CN109060612A - 一种高精度宽尺寸粒子场测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高精度宽尺寸粒子场测量方法，该方法是基于双/多角度不同偏振态的IPI系统，同时记录粒子散射光产生的离焦条纹图，提取不同散射角区域所采集的条纹图的条纹数或条纹频率，计算得到粒子尺寸大小，可测的粒子尺寸范围，即为该双/多路系统可测的最小粒径和最大粒径区间。本发明的这种非接触测量方法具有原理简单、测量精度高、实用性强等特点，可用于喷雾粒子场、气溶胶粒子场测量。

Description

一种高精度宽尺寸粒子场测量方法

技术领域

本发明涉及粒子场测量技术领域，尤其涉及一种高精度宽尺寸粒子场测量方法。

背景技术

粒子广泛存在于工业生产和科学研究中，例如：喷雾、流体、石油、化工、环保、材料、水利、食品、航空航天、以及燃料燃烧等领域。粒子尺寸参数不仅对材料和产品的性能和质量有直接影响，还与优化工艺过程、降低能源消耗、减少环境污染等有着直接或间接的关系。因此粒子尺寸测试与诊断在工业、科研等领域具有重要的意义。目前已提出基于光学原理的多种粒子尺寸测量方法，其中的干涉粒子成像技术(IPI)是一种目前备受关注的粒子尺寸测量方法，其基本原理是基于Mie散射理论，通过测量粒子散射光干涉条纹图的条纹数/条纹频率，或聚焦两点像之间的距离得到粒子尺寸大小。该技术适用于透明球形粒子场测量。

对一给定的IPI系统，可测粒径范围和测量精度受限于系统参数。N.Damaschke等分析了最大和最小可测粒径(Exp.Fluids,2002,32(2):143-152)。由于粒子的直径d正比条纹数N。当N＝1时，即为可测量的最小粒径，最大可测粒子直径由Nyquist抽样定律决定。通常最小可测粒径约几微米，最大可测的粒径约～100微米。通过改变系统参数可以增大测量范围，这种方法有可能会降低测量精度，且可测粒径范围仍有限。对IPI技术，粒径测量精度与条纹对比度及其亮度有关。对宽尺寸粒子场，一方面，对相同的散射角，由于大粒子散射光强大于小粒子散射光强，很难同时记录到大粒径的条纹图和小粒径的条纹图。另一方面，大粒子条纹对比度较好的散射角区域与小粒子条纹对比度较好的散射角区域不一定相同，不管如何设计最佳的实验系统，都很难实现较宽范围的粒子场测量，如宽尺寸范围的喷雾场粒径同时测量。

发明内容

本发明提供了一种高精度宽尺寸粒子场测量方法，本发明提出了一种基于双/多角度不同偏振态的IPI系统，同时记录粒子散射光产生的离焦条纹图，提取不同散射角区域所采集的条纹图的条纹数或条纹频率，计算得到粒子尺寸大小，可测的粒子尺寸范围，即为双/多路系统可测的最小粒径和最大粒径区间，详见下文描述：

一种高精度宽尺寸粒子场测量方法，所述方法包括以下步骤：

1)片状光束照射粒子场，粒子发生散射，由成像透镜、探测器CCD组成的成像系统接收粒子的散射光，这一成像系统称为IPI系统；

2)在两或多个散射角区域，搭建IPI成像系统，同时记录粒子的离焦条纹图；

3)对上述两路或多路系统采集到的粒子离焦条纹图，提取条纹数N或条纹频率F，由如下公式计算得到粒子直径d：

式中，F＝N/Φ，Φ为粒子干涉图所占的像素数，θ为散射角，α为光学系统的收集角，λ为激光波长，m＝n/n₀＞1为相对折射率，n、n₀分别为粒子折射率和周围介质折射率；

4)该两路或多路系统可测的最大和最小值区间，即为可测的粒子尺寸范围。

所述散射角θ的选取根据粒子尺寸d和相对折射率m，选取条纹对比对高，且散射光强相对较大的散射区域。

所述每路系统的散射光偏振态是由条纹对比度和散射光强相对大小选取。进一步地，所述方法应用于气泡型粒子。

当所述方法应用于气泡型粒子时，由如下公式计算得到粒子直径d′：

其中，m＝n/n₀,n/n₀＜1。

本发明提供的技术方案的有益效果是：

1、本方法采用两或多个IPI系统，利用不同散射角和偏振态，同时记录粒子散射光产生的离焦条纹图，实现宽尺寸范围的粒子场测量；

2、本方法的粒径测量由于采用不同的记录系统，使小粒子的条纹图和大粒子的条纹图，既具有较好的条纹对比度，又具有相对较高的亮度，从而具有较高的测量精度，可用于喷雾粒子场测量。

