CN114858664A - 一种燃油雾化特性测试系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种燃油雾化特性测试系统及方法，包括狭缝调节装置、激光显微成像装置和液滴识别单元；狭缝调节装置用于对直流式喷嘴产生的喷雾进行分割，一次拍摄只保留狭缝中需要测量的一个喷雾局部区域，激光显微成像装置用于对每次分割后的喷雾局部区域进行拍摄得到局部的微观阴影图像，通过狭缝装置获得喷雾其余局部区域的微观阴影图像，激光显微成像装置多次拍摄，得到多张微观阴影图像；液滴识别单元用于对微观阴影图像中的多形态液滴进行识别并统计液滴粒径和速度信息，得到喷雾整体雾化特性，从而保证燃油雾化特性测量的精确性。
Description
技术领域
本发明属于发动机燃油雾化试验技术领域，尤其涉及一种燃油雾化特性测试系统及方法。
背景技术
液体燃料的直喷燃烧模式广泛应用于各类发动机内，其中，燃油雾化装置则是影响其燃烧性能进而决定发动机技术水平的关键。发动机中燃油经雾化装置喷嘴射入燃烧室内雾化形成喷雾体，对于燃油雾化特性的测量一直是研究的热点。
雾化装置尤其是直流式喷嘴(例如液体火箭发动机中的气液同轴式直流喷嘴，船用以及车用发动机中的孔式直流喷嘴等)产生的喷雾往往会同时出现喷雾浓密区和稀疏区。对于液相浓度较低的稀疏区，目前的测试技术能有效的诊断其雾化特性，但是相比于稀疏区，浓密区内液-液、气-液相互作用更为剧烈，液滴形态更为复杂多变(有细长的液丝，非球形液滴以及球形液滴)，对喷嘴整体雾化水平的影响更为明显。但是，浓密区液相浓度较高，透光性差，大大限制了测试技术在该区域的应用，导致目前浓密区雾化特性的试验数据严重缺乏且可信度不高，雾化机理不清。因此对于直流式喷嘴整体雾化特性的精确测试，是目前亟待解决的问题。
发明内容
针对上述技术问题，本发明提供一种燃油雾化特性测试系统及方法，通过狭缝调节装置分割喷雾体，利用螺旋放大原理，通过调节旋钮可精确控制狭缝距离，只保留部分区域，可以有效提高喷雾浓密区的透光性；通过激光显微成像装置更直观、真实反映喷雾体内部雾化液滴形态；通过液滴识别单元可对多形态液滴识别，结果更加准确，从而保证燃油雾化特性测量的精确性。
本发明的技术方案是：
一种燃油雾化特性测试系统，包括狭缝调节装置、激光显微成像装置和液滴识别单元；
所述狭缝调节装置用于对直流式喷嘴产生的喷雾进行分割，一次拍摄只保留狭缝中需要测量的一个喷雾局部区域，所述激光显微成像装置用于对每次分割后的喷雾局部区域进行拍摄得到局部的微观阴影图像，通过所述狭缝装置获得喷雾其余局部区域的微观阴影图像，激光显微成像装置多次拍摄，得到多张微观阴影图像；
所述液滴识别单元用于对微观阴影图像中的多形态液滴进行识别并统计液滴粒径和速度信息，得到喷雾整体雾化特性。
上述方案中，所述狭缝调节装置包括壳体、固定刀片、可移动刀片、轴向刻度、周向刻度、调节旋钮和调节螺杆；
所述壳体设有固定刀片和可移动刀片，固定刀片的一端安装在壳体内，另一端与可移动刀片相对，可移动刀片安装在调节螺杆位于壳体内的一端，调节螺杆的另一端设有调节旋钮，调节旋钮与调节螺杆螺纹连接；固定刀片与可移动刀片之间能够形成狭缝；所述调节螺杆上设有轴向刻度，调节旋钮上设有周向刻度，轴向刻度和周向刻度配合用于测量固定刀片与可移动刀片之间狭缝的宽度。
进一步的，所述固定刀片、可移动刀片相对的一端均向上翘起。
进一步的，所述调节旋钮旋转一周调节螺杆便沿着旋转轴线方向前进或后退一个螺距的距离。
上述方案中，所述激光显微成像装置包括双脉冲激光器、激光扩束器、长焦显微镜、CCD相机、同步控制器和计算机；
所述双脉冲激光器与激光扩束器连接，激光扩束器与长焦显微镜位置相对，长焦显微镜和CCD相机连接，CCD相机与计算机连接，同步控制器分别与双脉冲激光器、CCD相机和计算机连接。
一种根据所述燃油雾化特性测试系统的测试方法，包括以下步骤：
步骤S1、喷雾分割：对喷嘴产生的喷雾通过狭缝调节装置进行分割，只保留狭缝中需要测量的一个局部区域；
步骤S2、喷雾拍摄：利用激光显微成像装置对分割后的喷雾进行拍摄得到局部的微观阴影图像；
步骤S3、多形态液滴识别：通过液滴识别单元对微观阴影图像中的多形态液滴进行识别提取，通过对微观阴影图像中液滴像素点的计数与坐标分析，得到多形态液滴的粒径和速度；
