CN114964716B - 一种圆柱液体射流表面微小扰动的测量装置及方法 - Google Patents

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CN114964716B CN202210913517.4A CN202210913517A CN114964716B CN 114964716 B CN114964716 B CN 114964716B CN 202210913517 A CN202210913517 A CN 202210913517A CN 114964716 B CN114964716 B CN 114964716B
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Abstract

本申请提供了一种圆柱液体射流表面微小扰动的测量装置及方法，涉及流体力学测量技术领域，所述测量装置包括：液体供应组件、液体射流光散射组件、成像组件和数据处理模块；液体供应组件，用于向液体射流光散射组件注入液体；液体射流光散射组件，用于产生圆柱液体射流，并发射指向圆柱液体射流的激光光柱，通过圆柱液体射流后的激光光柱产生散射光；成像组件，用于对散射光进行拍摄，采集多张连续的散射条纹图像；数据处理模块，用于对多张连续的散射条纹图像进行处理，得到圆柱液体射流表面的扰动量。本申请实现了圆柱液体射流表面微小扰动的高精度测量。

Description

一种圆柱液体射流表面微小扰动的测量装置及方法
技术领域
本申请涉及流体力学物理实验测量技术领域，尤其是涉及一种圆柱液体射流表面微小扰动的测量装置及方法。
背景技术
圆柱液体射流的破裂行为研究众多，应用广泛。圆柱液体射流在不施加任何外加扰动的情况下，在空气环境中由连续液柱转化为离散液滴的过程称为自由射流破裂。目前自由射流破裂公认的机理为：破裂起源于液柱上游表面的微小初始扰动，该扰动随液体流动过程振幅被放大，直至与射流半径相当时致使射流发生破裂。
圆柱液体射流，尤其是半径较小的圆柱液体射流，其表面扰动的产生和演化过程空间尺度及时间尺度都很小。因此对于圆柱液体射流的研究一般采用高速相机和显微镜对其表面高速、微观的过程进行拍照分析。根据成像理论，由于光学衍射效应的限制，显微镜无法无限放大物体，其存在一个最小可分辨尺度。这个分辨尺度的大小根据显微镜光学性能及光源波长的不同略有区别，通常处于几百纳米至1微米左右，小于这个尺度的空间信息无法通过显微镜准确成像。自由液体射流上游初始扰动振幅极其微小，因此仅凭借显微镜无法对其进行准确研究。
发明内容
有鉴于此，本申请提供了一种圆柱液体射流表面微小扰动的测量装置及方法，以解决上述技术问题。
第一方面，本申请实施例提供了一种圆柱液体射流表面微小扰动的测量装置，包括：液体供应组件、液体射流光散射组件、成像组件和数据处理模块；
所述液体供应组件，用于向液体射流光散射组件注入液体；
所述液体射流光散射组件，用于产生圆柱液体射流，同时发射指向圆柱液体射流的激光光柱，通过圆柱液体射流后的激光光柱产生散射光；
所述成像组件，用于对散射光进行拍摄，采集多张连续的散射条纹图像；
所述数据处理模块，用于对多张连续的散射条纹图像进行处理，得到圆柱液体射流表面的扰动量。
进一步，所述液体射流光散射组件包括一个底座，在底座上固定三轴平移台和旋转台，在旋转台上设置激光器和喷嘴夹持装置，所述喷嘴夹持装置的底部夹持一个喷嘴；所述喷嘴用于产生圆柱液体射流；所述喷嘴的正下方设置一个培养皿，用于收集喷嘴喷出的液体；所述三轴平移台用于调节喷嘴夹持装置的位置，进而调节喷嘴与旋转台的相对位置，使喷嘴产生的液体射流与旋转台的旋转轴线重合；所述激光器用于产生的指向圆柱液体射流的激光光柱，所述旋转台用于调节激光光柱的指向。
进一步，所述液体供应组件包括注射器、注射泵以及软管；所述软管连接注射器和喷嘴夹持装置顶部的液体入口；所述注射器，用于容纳液体；所述注射泵，用于推动所述注射器，使注射器内的液体通过软管进入喷嘴夹持装置顶部的液体入口。
进一步，所述成像组件包括高速相机和显微镜头，所述显微镜头与激光器相对设置，所述显微镜头与激光光柱形成的平面与喷嘴垂直；所述显微镜头的焦平面与喷嘴的距离为
Figure P_220908120826967_967846001
；所述高速相机采用CMOS传感器；所述高速相机用于拍摄多张连续的散射条纹的图像，并发送至数据处理模块。
进一步，所述数据处理模块具体用于：
获取N张连续的散射条纹图像，从每张图像中提取预设行数的所有灰度值，将所有灰度值组成光强向量；
计算散射光的张角，根据散射光的张角计算等间隔半径的P个圆柱散射光强分布向量；
分别计算N个光强向量与P个圆柱散射光强分布的余弦值；
根据余弦值计算两张相邻图像的互相关函数，获取互相关函数的最大值对应的整数值，由此计算两张相邻图像对应的圆柱液体射流表面微小扰动。
进一步，计算散射光的张角，包括：
根据显微镜头的光学放大倍率
Figure P_220908120827014_014697001
和CMOS传感器的宽度
Figure P_220908120827030_030318002
，确定散射光的张角
