基于雙波長的散射角自標(biāo)定全場彩虹測量方法及裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及氣液兩相流測量領(lǐng)域，具體涉及一種采用雙波長對噴霧液滴的粒徑、折射率、溫度等多參數(shù)分布不需要任何特殊標(biāo)定過程直接測量的全場彩虹測量裝置及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]液體霧化是能源、化工等工業(yè)領(lǐng)域廣泛存在的現(xiàn)象。準(zhǔn)確地測量并控制復(fù)雜噴霧流場中噴霧液滴的多種參數(shù)，對合理的組織噴霧燃燒過程、提高燃燒效率和降低污染物排放具有重要的指導(dǎo)作用。傳統(tǒng)的接觸式測量方法，例如浸液法、跟蹤法、沉降法、凍結(jié)法、溶臘法和瞬時取樣法等方法，由于破壞了原有的測量對象或無法深入測量對象的內(nèi)部參數(shù)而難以適應(yīng)當(dāng)前的高精度測量需求。而非干擾式的先進光學(xué)測量方法，例如激光多普勒測速技術(shù)(LDV、LDA)、光散斑測速技術(shù)(LSV)、粒子圖像測速技術(shù)(PIV、PTV)、雙色激光誘導(dǎo)熒光法(TLIF)、激光誘導(dǎo)磷光法(LIP)、平面激光誘導(dǎo)熒光法(PLIF)等方法均難以實現(xiàn)霧化液滴的粒徑、濃度、組分和溫度等關(guān)鍵參數(shù)同時、準(zhǔn)確、多點的測量。與上述測量技術(shù)相比，彩虹測量技術(shù)具有同時精確測量霧化液滴粒徑和溫度(或組分)特點，能夠精確實時測量霧化液滴的粒徑、溫度(或成分)分布及其演變規(guī)律，對于霧化氣液兩相流機理的揭示具有重要意義。
[0003]彩虹測量技術(shù)需要在系統(tǒng)建立過程中在目標(biāo)測量對象的位置進行一次系統(tǒng)標(biāo)定，即確定測量點處噴霧液滴群發(fā)出散射光的絕對散射角度與CCD像素的內(nèi)在關(guān)系。由于彩虹信號的反演結(jié)果，如折射率和粒徑分布等參數(shù)對散射角度非常敏感，因此標(biāo)定過程的精度直接決定了彩虹信號反演結(jié)果的有效性和精確性。然而，現(xiàn)有的反射鏡標(biāo)定法和液柱標(biāo)定法都需額外的人工標(biāo)定，對額外的計量儀器(如旋轉(zhuǎn)臺、顯微鏡標(biāo)尺等)精度要求高，操作過程較為復(fù)雜，光路稍有改變就需要重新搭建標(biāo)定系統(tǒng)，難以擴展運用到一維彩虹測量系統(tǒng)，不利于彩虹技術(shù)的在線應(yīng)用。
[0004]在此，我們提出一種基于雙波長的散射角自標(biāo)定全場彩虹測量裝置與方法，可以快速、精確、有效地確定全場彩虹測量系統(tǒng)中散射角與CCD像素之間的內(nèi)在關(guān)系，有利于后續(xù)在線測量及分析噴射過程的氣液兩相流場。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是，克服現(xiàn)有噴霧液滴激光彩虹測量技術(shù)中仍需額外人工標(biāo)定的缺陷，提供一種基于雙波長的散射角自標(biāo)定全場彩虹測量方法及裝置。該方法基于雙波長的散射角自標(biāo)定全場彩虹測量，可以快速、精確、有效地確定全場彩虹測量系統(tǒng)中散射角與CCD像素之間的內(nèi)在關(guān)系，有利于后續(xù)在線測量及分析噴射過程的氣液兩相流場，并且可以方便快捷地拓展應(yīng)用于一維全場彩虹測量系統(tǒng)的標(biāo)定過程中，實現(xiàn)燃料霧化、噴淋等過程的一維在線測量。
[0006]本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題采用的具體技術(shù)方案是:
[0007]提供一種基于雙波長的散射角自標(biāo)定全場彩虹測量方法，包括以下步驟:
[0008](I)將兩種不同波長的激光器發(fā)射的兩束激光經(jīng)分束鏡調(diào)制成一束后，照射粒徑分布和折射率數(shù)據(jù)已知的標(biāo)準(zhǔn)液體的噴霧場，在噴霧場后向散射區(qū)產(chǎn)生兩種波長的散射光信號，由傅里葉成像系統(tǒng)的視場透鏡收集后，經(jīng)過小孔光闌和成像透鏡投射到一個彩色CCD芯片上，由其同時記錄兩種波長的彩虹信號光強；
[0009](2)對彩色CXD芯片記錄到兩種波長的彩虹信號進行R、G、B信號分離，得到兩種彩虹信號各自對應(yīng)的通道灰度值，進而得到兩條分離的彩虹信號光強與像素列之間的關(guān)系曲線；
[0010](3)上述彩虹信號光強與像素列之間的關(guān)系曲線經(jīng)快速傅里葉變換FFT濾波以及IFFT逆運算后，得到2條平滑的彩虹曲線；將彩虹曲線的光強(縱坐標(biāo))進行0-1歸一化處理，找到這2條平滑的彩虹曲線中光強為0.468的像素列坐標(biāo)(橫坐標(biāo))Pix1^gl和pix rg2,這兩個像素列坐標(biāo)即對應(yīng)兩種波長下的幾何光學(xué)彩虹角和Θ rg2；
