CN114166702B - 一种用于测量径向梯度分布液滴尺寸变化的差分相位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径向梯度分布液滴尺寸变化的差分相位干涉成像方法：记录前向和后向散射光信号、反演液滴粒径、从记录的前向和后向散射光信号中减去与主要光散射对应的直流分量以获得前向和后向干涉条纹、分别计算前向和后向干涉条纹的相移、最后根据相移差异和粒径变化的线性关系计算出对应的粒径变化和蒸发速率。本发明还公开了一种差分相位干涉成像装置：喷雾系统、激光发射单元、信号采集单元和信号处理单元。该方法及装置实现了对径向梯度分布液滴粒径及变化、蒸发率等参数的同时测量，从而分析液滴蒸发动力学过程，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
本发明涉及蒸发液滴测量领域，具体涉及一种用于测量径向梯度分布液滴尺寸变化的差分相位干涉成像方法及装置。
背景技术
液滴蒸发广泛存在于能源、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、药剂学中的喷雾干燥等。非平衡状态下液滴粒径等参数的微小变化，准确地反映了液滴与周围环境的热质交换速率，其测量和控制对深入研究液滴蒸发动力学，优化相关的模型与工业过程有重要意义。
本领域中常用的液滴尺寸变化测量技术大多基于拉格朗日法，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，上述方法无法实现该情况下液滴粒径和粒径变化的同时测量。而近期发展的相位干涉粒子成像技术和相位彩虹折射成像技术能够对均匀液滴的微小尺寸变化直接测量，且测量精度可以达到纳米级别，对液滴蒸发过程的研究有重要意义。
液滴的蒸发过程也是液滴与周围环境的热量和质量交换过程，由于扩散和对流，蒸发液滴内部会产生温度和浓度梯度，从而产生折射率梯度。液滴内部的折射率梯度会改变液滴内部光线传播的轨迹，因此在折射率梯度未知的情况下，现有的相位干涉粒子成像技术和相位彩虹折射成像技术无法对液滴尺寸变化进行精确地测量。
在此，我们考虑折射率沿径向对称分布的液滴，提出差分相位干涉成像方法及装置，可以实时、精确、非接触地实现径向梯度分布液滴微米级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，可为液滴蒸发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测量径向梯度分布液滴尺寸变化的差分相位干涉成像方法及装置，该方法及装置可以对液滴粒径及其变化和蒸发速率等参数同时测量，可以分析液滴蒸发动力学过程，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：
一种用于测量径向梯度分布液滴尺寸变化的差分相位干涉成像方法，包括以下步骤：
(1)使用激光器对测量光路进行散射光信号散射角度的标定，得到相机像素与测量点散射角之间的关系；
(2)用线性偏振的激光片光源照射测量液滴，液滴散射的前向散射光和后向彩虹散射的光信号通过光学系统单元后成像在相机的感光芯片上，并记录时间分辨的散射光信号，得到前向散射条纹图和后向彩虹条纹图；
(3)从步骤(2)得到的前向散射条纹图和后向彩虹条纹图中选取一对散射光信号进行反演，得到液滴的粒径；
(4)对步骤(2)记录的前向射光信号过滤掉光散射过程相对应的直流分量，获得前向高频干涉条纹；从后向彩虹散射光信号中滤波，过滤掉低频艾里彩虹分量，获得后向高频纹波干涉条纹；
(5)测量前向干涉条纹和后向高频纹波干涉条纹的相移，根据相移差异和粒径变化的线性关系，计算得到粒径变化大小；
(6)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(2)中片光源偏振方向为竖直方向且竖直偏振，且液滴竖直方向上运动，记录前向与后向散射光的相机布置在同一水平面上，其中前向散射光角度为后向彩虹散射光所对应的透射光的角度。
所述步骤(3)中前向散射光信号和后向彩虹信号反演的步骤为：根据散射光信号中条纹的频率或角间距计算液滴尺寸，液滴粒径的计算方法将球形液滴在单色激光照射下产生的前向散射条纹描述为一阶透射光和外部反射光的干涉，液滴粒径的计算方法为：
