CN116255922A - 一种基于双激光干涉的喷雾粒子直径测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于双激光干涉的喷雾粒子直径测量方法，具体包括以下步骤：步骤一：搭建光路系统；步骤二：粒子的聚焦两点像采集；步骤三：喷雾粒子的聚焦像处理；步骤四：粒子直径测量。该方法的测量精度仅与光学系统参数有关(放大倍率、相机分辨率)，消除了液滴折射率变化对测量结果的影响，大幅度提高了测量精度。
Description
技术领域
本发明属于粒子直径测量技术领域，特别涉及一种基于双激光干涉的喷雾粒子直径测量方法。
背景技术
喷雾在化工、石油、医学、食品、航空航天、燃料燃烧等领域具有广泛应用。喷雾粒子直径大小及其分布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。因此掌握喷雾粒子直径大小及其分布规律对喷雾的应用具有重要的意义。目前用于喷雾粒子直径测量的方法主要有：相位多普勒干涉法(PDA)、平面激光测径技术(PDS)、激光干涉粒子成像技术(IPI)。
相位多普勒干涉法(PDA)是一种非接触实时粒子直径测量的方法，其广泛应用于粒子测量的许多领域，其原理是当两束同相相干激光穿过粒子时，由于光程的不同两束光将产生相位差，相位差的大小和粒子的直径成正比，通过测量相位差的大小就可以获得粒子直径。该方法只与粒子折射率有关，与其它物性无关，测量精度高，动态响应快。
平面激光测径技术(PDS)，又被称为激光诱导荧光/米氏散射(LIF/MIE)技术，是一种基于激光诱导荧光(LIF)和米氏散射(Mie)的粒子测量方法，该方法基于瞬态喷雾图像，结合了LIF和Mie的优点，可以实现喷雾场瞬态粒子直径测量。LIF/MIE技术的原理是利用LIF测量到的荧光光强与液滴的体积成正比，MIE散射测量到的光强与液滴的面积成正比，两者光强比值与液滴直径成一定的关系，通过标定该比值与液滴直径的关系就可以实现喷雾粒子直径的测量
激光干涉粒子成像(IPI)是一种较新的基于Mie散射理论的光学测量技术，通过测量离焦像面上粒子散射光干涉条纹图的条纹数或条纹频率即可得到粒子的直径，该方法可以实现部分或整个平面内粒径精确测量。该方法大幅度提高了粒子的可测浓度，但该方法的测量精度受到折射率的影响。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种基于双激光干涉的喷雾粒子直径测量方法来解决现有技术中的一下问题：在IPI测量系统方法中，需要知道粒子的折射率，而对于喷雾粒子场来说，通常是多组分混合物，折射率不易确定，同时折射率也会受到温度的影响。因此，该方法的测量精度受到了一定的限制。而本发明采用双片激光照射粒子，在90°散射角接受散射光，对散射光中的水平偏振光进行滤波，只让垂直偏振光通过，这样由于反射光的光强远强于其它阶折射光，因此在聚焦像面上只会形成一对由反射光形成的亮点，折射光的亮度忽略不计，所以消除了液滴折射率变化对测量结果的影响，还提高了粒子的可测浓度。
本发明的技术方案为：提供一种基于双激光干涉的喷雾粒子直径测量方法，其创新点在于：具体包括以下步骤：
步骤一、搭建光路系统：激光器发出的激光通过光线扩大器放大，通过滤波片过滤水平偏振光，通过多组凹凸透镜形成均匀等厚的片状激光，再通过50％分光镜分成两束片激光，最后通过反光镜和透镜使两束片激光一左一右相向照射喷雾粒子场，经过调整使左右两束激光在喷雾场内完全重合，喷雾粒子场由喷射器喷射形成喷雾，整个实验在定容弹内完成，实验控制系统可控制整个实验的进行；
步骤二、粒子的聚焦两点像采集：在喷雾粒子90°散射角方向由长焦微距镜头、滤波片和CCD相机组成的成像系统接受散射光，对散射光中的水平偏振光进行滤波，只让垂直偏振光通过，由于反射光的光强比其它高阶折射光强，在聚焦像面上会形成由两束反射光形成的一对亮点；
步骤三、喷雾粒子的聚焦像处理：根据激光干涉理论，粒子的直径与一对亮点之间的距离存在的几何关系为
式中/>
是观测角90°，d是粒子的直径，M是光学系统的放大倍率，ΔL是一对亮点之间的间距，通过上述推导喷雾粒子的直径可表示为/>
步骤四、粒子直径测量：利用模版匹配方法对一个粒子的一对亮点进行匹配，识别出喷雾场中的粒子坐标x和y，通过自相关算法，计算两个次级峰值的距离得到一对亮点的距离ΔL，带入公式