步骤S4、重复上述步骤S1～S3，利用狭缝装置获得其余局部区域的微观阴影图像，进而得到喷雾整体雾化特性。
上述方案中，所述步骤S1喷雾分割具体为：
将所述狭缝调节装置放置在喷嘴下方，通过狭缝调节装置在喷嘴喷出的喷雾下方设置一条狭缝，通过狭缝可以测量喷雾的局部区域。
上述方案中，所述步骤S2喷雾拍摄具体包括以下步骤：
步骤S2.1、连接利用激光显微成像装置的激光器和扩束器，连接长焦显微镜和相机；
步骤S2.2、将狭缝装置固定刀片刀口处平移到喷嘴下方，且刀口中心对准喷嘴，通过转动旋钮调节狭缝宽度；
步骤S2.3、将激光器、喷雾、CCD相机呈一条水平直线放置在光学平台上；
步骤S2.4、将微量标定尺放置在喷嘴正下方，调节长焦显微镜，焦距对准微量标定尺，计算机控制同步器，不给喷嘴触发信号，只给激光器和CCD相机触发信号，拍摄微量标定尺，根据标定尺轴向刻度所占的像素点数，计算拍摄窗口实际像素点大小λ；
步骤S2.5、拿掉微量标定尺，将激光器和CCD相机调节为双脉冲双曝光模式，同样不给喷嘴触发信号，只拍摄背景图片；
步骤S2.6、调节同步控制器，设置激光延迟时间T，按照时序给喷嘴、激光器和CCD相机触发信号拍摄图片；
步骤S2.7、在同一个测试位置进行多次重复试验，设置每次拍摄间隔时间和总拍摄次数。
上述方案中，所述步骤S3多形态液滴识别包括以下步骤：
步骤3.1液滴识别：所述液滴识别单元将拍摄到的微观阴影图像进行去背景处理，转为灰度图，将图像进行采样，扫描得到像素点，此时得到一个数字矩阵，该数字矩阵是一个二维结构的数据，行坐标为i,列坐标为j，(i,j)为像素点在图像数字化后矩阵中的坐标，f(i,j)为对应像素点上的像素值；对图像应用两步阈值分割算法，计算高强度阈值Hp以上的像素数nH和低强度阈值Lp以上的像素数nL，并根据像素点坐标位置(i,j)筛除离散的像素点，剩余像素点聚集在一起识别为液滴；根据像素点坐标采用最小二乘圆法计算液滴圆度值，筛除圆度值低于预设值的液滴，
步骤3.2算法修正：首先是边界修正，设定液滴的检测条件为液滴的所有边界完全落入视窗范围内才能被检测到，边界修正系数表示为：
式中：W——窗口宽度/m；H——窗口高度/m；Di——液滴粒径/m；
其次是景深修正，设定粒径修正系数α，计算公式为
式中，fmax为最大像素值，f(i,j)为对应像素点上的像素值，n为像素点数；
根据液滴像素点坐标确定液滴形态，结合圆度设定修正系数β，计算公式为
β＝R0.94
步骤3.3计算液滴直径：根据高强度阈值Hp以上的像素数nH和低强度阈值Lp以上的像素数nL，结合微量标定尺标定的像素点实际大小λ确定液滴的投影面积S，然后结合修正系数α、β确定最终液滴的实际当量直径，计算公式为：
S＝λ2(nH+nL)/2
d＝pBorderαβ
式中，d为液滴实际当量直径；
步骤3.4计算液滴速度：激光器和CCD相机采用的双脉冲双曝光模式，通过两张微观阴影图片中液滴对像素点的坐标位置确定液滴的位移，再与两张微观阴影图片的拍摄间隔时间做比，即可得到液滴的速度。
上述方案中，在进行液滴速度计算之前，对微观阴影图像的每一帧应用分级算法，识别两帧微观阴影图片的液滴对，根据最初设置的偏移量确定液滴位移后窗口的中心位置，只有在窗口内和当直径偏差在给定范围内的液滴才会被识别，根据所选择的检测遍数，分级算法有不同的工作模式：
当passes＝1，此时为单检测模式，算法只会检测一遍液滴偏移量和粒径变化；
当passes＝2，3，…，此时为多次检测模式，算法会多次检测液滴，每检测一次算法会将此次的偏移量耦合成前几次的平均偏移量，作为下一次的窗口检测参数。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明狭缝调节装置分割喷雾体，利用螺旋放大原理，通过调节旋钮可精确控制狭缝距离，只保留部分区域，可以有效提高喷雾浓密区的透光性；本发明激光显微成像装置，相比于目前的测试系统更能直观、真实反映喷雾体内部雾化液滴形态；本发明液滴识别单元可对多形态液滴识别，结果更加准确。
附图说明
图1为本发明一实施方式的测试系统结构流程图。
图2为本发明一实施方式的狭缝调节装置示意图。
图3为本发明一实施方式的狭缝调节示意图。
图4为本发明一实施方式的激光显微成像装置结构图。