其中λ为激光波长，N为前向散射光信号中的条纹数，可以根据条纹频率计算得到，n为预估的液滴相对折射率，α为前向收集角，θ为前向散射角。
所述步骤(4)中液滴光散射滤波过程为，对记录的前向散射信号、彩虹信号进行傅里叶变换，选取在频谱上的高频峰值部分，对选取的高频峰值部分进行傅里叶逆变换，获得前向散射信号、后向彩虹信号的高频干涉条纹。
所述步骤(5)中相移差异和粒径变化的线性关系为：
其中λ为波长，θ1和θ3分别为引起前向散射条纹的一阶透射光和外部反射光的入射角，θ4为引起后向彩虹条纹的外部反射光的入射角，为二倍的前向光程差与后向光程差之间的差值对应的相位差。
所述步骤(6)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，O(ΔD2)为ΔD2二阶小量，可以忽略。
本发明还提供一种用于上述差分相位干涉成像方法的用于测量径向梯度分布液滴尺寸变化的差分相位干涉成像装置，所述差分相位干涉成像装置包括喷雾系统、激光发射单元、信号采集单元、信号处理单元；所述喷雾系统产生单个液滴，液滴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的前向和后向位置收集并记录液滴场散射的光信号，分别得到前向散射条纹图和后向彩虹条纹图；所述信号处理单元连接于信号采集单元之后，用于前向散射条纹图和后向彩虹条纹图的处理。
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由两部分组成，分别在前向和后向位置收集液滴场的散射光信号；每个部分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，前向散射光和后向彩虹散射的光信号分别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。
所述用于测量径向梯度分布液滴尺寸变化的差分相位干涉成像方法的具体原理如下：
径向梯度分布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前向散射光信号和后向彩虹信号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，……)。一阶透射光与平行于一阶透射光的外部反射光相干涉形成前向散射条纹图，前向散射光信号中的条纹数目与液滴粒径成正比。当忽略大于2阶的折射时，主彩虹可以被描述为：
第一项是二阶折射光的自干涉，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。
分析前向散射光和后向散射光主要部分的光路，根据几何光学关系可知，前向一阶透射光与外部反射光的光程差ΔLf和后向二阶折射光与外部反射光的光程差ΔLb都是液滴粒径(D)和折射率分布的函数。当液滴粒径产生微小变化时，光程差会相应地产生微小变化，从而导致光散射信号的相位变化：
其中下标q为f或b，λ为激光波长。由公式(2)可知，通过分析前向或后向高频干涉条纹的相移可以得到蒸发液滴粒径和折射率的微小变化信息。
对于折射率沿径向梯度分布的球形液滴，光在液滴内部的传播路径是曲线，在折射率分布未知的情况下，散射光的光程及光程差无法确定，因此液滴的微小尺寸变化无法通过单个角度的干涉条纹得到。通过计算二倍的前向光程差与后向光程差之间的差值，将液滴内部的光程消去：
ΔLdiff＝2ΔLf-ΔLb＝ΔD(2cosθ3-cosθ4-cosθ1) (3)
其中ΔD为测量液滴的尺寸变化，θ1和θ3分别为引起前向散射条纹的一阶透射光和外部反射光的入射角，θ4为引起后向彩虹条纹的外部反射光的入射角。与公式(3)中光程差相对应的相移差为：
将等式(3)代入公式(4)中并移项，可得：
公式(5)表明，液滴粒径变化ΔD与相移差成正比，即径向梯度分布液滴的粒径变化可以由前向和后向高频干涉条纹的相移差计算得到。基于以上原理，我们提出了差分相位干涉成像技术。
基于差分相位干涉成像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：本发明提供的用于测量径向梯度分布液滴尺寸变化的差分相位干涉成像方法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，从而分析液滴蒸发动力学过程，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；测量方法具有高精度、实时、非接触测量的优点，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；测量方法具有很广的适用范围，不仅可用于粒径为数十至数百微米液滴的测量，还能用于径向梯度分布的球形液滴的测量，适合扩展于广泛的工业化应用。