Figure P_220908120827061_061585003
：
Figure P_220908120827094_094261001
。
进一步，分别计算N个光强向量与P个圆柱散射光强分布的余弦值；包括：
散射光的张角
Figure P_220908120827110_110413001
对应的等间隔半径的P个圆柱散射光强分布为：
Figure P_220908120827126_126046002
；其中，
Figure P_220908120827157_157298003
为P个圆柱的半径，
Figure P_220908120827188_188548001
，
Figure P_220908120827219_219817002
为半径间隔；
计算第
Figure P_220908120827235_235439001
个光强向量
Figure P_220908120827266_266648002
与P个圆柱散射光强分布的余弦值：
Figure P_220908120827285_285176001
其中，
Figure P_220908120827316_316951001
为光强向量
Figure P_220908120827332_332589002
与第p个圆柱散射光强分布的余弦值，
Figure P_220908120827363_363855003
。
进一步，根据余弦值计算两张相邻图像的互相关函数，获取互相关函数的最大值对应的整数值，由此计算两张相邻图像对应的圆柱液体射流表面微小扰动；包括：
对于相邻的第
Figure P_220908120827395_395103001
张图像和第
Figure P_220908120827410_410692002
图像，其互相关函数
Figure P_220908120827441_441980003
为：
Figure P_220908120827473_473225001
获取互相关函数
Figure P_220908120827490_490755001
的最大值的点
Figure P_220908120827522_522546002
：
Figure P_220908120827538_538143001
则第
Figure P_220908120827569_569381001
张图像对应的圆柱液体射流半径
Figure P_220908120827600_600647002
与第
Figure P_220908120827616_616272003
张图像对应的圆柱液体射流半径
Figure P_220908120827647_647521004
的变化为：
Figure P_220908120827678_678766001
。
第二方面，本申请实施例提供了一种测量圆柱液体射流表面微小扰动的测量方法，应用上述实施例的测量装置，包括：
调节三轴平移台使得喷嘴与旋转台的旋转轴线重合，调节喷嘴与显微镜头的焦平面的距离为
Figure P_220908120827730_730537001
，调节激光器指向与成像组件轴线的偏角为预设角度
Figure P_220908120827746_746160002
；
开启注射泵，喷嘴出口处产生圆柱液体射流；开启激光器，产生指向圆柱液体射流的激光光柱；
所述高速相机拍摄多张连续的散射条纹图像，并发送至数据处理模块；
所述数据处理模块对多张连续的散射条纹图像进行处理，得到圆柱液体射流表面的扰动量。
进一步，所述数据处理模块对多张连续的散射条纹图像进行处理，得到圆柱液体射流表面的扰动量；包括：
获取N张连续的散射条纹的图像，从每张图像中提取预设行数的所有灰度值，将所有灰度值组成光强向量；
计算散射光的张角，根据散射光的张角计算等间隔半径的P个圆柱散射光强分布向量；
分别计算N个光强向量与P个圆柱散射光强分布的余弦值；
根据余弦值计算两张相邻图像的互相关函数，获取互相关函数的最大值对应的整数值，由此计算两张相邻图像对应的圆柱液体射流表面微小扰动。
本申请实现了圆柱液体射流表面微小扰动的高精度测量。
附图说明
为了更清楚地说明本申请具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本申请的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例提供的圆柱液体射流表面微小扰动的测量装置的示意图；
图2为本申请实施例提供的液体射流光散射组件的局部放大图；
图3为本申请实施例提供的圆柱液体射流表面微小扰动的测量装置的实际光路图；
图4为本申请实施例提供的圆柱液体射流表面微小扰动的测量装置的等效光路图；
图5为本申请实施例提供的圆柱液体射流表面微小扰动的测量方法的流程图；
图6为本申请实施例提供的理论精度评估曲线图。
图标：
100-液体射流光散射组件；200-液体供应组件；
300-成像组件；101-三轴平移台；102-旋转台；
103-喷嘴夹持装置；104-培养皿；105-喷嘴；
106-液体射流；107-激光器；108-激光光柱；
201-注射泵；202-注射器；203-软管；
301-高速相机；302-显微镜头；303-显微镜头的焦平面；
