本发明专利技术公开了一种基于数字同轴全息测量液滴折射率的方法，包括：记录液滴全息图；根据记录的液滴全息图获得液滴的粒径d和液滴中心位置；根据液滴全息图作x‑z平面的亮度分布图，对液滴的焦点位置进行定位，获得液滴焦点位置和液滴的焦距f；根据液滴折射率n0与液滴焦距f、粒径d和空气折射率ni之间的关系，计算液滴折射率。本发明专利技术还提供一种同轴全息测量装置，包括：信号发射单元，包括用于产生激光的连续激光器和光路调整段；信号接收单元，包括显微物镜及CCD相机；信号处理单元。本发明专利技术提供的方法及装置实现了对动态液滴粒径、折射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。
【技术实现步骤摘要】
一种基于数字同轴全息测量液滴折射率的方法及装置
本专利技术属于液滴折射率测量领域，具体涉及一种基于数字同轴全息测量液滴折射率的方法及装置。
技术介绍
液体雾化是一种复杂的气液多相流动，在能源、化工等工业领域具有广泛的应用背景，如喷雾混合、喷雾冷却或干燥、液体燃料雾化燃烧等。喷雾液滴在工业应用中发挥着传热传质的主导作用，因此对雾化液滴的粒径、速度、浓度以及折射率、温度等参数的测量对衡量喷嘴雾化性能的优劣，研究雾化液滴传热、蒸发、燃烧机理具有重要意义。目前用于液滴粒径、速度、浓度等几何物理参数的测量已经有一些成熟的光学测试手段，例如粒子图像测速法(PIV)测量流场速度，激光多普勒/相位多普勒技术(LDA/PDA)测量球形透明颗粒速度和粒径分布，马尔文粒度仪测量颗粒粒径分布。但这些方法都局限于单点或二维测量，且无法同时进行液滴温度和折射率的测量。目前也有一些应用于液滴折射率测量常见的方法有V形棱镜法、掠入射法(阿贝折射仪)、干涉条纹(牛顿环)法，彩虹散射技术等。彩虹散射技术是通过检测彩虹角的大小计算折射率。虽然彩虹散射技术有较高的精度，但测量系统复杂，需要对液滴的彩虹角进行精确跟踪和测量，测量相对困难。数字全息技术是一种真正的三维成像技术，其不仅继承光学手段全场性、无标定、非接触等特点，还可利用单相机实现液滴三维位置、粒径、浓度、三维速度等参数的同时测量。数字全息包括全息图记录与重建两个过程。激光束入射至颗粒场，一部分被颗粒散射形成散射光(物光)，另一部分直接透过测量区域作为参考光；物光和参考光干涉形成的条纹图即为全息图，被相机记录。全息图记录了颗粒散射光的相位信息，经数值重建可以得到颗粒的深度位置，从而实现三维空间内颗粒场的测量。目前已经数字全息成功应用于液滴三维空间分布、粒径和速度的测量，如能实现更多参数，如折射率等的测量，将有助于拓展该技术的应用潜力。
技术实现思路
本专利技术目的在于提供一种基于数字同轴全息测量液滴折射率的方法及装置，可以对动态液滴三维位置、粒径、浓度等多参数进行同时测量，实现喷雾冷却、干燥及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：一种基于数字同轴全息测量液滴折射率的方法，包括以下步骤：(1)用平行激光束照射被测液滴，液滴的散射光与未受干扰的参考光干涉形成的全息信号通过显微物镜成像在CCD相机的感光芯片上，记录液滴全息图；(2)根据步骤(1)记录的液滴全息图获得液滴的粒径d和液滴中心位置；(3)根据液滴全息图作x-z平面的亮度分布图，对液滴的焦点位置进行定位，获得液滴焦点位置和液滴的焦距f，所述液滴的焦距f为液滴中心到焦点的距离；(4)根据液滴折射率n0与液滴焦距f、粒径d和空气折射率ni之间的关系，计算液滴折射率。在步骤(3)中，对液滴的焦点位置进行定位的方法为亮度梯度局部方差法。在步骤(4)中，所述液滴折射率n0与液滴焦距f、空气折射率ni之间的关系为：其中，f是液滴中心到焦点距离，d是液滴粒径，n0是液滴折射率，ni是空气折射率。则液滴折射率计算公式为：作为优选，本专利技术提供的方法还包括：在步骤(1)之前，使用标定板对同轴全息成像系统的放大倍数进行标定，得到CCD相机记录的等效像素，用于液滴全息图的重建。作为优选，本专利技术提供的方法还包括：用平行激光束通过显微物镜成像在CCD相机的感光芯片上，记录被测视场的全息背景图；对步骤(1)记录的液滴全息图去除被测视场的全息背景图后再进行步骤(2)。去除全息背景图的方法可以采用背景相减法或背景相除法。在步骤(2)中，获得液滴的粒径d和液滴中心位置的方法为：先对液滴全息图进行全息重建、景深拓展、液滴识别及定位，进而获得液滴的粒径d和液滴中心位置。液滴的粒径d的计算公式为：其中Ap为颗粒截面图像的面积。所述步骤(3)中亮度梯度局部方差方法为：本专利技术还提供一种基于数字同轴全息测量液滴折射率的装置，所述同轴全息测量装置包括：信号发射单元，包括用于产生激光的连续激光器和光路调整段，用于产生平行光束照射被测液滴；信号接收单元，包括显微物镜及CCD相机，用于记录经平行光束照射后液滴散射的物光与未受干扰的参考光干涉形成的液滴全息图；信号处理单元，连接于信号采集单元之后，用于液滴全息图的处理，液滴焦距f和粒径d，并根据液滴折射率n0与液滴焦距f、液滴粒径d、空气折射率ni之间的关系计算液滴折射率。