一種全場(chǎng)彩虹在線(xiàn)測(cè)量液體噴霧的方法和裝置制造方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明涉及噴霧液滴參數(shù)測(cè)量技術(shù)，旨在提供一種全場(chǎng)彩虹在線(xiàn)測(cè)量液體噴霧的方法和裝置；所述方法包括記錄彩虹信號(hào)的光強(qiáng)、計(jì)算彩虹系數(shù)矩陣、演算粒徑和折射率、演算全場(chǎng)彩虹并保存數(shù)據(jù)、以及對(duì)上述結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化并重復(fù)，并最終得到得到噴霧的粒徑分布、折射率，并結(jié)合事先折射率與溶液濃度、溫度與組分的關(guān)系，得到液滴濃度、溫度與組分；所述裝置包括實(shí)現(xiàn)全場(chǎng)彩虹的噴霧系統(tǒng)、第一和第二透鏡、小孔光闌、帶有變焦鏡頭CCD相機(jī)和外接計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)的端口；本發(fā)明的有益效果是實(shí)現(xiàn)了噴霧液滴折射率、粒徑及濃度、溫度與組分等多參數(shù)同時(shí)測(cè)量；對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行緊湊化設(shè)計(jì)，便攜帶，現(xiàn)場(chǎng)操作性強(qiáng)，有利于彩虹技術(shù)在線(xiàn)實(shí)時(shí)測(cè)量的工業(yè)應(yīng)用。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種全場(chǎng)彩虹在線(xiàn)測(cè)量液體噴霧的方法和裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及噴霧液滴參數(shù)測(cè)量技術(shù)，具體涉及一種利用全場(chǎng)彩虹技術(shù)在線(xiàn)測(cè)量液體噴霧折射率、粒徑及濃度、溫度與組分的方法和裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]噴霧氣液兩相流在工業(yè)過(guò)程中有廣泛應(yīng)用，如噴霧燃燒、噴霧混合、噴霧吸收脫除污染物等，噴霧的霧化特性直接影響到燃燒、吸收或混合效率、污染物排放水平等。而噴霧流場(chǎng)中液滴粒徑分布、速度、組分、濃度、溫度等關(guān)鍵參數(shù)的檢測(cè)對(duì)深入研究噴霧流場(chǎng)、優(yōu)化噴霧系統(tǒng)具有重要科學(xué)意義和工業(yè)應(yīng)用。因此發(fā)展在線(xiàn)測(cè)量液體噴霧參數(shù)的方法和裝置是十分有必要的。
[0003]傳統(tǒng)機(jī)械式方法多為接觸式測(cè)量方法，如收集法、液滴固化法、熔蠟法、沉降法和壓痕法等，這些方法操作簡(jiǎn)單，但是機(jī)械裝置與噴霧場(chǎng)接觸，會(huì)影響噴霧場(chǎng)結(jié)構(gòu)。目前常用先進(jìn)噴霧流場(chǎng)光學(xué)測(cè)試技術(shù)主要有陰影法、紋影法、激光Mie散射技術(shù)、相位多普勒分析儀、激光干涉成像粒徑測(cè)量?jī)x和粒子圖像測(cè)速儀、數(shù)字全息技術(shù)、激光誘導(dǎo)熒光法等。陰影法與紋影法采用普通白光源，測(cè)量噴霧流場(chǎng)中密度梯度的變化，只能記錄二維的噴霧特性。激光Mie散射技術(shù)受液滴形狀和分布規(guī)律影響較大，只能獲得測(cè)量區(qū)域中液滴粒徑的平均值，同時(shí)其空間分辨率比較低，不能測(cè)量濃密度的噴霧場(chǎng)。PDA利用激光的多普勒效應(yīng)，僅可以單點(diǎn)測(cè)量顆粒的粒徑與三維速度；ILIDS和PIV只能測(cè)量噴霧流場(chǎng)的二維場(chǎng)。激光誘導(dǎo)熒光通過(guò)在液滴中加入熒光物質(zhì)，通過(guò)用CCD測(cè)量激光激發(fā)出的熒光來(lái)分析液滴濃度，具有較高的時(shí)間和光譜分辨率，但是熒光劑的加入會(huì)改變液滴的理化性質(zhì)而影響噴霧場(chǎng)。此夕卜，激光誘導(dǎo)熒光法易受溫度、壓力、濃度以及熒光劑分子等因素影響，因此，該方法在實(shí)際應(yīng)用中困難較多，精度不高。