附图说明

图1为本发明的一种高精度宽尺寸粒子场测量系统具体实例光路示意图；

其中，1为激光器，2为扩束准直系统，3为光束压缩系统，4为粒子场，5为成像镜头，6为偏振片，7为CCD。

图2为记录的标准粒子离焦条纹图；

其中，(a)为散射角70°垂直偏振光时的离焦条纹图；(b)为散射角90°平行偏振光时的离焦条纹图。

图3为本发明的一种高精度宽尺寸粒子场测量系统具体实例的流程图；

图4为基于图3的流程图，对水滴粒子的模拟结果。

其中，(a)为散射角70°时垂直偏振光的模拟结果；(b)为散射角85°时平行偏振光的模拟结果。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。

实施例1

一种高精度宽尺寸粒子场测量方法，参见图1-图4，该测量方法包括以下步骤：

一、搭建光路系统

按照图1所示搭建光路系统，包括：激光器1、扩束准直系统2、光束压缩系统3、粒子场4、成像镜头5、偏振片6、以及CCD 7。

激光器1为波长λ＝532nm，最大功率为1.5W的垂直偏振的半导体激光器。激光器1发出的细光束经扩束准直系统2的扩束、滤波、准直处理后，再经两个柱透镜组成的光束压缩系统3压缩为片状光束。

成像透镜5为尼康50mmf/1.8D的定焦镜头，CCD 7的像素数为2448×2048，像素尺寸为6.45μm×6.45μm。成像透镜5收集粒子散射光，在离焦像面上形成干涉条纹图，记录在CCD 7上，偏振片6改变散射光的偏振态。

粒子场4的粒径为9.7μm和51μm的聚苯乙烯标准粒子，折射率为1.59，实验时将其悬浮于去离子水中，收集角为10°，可以保证很高的测量精度。

在散射角70°区域，成像透镜5收集粒子散射光，CCD 7记录粒子垂直偏振光产生的离焦条纹图，如图2(a)所示。在散射角90°区域，成像透镜5收集粒子散射光，CCD 7记录粒子水平偏振光所形成的离焦条纹图，如图2(b)所示，曝光时间为20ms。粒径较大的粒子其散射光较大，粒径为9.7μm的A粒子只在图2(a)中看到，在图2(b)中由于其散射光相对较小，条纹图亮度很低，无法提取其条纹图的条纹频率，因而无法测量。

粒径为51μm的B粒子在图2(a)和2(b)中均可看到，提取条纹数N，计算可得到粒子直径。但在图2(a)中亮度很高，比B粒子大的粒子，如直径100μm粒子将会饱和，无法测量。对平行偏振光，粒径100μm粒子条纹图的亮度将比51μm的B粒子高，即可实现对尺寸的测量。结合两个角度和不同偏振态，即可扩展可测量粒子尺寸的范围。值得注意的是，这里的组合并不唯一，可以两个角度的偏振光均为垂直光，也可以选择其他散射角。

实施例2

按图3的流程图进行了模拟，图4给出了一组模拟实验结果。图4(a)为散射角70°，散射光为垂直偏振光时的模拟结果，可测粒径范围为10μm-100μm，图4(b)为散射角85°，散射光为平行偏振光时的模拟结果，可测粒径范围30μm-600μm。对图4(a)所对应的系统，更适合于小粒径颗粒的测量，粒径200μm和250μm的粒子，无法提取其条纹图的条纹频率。对图4(b)所对应的系统，更适合于大粒径颗粒的测量，粒径800μm的条纹图，无法提取到条纹频率。结合图4(a)和图4(b)所对应的系统，可测的粒径范围即为10μm-600μm。

本发明实施例对各器件的型号除做特殊说明的以外，其他器件的型号不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。

本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种高精度宽尺寸粒子场测量方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

1)片状光束照射粒子场，粒子发生散射，由成像透镜、探测器CCD组成的成像系统接收粒子的散射光，这一成像系统称为IPI系统；

2)在两或多个散射角区域，搭建IPI成像系统，同时记录粒子的离焦条纹图；

3)对上述两路或多路系统采集到的粒子离焦条纹图，提取条纹数N或条纹频率F，由如下公式计算得到粒子直径d：

式中，F＝N/Φ，Φ为粒子干涉图所占的像素数，θ为散射角，α为光学系统的收集角，λ为激光波长，m＝n/n₀,n/n₀＞1为相对折射率，n、n₀分别为粒子折射率和周围介质折射率；

4)该两路或多路系统可测的最大和最小值区间，即为可测的粒子尺寸范围。

2.根据权利要求1所述的一种高精度宽尺寸粒子场测量方法，其特征在于，所述散射角θ的选取根据粒子尺寸d和相对折射率m，选取条纹对比对高，且散射光强相对较大的散射区域。

3.根据权利要求1所述的一种高精度宽尺寸粒子场测量方法，其特征在于，所述每路系统的散射光偏振态是由条纹对比度和散射光强相对大小选取。

4.根据权利要求1所述的一种高精度宽尺寸粒子场测量方法，其特征在于，所述方法应用于气泡型粒子。

5.根据权利要求4所述的一种高精度宽尺寸粒子场测量方法，其特征在于，当所述方法应用于气泡型粒子时，由如下公式计算得到粒子直径d′：

其中，m＝n/n₀,n/n₀＜1。