图5为本发明一实施方式的喷雾阴影图像。
图6为本发明一实施方式的微量标定尺示意图。
图7为本发明一实施方式的同步器控制信号。
图8为本发明一实施方式的喷雾整体雾化特性试验示意图。
图9为本发明一实施方式的液滴识别程序算法流程图。
图10为本发明一实施方式的液滴速度计算示意图。
图11为本发明一实施方式的测试系统拍摄标准粒子图。
图12为本发明一实施方式的试验结果与液滴统计数量无关性验证图。
图13为本发明一实施方式的标准粒径非球形液滴阴影图。
图中，1、壳体，2、固定刀片，3、移动刀片，4、狭缝，5、轴向刻度，6、周向刻度，7、调节旋钮，8、调节螺杆，9、脉冲激光器，10、激光扩束器，11、直流式喷嘴，12、分割前喷雾体，13、长焦显微镜，14、CCD相机，15、同步控制器，16、计算机，17、分割后喷雾体，18、激光光束。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”、“轴向”、“径向”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
图1所示为所述燃油雾化特性测试系统的一种较佳实施方式，所述燃油雾化特性测试系统包括狭缝调节装置、激光显微成像装置和液滴识别单元；所述狭缝调节装置用于对直流式喷嘴产生的喷雾进行分割，一次拍摄只保留狭缝中需要测量的一个喷雾局部区域，所述激光显微成像装置用于对每次分割后的喷雾局部区域进行拍摄得到局部的微观阴影图像，通过所述狭缝装置获得喷雾其余局部区域的微观阴影图像，激光显微成像装置多次拍摄，得到多张微观阴影图像；所述液滴识别单元用于对微观阴影图像中的多形态液滴进行识别并统计液滴粒径和速度信息，得到喷雾整体雾化特性。
如图2和3所示，所述狭缝调节装置包括壳体1、固定刀片2、可移动刀片3、轴向刻度5、周向刻度6、调节旋钮7和调节螺杆8；所述壳体1设有固定刀片2和可移动刀片3，固定刀片2的一端安装在壳体1内，另一端与可移动刀片3相对，可移动刀片3安装在调节螺杆8位于壳体1内的一端，调节螺杆8的另一端设有调节旋钮7，调节旋钮7与调节螺杆8螺纹连接；固定刀片2与可移动刀片3之间能够形成狭缝4；所述调节螺杆8上设有轴向刻度5，调节旋钮7上设有周向刻度6，轴向刻度5和周向刻度6配合用于测量固定刀片2与可移动刀片3之间狭缝4的宽度。
所述固定刀片2、可移动刀片3相对的一端均向上翘起。
所述调节旋钮7旋转一周调节螺杆8便沿着旋转轴线方向前进或后退一个螺距的距离。
如图3所示，所述激光显微成像装置包括双脉冲激光器9、激光扩束器10、长焦显微镜13、CCD相机14、同步控制器15和计算机16；所述双脉冲激光器9与激光扩束器10连接，激光扩束器10与长焦显微镜13位置相对，长焦显微镜13和CCD相机14连接，CCD相机14与计算机16连接，同步控制器15分别与双脉冲激光器9、CCD相机14和计算机16连接。
一种根据所述燃油雾化特性测试系统的测试方法，包括以下步骤：
步骤S1、喷雾分割：对喷嘴产生的喷雾通过狭缝调节装置进行分割，只保留狭缝中需要测量的一个局部区域；
步骤S2、喷雾拍摄：利用激光显微成像装置对分割后的喷雾进行拍摄得到局部的微观阴影图像；
步骤S3、多形态液滴识别：通过液滴识别单元对微观阴影图像中的多形态液滴进行识别提取，通过对微观阴影图像中液滴像素点的计数与坐标分析，得到多形态液滴的粒径和速度；
步骤S4、重复上述步骤S1～S3，利用狭缝装置获得其余局部区域的微观阴影图像，进而得到喷雾整体雾化特性。
所述步骤S1喷雾分割具体为：
将所述狭缝调节装置放置在喷嘴12下方，通过狭缝调节装置在喷嘴12喷出的喷雾下方设置一条狭缝4，通过狭缝4可以测量喷雾的局部区域。
所述步骤S2喷雾拍摄具体包括以下步骤：
步骤S2.1、连接利用激光显微成像装置的激光器9和扩束器10，连接长焦显微镜13和相机14；
步骤S2.2、将狭缝装置固定刀片2刀口处平移到喷嘴下方，且刀口中心对准喷嘴，通过转动旋钮7调节狭缝4宽度；
步骤S2.3、将激光器9、喷雾17、CCD相机14呈一条水平直线放置在光学平台上；
步骤S2.4、将微量标定尺放置在喷嘴12正下方，调节长焦显微镜13，焦距对准微量标定尺，计算机16控制同步器15，不给喷嘴12触发信号，只给激光器9和CCD相机14触发信号，拍摄微量标定尺，根据标定尺轴向刻度所占的像素点数，计算拍摄窗口实际像素点大小λ；
