CN208255011U - 一种用于动态液滴物理参数测量的相位彩虹测量装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种用于动态液滴物理参数测量的相位彩虹测量装置。所述相位彩虹测量装置包括喷雾系统、激光发射单元、信号采集单元、信号处理单元；所述信号采集单元包括球面透镜和相机，所述相机放置于球面透镜的焦平面上，彩虹信号通过球面透镜进行收集并投射到相机的感光芯片上记录；或所述信号采集单元包括两个球面透镜、一个柱透镜、水平线光阑、竖直线光阑以及面阵相机，第一球面透镜、水平线光阑、竖直线光阑、第二球面透镜及柱透镜组成成像系统单元。本实用新型提供的相位彩虹测量装置实现了喷雾液滴粒径及跨尺度微小变化、折射率、蒸发速率等多参数的同时测量，可以实现喷雾冷却、液滴燃烧等工业过程的在线测量。

Description

一种用于动态液滴物理参数测量的相位彩虹测量装置

技术领域

本实用新型涉及喷雾液滴测量领域，具体涉及一种用于动态液滴物理参数测量的相位彩虹测量装置。

背景技术

液滴和喷雾广泛存在于能源、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、食品工业中的喷雾干燥等。准确地测量并控制动态液滴的关键参数，对改善上述装置的性能有重要的指导作用。本领域中已有多种用于测量喷雾场中液滴参数的技术。传统的接触式测量方法有：浸液法、跟踪法、沉降法、冻结法、溶腊法和瞬时取样法等，上述方法会对原流场产生破坏，造成误差，且应用局限性较大，难以适应当前的高精度测量需求。

而非干扰式的先进光学测量方法，例如激光多普勒测速技术、光散斑测速技术、粒子图像测速技术、双色激光诱导荧光法、激光诱导磷光法、平面激光诱导荧光法等方法均难以实现对雾化液滴的粒径、浓度、组分和温度等关键参数同时、准确、多点的测量。与上述测量技术相比，彩虹测量技术能够精确实时地测量雾化液滴的粒径、温度(或成分)及其演变规律，对于雾化气液两相流机理的揭示具有重要意义。

非平衡状态下的液滴性质(如粒径)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，这对研究相关的物理化学过程是非常重要的。现有的全场彩虹、一维彩虹等彩虹测量技术采用拉格朗日法测量液滴变化，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，上述方法都无法实现该情况下液滴粒径和粒径变化的同时测量，不利于彩虹技术的推广应用和液滴蒸发率的测量。

在此，我们考虑对粒径变化进行直接测量，提出相位彩虹测量装置，可以实时、精确、非接触地实现微米级液滴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。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种用于动态液滴物理参数测量的相位彩虹测量装置，所述相位彩虹测量装置可以对动态液滴的粒径及变化、折射率和蒸发速率等参数同时测量，可以分析液滴动力学过程，实现喷雾冷却、液滴燃烧等过程的在线测量。

本实用新型为解决上述技术问题采用的具体技术方案是：

一种用于动态液滴物理参数测量的相位彩虹测量装置，所述相位彩虹测量装置包括喷雾系统、激光发射单元、信号采集单元、信号处理单元；所述喷雾系统产生液滴场，液滴场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附近收集并记录液滴场散射的彩虹信号，得到相位彩虹图像；所述信号处理单元接收信号采集单元发送的彩虹信号，进行相位彩虹图像的处理；所述信号采集单元包括球面透镜和相机，所述相机放置于球面透镜的焦平面上，彩虹信号通过球面透镜进行收集并投射到相机的感光芯片上记录。

所述的信号处理单元处理相位彩虹图像可以得到液滴的粒径、折射率、粒径变化和蒸发速率。

所述的透镜的直径为30mm-150mm，直径大小的选择与液滴距离透镜的距离有关，使得穿过透镜的彩虹角附近散射光不低于10度为佳；焦距为5mm-200mm。

所述的相机为线阵相机，所述线阵相机的横向像素为1024-8192，采样频率不低于1kHz。

透镜的焦距与相机芯片的物理尺寸大小与整个成像系统有关，二者结合应采集彩虹角附近散射光不低于10度为佳。

所述线阵相机的采样频率与液滴尺寸变化速率有关，采样频率不低于彩虹纹波结构相移周期的2倍。作为优选，10倍以上为佳。

所述的喷雾系统产生的液滴粒径范围为20μm至200μm，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。