就可以计算出粒子的直径。
进一步的，步骤四所述的模板匹配方法为用每一个掩膜板与图像中的每一对两点像进行自相关计算，确定最大峰值，获取两点像的中心位置x和y，对喷雾场粒子定位，之后每组两点像与最匹配的掩膜板再做自相关计算得到三个峰值，其中最大值为一对亮点的中心，两个次级峰值为一对亮点的距离，通过计算两个次级峰值的距离就可以得到两个亮点的距离ΔL。
进一步的，所述的步骤四中直径的测量精度与粒子折射率无关。
进一步的，所述的步骤四中直径的测量结果与放大倍率和相机分辨率有关，通过调整光学参数放大倍率和相机分辨率来提高粒子可测直径范围及喷雾场的可测浓度，激光的波长和振幅越小，粒子的可测直径范围越大，通过提高凸透镜的成像焦距，扩大粒子的可测浓度。
和现有技术相比，本发明的有益效果为：
(1)该方法的测量精度仅与光学系统参数有关(放大倍率、相机分辨率)，消除了液滴折射率变化对测量结果的影响，大幅度提高了测量精度。
(2)该方法可通过调整光学参数减少亮点的面积提高粒子可测直径及喷雾场的可测浓度。
(3)该方法具有原理简单，成本低，测量精度高，实用性强的特点。
附图说明
图1为双激光干涉粒子直径测量原理图。
图2为双激光干涉的喷雾粒子直径测量光路系统图。
图3为双光束照射喷雾场喷雾粒子形成的聚焦两点像。
图4为双激光干涉喷雾粒径测量图像处理方法。
其中，1-喷雾粒子，2-双片激光束，3-凸透镜，4-聚焦板、5-聚焦两点像、6-激光器，7-光线扩展器，8-滤波器、9-凸透镜、10-分光镜、11-透镜、12-反光镜、13-喷射器、14-实验控制系统、15-由长焦微距镜头、滤波片和CCD相机组成的成像系统，16-定容弹，17-喷雾粒子场。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步的说明。
一种基于双激光干涉的喷雾粒子直径测量方法，如图2所示，具体包括以下步骤：
步骤一、搭建光路系统：激光器发出的激光通过光线扩大器放大，通过滤波片过滤水平偏振光，通过多组凹凸透镜形成均匀等厚的片状激光，再通过50％分光镜分成两束片激光，最后通过反光镜和透镜使两束片激光一左一右相向照射喷雾粒子场，经过调整使左右两束激光在喷雾场内完全重合，喷雾粒子场由喷射器喷射形成喷雾，整个实验在定容弹内完成，实验控制系统可控制整个实验的进行；
步骤二、粒子的聚焦两点像采集：在喷雾粒子90°散射角方向由长焦微距镜头、滤波片和CCD相机组成的成像系统接受散射光，对散射光中的水平偏振光进行滤波，只让垂直偏振光通过，由于反射光的光强比其它高阶折射光强，在聚焦像面上会形成由两束反射光形成的一对亮点；
步骤三、喷雾粒子的聚焦像处理：根据激光干涉理论，粒子的直径与一对亮点之间的距离存在的几何关系为
式中/>
是观测角90°，d是粒子的直径，M是光学系统的放大倍率，ΔL是一对亮点之间的间距，通过上述推导喷雾粒子的直径可表示为/>
步骤四、粒子直径测量：利用模版匹配方法对一个粒子的一对亮点进行匹配，识别出喷雾场中的粒子坐标x和y，通过自相关算法，计算两个次级峰值的距离得到一对亮点的距离ΔL，带入公式
就可以计算出粒子的直径。
进一步的，步骤四所述的模板匹配方法为用每一个掩膜板与图像中的每一对两点像进行自相关计算，确定最大峰值，获取两点像的中心位置x和y，对喷雾场粒子定位，之后每组两点像与最匹配的掩膜板再做自相关计算得到三个峰值，其中最大值为一对亮点的中心，两个次级峰值为一对亮点的距离，通过计算两个次级峰值的距离就可以得到两个亮点的距离ΔL。
所述的步骤四中直径的测量精度与粒子折射率无关。，因此该方法可消除粒子折射率变化对测量结果的影响。
且本发明的直径的测量结果与放大倍率和相机分辨率有关，通过调整光学参数放大倍率和相机分辨率来提高粒子可测直径范围及喷雾场的可测浓度，激光的波长和振幅越小，粒子的可测直径范围越大，通过提高凸透镜的成像焦距，扩大粒子的可测浓度。
本发明中，如图1所示为双激光干涉粒径测量原理图，相向双片激光束2经过喷雾粒子1表面的反射，再通过凸透镜3的折射，在聚焦板4上形成一对亮点(聚焦两点像)，然后通过测量聚焦两点像5的距离ΔL就能计算出喷雾场粒子尺寸。
本发明按照上述步骤进行具体实施的过程为：