步骤S2.5、拿掉微量标定尺，将激光器9和CCD相机14调节为双脉冲双曝光模式，同样不给喷嘴12触发信号，只拍摄背景图片；
步骤S2.6、调节同步控制器15，设置激光延迟时间T，按照时序给喷嘴12、激光器9和CCD相机14触发信号拍摄图片；
步骤S2.7、在同一个测试位置进行多次重复试验，设置每次拍摄间隔时间和总拍摄次数。
所述步骤S3多形态液滴识别包括以下步骤：
步骤3.1液滴识别：所述液滴识别单元将拍摄到的微观阴影图像进行去背景处理，转为灰度图，将图像进行采样，扫描得到像素点，此时得到一个数字矩阵，行坐标为i,列坐标为j，(i,j)为像素点在图像数字化后矩阵中的坐标，f(i,j)为对应像素点上的像素值；对图像应用两步阈值分割算法，计算高强度阈值Hp以上的像素数nH和低强度阈值Lp以上的像素数nL，并根据像素点坐标位置(i,j)筛除离散的像素点，剩余像素点聚集在一起识别为液滴；根据像素点坐标采用最小二乘圆法计算液滴圆度值，筛除圆度值低于预设值的液滴，
步骤3.2算法修正：首先是边界修正，设定液滴的检测条件为液滴的所有边界完全落入视窗范围内才能被检测到，边界修正系数表示为：
式中：W——窗口宽度/m；H——窗口高度/m；Di——液滴粒径/m；
其次是景深修正，设定粒径修正系数α，计算公式为
式中，fmax为最大像素值，f(i,j)为对应像素点上的像素值，n为像素点数；
根据液滴像素点坐标确定液滴形态，结合圆度设定修正系数β，计算公式为
β＝R0.94
步骤3.3计算液滴直径：根据高强度阈值Hp以上的像素数nH和低强度阈值Lp以上的像素数nL，结合微量标定尺标定的像素点实际大小λ确定液滴的投影面积S，然后结合修正系数α、β确定最终液滴的实际当量直径，计算公式为：
S＝λ2(nH+nL)/2
d＝pBorderαβ
式中，d为液滴实际当量直径；
步骤3.4计算液滴速度：激光器9和CCD相机14采用的双脉冲双曝光模式，得到间隔时间很短的两张微观阴影图片，通过确定的液滴形态可识别出这两张连续微观阴影图片中的液滴对，通过两张微观阴影图片中液滴对像素点的坐标位置确定液滴的位移，再与两张微观阴影图片的拍摄间隔时间做比，即可得到液滴的速度。
在进行液滴速度计算之前，对微观阴影图像的每一帧应用分级算法，识别两帧微观阴影图片的液滴对，根据最初设置的偏移量确定液滴位移后窗口的中心位置，只有在窗口内和当直径偏差在给定范围内的液滴才会被识别，根据所选择的检测遍数，分级算法有不同的工作模式：
当passes＝1，此时为单检测模式，算法只会检测一遍液滴偏移量和粒径变化；
当passes＝2，3，…，此时为多次检测模式，算法会多次检测液滴，每检测一次算法会将此次的偏移量耦合成前几次的平均偏移量，作为下一次的窗口检测参数。
下面以直流式喷嘴的燃油雾化特性测试为例，详细描述本发明的实施例：
对于直流式喷嘴雾化特性的测试现有技术存在三个难点：喷雾中心液相浓度高、透光性较差和液滴形态多变，导致目前几乎所有的测量技术无法准确的诊断雾化液滴信息。通过本发明可以提高直流式喷嘴雾化特性的测量精度。
本实施例中，提供了一种适用于直流式喷嘴的燃油雾化特性测试系统，根据各组成结构的功能及运行中的相互关系，该系统主要分为三个子系统，分别是：狭缝调节装置、激光显微成像装置、液滴识别单元，各子系统包括不同实验设备和数据处理程序。
本实施例中，燃油雾化特性测试系统的测试方法流程为：
直流式喷嘴产生的喷雾利用狭缝调节装置进行分割，只保留需要测量的很窄的一个局部区域；利用激光显微成像装置对分割后的喷雾进行拍摄得到局部的微观阴影图像；利用液滴识别单元对阴影图像中的多形态液滴进行识别并统计液滴粒径和速度信息。重复上述步骤，利用狭缝装置获得其他局部区域微观图像，进而得到喷雾整体雾化特性。
参见图2和3，狭缝调节装置其功能为分割喷雾，只保留部分区域，例如喷雾体中心浓密区，提升了光线穿透度，可有效解决直流式喷嘴喷雾中心液相浓度高、透光率较差的问题。
所述固定刀片2固定在壳体1上，不可移动；可移动刀片3连接调节螺杆8可相对于固定刀片2移动；固定刀片2和可移动刀片3相对的一端均向上翘起的特殊形状可以防止液滴由于撞击壁面再次飞溅混入到狭缝4中，保证经过狭缝4后的喷雾只有待测量区域.
