用于动态液滴物理参数测量的相位彩虹测量方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种用于动态液滴物理参数测量的相位彩虹测量方法及测量装置。所述相位彩虹测量方法包括记录彩虹信号、反演折射率和粒径的值、从记录彩虹信号中减去反演值对应的艾里彩虹以获得纹波结构、计算纹波结构间的相位差、最后根据相位差和粒径变化的关系计算出对应的粒径变化和蒸发速率。所述相位彩虹测量装置包括喷雾系统、激光发射单元、信号采集单元和信号处理单元。所述用于动态液滴物理参数测量的相位彩虹测量方法及装置实现了对动态液滴粒径及变化、折射率、温度等参数的同时测量，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；测得的液滴粒径变化还可以用于计算瞬时蒸发速率。

Phase rainbow measurement method and device for dynamic droplet physical parameter measurement

The invention discloses a phase rainbow measuring method and a measuring device for measuring dynamic droplet physical parameters. The phase rainbow measurement method includes recording the rainbow signal, retrieving the values of refractive index and particle size, subtracting the corresponding Iri rainbow from the recorded rainbow signal to obtain the ripple structure, calculating the phase difference between the ripple structures, and finally calculating the corresponding particle size change and the evaporation rate according to the relationship between the phase difference and the particle size change. Rate. The phase rainbow measuring device comprises a spray system, a laser transmitting unit, a signal acquisition unit and a signal processing unit. The phase rainbow measuring method and device for measuring dynamic droplet physical parameters realize simultaneous measurement of dynamic droplet size and variation, refractive index, temperature and other parameters, thereby analyzing droplet dynamics process, realizing on-line measurement of spray cooling, droplet combustion and other processes, and measuring droplet size variation can also be achieved. It is used to calculate instantaneous evaporation rate.

【技术实现步骤摘要】
用于动态液滴物理参数测量的相位彩虹测量方法及装置
本专利技术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方法及装置。
技术介绍
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，提出相位彩虹测量方法与装置，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。
技术实现思路
本专利技术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方法及装置，所述用于动态液滴物理参数测量的相位彩虹测量方法及装置可以对动态液滴粒径及变化、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。本专利技术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)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；(3)从步骤(2)得到的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)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；(5)根据步骤(4)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；(6)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；(7)根据粒径和时间间隔Δt内的粒径变化ΔD计算蒸发速率。所述步骤(4)中参考彩虹信号和目标彩虹信号反演的步骤为：采用复角动量彩虹理论求解液滴的折射率和粒径，并采用布伦特法对结果进行优化，计算得到折射率和粒径。所述步骤(4)中液滴的粒径和折射率的计算方法，将均匀球形液滴在单色激光照射下产生的主彩虹描述为:其中p为米散射的德拜展开级数，外部反射光(p＝0)，二阶折射光(p＝2)；式中第一项为折射光的自干涉，对应于艾里彩虹，该项的角度位置对折射率很敏感，可以用来测量折射率；主彩虹的散射角为：液滴的粒径可以通过艾里彩虹的强度分布和纹波结构的角间距来联合测量；其中液滴粒径与主彩虹散射角处纹波结构的角间距关系为：其中n为折射率，λ为波长，Φrg为彩虹角处纹波结构的角间距。所述步骤(5)中的艾里彩虹的计算方法为：将粒径和折射率的反演值代入主彩虹公式的第一项中，计算得到艾里彩虹。所述步骤(6)中相位差和粒径变化的线性关系为：其中n为折射率，λ为波长，Δφd，rg为纹波结构的相位差。所述步骤(7)中蒸发速率的计算公式为：其中，D为粒径，ΔD为时间间隔Δt内的粒径变化。本专利技术还提供一种用于上述相位彩虹测量方法的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。所述激光发射单元包括激光器、调制元件和台架系统三部分，激光片光源的线性偏振，波长在350nm到700nm的可见波段之间，激光器的功率在100mW到5W之间。所述的信号采集单元包括球面透镜和线阵相机，线阵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线阵相机的感光芯片上记录。上述信号采集单元的配置方式适用于流动的单液滴。球面透镜的直径为25mm-150mm，焦距为5mm-200mm；线阵相机的横向像素为1024-8192，采样频率不低于1kHz。所述的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，液滴散射的彩虹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感光芯片上记录；柱透镜位于第二球面透镜和面阵相机之间，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感光芯片的不同行上。上述信号采集单元的配置方式适用于流动的单液滴以及液滴场。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；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；所述的面阵相机的像素为1M-16M，采样频率不低于1Hz。所述用于动态液滴物理参数测量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Ld引起的两光路的相位差(φd)是取决于折射率(n)，液滴直径(D)和取样散射角(θb)的多元函数。沿着散射角(θb)的相位变化产生了一组本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于动态液滴物理参数测量的相位彩虹测量方法，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)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；(3)从步骤(2)得到的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)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；(5)根据步骤(4)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；(6)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；(7)根据粒径和时间间隔Δt内的粒径变化ΔD计算蒸发速率。

【技术特征摘要】
1.一种用于动态液滴物理参数测量的相位彩虹测量方法，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)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；(3)从步骤(2)得到的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)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；(5)根据步骤(4)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；(6)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；(7)根据粒径和时间间隔Δt内的粒径变化ΔD计算蒸发速率。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方法，其特征在于，所述步骤(4)中参考彩虹信号和目标彩虹信号反演的步骤为：采用复角动量彩虹理论求解液滴的折射率和粒径，并采用布伦特法对结果进行优化，计算得到折射率和粒径。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方法，其特征在于，所述步骤(6)中相位差和粒径变化的线性关系为：其中n为折射率，λ为波长，Δφd，rg为纹波结构的相位差。4.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...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴迎春，吴学成，高翔，陈玲红，邱坤赞，骆仲泱，岑可法，石琳，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33