[0004]所以，上述測(cè)量技術(shù)均無(wú)法同時(shí)、準(zhǔn)確地獲得噴霧液滴的折射率、粒徑及濃度、溫度與組分等關(guān)鍵參數(shù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是，克服現(xiàn)有噴霧測(cè)量技術(shù)中的不足，提供一種全場(chǎng)彩虹在線(xiàn)測(cè)量液體噴霧的方法和裝置。
[0006]為解決技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明的解決方案是:
[0007]提供一種全場(chǎng)彩虹在線(xiàn)測(cè)量液體噴霧的方法，包括以下步驟:
[0008](I)利用垂直偏振的半導(dǎo)體激光照射噴霧流場(chǎng)，噴霧顆粒彩虹角附近的散射光由透鏡收集后，經(jīng)傅里葉成像系統(tǒng)投射到CXD上，并記錄彩虹信號(hào)的光強(qiáng)；
[0009](2)利用Nussenzweig理論計(jì)算彩虹系數(shù)矩陣；
[0010](3)利用非負(fù)最小二乘法反演粒徑、折射率；
[0011](4)計(jì)算反演的全場(chǎng)彩虹，并與原彩虹信號(hào)比較；如果收斂，則得到噴霧粒徑分布和折射率，保存相應(yīng)數(shù)據(jù)；[0012](5)如果步驟(4)中與原彩虹信號(hào)比較的結(jié)果不收斂，則對(duì)該結(jié)果進(jìn)行Brenf sMethod優(yōu)化，然后再重復(fù)步驟(2)至(4)，以得到收斂結(jié)果，并最終得到得到噴霧的粒徑分布、折射率，并結(jié)合事先獲取的折射率與溶液濃度、溫度與組分的標(biāo)定關(guān)系，反推得到液滴的濃度、溫度與組分。
[0013]本發(fā)明中還包括步驟:調(diào)整相機(jī)的曝光時(shí)間，記錄多顆粒的散射光用于平滑高頻紋波結(jié)構(gòu)，即全場(chǎng)彩虹信號(hào)。
[0014]本發(fā)明進(jìn)一步提供了用于實(shí)現(xiàn)前述方法的裝置，包括用于實(shí)現(xiàn)全場(chǎng)彩虹的噴霧系統(tǒng)，還包括第一透鏡、第二透鏡、小孔光闌、帶有變焦鏡頭的CXD相機(jī)，以及外接計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)的端口，CXD相機(jī)通過(guò)端口外接計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)；在第一透鏡和第二透鏡之間設(shè)反射鏡以改變光路方向，小孔光闌位于第一透鏡的像平面上，第二透鏡的像平面與第一透鏡的焦平面重合；第一透鏡、第二透鏡、反射鏡和小孔光闌構(gòu)成傅里葉成像系統(tǒng)，使第一透鏡前表面的彩虹信號(hào)通過(guò)該成像系統(tǒng)投射到CXD上并被記錄。
[0015]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是:
[0016](I)克服了傳統(tǒng)噴霧液滴測(cè)量方法種種弊端，將全場(chǎng)彩虹技術(shù)應(yīng)用到噴霧液滴的多參數(shù)測(cè)量中，提出了基于Nussenzveig理論的最優(yōu)化單噴霧、多噴霧彩虹信號(hào)反演方法，真正實(shí)現(xiàn)了噴霧液滴折射率、粒徑及濃度、溫度與組分等多參數(shù)同時(shí)測(cè)量。
[0017]現(xiàn)有的測(cè)量技術(shù)均無(wú)法同時(shí)、準(zhǔn)確地獲得噴霧液滴的折射率、粒徑及濃度、溫度與組分等關(guān)鍵參數(shù)，而彩虹信號(hào)的散射角位置對(duì)折射率比較敏感且散射光強(qiáng)信號(hào)分布和粒徑分布相關(guān)，所以可以通過(guò)分析彩虹信號(hào)得到液滴折射率和粒徑分布兩種參數(shù)。而折射率大小又隨濃度、溫度、組分變化而變化，所以可以通過(guò)折射率的測(cè)量值進(jìn)一步反演得到濃度等參數(shù)，這些參數(shù)在科學(xué)研究和工業(yè)生產(chǎn)中具有重要作用。