所述轴向刻度5、周向刻度6和调节旋钮7，用来精确控制狭缝4的间距，该结构依据螺旋放大的原理制成，即调节螺杆8在螺母中旋转一周，调节螺杆8便沿着旋转轴线方向前进或后退一个螺距的距离。调节螺杆8链接移动刀片3，因此，狭缝4的间距就能用轴向刻度5读数和圆周上周向刻度6的读数表示出来。
根据本实施例，优选的，精密螺纹的螺距是0.5mm，周向刻度6有50个等分刻度，周向刻度旋转一周，移动刀片3可前进或后退0.5mm，因此旋转每个小分度，相当于移动刀片3前进或推后0.5/50＝0.01mm。可见，周向刻度6每一小分度表示0.01mm，所以狭缝4的间距可准确到0.01mm，可移动距离为0-5mm。
参见图4，激光显微成像装置用于拍摄喷雾微观图像，获得最直观的喷雾液滴阴影图像。阴影图像示意图参见图5。
图4中直流式喷嘴11产生的初始喷雾12经过狭缝调节装置分割后的喷雾17。
根据本实施例，优选的，所述激光器9为双脉冲激光器，波长为532nm，每个脉冲持续时间为4ns，能量为220mJ，两束脉冲的最短间隔时间为1μs。利用激光极高的光强以及极短的光脉冲可瞬间冻结视窗，防止高速运动的液滴出现拖影，并且较强的光能量可以穿透喷雾被CCD相机14捕捉，可有效解决透光性差的难点问题。激光扩束器10连接激光器9，功能是将激光射出的点光变为均匀面光，进而照亮喷雾场，使得喷雾场具有一个均匀的入射光强，通常形状为圆形，直径5-10mm。
长焦显微镜13连接高分辨率的CCD相机14，捕捉喷雾微观图像。CCD相机14配合双脉冲激光器，调节为双曝光模式，即一次拍摄可获得间隔时间很短，通常为几个微秒的两张图片。长焦显微镜13的工作距离为560-1520mm，焦平面至显微镜前端。
相机拍摄视窗大小以及单个像素点的实际大小λμm/pixel通过微量标定尺进行标定，如图6所示，优选的，尺子总长为5mm，最小刻度为25μm，标定后图像大小为2mm x 2mm左右。
所述计算机16连接CCD相机14，储存拍摄图像。同时，计算机16连接同步控制器15，发出控制信号。同步控制器15模仿发动机ECU(Engine Control Unit)工作，提供直流式喷嘴11的驱动信号。驱动信号参数可以用户自行输入，包括喷嘴电磁阀开启信号、喷油持续期、电磁阀关闭信号，能够根据使用者的指令驱动被测喷嘴工作。同步控制器15同时输出触发信号到激光器9、直流式喷嘴11、CCD相机14，通过调节三个信号的发送时间完成时序控制，使得激光发射、喷嘴喷射、相机采集同时进行，信号时序如图7所示。
以获得喷油开始后2ms时，直流式喷嘴11正下方60mm喷雾浓密区处微观图像为例，具体步骤如下：
步骤S1)、连接激光器9和激光扩束器10，连接长焦显微镜13和相机14；
步骤S2)、将狭缝装置固定刀片2刀口处通过位移平台移动到直流式喷嘴11下方50mm处，横向距喷嘴中心位置偏移0.1mm，使刀口中心对准直流式喷嘴11，通过转动旋钮7调节狭缝4间距，即宽度为0.2mm；
步骤S3)、将激光器9、喷雾17、CCD相机14呈一条水平直线放置在光学平台上，激光光路18轴心位置距直流式喷嘴11为60mm；
步骤S4)、将微量标定尺放置在直流式喷嘴11正下方，调节长焦显微镜13，焦距对准微量标定尺，计算机16控制同步器15，不给直流式喷嘴11触发信号，只给激光器9和CCD相机14触发信号，拍摄微量标定尺，根据标定尺轴向刻度所占的像素点数，计算拍摄窗口实际像素点大小λ；
步骤S5)、拿掉标定尺，将激光器9和CCD相机14调节为双脉冲双曝光模式，同样不给直流式喷嘴11触发信号，只拍摄背景图片；
步骤S6)、调节同步控制器15，使得激光延迟时间T为2ms，按照时序给直流式喷嘴11、激光器9和CCD相机14触发信号拍摄图片；
步骤S7)、在同一个测试位置进行多次重复试验，每次拍摄间隔两分钟，总共拍摄30～50次。
要获得直流式喷嘴11的整体雾化特性，需分割不同位置喷雾，按照上述步骤进行多次试验。参照图8，分别给出了喷雾中心浓密区喷嘴下方不同位置的微观图像示意图，将所有图片进行统计处理即可得到喷雾浓密区整体雾化特性。
参见图9，液滴识别单元最终将喷雾阴影图像中的各种形态的液滴提取出，通过对图像中液滴像素点的计数与坐标分析，可以准确得到各种形态液滴的粒径和速度，可有效解决直流喷嘴雾化液滴测量中形态多变的难点问题。
所述液滴识别单元的功能可以基于计算机的Matlab程序实现，具体按照以下步骤执行：
液滴识别：首先将拍摄到的喷雾阴影图像进行去背景处理，调用格式为
C＝imsubtract(A,B)
式中，A为背景图，B为原图，C为反转去背景图。反转后，液滴所在的区域光强强度明显大于非液滴区域的强度值。