304-CMOS传感器；305-散射光。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
首先对本申请实施例的设计思想进行简单介绍。
散射是一种光波动性质的体现，指光在传播途中遇到障碍物而发生偏离直线传播的现象。光线在遇到尺度较小的诸如细丝、颗粒等物体，会发生明显的散射现象。前人通过求解麦克斯韦方程组，获得了不同形态微小颗粒散射光强的分布，称之为米氏散射理论。以细圆柱体为例，在平行相干光入射条件下，圆柱体的半径与散射光强分布一一对应，且半径的微小变化会引起散射光强分布的明显变化。圆柱液体射流上游部分可认为属于细圆柱体范畴，其表面微小扰动可以视为某一截面半径的微小变化。
为了解决现有技术无法对圆柱液体射流扰动进行测量的技术缺陷，本申请利用上述光散射的原理，基于米氏散射理论，通过测量激光入射条件下圆柱液体射流散射条纹的变化，将条纹变化转化为液体射流半径的变化，进而获得射流表面微小扰动。
为此，本申请提供了一种圆柱液体射流表面微小扰动的测量装置，包括：液体射流光散射组件、液体供应组件、成像组件和数据处理模块；通过液体射流光散射组件的喷嘴形成一定速度的圆柱液体射流，液体射流光散射组件的激光器生成的激光照射圆柱液体射流后发生散射，成像组件通过成像记录散射条纹；数据处理模块利用米氏散射理论计算不同半径圆柱体理论散射光强分布，与成像获得条纹进行比对，最终确定液体圆柱射流表面微小扰动。本申请显著提高了圆柱液体射流表面微小扰动测量的分辨精度，为研究射流表面初始扰动提供可行的途径。本申请具体工作过程及原理为：
根据米式散射理论，平面光波入射条件下圆柱体的散射光强满足如下分布：
Figure P_220908120827777_777398001
其中，
Figure P_220908120827808_808649001
为激光初始光强，
Figure P_220908120827824_824309002
为成像组件的高速相机的CMOS传感器与圆柱体中心的等效距离，
Figure P_220908120827855_855552003
为光波数，
Figure P_220908120827887_887410004
为散射角，
Figure P_220908120827904_904375005
为光强分布的幅值函数。进一步的：
Figure P_220908120827935_935618001
Figure P_220908120827966_966884001
其中,
Figure P_220908120827998_998134001
为圆柱体材质的复折射率，
Figure P_220908120828045_045016002
为圆柱体半径；
Figure P_220908120828076_076249003
为n阶第一类Bessel函数，
Figure P_220908120828093_093778004
为n阶第一类Bessel函数的导函数；
Figure P_220908120828125_125551005
为n阶第一类Hankel函数，
Figure P_220908120828156_156825006
为n阶第一类Hankel函数的导函数，
Figure P_220908120828172_172407007
和
Figure P_220908120828203_203688008
均为系数。
将圆柱体的半径、液体的折射率代入以上公式便可计算出理论上的散射光强分布，此结果可认为严格准确。通过计算一系列不同半径圆柱体的散射光强分布，便可建立半径与光强分布一一对应的数据库。因为实验中CMOS传感器的横向分辨率为1024，所以相应的理论光强分布向量的位数也为1024。
在实验过程中，喷嘴出口形成速度一定的圆柱液体射流，射流离开喷嘴喷口时产生微小的初始扰动，在表面张力、粘性力等因素的控制下该微小扰动指数增长，最终射流破裂产生液滴。使喷嘴保持竖直，喷嘴的轴线于激光器轴线正交且在同一平面。波长532nm的平行线激光照射液体射流靠近喷嘴出口的位置发生散射。通过高速相机拍摄一定角度范围内散射光强分布的变化。由于与入射光同方向的前向散射光沿散射角光强梯度过大，会造成拍摄照片对比度过低，因此成像组件的显微镜头与高速相机的轴线与入射光方向呈一小角度夹角，以避开前向散射光。由于CMOS传感器大小一定，且拍摄光强分布角度范围越小精度越高，因此需要高速相机距离射流中心一定距离
Figure P_220908120828234_234943001
以拍摄更小角度范围内的光强分布变化。在此过程中显微镜头的作用是进一步等效增加CMOS传感器距离射流中心的距离，具体为：高速相机拍摄的散射光角度范围可由显微镜头至液体射流中心的距离
Figure P_220908120828250_250531002
、显微镜头的光学放大倍率
Figure P_220908120828286_286159003
和CMOS传感器的宽度
Figure P_220908120828301_301845004
确定，具体为：
Figure P_220908120828333_333553001
