本發(fā)明屬于熱工測量領(lǐng)域，涉及一種液體燃料噴霧燃燒液滴與火焰同步測量裝置及方法。

背景技術(shù)：

液體燃料具有能量密度高、貯存及運輸方便、燃燒效率高等優(yōu)點，因此被廣泛應(yīng)用于內(nèi)燃機、航空發(fā)動機、火箭發(fā)動機、沖壓發(fā)動機等動力燃燒系統(tǒng)。

目前，針對液體燃料的測量方法大多基于單點參數(shù)或單一參數(shù)場測量，或者基于不同的方法，建立不同的燃燒場后分別測量相應(yīng)的參數(shù)場，再進行綜合分析，因此均無法實現(xiàn)液體燃料噴霧、蒸發(fā)與燃燒的同步測量?，F(xiàn)有技術(shù)中也有通過兩種或多種技術(shù)的結(jié)合來實現(xiàn)多過程同步測量的測量方法，但仍存在測量時空不同步、系統(tǒng)復(fù)雜、操作調(diào)試困難、對測量環(huán)境要求較高等問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于針對液體燃料噴霧燃燒霧化與燃燒同步測量問題，克服現(xiàn)有測量技術(shù)中的上述缺陷，提供一種背光成像與光譜成像結(jié)合的液體燃料噴霧燃燒液滴與火焰同步測量裝置及方法。

為達到上述目的，本發(fā)明采用了如下技術(shù)方案：

本發(fā)明提供了一種液體燃料噴霧燃燒液滴與火焰同步測量裝置，用于同步獲得液體燃料噴霧燃燒時的液滴圖像與火焰光譜圖像，其特征在于，具有：成像光源部，用于發(fā)出對燃燒場中的液滴進行背光成像的成像光；分光部，包括分光棱鏡單元，該分光棱鏡單元用于將液體燃料燃燒時產(chǎn)生的火焰輻射光和成像光分至第一光路及第二光路；成像部，包括設(shè)置在第一光路上并且用于獲取液滴圖像的背光陰影成像單元，以及設(shè)置在第二光路上并且用于獲取火焰光譜圖像的光譜成像單元；數(shù)據(jù)處理部，分別接收背光陰影成像單元及光譜成像單元所得到的成像數(shù)據(jù)并進行分析處理；以及時序控制部，分別向成像光源部、背光陰影成像單元以及光譜成像單元發(fā)出時序控制信號，讓背光陰影成像單元在成像光源部發(fā)出成像光的同時進行液滴圖像的獲取，并讓光譜成像單元在成像光源部不工作時進行光譜圖像的獲取。

本發(fā)明提供的液體燃料噴霧燃燒液滴與火焰同步測量裝置，還可以具有這樣的技術(shù)特征，其中，成像光為藍色光或紫色光。

本發(fā)明提供的液體燃料噴霧燃燒液滴與火焰同步測量裝置，還可以具有這樣的技術(shù)特征，其中，成像光為藍色光，成像部還包括帶通濾光片，該帶通濾光片為藍光帶通濾波片，設(shè)置在背光陰影成像單元及分光棱鏡單元之間。

本發(fā)明提供的液體燃料液滴圖像與光譜圖像同步測量裝置，還可以具有這樣的技術(shù)特征，其中，成像光為紫色光，成像部還包括帶通濾光片，該帶通濾光片為紫光帶通濾波片，設(shè)置在背光陰影成像單元及分光棱鏡單元之間。

本發(fā)明提供的液體燃料噴霧燃燒液滴與火焰同步測量裝置，還可以具有這樣的技術(shù)特征，其中，分光部還包括光學(xué)透鏡單元，用于將火焰輻射光和成像光傳至分光棱鏡單元。

本發(fā)明還提供了一種液體燃料噴霧燃燒液滴與火焰同步測量方法，同步獲得液體燃料噴霧燃燒時的液滴圖像與火焰光譜圖像，從而得到噴霧燃燒參數(shù)，其特征在于，包括如下步驟：