然后转为灰度图，调用格式为
I＝rgb2gray(C)
式中，I为灰度图，C为RGB图；
将图像进行采样，采样方法为先沿垂直方向按从上至下进行扫描，得到图像每行的像素值一维扫描线，再沿水平方向从左至右对每行的像素值一维扫描线进行扫描得到像素点。此时得到一个数字矩阵，该数字矩阵是一个二维结构的数据，行坐标为i,列坐标为j，(i,j)为像素点在图像数字化后矩阵中的坐标，f(i,j)为对应像素点上的像素值；
为了确定液滴的大小，对图像应用两步阈值分割算法，第一次分割使用全局阈值，通常为60％～80％来检测液滴。全局阈值是相对于反转图像的最大和最小强度的差值。通过程序算法找到全局阈值以上的一致区域，并在该区域段周围规划一个矩形。当一个像素的强度高于全局阈值时，该像素将属于该区域段。如果图像中没有液滴，那么阴影的最小值肯定高于全局阈值，从而阻止算法对低于全局阈值的图像进行检测。
接下来将图像中高于全局阈值的区域分割出来，算法将安排最小的矩形包住分割出来的区域，此时算法将分别分析每个小矩形区域，可以在边界框内定义一个高强度阈值Hp和一个低强度阈值Lp，需满足：
Hp>Lp，Hp+Lp＝1
该算法将计算高强度阈值Hp以上的像素数nH和低强度阈值Lp以上的像素数nL，并进行下一步筛选，
优选的，根据像素点坐标位置(i,j)判断是否大于或等于5个像素点聚集在一起，筛除离散的像素点，剩余像素点聚集在一起识别为液滴。
根据像素点坐标采用最小二乘圆法计算液滴圆度值，标准圆设定为1，优选的，筛除圆度值低于0.7的液滴，圆度计算公式为：
式中，p为区域中心点(即质点)，pi为轮廓上全部像素点，F为轮廓面积(此处指轮廓像素点个数，并不是轮廓所围成区域的面积)，R为圆度。
算法修正：首先是边界修正，拍摄到的视窗视野范围有两个方向，宽度(W)和高度(H)方向，程序设定液滴的检测条件为液滴的所有边界完全落入视窗范围内才能被检测到，大的液滴完全落入视窗的可能性会小于小的液滴，所以，程序通过边界修正来消除这种影响，即提升大液滴的数量概率，边界修正系数可表示为：
式中：W——窗口宽度/m；H——窗口高度/m；Di——液滴粒径/m。
其次是景深修正，由于CCD相机景深效果，导致一些处于焦平面之外的液滴测量结果偏大，此时设定粒径修正系数α，计算公式为：
式中，fmax为最大像素值，f(i,j)为对应像素点上的像素值，n为像素点数。
根据液滴像素点坐标确定液滴形态，结合圆度设定修正系数β(由于圆度不同，会导致当量直径的不同)，计算公式为
β＝R0.94
根据高强度阈值Hp以上的像素数nH和低强度阈值Lp以上的像素数nL，结合微量标定尺标定的像素点实际大小λ确定液滴的投影面积S，然后结合修正系数α、β确定最终液滴的实际当量直径，计算公式为：
S＝λ2(nH+nL)/2
d＝pBorderαβ
式中，d为液滴实际当量直径；
计算液滴速度：由于激光器9和CCD相机14采用的双脉冲双曝光模式，得到间隔时间很短的两张微观阴影图片，通过上述步骤确定的液滴形态可识别出这两张连续微观阴影图片中的液滴对。通过两张微观阴影图片中液滴对像素点的坐标位置确定液滴的位移，此时再与两张图片的间隔时间做比，即可得到液滴的速度。
在进行速度计算之前，对源图像即微观阴影图像的每一帧应用分级算法，关于每个液滴的位置和大小的信息存储在两个单独的列表中。分析完所有的源图像后，在两个结果列表上执行速度计算。为了识别两帧图片的液滴对，该算法给出两个筛选条件：一个是液滴的大小，另一个是允许的偏移量，结合图10所示，根据最初设置的偏移量确定液滴位移后窗口的中心位置，只有在窗口内的液滴才会被识别，另外只有当直径偏差在给定范围内，优选的，设置为20％，该液滴才会被认为是偏移后的液滴。根据所选择的检测遍数，算法有不同的工作模式:
(1)passes＝1：此时为单检测模式，算法只会检测一遍液滴偏移量和粒径变化。
(2)passes＝2，3，…：此时为多次检测模式，算法会多次检测液滴，每检测一次算法会将此次的偏移量耦合成前几次的平均偏移量，作为下一次的窗口检测参数。
检测次数越多，结果相对更加精确，但是耗时会增加，可以根据实际情况选择检测次数，一般2、3次最佳。
为了获得更准确的结果，需要调整两个激光脉冲之间的脉冲延迟时间，以确保液滴对有合适的分离距离。根据经验，偏移量应该至少是3个像素，并且大约是最小液滴大小的一半，以避免在计算速度时产生较大误差。在非常稀疏的介质中，或者在整个图像上速度场均匀时，也可以允许产生更大的位移，最高可达20像素到50像素。
最后，针对本发明提供的测试系统，利用标准粒子进行了可靠性验证。
