一种用于测量气泡参数的相位临界角散射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测量气泡参数的相位临界角散射测量方法，包括使用激光器对光路进行标定，得到相机像素与测量点散射角之间的关系；用激光片光源照射气泡，气泡在临界角附近的散射光信号经光学系统收集后记录于相机上，获得时间分辩的临界角散射条纹图；分析临界角散射条纹图得到气泡粒径，分析时间分辩的临界角散射条纹图中高频纹波结构间的相位差获得气泡粒径变化。本发明专利技术还提供了相位临界角散射测量装置，包括气泡发生系统、激光片光源入射系统、散射光信号采集系统以及信号处理系统。本发明专利技术实现了对气泡粒径及粒径变化的同时测量，有利于分析气泡动力学过程，实现了在线监测和优化。

Phase critical angle scattering measurement method and device for measuring bubble parameters

The invention discloses a phase critical angle scattering measurement method for measuring bubble parameters, which includes using laser to calibrate the optical path, obtaining the relationship between camera pixels and scattering angle of measuring points, irradiating bubbles with laser sheet light source, and collecting scattering light signals of bubbles near critical angle by optical system, and recording them in an optical system. On the camera, the critical angular scattering fringe pattern with time resolution is obtained, the bubble size is obtained by analyzing the critical angular scattering fringe pattern, and the phase difference between the high frequency ripple structures in the critical angular scattering fringe pattern with time resolution is analyzed to obtain the change of bubble size. The invention also provides a phase critical angle scattering measuring device, including a bubble generating system, a laser lamp light source incident system, a scattering light signal acquisition system and a signal processing system. The invention realizes the simultaneous measurement of bubble size and particle size change, facilitates the analysis of bubble dynamics process, and realizes on-line monitoring and optimization.