所述的激光发射单元包括激光器、调制元件和台架系统，激光片光源的线性偏振，波长在350nm到700nm的可见波段之间，所述激光器的功率在100mW到5W之间。

上述用于动态液滴物理参数测量的相位彩虹测量装置适用于流动的单液滴。

本实用新型还提供一种用于动态液滴物理参数测量的相位彩虹测量装置，所述相位彩虹测量装置包括喷雾系统、激光发射单元、信号采集单元、信号处理单元；所述喷雾系统产生液滴场，液滴场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附近收集并记录液滴场散射的彩虹信号，得到相位彩虹图像；所述信号处理单元接收信号采集单元发送的彩虹信号，进行相位彩虹图像的处理；所述信号采集单元包括两个球面透镜、一个柱透镜、水平线光阑、竖直线光阑以及面阵相机，第一球面透镜、水平线光阑、竖直线光阑、第二球面透镜及柱透镜组成成像系统单元，散射光依次通过第一球面透镜、水平线光阑、竖直线光阑、第二球面透镜及柱透镜后进入面阵相机，其中：

水平线光阑位于第一球面透镜的后焦平面处，形成一维光学滤光器；

竖直线光阑放置于液滴的成像平面处，定义了测量区域；

第二球面透镜将水平线光阑的像投射到面阵相机的芯片上记录；

柱透镜位于第二球面透镜和相机之间，用于扩展彩虹光，并将不同高度液滴散射的彩虹光成像到面阵相机的感光芯片的不同行上。

所述的第一球面透镜和水平线光阑的中心的高度相同，使得通过的彩虹光为垂直平面的散射光。

所述的第一球面透镜和第二球面透镜的直径为50mm-150mm，焦距为60mm-200mm。

第一球面镜直径大小的选择与液滴距离透镜的距离有关，使得穿过透镜的彩虹角附近散射光不低于10度为佳。

所述的水平线光阑线宽为0.1mm-1mm，所述的竖直线光阑线宽为0.1mm-1mm。

所述的水平光阑的线宽应尽量小，使得通过的彩虹光为垂直平面的散射光，同时减小不同高度颗粒散射光之间的相互干涉干扰。

所述的竖直光阑的线宽应尽量小，使得液滴位置的影响最小；但是应大于液滴像，使得液滴散射光能通过。

所述的面阵相机的像素为1M-16M，采样频率不低于1Hz。

面阵相机的物理尺寸大小与整个采集单元成像系统有关，二者结合应在水平方向上采集彩虹角附近散射光不低于10度为佳；在竖直方向上相机的空间采样频率与液滴尺寸变化速率有关，采样频率不低于彩虹纹波结构相移周期的2倍。作为优选，10倍以上为佳。

上述用于动态液滴物理参数测量的相位彩虹测量装置适用于流动的单液滴以及液滴场。

所述用于动态液滴物理参数测量的相位彩虹测量装置测量相位彩虹的方法包括以下步骤：

(1)使用激光器对光路进行彩虹信号高度及散射角度的标定，得到相机像素与测量点高度和散射角之间的关系；

(2)打开喷雾系统，液滴从喷嘴向上喷射，调整液滴场至稳定状态；

(3)用线性偏振的激光片光源照射液滴场，液滴散射的彩虹信号通过光学系统单元后成像在相机的感光芯片上，并记录时间分辩的彩虹信号，得到相位彩虹图像；

(4)对步骤(3)得到的相位彩虹图像用信号处理单元进行处理，得到动态液滴物理参数。

所述的信号处理单元处理相位彩虹图像的方法包括以下步骤：

(4-1)从相位彩虹图像中选取一对彩虹信号，即参考彩虹信号和目标彩虹信号；

(4-2)对参考彩虹信号和目标彩虹信号进行反演，得到液滴的粒径和折射率；

(4-3)根据步骤(4-2)得到的粒径和折射率计算参考彩虹信号和目标彩虹信号的艾里彩虹，从参考彩虹信号和目标彩虹信号中减去艾里彩虹，获得参考纹波结构和目标纹波结构；

(4-4)通过交叉功率谱密度CPSD确定参考纹波结构和目标纹波结构的相位差，根据相位差和粒径变化的线性关系，计算得到粒径变化大小；

(4-5)根据粒径和时间间隔Δt内的粒径变化ΔD计算蒸发速率。

所述的相位彩虹测量方法的具体原理如下：

均匀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主彩虹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，……)。忽略透射光及大于2阶的折射，主彩虹可以描述为：