第一步，利用GBW(E)120006a标准粒子，粒径为20.62μm，验证该发明系统对于粒径计算的准确性。本标准粒子由悬浮聚合的宽分布交联聚苯乙烯微粒，经微米电成型筛筛分，离心机离心，重力沉降等方式，分离出粒径均一的单分散交联聚苯乙烯微粒。利用该测试系统显微成像技术拍摄到的标准粒子结果如图11所示。试验测得的标准粒子的平均粒径为20.54μm，与实际的粒径结果相差在1％以内。
第二步，进行液滴粒径与液滴数量的无关性验证，由于每个测试窗口统计的液滴个数不同，有可能使最终液滴粒径的结果产生误差，因此需要对液滴数量进行无关性验证，参见图12，横坐标为统计液滴个数，纵坐标为对应的液滴粒径，可以看出当统计液滴总数大于3000时，统计液滴粒径与液滴数无关。在此说明，一张图片统计的液滴数往往不足3000，此时需要对同一个窗口进行重复试验，并统计所有重复试验的结果，使得液滴总数大于3000。
第三步，进行特殊形态液滴粒径计算的验证，参见图13，为液滴发生器产生的标准直径为50μm的水液滴，给其提供一个水平方向的风场，利用本试验系统微观成像技术拍摄得到液滴的阴影图像。然后用图9提供的算法测量其粒径，得到结果分别为Ⅰ：49.56μm；Ⅱ：50.63μm；Ⅲ：50.12μm；Ⅳ：49.22μm，与实际的粒径结果相差在2％以内，可见本发明可以保证对于直流式喷油器雾化特性测量的精确性。
本发明提出的狭缝调节装置分割喷雾体，利用螺旋放大原理，通过调节旋钮可精确控制狭缝距离，精度可达到0.01mm。本发明提出的激光显微成像装置，相比于目前的测试系统更能直观、真实反映喷雾体内部雾化液滴形态。目前其他测试系统只能测量标准的球形液滴，本发明中针对雾化液滴阴影图像提出的液滴识别单元，可同时对球形液滴和非球形液滴进行测量，结果更加准确。本发明有效解决了直流式喷嘴喷雾雾化特性测量中浓密区液相浓度高，透光性差，液滴形态多变的难点问题。
应当理解，虽然本说明书是按照各个实施例描述的，但并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施例的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施例或变更均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种燃油雾化特性测试系统，其特征在于，包括狭缝调节装置、激光显微成像装置和液滴识别单元；
所述狭缝调节装置用于对直流式喷嘴产生的喷雾进行分割，一次拍摄只保留狭缝中需要测量的一个喷雾局部区域，所述激光显微成像装置用于对每次分割后的喷雾局部区域进行拍摄得到局部的微观阴影图像，通过所述狭缝装置获得喷雾其余局部区域的微观阴影图像，激光显微成像装置多次拍摄，得到多张微观阴影图像；
所述液滴识别单元用于对微观阴影图像中的多形态液滴进行识别并统计液滴粒径和速度信息，得到喷雾整体雾化特性。
2.根据权利要求1所述的燃油雾化特性测试系统，其特征在于，所述狭缝调节装置包括壳体(1)、固定刀片(2)、可移动刀片(3)、轴向刻度(5)、周向刻度(6)、调节旋钮(7)和调节螺杆(8)；
所述壳体(1)设有固定刀片(2)和可移动刀片(3)，固定刀片(2)的一端安装在壳体(1)内，另一端与可移动刀片(3)相对，可移动刀片(3)安装在调节螺杆(8)位于壳体(1)内的一端，调节螺杆(8)的另一端设有调节旋钮(7)，调节旋钮(7)与调节螺杆(8)螺纹连接；固定刀片(2)与可移动刀片(3)之间能够形成狭缝(4)；所述调节螺杆(8)上设有轴向刻度(5)，调节旋钮(7)上设有周向刻度(6)，轴向刻度(5)和周向刻度(6)配合用于测量固定刀片(2)与可移动刀片(3)之间狭缝(4)的宽度。
3.根据权利要求2所述的燃油雾化特性测试方法的系统，其特征在于，所述固定刀片(2)、可移动刀片(3)相对的一端均向上翘起。
4.根据权利要求2所述的燃油雾化特性测试方法的系统，其特征在于，所述调节旋钮(7)旋转一周调节螺杆(8)便沿着旋转轴线方向前进或后退一个螺距的距离。
5.根据权利要求1所述的燃油雾化特性测试方法的系统，其特征在于，所述激光显微成像装置包括双脉冲激光器(9)、激光扩束器(10)、长焦显微镜(13)、CCD相机(14)、同步控制器(15)和计算机(16)；
所述双脉冲激光器(9)与激光扩束器(10)连接，激光扩束器(10)与长焦显微镜(13)位置相对，长焦显微镜(13)和CCD相机(14)连接，CCD相机(14)与计算机(16)连接，同步控制器(15)分别与双脉冲激光器(9)、CCD相机(14)和计算机(16)连接。