【技术实现步骤摘要】
一种用于测量气泡参数的相位临界角散射测量方法及装置
本专利技术涉及多相流测量领域，具体涉及一种用于测量气泡参数的相位临界角散射测量方法及装置。
技术介绍
气泡广泛存在于各种自然系统和工业过程中，如海浪破碎，沸腾传热，流体机械汽蚀，生物或化学反应器，船舶减阻系统等。测量气泡的关键参数(如粒径、折射率等)并控制它们的演变对改善相关的系统及过程有重要的意义。本领域中已有多种用于测量气泡参数的技术。传统的接触式测量方法有：电导法、射线衰减法、压差法、微波法、光纤探针、电导探针法、多孔法等，上述方法会对流场产生干扰，且对测量气泡的尺寸有较大限制，测量结果误差较大。非接触式测量方法主要有声学方法和光学方法两种，由于光学测量方法精度较高，所以使用较为广泛。而一般的光学测量方法，例如图像法、相位多普勒测速技术、离焦粒子图像测速技术等方法均难以实现对气泡折射率、粒径及其变化等关键参数的同时测量。与上述测量技术相比，临界角散射测量技术能够精确实时地测量气泡的折射率和粒径，对深入研究涉及气泡的气液两相流具有重要意义。非平衡状态下的气泡性质(如粒径)的微小变化，反映了气泡与周围环境的相互作用，影响着系统的传质、传热或反应特性。现有的临界角散射测量技术采用拉格朗日法测量气泡变化，对测量区域内的研究气泡进行多个高频采样，跟踪测量气泡的绝对大小。但拉格朗日法只适用于较大尺寸的变化，在实际气泡变化测量的应用中，气泡参数变化很小，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气泡粒径和粒径变化的同时、精确测量，限制了临界角散射测量技术的推广应用。公开号为CN201335684的中国专利公开了一种利用远场干涉法测量气泡直径的装置，测量气泡在入射激光束方向的直径，可用于动态测量。平行激光束2照射到平板玻璃1上并照射到板内气泡，在平板玻璃另一侧透镜(或镜头)3的焦平面5处会出现以入射光方向为圆心的圆环状干涉条纹，通过对干涉条纹角半径的测量，可计算得气泡的直径。焦平面处放置ccd，连接电脑可方便进行条纹角位置的测量和计算。在此，我们提出相位临界角散射测量方法与装置，可以对粒径变化进行直接测量，实现对气泡折射率、微米尺度粒径及纳米尺度粒径变化的实时、精确、非接触测量，可为气泡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测量气泡参数的相位临界角散射测量方法，可以同时测量气泡微米尺度粒径及纳米尺度粒径变化，有利于气泡动力学的研究，实现了相关工业过程的在线监测和优化。本专利技术为解决上述技术问题，采用的具体技术方案是：一种用于测量气泡参数的相位临界角散射测量方法，包括以下步骤：(1)使用激光器对光路进行标定，得到相机像素与测量点散射角之间的关系；(2)用激光片光源照射气泡，气泡在临界角附近的散射光信号经光学系统收集后记录于相机上，获得时间分辩的临界角散射条纹图；(3)对步骤(2)得到的临界角散射条纹图进行分析得到气泡的粒径，分析时间分辩的临界角散射条纹图中高频纹波结构间的相位差获得气泡粒径变化。所述步骤(2)中临界角θb,c的计算方法为：θb,c＝2arccos(m)，其中m为气泡相对于周围介质的折射率。所述步骤(3)中气泡粒径的计算方法为：其中αp、αq分别为函数H(α)第p、q个极值的位置，p<q，H(α)是描述衍射角与无量纲参数α的函数，其表达式为：H(α)＝[C(α)+1/2]2+[S(α)+1/2]2，C(α)和S(α)是菲涅耳的余弦和正弦积分；θp、θq分别为临界角散射条纹中低频结构的第p、q个极值点角度位置；λ为激光在空气中的波长。优选的，所述步骤(3)中气泡粒径通过临界角散射条纹中低频结构的第一个极值点角度位置θ1和第三个极值点角度位置θ3来计算获得，方法为：其中α1的值为1.2171982507，α3的值为2.3448538242；λ为激光在空气中的波长。所述步骤(3)中气泡粒径变化的计算方法为：其中为纹波结构的相位差，通过交叉功率谱密度CPSD获得；系数c的计算公式为：其中λ为激光在空气中的波长，θ0为外部反射光的入射角，ρ2为二阶折射光的折射角。其中，ρ2的值可以由散射角θb唯一确定。在上述气泡粒径变化的计算方法中通过过滤临界角散射光信号的低频结构，获得主要由外部反射光与折射光干涉形成的高频纹波结构，并计算其相移，进而获得粒径变化。本专利技术还提供一种用于测量气泡参数的相位临界角散射测量的装置，能够准确对气泡粒径变化进行测量。一种用于测量气泡参数的相位临界角散射测量的装置，包括气泡发生系统、激光片光源入射系统、散射光信号采集系统以及信号处理系统；所述气泡发生系统产生运动的气泡；所述激光片光源入射系统产生片光源照亮被测气泡；所述散射光信号采集系统收集气泡在临界角附近的散射光并记录气泡时间分辩的临界角散射条纹图；所述信号处理系统分析处理时间分辩的临界角散射条纹图，获得气泡参数。进一步的，所述激光片光源入射系统包括激光器、调制元件和台架系统三部分。进一步的，所述的激光器的功率为100mW-5W，波长在350nm到700nm可见光区域。进一步的，所述的激光片光源线性偏振，高度为1cm-10cm，厚度为0.5mm-2mm。所述的散射光信号采集系统包括球面透镜和线阵相机；线阵相机位于球面透镜的后焦平面处，构成一个傅里叶成像系统；球面透镜对气泡在临界角附近的散射光进行收集，并由线阵相机记录时间的分辩临界角散射条纹图。进一步的，所述的球面透镜直径为25mm-150mm，焦距为5mm-200mm。直径大小的选择与气泡距离透镜的距离有关。进一步的，所述的线阵相机横向像素为1024-8192，采样频率不低于1kHz。所述线阵相机的像素和采样频率与气泡尺寸变化速率有关。所述用于测量气泡参数的相位临界角散射测量方法的具体原理如下：均匀球形气泡对于环境介质的折射率为m，在单色激光照射下，经过气泡的光线可以用参数p和h进行区分，p为光线在气泡中弦的个数，h为光线穿过光轴的次数，例如外部反射光可表示为光线(0,0)，一阶透射光可表示为光线(1,0)，以此类推。将光线入射方向和出射方向之间的夹角定义为散射角，散射角θb的计算公式为：其中，∈h＝[1+(-1)h]/2，θp和ρp分别为正的局部入射角和折射角。所有光线都满足折射定律，sinθp＝msinρp(2)由公式(2)可知，当入射角大于临界入射角θc(θc＝arcsinm)时，光线发生全反射。因此，我们研究θp＜θc的情况。临界角附近的散射光主要包含三个部分：在气泡表面反射的外部反射光(0,0)、穿过气泡的一阶透射光(1,0)和在气泡内部反射一次的二阶折射光(2,1)。根据几何光学关系，计算三条光线相互之间的光程差。由于外部反射光(0,0)和一阶透射光(1,0)之间的光程差很小，所以忽略不计。外部反射光(0,0)和二阶折射光(2,1)的光程差为：Ld,02＝Lp2-Lp0＝D(cosθ0-cosθ2+2mcosρ2)(3)一阶透射光(1,0)和二阶折射光(2,1)的光程差为：Ld,12＝Lp2-Lp1＝D(cosθ1-mcosρ1-cosθ2+2mcosρ2)(4)通过公式(1)、(2)的变换，θp和ρp可以表本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于测量气泡参数的相位临界角散射测量方法，包括以下步骤：(1)使用激光器对光路进行标定，得到相机像素与测量点散射角之间的关系；(2)用激光片光源照射气泡，气泡在临界角附近的散射光信号经光学系统收集后记录于相机上，获得时间分辩的临界角散射条纹图；(3)对步骤(2)得到的临界角散射条纹图进行分析得到气泡粒径，分析时间分辩的临界角散射条纹图中高频纹波结构间的相位差获得气泡粒径变化。

【技术特征摘要】
1.一种用于测量气泡参数的相位临界角散射测量方法，包括以下步骤：(1)使用激光器对光路进行标定，得到相机像素与测量点散射角之间的关系；(2)用激光片光源照射气泡，气泡在临界角附近的散射光信号经光学系统收集后记录于相机上，获得时间分辩的临界角散射条纹图；(3)对步骤(2)得到的临界角散射条纹图进行分析得到气泡粒径，分析时间分辩的临界角散射条纹图中高频纹波结构间的相位差获得气泡粒径变化。2.根据权利要求1所述的用于测量气泡参数的相位临界角散射测量方法，其特征在于，所述步骤(2)中临界角θb,c的计算方法为：θb,c＝2arccos(m)，其中m为气泡相对于周围介质的折射率。3.根据权利要求1所述的用于测量气泡参数的相位临界角散射测量方法，其特征在于，所述步骤(3)中气泡粒径的计算方法为：其中αp、αq分别为函数H(α)第p、q个极值的位置，p<q，H(α)是描述衍射角与无量纲参数α的函数；θp、θq分别为临界角散射条纹中低频结构的第p、q个极值点角度位置；λ为激光在空气中的波长。4.根据权利要求1所述的用于测量气泡参数的相位临界角散射测量方法，其特征在于，所述步骤(3)中气泡粒径变化...

【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