步驟s1，采用時序控制部發(fā)出時序控制信號；

步驟s2，采用成像光源部根據(jù)時序控制信號間隔地發(fā)出成像光，對噴霧燃燒場中的液滴進行成像；

步驟s3，采用光學(xué)透鏡單元將液體燃料噴霧燃燒時產(chǎn)生的火焰輻射光和成像光傳給分光棱鏡單元；

步驟s4，采用分光棱鏡單元將火焰輻射光和成像光分至第一光路及第二光路；

步驟s5，采用設(shè)置在第一光路上的帶通濾光片讓成像光通過；

步驟s6，當(dāng)成像光源部發(fā)出成像光時，采用背光陰影成像單元根據(jù)時序控制信號對第一光路進行液滴圖像的獲取，當(dāng)成像光源部不工作時，采用光譜成像單元對第二光路進行光譜圖像的獲?。?/p>

步驟s7，采用數(shù)據(jù)處理部分別接收背光陰影成像單元及光譜成像單元所得到的成像數(shù)據(jù)并進行分析處理，得到燃燒參數(shù)。

本發(fā)明提供的液體燃料噴霧燃燒液滴與火焰同步測量方法，還可以具有這樣的技術(shù)特征，其中，背光圖像中包含液滴圖像或軌跡圖像，數(shù)據(jù)處理部對液滴圖像進行圖像處理，通過模糊修正、灰度歸一化、濾波去噪處理、二值化處理等處理方法，按照跡線法原理，獲得液滴粒徑d、運動速度(v＝l/t)及分布等參數(shù)。

本發(fā)明提供的液體燃料噴霧燃燒液滴與火焰同步測量方法，還可以具有這樣的技術(shù)特征，其中，背光圖像中還包含碳煙的陰影圖像，數(shù)據(jù)處理部對碳煙陰影圖像進行處理的方法為：

通過建立基于消光法原理的圖像像素點，獲得波段響應(yīng)強度與碳煙濃度的定量關(guān)系，該定量關(guān)系如下式所示：

上式中，i為手術(shù)背光陰影成像單元中的彩色ccd的響應(yīng)值，i0為彩色ccd的初始響應(yīng)值，λi為彩色ccd的響應(yīng)波段，l為光程，n為碳煙中的顆粒數(shù)量濃度，d32為索太爾平均粒徑，e為消光系數(shù)，λ為成像光的波長，f(λi)為彩色ccd的波段響應(yīng)曲線。

本發(fā)明提供的液體燃料噴霧燃燒液滴與火焰同步測量方法，還可以具有這樣的技術(shù)特征，其中，數(shù)據(jù)處理部對光譜圖像進行處理的方法為：

根據(jù)輻射波長與輻射強度的關(guān)系，利用標準黑體爐對光譜成像單元進行響應(yīng)標定，實驗優(yōu)化火焰溫度與輻射率反演算法，并基于液體燃料燃燒火焰輻射特性獲得輻射率分布規(guī)律，建立液體燃料火焰輻射率函數(shù)模型，進一步通過液體燃料火焰溫度場與輻射率場的二維重建反演算法，根據(jù)光譜圖像在線得到溫度場與輻射率場信息，

輻射波長λ(nm)與輻射強度eλ(w/m²)的關(guān)系如下式：

式中，λ為輻射波長，eλ為輻射強度，iλ為光譜成像單元中的ccd在λ波段的響應(yīng)值，kλ為通過標準黑體爐標定獲得的ccd響應(yīng)標定系數(shù)，ε為輻射率，t為溫度，c1和c2分別為輻射常量。

發(fā)明作用與效果

根據(jù)本發(fā)明的液體燃料噴霧燃燒液滴與火焰同步測量裝置及方法，由于采用分光棱鏡單元將液體燃燒的火焰輻射光及對液滴圖像進行成像的成像光分至兩條光路，因此能夠用背光陰影成像單元和光譜成像單元分別進行背光陰影圖像采集和光譜圖像的獲取，實現(xiàn)兩種不同數(shù)據(jù)采集方式在空間上的同步。由于采用時序控制部發(fā)出時序控制信號，讓背光陰影成像單元在成像光源部發(fā)出成像光時進行液滴圖像獲取，并讓光譜成像單元在成像光源部不工作時進行光譜圖像獲取，因此能夠在獲取液滴圖像的同時獲取火焰光譜圖像，實現(xiàn)兩種不同圖像獲取方式在時間上的同步，并且這兩種采集過程相互獨立、互不干擾。進一步，本發(fā)明的同步測量裝置及方法通過時序控制及分光就能夠?qū)崿F(xiàn)液滴圖像及光譜圖像的時空同步獲取，其裝置結(jié)構(gòu)簡單，方法容易操作，對環(huán)境要求也較低。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實施例的液體燃料噴霧燃燒液滴與火焰同步測量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明的實施例的液體燃料噴霧燃燒液滴與火焰同步測量方法的流程圖。