第一项是折射光的自干涉，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。第二项是折射与反射之间的干涉，对应于纹波结构。第三项是外表面的反射，其强度小且相对平坦，可以忽略不计。

分析彩虹光两个主要部分(折射和外部反射)的光路，根据几何光学关系可知，由光程差L_d引起的两光路的相位差(φ_d)是取决于折射率(n)，液滴直径(D)和取样散射角(θ_b)的多元函数。沿着散射角(θ_b)的相位变化产生了一组明暗交替的条纹，即纹波结构，其角间距(Φ_b)可以通过在θ_b的泰勒展开来获得：

式中，λ是在环境介质中的入射波长，θ₁和θ₃分别为折射和反射光线的入射角。

彩虹角(θ_rg)处纹波结构的角间距(ф_rg)可以表示为：

由公式(3)可知，纹波结构的角间距与液滴尺寸成反比，因此可用于液滴尺寸的测量。

彩虹角处折射和外部反射光的相位差为：

在公式(4)中，相位差是液滴直径的线性函数，这表明相位随着液滴尺寸的变化线性移动。对公式(4)两边进行微分并移项，可得：

ΔD＝c_rgΔφ_d，rg (5)

其中系数(C_rg)为

经上述分析可知，彩虹测量技术可以由艾里彩虹的角度位置(方程式1的第一项)反演折射率，结合艾里彩虹的形状和纹波结构(公式(1)的第一和第二项)反演液滴大小。且公式(5)表明，液滴尺寸的变化可以由纹波结构(公式(1)的第二项)的相移计算得到。基于以上原理，我们提出了相位彩虹测量技术。

基于相位彩虹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

本实用新型的有益效果是，所述的用于动态液滴物理参数测量的相位彩虹测量装置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，实现了对动态液滴粒径及其变化、折射率和蒸发速率等参数的同时测量，从而分析液滴动力学过程，实现喷雾冷却、液滴燃烧等过程的在线测量，具有高精度、实时、非接触测量的优点；具有结构简单、价格低廉等特点；并且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，可应用于粒径为数十至数百微米的液滴，适合扩展于广泛的工业化应用；测量得到的液滴粒径变化还可以用于计算瞬时蒸发速率，这对深入研究相关的物理、化学过程，监测及优化相关的工业设备具有重要意义。

附图说明

图1为液滴散射彩虹光光路示意图；

图2为实施例1提供的用于动态液滴物理参数测量的相位彩虹测量装置中的光路结构主视图；

图3为实施例1提供的用于动态液滴物理参数测量的相位彩虹测量装置中的光路结构的俯视图；

图4为实施例2提供的用于动态液滴物理参数测量的相位彩虹测量装置中的光路结构主视图；

图5为实施例2提供的用于动态液滴物理参数测量的相位彩虹测量装置中的光路结构的俯视图；

图6为信号系统单元处理相位彩虹图像的流程图。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图对本实用新型技术方案的具体实施方式作进一步的说明。

实施例1

如图2、3所示，针对流动单液滴的相位彩虹测量装置，包括用于实现相位彩虹的喷雾系统-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、线阵相机9以及与线阵相机9相连的信号处理单元；线阵相机9放置于球面透镜3的焦平面上，彩虹信号通过球面透镜3进行收集并投射到线阵相机9的感光芯片上记录，得到时间分辨的彩虹信号。

其中，光源照射液滴场时液滴散射彩虹光光路如图1所示，1为液滴，2为外部反射光，3为折射光。

其中，单液滴发生系统1产生的液滴粒径为100μm，液滴折射率为1.33，液滴的运动速度为5m/s。

激光片光源2的线性偏振，波长为532nm的可见波段，激光器的功率为2.5W。

球面透镜3的直径为100mm，焦距为100mm；线阵相机9的横向像素为4096，采样频率为100kHz。

用上述相位彩虹测量装置测量相位彩虹的方法，包括以下步骤：

(1)使用激光器对光路进行彩虹信号高度及散射角度的标定，得到相机像素与测量点高度和散射角之间的关系；

(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到达相机9感光芯片上记录，得到时间分辨的彩虹信号，即相位彩虹图像；