[0018](2)在原測(cè)量系統(tǒng)基于實(shí)驗(yàn)室、不便于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的基礎(chǔ)上，對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了緊湊化設(shè)計(jì)，便于攜帶，現(xiàn)場(chǎng)操作性強(qiáng)，有利于彩虹技術(shù)在線(xiàn)實(shí)時(shí)測(cè)量的工業(yè)應(yīng)用。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0019]圖1為本發(fā)明中測(cè)量系統(tǒng)的布置和測(cè)量原理示意圖；
[0020]附圖標(biāo)記為:1噴霧系統(tǒng)；2低功率半導(dǎo)體連續(xù)激光器；3帶有變焦鏡頭的CCD相機(jī)；4第一透鏡；5反射鏡；6小孔光闌；7第二透鏡；8外接計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)的端口 ；
[0021]圖2為本發(fā)明測(cè)量裝置的操作面板圖；
[0022]附圖標(biāo)記為:9光信號(hào)窗口 ；10反射鏡調(diào)節(jié)旋鈕；11總開(kāi)關(guān)；12激光出射口 ；13激光器開(kāi)關(guān)；
[0023]圖3為全場(chǎng)彩虹信號(hào)處理算法流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0024]參考附圖，下面將對(duì)本發(fā)明實(shí)施方法進(jìn)行詳細(xì)描述。
[0025]如圖1所示，本發(fā)明裝置包括用于實(shí)現(xiàn)全場(chǎng)彩虹的噴霧系統(tǒng)1、第一透鏡4、第二透鏡7、小孔光闌6、帶有變焦鏡頭的CCD相機(jī)3，以及外接計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)的端口 8 ;在第一透鏡4和第二透鏡7之間設(shè)反射鏡5以改變光路方向，小孔光闌6位于第一透鏡4的像平面上，第二透鏡7的像平面與第一透鏡4的焦平面重合；第一透鏡4、第二透鏡7、反射鏡5和小孔光闌6構(gòu)成傅里葉成像系統(tǒng)，第一透鏡4前表面的彩虹信號(hào)通過(guò)該成像系統(tǒng)投射到CXD上并被記錄，(XD相機(jī)通過(guò)端口外接計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)。
[0026]本發(fā)明的雙透鏡組成傅里葉成像系統(tǒng)，在第一個(gè)透鏡4與第二個(gè)透鏡7中增加一個(gè)反射鏡5，使光路旋轉(zhuǎn)90度，使光路元器件位于長(zhǎng)寬大致相等的矩形空間內(nèi)，因而可以把整個(gè)彩虹測(cè)試系統(tǒng)的硬件封裝在一個(gè)約60cmX80cm的矩形盒子中，形成緊湊式全場(chǎng)彩虹測(cè)試系統(tǒng)。系統(tǒng)外部操作面板如圖2所示。計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)通過(guò)端口8控制全場(chǎng)彩虹系統(tǒng)對(duì)噴霧流場(chǎng)進(jìn)行測(cè)試。緊湊式全場(chǎng)彩虹測(cè)試系統(tǒng)便于攜帶，方便現(xiàn)場(chǎng)安裝測(cè)試，可以實(shí)現(xiàn)儀器化。
[0027]本發(fā)明使用垂直偏振的半導(dǎo)體激光照射噴霧流場(chǎng)，噴霧顆粒彩虹角(P=2，本實(shí)施例使用實(shí)驗(yàn)對(duì)象水和乙醇溶液，約為132°?147° )附近的散射光的被第一透鏡4收集，第二透鏡7的像平面與第一透鏡4的焦平面重合，二者構(gòu)成一個(gè)傅里葉成像系統(tǒng)，第一透鏡4前表面的彩虹信號(hào)通過(guò)這個(gè)傅里葉成像系統(tǒng)被投射到CXD上并被記錄。小孔光闌6位于測(cè)量區(qū)域在第一透鏡4的像平面上，通過(guò)調(diào)節(jié)小孔光闌6的大小來(lái)控制測(cè)量區(qū)域的大小。調(diào)整相機(jī)的曝光時(shí)間，用于記錄多顆粒的散射光來(lái)平滑高頻紋波結(jié)構(gòu)。對(duì)測(cè)量信號(hào)進(jìn)行反演得到噴霧液滴的折射率、粒徑分布。結(jié)合折射率與溶液濃度、溫度的關(guān)系，反推液滴的濃度與溫度。