具體實施方式

以下結(jié)合附圖以及實施例來說明本發(fā)明的具體實施方式。

<實施例>

圖1是本發(fā)明實施例的液體燃料噴霧燃燒液滴與火焰同步測量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

如圖1所示，液體燃料噴霧燃燒液滴與火焰同步測量裝置(以下簡稱測量裝置)100，用于對測量區(qū)200內(nèi)的液體燃料噴霧燃燒進行液滴圖像及光譜圖像的同步測量，包括成像光源部1、分光部2、成像部3、數(shù)據(jù)處理部4以及時序控制部5。

成像光源部1用于發(fā)出對液體燃料噴霧燃的液滴進行成像的成像光。該成像光源部1向測量區(qū)200間隔地照射成像光，并且成像光以背光的方式進入測量區(qū)200。由于測量區(qū)200內(nèi)是噴霧燃燒場，成像光進入測量區(qū)200后就對燃燒場內(nèi)進行照明，使噴霧燃燒場中的液體燃料燃燒液滴成像，使碳煙顆粒物形成陰影；對通過了燃燒場的成像光進行圖像采集(即背光成像)，就得到能夠反映這些霧化液滴大小、分布、運動速度，碳煙顆粒物濃度等。

在本實施例中，成像光為藍色光或紫色光。

分光部2包括光學(xué)透鏡單元21和分光棱鏡單元22。

光學(xué)透鏡單元21設(shè)置在測量區(qū)200的另一側(cè)。成像光源部1、測量區(qū)200與該光學(xué)透鏡單元21位于同一直線上，使得成像光經(jīng)過測量區(qū)后能夠照射至光學(xué)透鏡單元21處，并且測量區(qū)200中的液體燃料燃燒所產(chǎn)生的火焰輻射光也能夠直接照射至該光學(xué)透鏡單元21處。因此，光學(xué)透鏡單元21能夠接收來自測量區(qū)200的光，并將接收到的光傳至分光棱鏡單元22。

分光棱鏡單元22用于將液體燃燒的火焰輻射光及成像光分至第一光路l1以及第二光路l2。

當(dāng)成像光源部1發(fā)出成像光時，該成像光通過了測量區(qū)200，經(jīng)光學(xué)透鏡單元21到達分光棱鏡單元22處并被分為兩束。此時第一光路l1和第二光路l2上的光成分相同，均包含成像光及液體燃料燃燒所發(fā)出的火焰輻射光。當(dāng)成像光源部1不工作，即不發(fā)出成像光時，第一光路l1和第二光路l2上均只包含液體燃料燃燒所發(fā)出的火焰輻射光。

在本實施例中，第一光路l1和第二光路l2相互垂直。

成像部3包括帶通濾光片31、背光陰影成像單元32和光譜成像單元33。其中，帶通濾光片31和背光陰影成像單元32依次設(shè)置在第一光路l1上，光譜成像單元33設(shè)置在第二光路l2上。

帶通濾光片31的波長與成像光的波長相對應(yīng)，用于讓成像光通過。由于測量過程中，測量區(qū)200內(nèi)的液體燃料是一直在燃燒的，其燃燒形成的火焰輻射光也一直存在，容易對陰影成像造成干擾。帶通濾光片31能夠僅讓成像光通過，因此能夠消除火焰輻射光的干擾。在本實施例中，帶通濾光片31與成像光相對應(yīng)，為藍色光帶通濾光片或紫色光帶通濾光片。

