩的彩虹信号，得到相位彩虹图像；
(3)从步骤(2)得到的相位彩虹图像中选取一对彩虹信号，即参考彩虹信号和目标彩虹信号；
(4)对参考彩虹信号和目标彩虹信号进行反演，得到液滴的粒径和折射率；
(5)根据步骤(4)得到的粒径和折射率计算参考彩虹信号和目标彩虹信号的艾里彩虹，从参考彩虹信号和目标彩虹信号中减去艾里彩虹，获得参考纹波结构和目标纹波结构；
(6)通过交叉功率谱密度CPSD确定参考纹波结构和目标纹波结构的相位差，根据相位差和粒径变化的线性关系，计算得到粒径变化大小；
(7)根据粒径和时间间隔Δt内的粒径变化ΔD计算蒸发速率。
2.根据权利要求1所述的用于动态液滴物理参数测量的相位彩虹测量方法，其特征在于，所述步骤(4)中参考彩虹信号和目标彩虹信号反演的步骤为：采用复角动量彩虹理论求解液滴的折射率和粒径，并采用布伦特法对结果进行优化，计算得到折射率和粒径。
3.根据权利要求1所述的用于动态液滴物理参数测量的相位彩虹测量方法，其特征在于，所述步骤(6)中相位差和粒径变化的线性关系为：
其中n为折射率，λ为波长，Δφd，rg为纹波结构的相位差。
4.根据权利要求1所述的用于动态液滴物理参数测量的相位彩虹测量方法，其特征在于，所述步骤(7)中蒸发速率的计算公式为：
其中，D为粒径，ΔD为时间间隔Δt内的粒径变化。
5.一种用于权利要求1所述相位彩虹测量方法的用于动态液滴物理参数测量的相位彩虹测量装置，其特征在于，所述相位彩虹测量装置包括喷雾系统、激光发射单元、信号采集单元、信号处理单元；所述喷雾系统产生液滴场，液滴场用激光发射单元产生的片光源进行照射；所述信号采集单元在液滴场附近收集并记录液滴场散射的彩虹信号，得到相位彩虹图像；所述信号处理单元接收信号采集单元发送的彩虹信号，进行相位彩虹图像的处理。
6.根据权利要求5所述的用于动态液滴物理参数测量的相位彩虹测量装置，其特征在于，所述的信号采集单元包括球面透镜和线阵相机；线阵相机放置于球面透镜的焦平面上，彩虹信号通过球面透镜进行收集并投射到线阵相机的感光芯片上记录。
7.根据权利要求5所述的用于动态液滴物理参数测量的相位彩虹测量装置，其特征在于，所述的信号采集单元包括两个球面透镜、一个柱透镜、水平线光阑、竖直线光阑以及面阵相机；液滴散射的彩虹光依次通过第一球面透镜、水平线光阑、竖直线光阑、第二球面透镜及柱透镜后进入面阵相机，其中：
水平线光阑位于第一球面透镜的后焦平面处，形成一维光学滤光器；
竖直线光阑放置于液滴的成像平面处，定义了测量区域；
第二球面透镜将水平线光阑的像投射到面阵相机的感光芯片上记录；
柱透镜位于第二球面透镜和面阵相机之间，用于扩展彩虹光，并将不同高度液滴散射的彩虹光成像到面阵相机的感光芯片的不同行上。
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