所述信号处理单元对液滴全息图的处理包括全息重建、景深拓展、液滴识别及定位后获得液滴的粒径d和液滴中心位置；根据液滴全息图作x-z平面的亮度分布图，对液滴的焦点位置进行定位，获得液滴焦点位置和液滴的焦距f，所述液滴的焦距f为液滴中心到焦点的距离。作为优选，所述激光器的功率为100mW-500mW，激光波长为350nm-700nm的可见波段，相干长度≥10cm。所述光路调整段包括衰减片、空间滤波器和凸透镜，激光器产生的激光束经衰减片衰减后通过空间滤波器，再经凸透镜准直形成平行光束。所述信号处理单元包括内置全息图处理软件的计算机系统。所述衰减片用于对激光能量进行衰减，以免直接入射的激光由于能量过高而损坏CCD相机的感光芯片。作为优选，选择衰减片透光率1％-35％，与激光强度、CCD相机曝光时间匹配，使全息图的可见度较高。所述空间滤波器由显微物镜和针孔组成。作为优选，显微物镜放大倍数为10×-50×，针孔孔径为5μm-10μm。激光经过显微物镜汇聚，针孔放置在显微物镜焦点处，过滤掉波束中的高频条纹，提高光束质量。显微物镜和针孔合适的匹配参数选择取决于入射激光波长、光源直径、输出光斑直径以及显微透镜焦距，针孔孔径D的选择依据公式为：其中，λ为激光波长，f为显微物镜焦距，r为入射激光光束半径。应该选择比D约大30％的针孔。作为优选，所述凸透镜的直径为25mm-50mm，焦距为30mm-100mm，用于将扩散光束准直成平行光束，照射被测液滴。作为优选，所述显微物镜放大倍数为10×-40×，使成像系统有成像放大功能，提高CCD相机感光芯片的分辨率，从而增大液滴折射率测量的精度。作为优选，所述CCD相机的采样频率在10Hz以上，CCD相机的感光芯片放置于显微物镜镜头的像平面。本专利技术提供的同轴全息测量装置的工作过程为：连续激光器产生激光，激光束经衰减片衰减后通过空间滤波器，然后被凸透镜准直形成平行光束；平行光束照射被测液滴，产生的液滴散射光为物光，未受干扰的光束作为参考光，物光与参考光干涉形成的全息图由CCD相机记录；利用包含内置全息图处理软件的计算机系统处理全息图，得到被测液滴的折射率。在本专利技术中，同轴全息成像装置又称为基于数字同轴全息测量液滴折射率的装置。本专利技术提供的基于数字同轴全息测量液滴折射率的方法及装置的具体原理如下：对于折射率为n0的透明球形液滴，可看成一种光学透镜，它把入射到液滴上的光线聚焦在一个焦点上。焦点可看作向光传播方向发射球面波的点光源，这种情况类似点粒子的衍射，球面波是由正向散射形成的。虽然折射光经过焦点后发散角较大，但本专利技术中的数字同轴全息系统的数值孔径NA和空间分辨率能够记录大部分由液滴散射的物光与参考光干涉形成的全息条纹。因此，透明球形液滴的数字同轴全息系统(数字同轴全息装置)在概念上可视为一个理想的点液滴全息系统。利用高本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于数字同轴全息测量液滴折射率的方法，包括以下步骤：(1)用平行激光束照射被测液滴，液滴的散射光与未受干扰的参考光干涉形成的全息信号通过显微物镜成像在CCD相机的感光芯片上，记录液滴全息图；(2)根据步骤(1)记录的液滴全息图获得液滴的粒径d和液滴中心位置；(3)根据液滴全息图作x‑z平面的亮度分布图，对液滴的焦点位置进行定位，获得液滴焦点位置和液滴的焦距f，所述液滴的焦距f为液滴中心到焦点的距离；(4)根据液滴折射率n0与液滴焦距f、粒径d和空气折射率ni之间的关系，计算液滴折射率。
【技术特征摘要】
1.一种基于数字同轴全息测量液滴折射率的方法，包括以下步骤：(1)用平行激光束照射被测液滴，液滴的散射光与未受干扰的参考光干涉形成的全息信号通过显微物镜成像在CCD相机的感光芯片上，记录液滴全息图；(2)根据步骤(1)记录的液滴全息图获得液滴的粒径d和液滴中心位置；(3)根据液滴全息图作x-z平面的亮度分布图，对液滴的焦点位置进行定位，获得液滴焦点位置和液滴的焦距f，所述液滴的焦距f为液滴中心到焦点的距离；(4)根据液滴折射率n0与液滴焦距f、粒径d和空气折射率ni之间的关系，计算液滴折射率。2.根据权利要求1所述的基于数字同轴全息液滴折射率测量方法，其特征在于，在步骤(3)中，对液滴的焦点位置进行定位的方法为亮度梯度局部方差法。3.根据权利要求1所述的基于数字同轴全息液滴折射率测量方法，其特征在于，在步骤(4)中，所述液滴折射率n0为：其中，f是液滴的焦距，d是液滴粒径，n0是液滴折射率，ni是空气折射率。4.一种采用权利要求1-3任一所述方法的基于数字同轴全息测量液滴折射率的装置，其特征在于，所述同轴全息测量装置包括：信号发射单元，包括用于产生激光的连续激光器和光路调整段，用于产生平行光束照射被测液滴；信号接...
【专利技术属性】
技术研发人员：吴学成，吴迎春，陈玲红，高翔，邱坤赞，骆仲泱，岑可法，姚龙超，林小丹，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33
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