背光陰影成像單元32用于進行液滴圖像獲取。該背光陰影成像單元32對通過了測量區(qū)200的成像光進行圖像獲取，即可形成相應(yīng)的陰影成像圖像，其中包含霧化液滴大小、分布及運動速度、碳煙顆粒濃度信息。

光譜成像單元33用于進行光譜圖像的獲取，該光譜圖像是采用光譜采集陣列對火焰的不同位置點同時進行光譜采集而得到的，因而其中每個點均與火焰中的一個位置點相對應(yīng)，并且每個點均包含該位置點處的光譜信息。

數(shù)據(jù)處理部4分別接收背光陰影成像單元32及光譜成像單元33所得到的成像數(shù)據(jù)并進行分析處理。

本實施例中，數(shù)據(jù)處理部4所采用的數(shù)據(jù)分析方法如下：

背光陰影成像單元32所獲得的液滴圖像中，主要包括液體燃料在霧化、蒸發(fā)與燃燒過程中形成的液滴或軌跡(微米級)與碳煙陰影(亞微米/納米級)。其中，液滴或軌跡可在背光圖像中成像，而碳煙則在液滴圖像中呈現(xiàn)為陰影狀。

對于微米級的液滴圖像，利用模糊修正、灰度歸一化、濾波去噪處理、二值化處理等處理方法，按照跡線法原理，獲得液滴的粒徑d、運動速度(v＝l/t)及分布等參數(shù)。

對于亞微米/納米級的碳煙陰影圖像，通過建立基于消光法原理的圖像像素點，獲得波段響應(yīng)強度與碳煙濃度的定量關(guān)系。該關(guān)系如下所示：

上式中，i為背光陰影成像單元32中彩色ccd的響應(yīng)值，i0為該彩色ccd的初始響應(yīng)值；λi表示彩色ccd的響應(yīng)波段，l為光程，n為碳煙中的顆粒數(shù)量濃度，d32為索太爾平均粒徑，e為消光系數(shù)，λ為波長，f(λi)為彩色ccd的波段響應(yīng)曲線。

光譜成像單元33所獲得的是火焰輻射光的光譜圖像。對于該光譜圖像，根據(jù)普朗克定律，輻射波長λ(nm)與輻射強度eλ(w/m²)的關(guān)系為：

上式中，iλ為光譜成像單元33中的ccd在λ波段的響應(yīng)值，kλ為通過黑體爐標定獲得的ccd響應(yīng)標定系數(shù)，ε為輻射率，t為溫度，c1和c2分別為輻射常量。

根據(jù)上述關(guān)系，利用標準黑體爐對光譜成像系統(tǒng)進行響應(yīng)標定，實驗優(yōu)化火焰溫度與輻射率反演算法，并基于液體燃料燃燒火焰輻射特性獲得的輻射率分布規(guī)律，即可建立液體燃料火焰輻射率函數(shù)模型。通過液體燃料火焰溫度場與輻射率場的二維重建反演算法，即可通過獲得光譜圖像來在線得到溫度場與輻射率場的信息。

時序控制部5用于發(fā)出時序控制信號。該時序控制信號用于對成像光源部1的發(fā)光間隔進行控制，同時對背光陰影成像單元32及光譜成像單元33中的液滴圖像及火焰光譜圖像的獲取動作(在本實施例中為成像單元的快門動作)進行控制。其結(jié)果是使得背光陰影成像單元32在成像光源部1發(fā)出成像光的同時進行液滴圖像獲取，并讓光譜成像單元33在成像光源部1不工作時進行光譜圖像的獲取。

以下結(jié)合附圖說明利用本發(fā)明的測量裝置100進行測量的流程。

圖2是本發(fā)明實施例的液體燃料液滴圖像與光譜圖像同步測量方法的流程圖。

在測量開始前，需對測量裝置100中的各個光學(xué)部件之間的位置、距離及角度進行調(diào)整，使背光陰影成像單元32和光譜成像單元33能夠清晰成像。然后，在測量區(qū)200內(nèi)置入液體燃料并點燃，使其燃燒。