[0028]采用光散射理論中的Lorenz-Mie理論作為標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)彩虹信號(hào)反演算法理論——Nussenzveig理論進(jìn)行物理理論上的檢驗(yàn)修正,使得修正后Nussenzveig理論不但具有快速的計(jì)算速度且具有精確的計(jì)算結(jié)果，并將其用于噴霧全場(chǎng)彩虹信號(hào)的反演過(guò)程。
[0029]噴霧反演算法的流程圖如圖3所示。假設(shè)CCD記錄的彩虹信號(hào)的光強(qiáng)為各個(gè)顆粒散射光的光強(qiáng)之和，應(yīng)用Nussenzweig理論,對(duì)液滴折射率和粒徑分布采用無(wú)分布函數(shù)算法進(jìn)行最優(yōu)化求解。采用非負(fù)最小二乘法(NNLS)對(duì)方程組求解，加入光順因子r作為光順約束，得到比較平滑的粒徑分布；并用Brent’ s Method對(duì)結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化，得到折射率η和粒徑分布D。并進(jìn)一步依據(jù)的折射率、粒徑和濃度、溫度與組分的標(biāo)定關(guān)系，可以完成實(shí)現(xiàn)對(duì)噴霧多參數(shù)的在線(xiàn)測(cè)量。
【權(quán)利要求】
1.一種全場(chǎng)彩虹在線(xiàn)測(cè)量液體噴霧的方法，其特征在于，包括以下步驟: (1)利用垂直偏振的半導(dǎo)體激光照射噴霧流場(chǎng)，噴霧顆粒彩虹角附近的散射光由透鏡收集后，經(jīng)傅里葉成像系統(tǒng)投射到CXD上，并記錄彩虹信號(hào)的光強(qiáng)； (2)利用Nussenzweig理論計(jì)算彩虹系數(shù)矩陣； (3)利用非負(fù)最小二乘法反演粒徑、折射率； (4)計(jì)算反演的全場(chǎng)彩虹，并與原彩虹信號(hào)比較；如果收斂，則得到噴霧粒徑分布和折射率，保存相應(yīng)數(shù)據(jù)； (5)如果步驟(4)中與原彩虹信號(hào)比較的結(jié)果不收斂,則對(duì)該結(jié)果進(jìn)行Brent’sMethod優(yōu)化，然后再重復(fù)步驟(2)至(4)，以得到收斂結(jié)果，并最終得到得到噴霧的粒徑分布和折射率，并結(jié)合事先獲取的折射率與溶液濃度、溫度與組分的標(biāo)定關(guān)系，反推得到液滴的濃度、溫度與組分。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，在步驟(I)之后，還包括步驟:調(diào)整相機(jī)的曝光時(shí)間，記錄多顆粒的散射光用于平滑高頻紋波結(jié)構(gòu)，即全場(chǎng)彩虹信號(hào)。
3.一種用于實(shí)現(xiàn)權(quán)利要求1所述方法的裝置，包括用于實(shí)現(xiàn)全場(chǎng)彩虹的噴霧系統(tǒng)，其特征在于，還包括第一透鏡、第二透鏡、小孔光闌、帶有變焦鏡頭的CXD相機(jī)，以及外接計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)的端口，CXD相機(jī)通過(guò)端口外接計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)；在第一透鏡和第二透鏡之間設(shè)反射鏡以改變光路方向，小孔光闌位于第一透鏡的像平面上，第二透鏡的像平面與第一透鏡的焦平面重合；第一透鏡、第二透鏡、反射鏡和小孔光闌構(gòu)成傅里葉成像系統(tǒng)，使第一透鏡前表面的彩虹信號(hào)通過(guò)該成像系統(tǒng)投射到CCD上并被記錄。
【文檔編號(hào)】G01N15/02GK103698256SQ201310729284
【公開(kāi)日】2014年4月2日 申請(qǐng)日期:2013年12月25日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月25日
【發(fā)明者】吳學(xué)成, 岑可法, 陳玲紅 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)