附图说明
图1为径向梯度分布液滴的散射光光路示意图；
图2为实施例提供的时间分辨的前向散射光信号的比较图；
图3为实施例提供的时间分辨的后向彩虹散射光信号的比较图；
图4为实施例提供的相移差异与粒径变化的线性关系图；
图5为实施例1提供的差分相位干涉成像装置中光路结构的俯视图；
图6为实施例1提供的差分相位干涉成像装置中后向彩虹光路结构的主视图。
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。
一种用于测量径向梯度分布液滴尺寸变化的差分相位干涉成像方法，包括以下步骤：
(1)使用激光器对测量光路进行散射光信号的散射角度标定，得到相机像素和液滴散射角之间的关系；
(2)用线性偏振的激光片光源照射测量液滴，液滴散射的前向和后向彩虹光信号通过光学系统单元后成像在相机的感光芯片上，并记录时间分辨的散射光信号，得到前向散射条纹图和后向彩虹条纹图；
(3)从步骤(2)得到的前向散射条纹图和后向彩虹条纹图中选取一对散射光信号进行反演，得到液滴的粒径和折射率；
(4)对步骤(2)记录的前向射光信号过滤掉光散射过程相对应的直流分量，获得前向高频干涉条纹；从后向彩虹散射光信号中滤波，过滤掉低频艾里彩虹分量，获得后向高频纹波干涉条纹；
(5)测量前向高频干涉条纹和后向高频纹波干涉条纹的相移，根据相移差异和粒径变化的线性关系，计算得到粒径变化大小；
(6)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的散射光光路如图1所示，1为液滴，2为透射光，3为折射光，4为平行于2的外部反射光，4’为平行于3的外部反射光。
步骤(2)中记录前向与后向散射光的相机布置在同一水平面上，其中前向散射光角度为后向彩虹散射光所对应的透射光的角度。
步骤(3)中前向散射光信号(图2)和后向彩虹信号(图3)反演的步骤为：根据散射光信号中条纹的频率计算液滴尺寸。
步骤(3)中液滴粒径的计算方法将球形液滴在单色激光照射下产生的前向散射条纹描述为一阶透射光和外部反射光的干涉，液滴粒径的计算方法为：
其中λ为激光波长，N为前向散射光信号中的条纹数，可以根据条纹频率计算得到，n为预估的液滴相对折射率，α为前向收集角，θ为前向散射角。
步骤(4)中液滴光散射滤波过程为，对记录的前向散射信号、彩虹信号进行傅里叶变换，选取在频谱上的高频峰值部分，对选取的高频峰值部分进行傅里叶逆变换，获得前向散射信号、彩虹信号的高频干涉条纹。步骤(4)中液滴主要光散射过程的计算方法为：采用米散射的德拜展开级数计算占主要信号的光散射过程，例如：外部反射光(p＝0)，一阶透射光(p＝1)和二阶折射光(p＝2)等。
步骤(5)中相移差异和粒径变化的线性关系为：
其中λ为波长，θ1和θ3分别为引起前向散射条纹的一阶透射光和外部反射光的入射角，θ4为引起后向彩虹条纹的外部反射光的入射角，为二倍的前向光程差与后向光程差之间的差值对应的相位差；以同样的方法对整个前向散射条纹图和后向彩虹条纹图进行计算，可得到如图4所示的相移差异与粒径变化的线性关系图。
步骤(6)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5、6所示，针对流动单液滴的差分相位干涉成像装置，包括喷雾系统-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和3’、线阵相机9和9’以及与线阵相机9和9’相连的信号处理单元；线阵相机9(9’)放置于球面透镜3(3’)的焦平面上，散射光信号通过球面透镜3(3’)进行收集并投射到线阵相机9(9’)的感光芯片上记录，得到时间分辨的后向和前向散射光信号。
其中，单液滴发生系统1产生的液滴粒径范围为20μm至500μm，液滴折射率在1.1到1.54之间，液滴的运动速度在0.1m/s到50m/s之间。
激光片光源2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。
