本發(fā)明涉及熱物理與能源動(dòng)力測(cè)量及診斷領(lǐng)域，尤其涉及一種基于吸收光譜的非透射表面液膜多參數(shù)同步成像裝置及測(cè)量方法。

背景技術(shù)：

1、液膜形成廣泛地存在于各種工業(yè)過(guò)程中，如汽車發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣歧管管壁上油膜的形成，高效清潔滅火技術(shù)中細(xì)水霧碰壁液膜的形成，以及海水淡化中水平管降膜蒸發(fā)器中液膜的形成等。對(duì)液膜厚度和溫度等參數(shù)的二維分布進(jìn)行定量分析不僅能更好地了解其液膜形成、流動(dòng)和蒸發(fā)等復(fù)雜的物理過(guò)程的本質(zhì)，也能為涉及到的各種工業(yè)過(guò)程的優(yōu)化提供科學(xué)的依據(jù)和理論指導(dǎo)。

2、在各種工業(yè)過(guò)程中，液膜通常在非透射固體(如金屬)表面上形成。目前大多數(shù)針對(duì)非透射固體表面液膜的測(cè)量方法只能實(shí)現(xiàn)單點(diǎn)測(cè)量，測(cè)量范圍有限，例如使用超聲法測(cè)量液膜厚度時(shí)，測(cè)量區(qū)域僅為超聲探頭的大小。采用傳統(tǒng)的吸收光譜法測(cè)量非透射表面液膜時(shí)，激光以一定角度傾斜地入射液膜，通過(guò)探測(cè)器接受經(jīng)液膜吸收后的反射光強(qiáng)信號(hào)，該方法僅能得到激光所經(jīng)過(guò)路徑的液膜信息，光強(qiáng)信號(hào)微弱，且不同表面光學(xué)傳播特性較為復(fù)雜。單點(diǎn)測(cè)量獲得的液膜參數(shù)信息有限，無(wú)法對(duì)整個(gè)液膜的參數(shù)分布進(jìn)行分析。因此，高精度地同步獲取液膜多參數(shù)二維分布信息是亟待解決的問(wèn)題，不僅有利于揭示液膜傳熱機(jī)理，有效地提高工業(yè)設(shè)備傳熱性能，也可為能源、化工及醫(yī)藥等領(lǐng)域所涉及的其他降膜流動(dòng)過(guò)程研究提供理論指導(dǎo)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為了克服現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，本發(fā)明實(shí)施例提供了一種基于吸收光譜的非透射表面液膜參數(shù)成像裝置及測(cè)量方法，該裝置能夠高精度地求解至少一個(gè)液膜參數(shù)的二維分布信息。

2、為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：

3、第一方面，本發(fā)明公開了一種基于吸收光譜的非透射表面液膜參數(shù)成像裝置，包括：

4、激光發(fā)射單元，所述激光發(fā)射單元能提供至少兩個(gè)不同波長(zhǎng)的激光光束；

5、激光耦合單元，與所述激光發(fā)射單元相連，用于將所述激光發(fā)射單元發(fā)射的不同波長(zhǎng)的激光光束耦合成耦合光束；

6、激光衰減單元，與所述激光耦合單元相連，用于降低耦合光束的激光強(qiáng)度；

7、激光擴(kuò)散單元，與所述激光衰減單元相連，用于將耦合光束的直徑擴(kuò)散至預(yù)設(shè)尺寸的入射光束；

8、非透射平板，用于承載待測(cè)液膜和將射入的入射光束反射為反射光束；

9、激光分光單元，設(shè)置于入射光束與反射光束均經(jīng)過(guò)的位置，用于將入射光束反射至非透射平板上，并能使反射光束穿透形成透射光束；

10、成像單元，用于接收透射光束并轉(zhuǎn)化為灰度圖像；

11、計(jì)算機(jī)，與所述成像單元相連，用于接收成像單元傳輸?shù)幕叶葓D像，并處理得液膜參數(shù)的二維分布圖像。

12、本技術(shù)的基于吸收光譜的非透射表面液膜參數(shù)成像裝置，基于比爾-朗伯定律建立的至少一個(gè)液膜參數(shù)反演模型，通過(guò)分析采集的灰度圖像，構(gòu)建灰度值與待測(cè)液膜參數(shù)(如厚度、溫度、濃度等)的關(guān)系，計(jì)算得出各像素點(diǎn)待測(cè)液膜參數(shù)的具體數(shù)值，并繪制各待測(cè)液膜參數(shù)的二維分布圖像，從而實(shí)現(xiàn)非透射表面上液膜參數(shù)的高精度成像。

13、進(jìn)一步的，所述激光發(fā)射單元包括激光控制器和與所述激光控制器相連的至少兩個(gè)半導(dǎo)體激光器。所述半導(dǎo)體激光器的數(shù)量可根據(jù)實(shí)際需要求解的液膜參數(shù)的個(gè)數(shù)確定。如，在求解液膜溫度的二維分布圖像時(shí)，可在該裝置內(nèi)設(shè)置兩個(gè)能夠發(fā)射不同波長(zhǎng)的半導(dǎo)體激光器。在需要同步求解液膜溫度和液膜厚度的二維分布圖像時(shí)，可在該裝置內(nèi)設(shè)置三個(gè)能夠發(fā)射不同波長(zhǎng)的半導(dǎo)體激光器。