高速相机以每秒N张的速率对散射光进行拍摄，散射光强分布在拍摄结果中体现为照片灰度的分布。通过计算机程序将第n张图像预设行数的所有灰度值进行提取，存储为向量
Figure P_220908120828349_349163001
。
通过米氏散射理论计算张角
Figure P_220908120828380_380429001
下不同半径圆柱对应的理论光强分布向量，记为
Figure P_220908120828396_396059002
，其中
Figure P_220908120828427_427305003
代表该光强分布对应的圆柱半径。求上述两向量的余弦值如下：
Figure P_220908120828458_458563001
其中，
Figure P_220908120828491_491232001
为P个圆柱的半径，
Figure P_220908120828507_507341002
，
Figure P_220908120828538_538618003
为半径间隔。
余弦值越接近于1，说明两向量越相似。因此，若第
Figure P_220908120828569_569889001
张图像计算得到余弦值结果中
Figure P_220908120828585_585493002
最大（由于f余弦值均小于1，所以最接近于1等价于该值最大），则可认为第
Figure P_220908120828616_616772003
张图像对应的液体射流半径为
Figure P_220908120828648_648024004
。
典型的圆柱液体射流半径为0.05-0.3mm，该情况下散射光强分布随半径的变化具有一定的周期性，即张角
Figure P_220908120828663_663623001
下相隔一定距离的半径对应的理论光强分布几乎相同，因此采用计算余弦值的方法获得的结果是多极值的，因此对于寻找最大值造成困难。由于射流半径的变化量等价于微小扰动，因此在射流半径相对较大时可仅计算射流半径的变化量。在上述过程获得余弦值结果的基础上，求第
Figure P_220908120828696_696802002
张照片与第
Figure P_220908120828728_728583003
张照片余弦值结果的互相关，具体为：
Figure P_220908120828744_744185001
它表达了两张相邻图像的余弦值结果向量在相互平移若干位后的关系。当
Figure P_220908120828775_775431001
平移
Figure P_220908120828806_806706002
位后与
Figure P_220908120828837_837945003
十分相似，体现在互相关结果上即
Figure P_220908120828853_853569004
在
Figure P_220908120828886_886739005
时达到最大值。因此通过寻找互相关函数
Figure P_220908120828902_902857006
的最大值的点，便可获知
Figure P_220908120828934_934135007
相对于
Figure P_220908120828965_965395008
的移动量。由于计算理论光强分布时一般是等间距取半径，上述位移量与数据库中半径信息坐标的位移量一致，即可推知相邻两张照片之间的半径变化。如果理论计算光强时以
Figure P_220908120828981_981012009
为间隔进行划分，那么第
Figure P_220908120829059_059127010
张图像与第
Figure P_220908120829115_115273011
张图像之间对应圆柱液体射流半径的变化为：
Figure P_220908120829146_146537001
通过对所有相邻图像进行相同的处理，实现对圆柱液体射流表面微小扰动的测量。
在介绍了本申请实施例的应用场景和设计思想之后，下面对本申请实施例提供的技术方案进行说明。
如图1所示，本申请实施例提供了一种圆柱液体射流表面微小扰动的测量装置，包括：液体射流光散射组件100、液体供应组件200、成像组件300和数据处理模块（图中未示出）。
液体射流光散射组件100包括底座、三轴平移台101、旋转台102、喷嘴夹持装置103、培养皿104、喷嘴105、激光器107。三轴平移台101和旋转台102固定在底座上，在旋转台上设置喷嘴夹持装置103和激光器107；
喷嘴105安装于喷嘴夹持装置103的底部，所述喷嘴用于产生圆柱液体射流；培养皿104用于收集喷嘴105喷出的液体。
如图2所示，三轴平移台101用于调节喷嘴夹持装置103的位置，进而调节喷嘴105与旋转台102的相对位置，使得喷嘴105及其产生的液体射流106与旋转台102的旋转轴线重合。激光器107发射出的激光光柱108指向旋转台102的旋转轴线。由于液体射流106与旋转台102旋转轴线重合，且激光光柱108指向该轴线，因此在调整旋转台102的过程中激光光柱108能够一直指向液体射流106，保证散射光的产生。本实施例中，喷嘴105内径为0.1-0.5mm。所述激光器光波长532nm。