球面透镜3和3’的直径在25mm到150mm之间，焦距在5mm到200mm之间；线阵相机9和9’的横向像素在1024到8192之间，采样频率不低于1kHz。
用上述差分相位干涉成像装置测量差分相位干涉的方法，包括以下步骤：
(1)使用激光器对测量光路进行散射光信号的散射角度标定，得到相机像素与测量点散射角之间的关系；
(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和3’分别到达相机9和9’感光芯片上，相机9和9’同步记录，得到后向彩虹条纹图和前向散射条纹图；
(4)用信号处理单元对步骤(3)得到的前向散射条纹图和后向彩虹条纹图进行处理，得到测量液滴的参数。
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)
1.一种用于测量径向梯度分布液滴尺寸变化的差分相位干涉成像方法，包括以下步骤：
(1)使用激光器标定前向与后向相机像素与测量点散射角之间的关系；
(2)单个液滴在片光源内运动，前向散射光和后向彩虹散射的光信号通过成像系统被相机记录，得到时间分辨的前向散射条纹图和后向彩虹条纹图；
(3)从步骤(2)得到的前向散射条纹图和后向彩虹条纹图中选取一对散射光信号进行反演，得到液滴的粒径；
(4)对步骤(2)记录的前向射光信号过滤掉光散射过程相对应的直流分量，获得前向高频干涉条纹；从后向彩虹散射光信号中滤波，过滤掉低频艾里彩虹分量，获得后向高频纹波干涉条纹；
(5)测量前向高频干涉条纹和后向高频纹波干涉条纹的相移，根据相移差异和粒径变化的线性关系，计算得到粒径变化大小ΔD；
(6)根据粒径D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所述的用于测量径向梯度分布液滴尺寸变化的差分相位干涉成像方法，其特征在于，所述步骤(2)中片光源偏振方向为竖直方向且竖直偏振，且液滴竖直方向上运动，记录前向与后向散射光的相机布置在同一水平面上，其中前向散射光角度为后向彩虹散射光所对应的透射光的角度。
3.根据权利要求1所述的用于测量径向梯度分布液滴尺寸变化的差分相位干涉成像方法，其特征在于，所述步骤(3)中前向散射光信号和后向彩虹信号反演的步骤为：根据散射光信号中条纹的频率计算液滴尺寸。
4.根据权利要求1所述的用于测量径向梯度分布液滴尺寸变化的差分相位干涉成像方法，其特征在于，所述步骤(5)中相移差异和粒径变化的线性关系为：
其中λ为波长，θ1和θ3分别为引起前向散射条纹的一阶透射光和外部反射光的入射角，θ4为引起后向彩虹条纹的外部反射光的入射角，为二倍前向光程差与后向光程差之间的差值对应的相位差。
5.根据权利要求1所述的用于测量径向梯度分布液滴尺寸变化的差分相位干涉成像方法，其特征在于，所述步骤(6)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，O(ΔD2)为ΔD2二阶小量。
6.一种用于权利要求1所述差分相位干涉成像方法的用于测量径向梯度分布液滴尺寸变化的差分相位干涉成像装置，其特征在于，所述差分相位干涉成像装置包括喷雾系统、激光发射单元、信号采集单元、信号处理单元；所述喷雾系统产生单个液滴，液滴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的前向和后向位置收集并记录液滴场散射的光信号，分别得到前向散射条纹图和后向彩虹条纹图；所述信号处理单元连接于信号采集单元之后，用于前向散射条纹图和后向彩虹条纹图的处理。
7.根据权利要求6所述的用于测量径向梯度分布液滴尺寸变化的差分相位干涉成像装置，其特征在于，所述的信号采集单元分别在前向和后向位置收集液滴场的散射光信号；每个部分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，前向/后向散射光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。
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| 干涉法测量气体温度场的深入研究;陈浩;况庆强;;江西师范大学学报(自然科学版)(02);第147-151页 * |
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