14、進(jìn)一步的，所述激光耦合單元包括波分復(fù)用器，所述波分復(fù)用器經(jīng)光纖與所述半導(dǎo)體激光器相連，用于將激光發(fā)射單元發(fā)射的多個(gè)不同波長(zhǎng)的激光光束耦合到一根光纖中。

15、進(jìn)一步的，所述激光衰減單元包括依次設(shè)置的第一衰減單元、準(zhǔn)直透鏡和第二衰減單元。所述第一衰減單元為光纖衰減器，所述光纖衰減器的一端經(jīng)光纖與激光耦合單元相連，其另一端通過(guò)單模光纖與所述準(zhǔn)直透鏡相連。所述第一衰減單元用于衰減從激光耦合單元發(fā)出的光束的激光強(qiáng)度。所述第二衰減單元為(近紅外)nir中性密度濾光片。所述第二衰減單元設(shè)置于所述準(zhǔn)直透鏡射出的光路上。所述第二衰減單元用于進(jìn)一步衰減從準(zhǔn)直透鏡發(fā)出的光束的激光強(qiáng)度。

16、進(jìn)一步的，所述激光擴(kuò)散單元設(shè)置于所述第二衰減單元發(fā)出的光束的光路上。所述激光擴(kuò)散單元用于擴(kuò)寬經(jīng)衰減后的光束的直徑。具體的，所述激光擴(kuò)散單元可以是非球面透鏡組成的透鏡組。所述激光擴(kuò)散單元用于將耦合光束的直徑擴(kuò)散至≥2cm，保證對(duì)待測(cè)液膜表面的測(cè)量。

17、進(jìn)一步的，所述非透射平板與所述激光擴(kuò)散單元可垂直設(shè)置。所述非透射平板可以是金屬片、非透射的塑料片等。

18、進(jìn)一步的，所述激光分光單元設(shè)置在激光擴(kuò)散單元和非透射平板垂直方向的交匯處。所述激光分光單元能將從激光擴(kuò)散單元發(fā)出的入射光束反射，使其垂直照射至所述非透射平板上。在實(shí)際使用使，所述激光分光單元可以是50r/50t的分光鏡。根據(jù)使用環(huán)境的不同，可選擇具有不同反射率、透射率的分光鏡。

19、進(jìn)一步的，所述成像單元設(shè)置于所述激光分光單元的透射光路上，用于接收由非透射平板反射的圖像，并將圖像傳遞給計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。在實(shí)際使用時(shí)，所述成像單元可以是近紅外相機(jī)，如swir短波紅外相機(jī)。

20、進(jìn)一步的，所述液膜參數(shù)包括液膜厚度、液膜溫度和液膜濃度中的至少一個(gè)。如，可使用上述裝置可分別求解液膜厚度、液膜溫度、液膜濃度的二維分布圖像。也可使用上述裝置同時(shí)求解液膜厚度與液膜溫度，或液膜溫度與液膜濃度，或液膜厚度與液膜濃度的二維分布圖像。還可以進(jìn)一步使用上述裝置同時(shí)求解液膜厚度、液膜溫度和液膜濃度的二維分布圖像。值得注意的是，本發(fā)明所提出的裝置并不限于上述所列參數(shù)的測(cè)量。

21、第二方面，本發(fā)明公開了一種采用上述基于吸收光譜的非透射表面液膜參數(shù)成像裝置的測(cè)量方法，所述測(cè)量方法能夠得到至少一個(gè)液膜參數(shù)的二維分布圖像，所述測(cè)量方法包括以下步驟：

22、根據(jù)待測(cè)液膜的吸收光譜性質(zhì)及求解的液膜參數(shù)的個(gè)數(shù)，確定選定波長(zhǎng)，選定波長(zhǎng)的個(gè)數(shù)≥求解的液膜參數(shù)的個(gè)數(shù)；

23、根據(jù)求解的液膜參數(shù)，設(shè)置選定波長(zhǎng)下液膜參數(shù)與吸收系數(shù)的擬合方程，得kλi＝fλi(x)，其中，i為選定波長(zhǎng)的序號(hào)，x為某一液膜參數(shù)，x包括液膜溫度、液膜濃度等，kλi表示液膜參數(shù)x時(shí)的待測(cè)液膜對(duì)波長(zhǎng)λi的入射光吸收系數(shù)；如，x為液膜溫度時(shí)，擬合方程為kλi＝fλi(t)，x為液膜濃度時(shí)，擬合方程為kλi＝fλi(c)；在需要同時(shí)測(cè)量多個(gè)液膜參數(shù)時(shí)，可同時(shí)對(duì)每一液膜參數(shù)與吸收系數(shù)分別進(jìn)行擬合，獲取對(duì)應(yīng)的擬合方程；

24、在裝置未承載待測(cè)液膜的情況下，經(jīng)裝置獲取不同選定波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的背景圖片p0i；