如图1所示，液体供应组件200包括注射泵201、注射器202及软管203。注射泵201通过推动注射器202，挤压液体后通过软管203从喷嘴夹持装置103的液体入口进入喷嘴105形成液体射流106。注射器202采用玻璃及金属材质，提高刚性，避免在注射液体过程中产生额外扰动。固定注射器202的内径，通过改变注射泵201滑块的移动速度可改变供应液体的流量。本实施例中，通过设定注射泵201的参数，使喷嘴105产生的圆柱射流初始速度为0.5-2m/s。
如图3所示，成像组件300包括高速相机301和显微镜头302，所述高速相机采用CMOS传感器304。调节圆柱液体射流106位置与显微镜头的焦平面303距离为
Figure P_220908120829162_162178001
。显微镜头的放大倍率为
Figure P_220908120829193_193419002
，则液体射流106距离CMOS传感器304的等效距离为AL，如图4所示。根据液体射流106与CMOS传感器304的距离以及CMOS传感器304的宽度
Figure P_220908120829224_224673003
，可计算出成像组件300拍摄过程中的捕捉散射光305的张角
Figure P_220908120829240_240304004
，具体为：
Figure P_220908120829271_271551001
如图4所示，张角
Figure P_220908120829304_304743001
的取值范围为2°-4°。为了避开亮度较高的前向散射光，激光器107及其产生的激光光柱108与成像组件300的轴线有一定偏角
Figure P_220908120829320_320374002
，偏角
Figure P_220908120829351_351627003
的取值范围为5°-6°。
所述高速相机301拍摄多张连续的散射条纹的图像，并发送至数据处理模块。
所述数据处理模块具体用于：
获取N张连续的散射条纹图像，从每张图像中提取预设行数的所有灰度值，将所有灰度值组成光强向量；在本实施例中，光强向量的维度为1024；
计算散射光的张角，根据散射光的张角计算等间隔半径的P个圆柱散射光强分布向量；
本实施例中，根据显微镜头的光学放大倍率
Figure P_220908120829382_382898001
和CMOS传感器的宽度
Figure P_220908120829398_398497002
，确定散射光的张角
Figure P_220908120829429_429738003
：
Figure P_220908120829460_460994001
分别计算N个光强向量与P个圆柱散射光强分布的余弦值；
具体的，散射光的张角
Figure P_220908120829476_476633001
对应的等间隔半径的P个圆柱散射光强分布为：
Figure P_220908120829512_512260002
；其中，
Figure P_220908120829543_543514003
为P个圆柱的半径，
Figure P_220908120829574_574781001
，
Figure P_220908120829606_606000002
为半径间隔；
计算第
Figure P_220908120829637_637266001
个光强向量
Figure P_220908120829668_668516002
与P个圆柱散射光强分布的余弦值：
Figure P_220908120829690_690452001
其中，
Figure P_220908120829961_961019001
为光强向量
Figure P_220908120830225_225157002
与第p个圆柱散射光强分布的余弦值，
Figure P_220908120830256_256442003
。
根据余弦值计算两张相邻图像的互相关函数，获取互相关函数的最大值对应的整数值，由此计算两张相邻图像对应的圆柱液体射流表面微小扰动。
具体的，对于相邻的第
Figure P_220908120830288_288597001
张图像和第
Figure P_220908120830304_304295002
图像，其互相关函数
Figure P_220908120830340_340393003
为：
Figure P_220908120830356_356057001
获取互相关函数
Figure P_220908120830387_387272001
的最大值的点
Figure P_220908120830418_418535002
：
Figure P_220908120830449_449760001
则第
Figure P_220908120830482_482443001
张图像对应的圆柱液体射流半径
Figure P_220908120830498_498600002
与第
Figure P_220908120830529_529842003
张图像对应的圆柱液体射流半径
Figure P_220908120830561_561103004
的变化为：