(4)用信号处理单元处理步骤(3)得到的相位彩虹图像，处理方法的流程图如图6所示。

实施例2

如图4、5所示，针对液滴场的相位彩虹测量装置，喷雾系统为液滴发生系统1，彩虹信号采集部分由球面透镜4、水平线光阑5、竖直线光阑6、球面透镜7、柱透镜8以及面阵相机9构成，其余和实施例1相同。

彩虹信号由球面透镜4收集，水平线光阑5位于球面透镜4的后焦平面处，且与透镜中心高度相同，形成选择性透光的一维光学滤光器；竖直线光阑6位于液滴场的成像平面处，以定义测量区域；球面透镜7将水平线光阑的像投射于面阵相机9的感光芯片上记录；柱透镜8在球面透镜7和面阵相机9之间，用于扩展彩虹光，并将不同高度液滴散射的光成像到面阵相机9的感光芯片的不同行上。

其中，球面透镜4和球面透镜7的直径为100mm，焦距为150mm；水平线光阑线宽为0.5mm，竖直线光阑线宽为0.5mm；面阵相机9的像素为4M，采样频率为10Hz。

上述是结合实施例对本实用新型作出的详细说明，但是本实用新型的实施方式并不受上述实施例的限制，其它任何在本实用新型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实用新型专利的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种用于动态液滴物理参数测量的相位彩虹测量装置，所述相位彩虹测量装置包括喷雾系统、激光发射单元、信号采集单元、信号处理单元；所述喷雾系统产生液滴场，液滴场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附近收集并记录液滴场散射的彩虹信号，得到相位彩虹图像；所述信号处理单元接收信号采集单元发送的彩虹信号，进行相位彩虹图像的处理；其特征在于，所述信号采集单元包括球面透镜和相机，所述相机放置于球面透镜的焦平面上，彩虹信号通过球面透镜进行收集并投射到相机的感光芯片上记录。

2.根据权利要求1所述的用于动态液滴物理参数测量的相位彩虹测量装置，其特征在于，所述的球面透镜的直径为25mm-150mm，焦距为5mm-200mm。

3.根据权利要求1所述的用于动态液滴物理参数测量的相位彩虹测量装置，其特征在于，所述的相机为线阵相机，所述线阵相机的横向像素为1024-8192，采样频率不低于1kHz。

4.一种用于动态液滴物理参数测量的相位彩虹测量装置，所述相位彩虹测量装置包括喷雾系统、激光发射单元、信号采集单元、信号处理单元；所述喷雾系统产生液滴场，液滴场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附近收集并记录液滴场散射的彩虹信号，得到相位彩虹图像；所述信号处理单元接收信号采集单元发送的彩虹信号，进行相位彩虹图像的处理；其特征在于，所述信号采集单元包括两个球面透镜、一个柱透镜、水平线光阑、竖直线光阑以及面阵相机，第一球面透镜、水平线光阑、竖直线光阑、第二球面透镜及柱透镜组成成像系统单元，散射光依次通过第一球面透镜、水平线光阑、竖直线光阑、第二球面透镜及柱透镜后进入面阵相机，其中：

水平线光阑位于第一球面透镜的后焦平面处，形成一维光学滤光器；

竖直线光阑放置于液滴的成像平面处，定义了测量区域；

第二球面透镜将水平线光阑的像投射到面阵相机芯片上记录；

柱透镜位于第二球面透镜和相机之间，用于扩展彩虹光，并将不同高度液滴散射的彩虹光成像到面阵相机的感光芯片的不同行上。

5.根据权利要求4所述的用于动态液滴物理参数测量的相位彩虹测量装置，其特征在于，所述的第一球面透镜和水平线光阑的中心的高度相同。

6.根据权利要求4所述的用于动态液滴物理参数测量的相位彩虹测量装置，其特征在于，所述的第一球面透镜和第二球面透镜的直径为50mm-150mm，焦距为40mm-200mm。

7.根据权利要求4所述的用于动态液滴物理参数测量的相位彩虹测量装置，其特征在于，所述的水平线光阑线宽为0.1mm-1mm，所述的竖直线光阑线宽为0.1mm-1mm。

8.根据权利要求4所述的用于动态液滴物理参数测量的相位彩虹测量装置，其特征在于，所述的面阵相机的像素为1M-16M，采样频率不低于1Hz。