步骤一：按照附图2搭建两光束相向照射的干涉粒子成像测量实验光路系统，激光器6为Nd:YAG脉冲激光器，波长为532nm，脉宽为3-5ns，最大脉冲能量为120mJ，最大脉冲频率为15Hz。激光器6发出的激光通过光线扩展器7放大，通过滤波器8过滤水平偏振光，通过凸透镜9形成水平激光，形成0.9mm厚度的片状激光，再通过50％分光镜10分成两束片激光，最后通过反光镜12和透镜11使两束片激光一左一右相向照射喷雾粒子场17，经过调整使左右两束激光在喷雾场内完全重合，喷雾粒子场17由喷射器13喷射形成喷雾，整个实验在定容弹16内完成，实验控制系统14可控制整个实验的进行。
步骤二：由长焦微距镜头、滤波片和CCD(GRAS-50S5M/C)相机组成的成像系统15在喷雾粒子场90°散射角方向接受散射光，由于反射光的光强比其它高阶折射光强，在聚焦像面上会形成由两束反射光形成的亮点，即为采集到的聚焦两点像，聚焦两点像如图3所示，一个粒子对应一对亮点。
步骤三：对于采集到的聚焦两点像，用模板匹配方法，如图4所示，应用一批掩膜板与图像中的每一对亮点进行自相关计算，确定最大峰值，获取两点像的中心位置(x,y)，对喷雾场粒子定位。之后，每一对亮点与最匹配的掩膜板再做自相关计算得到三个峰值，其中最大值为一对亮点的中心，两个次级峰值为两个亮点的距离。通过计算两个次级峰值的距离就可以得到两个亮点的距离ΔL。
步骤四：计算得出聚焦两点像的距离ΔL，便可计算出粒子尺寸。根据激光干涉理论，粒子的直径与两个亮点之间的距离存在的几何关系为
式中/>
是观测角(90°)，d是粒子的直径，M是光学系统的放大倍率，ΔL是亮点间距，通过上述推导喷雾粒子的直径可表示为/>
上面所述的实施例仅仅是本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的构思和范围进行限定，在不脱离本发明设计构思的前提下，本领域中普通工程技术人员对本发明的技术方案做出的各种变型和改进均应落入本发明的保护范围，本发明的请求保护的技术内容，已经全部记载在技术要求书中。
Claims (4)
1.一种基于双激光干涉的喷雾粒子直径测量方法，其特征在于：具体包括以下步骤：
步骤一：搭建光路系统：激光器发出的激光通过光线扩大器放大，通过滤波片过滤水平偏振光，通过多组凹凸透镜形成均匀等厚的片状激光，再通过50％分光镜分成两束片激光，最后通过反光镜和透镜使两束片激光一左一右相向照射喷雾粒子场，经过调整使左右两束激光在喷雾场内完全重合，喷雾粒子场由喷射器喷射形成喷雾，整个实验在定容弹内完成，实验控制系统可控制整个实验的进行；
步骤二、粒子的聚焦两点像采集：在喷雾粒子90°散射角方向由长焦微距镜头、滤波片和CCD相机组成的成像系统接受散射光，对散射光中的水平偏振光进行滤波，只让垂直偏振光通过，由于反射光的光强比其它高阶折射光强，在聚焦像面上会形成由两束反射光形成的一对亮点；
步骤三、喷雾粒子的聚焦像处理：根据激光干涉理论，粒子的直径与一对亮点之间的距离存在的几何关系为
式中θ是观测角90°，d是粒子的直径，M是光学系统的放大倍率，ΔL是一对亮点之间的间距，通过上述推导喷雾粒子的直径可表示为/>
步骤四、粒子直径测量：利用模版匹配方法对一个粒子的一对亮点进行匹配，识别出喷雾场中的粒子坐标x和y，通过自相关算法，计算两个次级峰值的距离得到一对亮点的距离ΔL，带入公式
就可以计算出粒子的直径。
2.根据权利要求1所述的一种基于双激光干涉的粒子直径测量方法，其特征在于：步骤四所述的模板匹配方法为用每一个掩膜板与图像中的每一对两点像进行自相关计算，确定最大峰值，获取两点像的中心位置x和y，对喷雾场粒子定位，之后每组两点像与最匹配的掩膜板再做自相关计算得到三个峰值，其中最大值为一对亮点的中心，两个次级峰值为一对亮点的距离，通过计算两个次级峰值的距离就可以得到两个亮点的距离ΔL。
3.根据权利要求1所述的一种基于双激光干涉的粒子直径测量方法，其特征在于：所述的步骤四中直径的测量精度与粒子折射率无关。
4.根据权利要求1所述的一种基于双激光干涉的粒子直径测量方法，其特征在于：所述的步骤四中直径的测量结果与放大倍率和相机分辨率有关，通过调整光学参数放大倍率和相机分辨率来提高粒子可测直径范围及喷雾场的可测浓度，激光的波长和振幅越小，粒子的可测直径范围越大，通过提高凸透镜的成像焦距，扩大粒子的可测浓度。
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