一种用于动态液滴物理参数测量的相位彩虹测量装置制造方法及图纸

本实用新型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。本实用新型专利技术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。

【技术实现步骤摘要】
一种用于动态液滴物理参数测量的相位彩虹测量装置
本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。本技术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。

【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...

【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：新型
国别省市：浙江,33