Figure P_220908120830576_576722001
。
基于上述实施例，如图5所示，本申请实施例提供了一种圆柱液体射流表面微小扰动的测量方法，包括如下步骤：
步骤401：调节三轴平移台使得喷嘴与旋转台的旋转轴线重合，调节喷嘴与显微镜头的焦平面的距离为
Figure P_220908120830607_607952001
，调节激光器指向与成像组件轴线的偏角为预设角度
Figure P_220908120830639_639217002
；
步骤402：开启注射泵，喷嘴出口处产生圆柱液体射流；开启激光器，产生指向圆柱液体射流的激光光柱；
步骤403：所述高速相机拍摄多张连续的散射条纹图像，并发送至数据处理模块；
步骤404：所述数据处理模块对多张连续的散射条纹图像进行处理，得到圆柱液体射流表面的扰动量。
本申请的测量装置及方法可通过如下方式从理论上进行精度评估：
首先根据圆柱液体射流半径取基准半径
Figure P_220908120830670_670495001
，在基准半径的基础上加上微小变化
Figure P_220908120830688_688480002
。计算
Figure P_220908120830720_720270003
与
Figure P_220908120830751_751543004
所对应的理论光强分布
Figure P_220908120830782_782772005
与
Figure P_220908120830813_813541006
，然后求两光强分布互相关。互相关结果的最大值代表了半径
Figure P_220908120830829_829674007
的圆柱光强分布向量相对于半径
Figure P_220908120830860_860898008
圆柱光强分布向量移动了
Figure P_220908120830894_894056009
。通过不断增加
Figure P_220908120830910_910290010
的值，当
Figure P_220908120830941_941457011
由零变为非零值时，说明理论上通过散射光强分布可以分辨圆柱半径
Figure P_220908120830972_972739012
的变化，此时的
Figure P_220908120831003_003968013
便可定义为该测量装置及测量方法的分辨率。
在本实施例中，取
Figure P_220908120831019_019586001
，张角
Figure P_220908120831050_050830002
，偏角
Figure P_220908120831081_081617001
，可计算出如图6所示精度评估结果。图6中横轴代表半径微小增量
Figure P_220908120831116_116752002
，纵轴代表光强分布向量移动量
Figure P_220908120831132_132394003
，图中虚线标注出了
Figure P_220908120831163_163618004
由零变为非零值的位置，为15nm，说明本实施例中该测量装置和测量方法的理论分辨率可以达到15nm，此分辨率远高于传统光学显微镜的分辨率。
此外，尽管在附图中以特定顺序描述了本申请方法的操作，但是，这并非要求或者暗示必须按照该特定顺序来执行这些操作，或是必须执行全部所示的操作才能实现期望的结果。附加地或备选地，可以省略某些步骤，将多个步骤合并为一个步骤执行，和/或将一个步骤分解为多个步骤执行。
尽管已描述了本申请的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请范围的所有变更和修改。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的范围。

Claims (8)

1.一种圆柱液体射流表面微小扰动的测量装置，其特征在于，包括：液体供应组件、液体射流光散射组件、成像组件和数据处理模块；
所述液体供应组件，用于向液体射流光散射组件注入液体；
所述液体射流光散射组件，用于产生圆柱液体射流，同时发射指向圆柱液体射流的激光光柱，通过圆柱液体射流后的激光光柱产生散射光；
所述成像组件，用于对散射光进行拍摄，采集多张连续的散射条纹图像；
所述数据处理模块，用于对多张连续的散射条纹图像进行处理，得到圆柱液体射流表面的扰动量；
所述数据处理模块具体用于：
获取N张连续的散射条纹图像，从每张图像中提取预设行数的所有灰度值，将所有灰度值组成光强向量；
计算散射光的张角，根据散射光的张角计算等间隔半径的P个圆柱散射光强分布向量；
分别计算N个光强向量与P个圆柱散射光强分布的余弦值；
根据余弦值计算两张相邻图像的互相关函数，获取互相关函数的最大值对应的整数值，由此计算两张相邻图像对应的圆柱液体射流表面微小扰动。
2.根据权利要求1所述的圆柱液体射流表面微小扰动的测量装置，其特征在于，所述液体射流光散射组件包括一个底座，在底座上固定三轴平移台和旋转台，在旋转台上设置激光器和喷嘴夹持装置，所述喷嘴夹持装置的底部夹持一个喷嘴；所述喷嘴用于产生圆柱液体射流；所述喷嘴的正下方设置一个培养皿，用于收集喷嘴喷出的液体；所述三轴平移台用于调节喷嘴夹持装置的位置，进而调节喷嘴与旋转台的相对位置，使喷嘴产生的液体射流与旋转台的旋转轴线重合；所述激光器用于产生的指向圆柱液体射流的激光光柱，所述旋转台用于调节激光光柱的指向。