25、在裝置承載待測(cè)液膜的情況下，經(jīng)裝置獲取不同選定波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的測(cè)試圖片pti；

26、分析背景圖片p0i和測(cè)試圖片pti中的灰度信息，構(gòu)建灰度值與液膜參數(shù)的關(guān)系，并結(jié)合kλi＝fλi(t)，計(jì)算出測(cè)試圖片中各像素點(diǎn)的液膜參數(shù)的數(shù)值及二維分布圖像。

27、進(jìn)一步的，分析背景圖片p0i和測(cè)試圖片pti中的灰度信息，構(gòu)建灰度值與液膜參數(shù)的關(guān)系，并結(jié)合kλi＝fλi(x)，計(jì)算出測(cè)試圖片中各像素點(diǎn)和液膜參數(shù)的數(shù)值及二維分布圖像，包括：

28、獲取背景圖片p0i每個(gè)像素點(diǎn)的灰度值h0i(m,n)，獲取測(cè)試圖片pti每個(gè)像素點(diǎn)的灰度值hti(m,n)；

29、基于比爾-朗伯定律結(jié)合菲涅爾公式構(gòu)建反演方程：其中，ri(m,n)為光在水和空氣界面的反射率，μi(m,n)為其他因素導(dǎo)致的光強(qiáng)衰減，kλi為吸收系數(shù)，t(m,n)為液膜溫度，c(m,n)為液膜濃度，d(m,n)為液膜厚度；

30、根據(jù)選定波長(zhǎng)下kλi＝fλi(x)及計(jì)算出測(cè)試圖片中各像素點(diǎn)的液膜參數(shù)的數(shù)值及二維分布圖像。

31、進(jìn)一步的，在已知待測(cè)液膜的液膜濃度，求解的液膜參數(shù)為液膜溫度和液膜厚度時(shí)，所述測(cè)量方法包括以下步驟：

32、根據(jù)待測(cè)液膜的吸收光譜性質(zhì)確定三個(gè)選定波長(zhǎng)λ1、λ2、λ3；

33、根據(jù)三個(gè)選定波長(zhǎng)λ1、λ2、λ3對(duì)不同溫度下的待測(cè)液膜的吸收系數(shù)進(jìn)行擬合，得kλi＝fλi(t)，i＝1,2,3；

34、在裝置未承載待測(cè)液膜的情況下，經(jīng)裝置分別獲取在選定波長(zhǎng)λ1、λ2、λ3下對(duì)應(yīng)的背景圖片p0i，i＝1,2,3；

35、在裝置承載待測(cè)液膜的情況下，經(jīng)裝置分別獲取在選定波長(zhǎng)λ1、λ2、λ3下對(duì)應(yīng)的測(cè)試圖片pti，i＝1,2,3；

36、獲取背景圖片p0i中每個(gè)像素點(diǎn)的灰度值h0i(m,n)，獲取測(cè)試圖片pti中每個(gè)像素點(diǎn)的灰度值hti(m,n)；

37、基于比爾-朗伯定律結(jié)合菲涅爾公式構(gòu)建反演方程，并在選定波長(zhǎng)下求解反演方程，得：

38、

39、

40、

41、結(jié)合kλi＝fλi(t)求解液膜溫度和液膜厚度的數(shù)值及二維分布圖像。

42、由于上述技術(shù)方案運(yùn)用，本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有下列優(yōu)點(diǎn)：

43、1.本技術(shù)通過(guò)設(shè)置激光分光單元，能夠使入射光和反射光同軸垂直于非透射平板布置，不需要考慮激光以一定角度入射氣液交界面時(shí)產(chǎn)生的折射，提升了計(jì)算精度，同時(shí)也簡(jiǎn)化了算法。入射光和反射光同軸垂直于非透射平板布置，能夠使成像裝置布置結(jié)構(gòu)更加緊湊，系統(tǒng)魯棒性更高。使激光分光單元與成像單元相配合，使成像單元能夠采集非透射平板上的待測(cè)液膜的所有光強(qiáng)變化信息，并以灰度照片呈現(xiàn)，供計(jì)算機(jī)分析計(jì)算得液膜參數(shù)的二維分布圖像。

44、2.本發(fā)明測(cè)量方法，在優(yōu)選的選定波長(zhǎng)下，利用計(jì)算機(jī)分析非透射平板表面在設(shè)置待測(cè)液膜和不設(shè)置待測(cè)液膜不同情況下，對(duì)應(yīng)圖片各像素點(diǎn)灰度信息，構(gòu)建灰度值與各求解待測(cè)參數(shù)的關(guān)系，計(jì)算得出各個(gè)像素點(diǎn)待測(cè)液膜參數(shù)的具體數(shù)值，獲取各液膜參數(shù)的二維分布圖像，從而實(shí)現(xiàn)非透射平板表面上多個(gè)液膜參數(shù)的高精度同步成像。

45、為讓本發(fā)明的上述和其他目的、特征和優(yōu)點(diǎn)能更明顯易懂，下文特舉較佳實(shí)施例，并配合所附圖式，作詳細(xì)說(shuō)明如下。