如圖2所示，本發(fā)明的方法對液體燃料噴霧燃燒進行液滴圖像及火焰光譜圖像的同步測量，在液體燃料穩(wěn)定燃燒后進行，包括如下步驟：

步驟s1，采用時序控制部5發(fā)出時序控制信號；

步驟s2，采用成像光源部1根據(jù)時序控制信號間隔地發(fā)出成像光，照射至燃燒場處進行液滴成像；

步驟s3，采用光學(xué)透鏡單元21將液體燃料噴霧燃燒的火焰輻射光和成像光傳給分光棱鏡單元22；

步驟s4，采用分光棱鏡單元22將火焰輻射光和成像光分至第一光路l1及第二光路l2；

步驟s5，采用帶通濾光片31讓第一光路l1中成像光通過；

步驟s6，當(dāng)成像光源部1發(fā)出成像光時，采用背光陰影成像單元32根據(jù)時序控制信號對第一光路l1進行液滴圖像的獲取，當(dāng)成像光源部1不工作時，采用光譜成像單元33對第二光路l2進行火焰光譜圖像的獲??；

步驟s7，采用數(shù)據(jù)處理部4分別接收背光陰影成像單元32及光譜成像單元33所得到的成像數(shù)據(jù)并進行分析處理。

在本實施例中，進行上述測量步驟前還可以進行一個調(diào)試步驟s0，在液體燃料穩(wěn)定燃燒后可進行，主要包括如下子步驟：

子步驟s0-1，采用成像光源部1發(fā)出成像光；

子步驟s0-2，采用光學(xué)透鏡單元21將火焰輻射光和成像光傳給分光棱鏡單元22；

子步驟s0-3，采用分光棱鏡單元22將火焰輻射光和成像光分至第一光路l1及第二光路l2；

子步驟s0-4，采用帶通濾光片31讓第一光路l1中的成像光通過；

子步驟s0-5，采用背光陰影成像單元32對第一光路l1進行液滴圖像采集，得到初始液滴背光圖像；

子步驟s0-6，根據(jù)初始液滴圖像估算液滴的運動速度范圍和顆粒參數(shù)范圍，并根據(jù)估算結(jié)果對時序控制信號進行設(shè)定，使成像光源部1、背光陰影成像單元32及光譜成像單元33按照適當(dāng)?shù)臅r序分別進行相應(yīng)的動作，從而讓得到的合適的液滴圖像，能夠更好地反映霧化液滴大小、分布與運動速度信息。

實施例作用與效果

根據(jù)本發(fā)明的液體燃料噴霧燃燒液滴與火焰同步測量裝置及方法，由于采用分光棱鏡單元將液體燃燒的火焰輻射光及對液滴圖像進行成像的成像光分至兩條光路，因此能夠用背光陰影成像單元和光譜成像單元分別進行背光陰影圖像采集和光譜圖像的獲取，實現(xiàn)兩種不同數(shù)據(jù)采集方式在空間上的同步。由于采用時序控制部發(fā)出時序控制信號，讓背光陰影成像單元在成像光源部發(fā)出成像光時進行液滴圖像獲取，并讓光譜成像單元在成像光源部不工作時進行光譜圖像獲取，因此能夠在獲取液滴圖像的同時獲取火焰光譜圖像，實現(xiàn)兩種不同圖像獲取方式在時間上的同步，并且這兩種采集過程相互獨立、互不干擾。進一步，本發(fā)明的同步測量裝置及方法通過時序控制及分光就能夠?qū)崿F(xiàn)液滴圖像及光譜圖像的時空同步獲取，其裝置結(jié)構(gòu)簡單，方法容易操作，對環(huán)境要求也較低。

本實施例的測量裝置采用了藍色光或紫色光作為成像光，同時還采用了與成像光波長范圍對應(yīng)的帶通濾波片來讓成像光通過，而火焰輻射光中的藍色光及紫色光較少，因此能夠有效消除火焰輻射光的干擾，從而獲得液滴背光圖像。

本實施例的測量方法采用了調(diào)試步驟s0，根據(jù)初始液滴圖像的估算結(jié)果來確定時序控制信號，因此能夠得到最佳的時序控制信號，讓得到合適的液滴圖像更加清晰，更好地反映霧化液滴大小、分布與運動速度信息。