3.根据权利要求2所述的圆柱液体射流表面微小扰动的测量装置，其特征在于，所述液体供应组件包括注射器、注射泵以及软管；所述软管连接注射器和喷嘴夹持装置顶部的液体入口；所述注射器，用于容纳液体；所述注射泵，用于推动所述注射器，使注射器内的液体通过软管进入喷嘴夹持装置顶部的液体入口。
4.根据权利要求3所述的圆柱液体射流表面微小扰动的测量装置，其特征在于，所述成像组件包括高速相机和显微镜头，所述显微镜头与激光器相对设置，所述显微镜头与激光光柱形成的平面与喷嘴垂直；所述显微镜头的焦平面与喷嘴的距离为
Figure P_220908120822772_772018001
；所述高速相机采用CMOS传感器；所述高速相机用于拍摄多张连续的散射条纹的图像，并发送至数据处理模块。
5.根据权利要求4所述的圆柱液体射流表面微小扰动的测量装置，其特征在于，计算散射光的张角，包括：
根据显微镜头的光学放大倍率
Figure P_220908120822803_803276001
和CMOS传感器的宽度
Figure P_220908120822818_818893002
，确定散射光的张角
Figure P_220908120822834_834529003
：
Figure P_220908120822865_865813001
。
6.根据权利要求5所述的圆柱液体射流表面微小扰动的测量装置，其特征在于，分别计算N个光强向量与P个圆柱散射光强分布的余弦值；包括：
散射光的张角
Figure P_220908120822882_882836001
对应的等间隔半径的P个圆柱散射光强分布为：
Figure P_220908120822914_914601002
；其中，
Figure P_220908120822930_930268003
为P个圆柱的半径，
Figure P_220908120822961_961493001
，
Figure P_220908120822992_992721002
为半径间隔；
计算第
Figure P_220908120823023_023982001
个光强向量
Figure P_220908120823055_055239002
与P个圆柱散射光强分布的余弦值：
Figure P_220908120823087_087419001
其中，
Figure P_220908120823150_150447001
为光强向量
Figure P_220908120823381_381883002
与第p个圆柱散射光强分布的余弦值，
Figure P_220908120823413_413135003
。
7.根据权利要求6所述的圆柱液体射流表面微小扰动的测量装置，其特征在于，根据余弦值计算两张相邻图像的互相关函数，获取互相关函数的最大值对应的整数值，由此计算两张相邻图像对应的圆柱液体射流表面微小扰动；包括：
对于相邻的第
Figure P_220908120823444_444393001
张图像和第
Figure P_220908120823460_460017002
图像，其互相关函数
Figure P_220908120823475_475645003
为：
Figure P_220908120823508_508383001
获取互相关函数
Figure P_220908120823523_523969001
的最大值的点
Figure P_220908120823555_555260002
：
Figure P_220908120823570_570855001
则第
Figure P_220908120823602_602110001
张图像对应的圆柱液体射流半径
Figure P_220908120823633_633363002
与第
Figure P_220908120823648_648996003
张图像对应的圆柱液体射流半径
Figure P_220908120823681_681186004
的变化为：
Figure P_220908120823697_697319001
。
8.一种测量圆柱液体射流表面微小扰动的测量方法，应用权利要求4-7任一项所述的测量装置，其特征在于，包括：
调节三轴平移台使得喷嘴与旋转台的旋转轴线重合，调节喷嘴与显微镜头的焦平面的距离为
Figure P_220908120823728_728580001
，调节激光器指向与成像组件轴线的偏角为预设角度
Figure P_220908120823744_744210002
；
开启注射泵，喷嘴出口处产生圆柱液体射流；开启激光器，产生指向圆柱液体射流的激光光柱；
所述高速相机拍摄多张连续的散射条纹图像，并发送至数据处理模块；
所述数据处理模块对多张连续的散射条纹图像进行处理，得到圆柱液体射流表面的扰动量。
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