6.一种根据权利要求1-5任意一项所述燃油雾化特性测试系统的测试方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1、喷雾分割：对喷嘴产生的喷雾通过狭缝调节装置进行分割，只保留狭缝中需要测量的一个局部区域；
步骤S2、喷雾拍摄：利用激光显微成像装置对分割后的喷雾进行拍摄得到局部的微观阴影图像；
步骤S3、多形态液滴识别：通过液滴识别单元对微观阴影图像中的多形态液滴进行识别提取，通过对微观阴影图像中液滴像素点的计数与坐标分析，得到多形态液滴的粒径和速度；
步骤S4、重复上述步骤S1～S3，利用狭缝装置获得其余局部区域的微观阴影图像，进而得到喷雾整体雾化特性。
7.根据权利要求6所述的燃油雾化特性测试系统的测试方法，其特征在于，所述步骤S1喷雾分割具体为：
将所述狭缝调节装置放置在喷嘴(12)下方，通过狭缝调节装置在喷嘴(12)喷出的喷雾下方设置一条狭缝(4)。
8.根据权利要求6所述的燃油雾化特性测试系统的测试方法，其特征在于，所述步骤S2喷雾拍摄具体包括以下步骤：
步骤S2.1、连接利用激光显微成像装置的激光器(9)和扩束器(10)，连接长焦显微镜(13)和相机(14)；
步骤S2.2、将狭缝装置固定刀片(2)刀口处平移到喷嘴下方，且刀口中心对准喷嘴，通过转动旋钮(7)调节狭缝(4)宽度；
步骤S2.3、将激光器(9)、喷雾(17)、CCD相机(14)呈一条水平直线放置在光学平台上；
步骤S2.4、将微量标定尺放置在喷嘴(12)正下方，调节长焦显微镜(13)，焦距对准微量标定尺，计算机(16)控制同步器(15)，不给喷嘴(12)触发信号，只给激光器(9)和CCD相机(14)触发信号，拍摄微量标定尺，根据标定尺轴向刻度所占的像素点数，计算拍摄窗口实际像素点大小λ；
步骤S2.5、拿掉微量标定尺，将激光器(9)和CCD相机(14)调节为双脉冲双曝光模式，同样不给喷嘴(12)触发信号，只拍摄背景图片；
步骤S2.6、调节同步控制器(15)，设置激光延迟时间T，按照时序给喷嘴(12)、激光器(9)和CCD相机(14)触发信号拍摄图片；
步骤S2.7、在同一个测试位置进行多次重复试验，设置每次拍摄间隔时间和总拍摄次数。
9.根据权利要求8所述的燃油雾化特性测试系统的测试方法，其特征在于，所述步骤S3多形态液滴识别包括以下步骤：
步骤3.1液滴识别：所述液滴识别单元将拍摄到的微观阴影图像进行去背景处理，转为灰度图，将图像进行采样，扫描得到像素点，得到一个数字矩阵，行坐标为i,列坐标为j，(i,j)为像素点在图像数字化后矩阵中的坐标，f(i,j)为对应像素点上的像素值；对图像应用两步阈值分割算法，计算高强度阈值Hp以上的像素数nH和低强度阈值Lp以上的像素数nL，并根据像素点坐标位置(i,j)筛除离散的像素点，剩余像素点聚集在一起识别为液滴；根据像素点坐标采用最小二乘圆法计算液滴圆度值，筛除圆度值低于预设值的液滴；
步骤3.2算法修正：首先是边界修正，设定液滴的检测条件为液滴的所有边界完全落入视窗范围内才能被检测到，边界修正系数表示为：
式中：W——窗口宽度/m；H——窗口高度/m；Di——液滴粒径/m；
其次是景深修正，设定粒径修正系数α，计算公式为
式中，fmax为最大像素值，f(i,j)为对应像素点上的像素值，n为像素点数；
根据液滴像素点坐标确定液滴形态，结合圆度设定修正系数β，计算公式为
β＝R0.94；
步骤3.3计算液滴直径：根据高强度阈值Hp以上的像素数nH和低强度阈值Lp以上的像素数nL，结合微量标定尺标定的像素点实际大小λ确定液滴的投影面积S，然后结合修正系数α、β确定最终液滴的实际当量直径，计算公式为：
S＝λ2(nH+nL)/2
d＝pBorderαβ
式中，d为液滴实际当量直径；
步骤3.4计算液滴速度：激光器(9)和CCD相机(14)采用的双脉冲双曝光模式，通过两张微观阴影图片中液滴对像素点的坐标位置确定液滴的位移，再与两张微观阴影图片的拍摄间隔时间做比，即可得到液滴的速度。
10.根据权利要求9所述的燃油雾化特性测试系统的测试方法，其特征在于，在进行液滴速度计算之前，对微观阴影图像的每一帧应用分级算法，识别两帧微观阴影图片的液滴对，根据最初设置的偏移量确定液滴位移后窗口的中心位置，只有在窗口内和当直径偏差在给定范围内的液滴才会被识别。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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