[0011](4)根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)液體在不同波長激光下的折射率m1、m2，計算得到這兩種波長下幾何光學(xué)彩虹角Θ rg和9 rg2的大?。挥刹襟E⑶得到兩個坐標(biāo)點(PiXrgI, 9 rgl)和(PiXrg2，9 rgi)，根據(jù)近軸光路中彩虹絕對散射角和像素列之間的近線性關(guān)系，推算出像素列與散射角之間的線性關(guān)系式，得到初始標(biāo)定方程(angle = a+bXpixel)中的特征參數(shù)a、b ；
[0012](5)根據(jù)初始標(biāo)定方程和CCD拍攝得到的彩虹圖像，即可反演得到一組折射率反演值m1()、m2。，將此反演值與已知折射率m2比較；若m:。與m n m2。與m 2中至少有一對的差值不小于0.0001，根據(jù)反演值與已知值的差值正負性對叫、!^進行向下或向上修正，修正后的折射率作為迭代代入值再次計算彩虹角并求出標(biāo)定方程特征參數(shù)；
[0013](6)重復(fù)步驟(5)，開始迭代，直到兩種波長下的迭代代入折射率與由此反演得到的折射率的差值均小于0.0001，迭代結(jié)束，即認(rèn)為當(dāng)前標(biāo)定方程特征參數(shù)a、b有效，散射角自標(biāo)定過程完成；
[0014](7)由￠)中迭代結(jié)束時的有效標(biāo)定方程特征參數(shù)a、b計算得到全場彩虹標(biāo)定方程(angle = a+bXpixel)，通過標(biāo)定方程即得知(XD上每個像素列對應(yīng)的絕對散射角；進而進行常規(guī)的全場彩虹測量與信號處理，即得到目標(biāo)液體噴霧的粒徑分布和折射率數(shù)據(jù)，并結(jié)合獲取的折射率與溶液濃度、溫度與組分的關(guān)系，反推得到液滴的濃度、溫度與組分。
[0015]本發(fā)明中，在步驟(I)中，還包括:調(diào)整彩色C⑶芯片的曝光時間和幀頻，記錄噴霧場液滴群的散射光用于平滑高頻紋波結(jié)構(gòu)，即全場彩虹信號。
[0016]本發(fā)明中，所述標(biāo)準(zhǔn)液體是去離子水。
[0017]本發(fā)明進一步提供了一種用于實現(xiàn)前述方法的基于雙波長的散射角自標(biāo)定全場彩虹測量裝置，包括激光發(fā)射單元、信號收集單元和信號處理單元三部分；
[0018]所述激光發(fā)射單元由三部分組成:
[0019]兩個波長不同的半導(dǎo)體激光器，用于產(chǎn)生兩種不同波長的激光束；
[0020]調(diào)制元件，是一個裝在旋轉(zhuǎn)位移臺上的分束鏡，用于將兩束不同波長的激光調(diào)制成重合為一束的激光；以及
[0021]反光鏡臺架系統(tǒng)，用于調(diào)節(jié)重合為一束的激光光源的入射位置及入射角度，使噴霧液滴粒產(chǎn)生的彩虹信號方向與所述彩虹信號采集單元的主光軸重合；
[0022]所述信號收集單元是指:由視場透鏡、小孔光闌和成像透鏡組成的傅里葉成像系統(tǒng)，以及一個彩色CCD芯片(從噴霧場反射的光依次通過視場透鏡、小孔光闌、成像透鏡進入彩色CXD芯片并被記錄);
[0023]所述信號處理單元是指，與彩色CXD芯片相連的計算機處理系統(tǒng)，用于計算、分析測量得到的噴霧液滴折射率、粒徑以及濃度、溫度或組份數(shù)據(jù)。
[0024]本發(fā)明中，所述半導(dǎo)體激光器分別為藍光激光器和紅光激光器，兩臺半導(dǎo)體激光器各自固定在一個旋轉(zhuǎn)位移臺上；旋轉(zhuǎn)位移臺的水平位移重復(fù)定位精度小于0.005cm，旋轉(zhuǎn)角分辨率為0.00125°。
[0025]本發(fā)明中，所述視場透鏡及成像透鏡的直徑為80mm?120mm，焦距為10mm?250mmo
[0026]本發(fā)明中，所述彩色C⑶芯片是幀頻可調(diào)的線性(XD，像素范圍為IM至16M，最高頻率為30Hz，探測彩虹角附件范圍為10°至20°，最小分辨角為0.002° (根據(jù)測量對象和測量條件的不同，可以選擇調(diào)整CCD曝光時間和激光器入射光角度及強度，從而達到最好的測量效果)。
[0027]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是:
[0028](I)本發(fā)明克服了現(xiàn)有噴霧液滴激光彩虹測量技術(shù)中仍需額外人工標(biāo)定的缺陷，實現(xiàn)了全場彩虹測量中散射角的系統(tǒng)自標(biāo)定；
[0029](2)具有快速自標(biāo)定、結(jié)構(gòu)簡潔、操作簡便、免額外高精度測量儀器(如傳統(tǒng)反光鏡散射角標(biāo)定方法中的高精度旋轉(zhuǎn)臺等)、適合拓展到一維彩虹測量及工業(yè)化在線應(yīng)用等特點；
[0030](3)能快速、精確、有效地確定全場彩虹測量系統(tǒng)中散射角與CCD像素之間的內(nèi)在關(guān)系，有利于后續(xù)在線測量及分析噴射過程的氣液兩相流場，并且可以方便快捷地拓展應(yīng)用于一維全場彩虹測量系統(tǒng)的標(biāo)定過程中，實現(xiàn)燃料霧化、噴淋等過程的一維在線測量。
【附圖說明】
[0031]圖1是本發(fā)明測量裝置的整體結(jié)構(gòu)示意圖。
[0032]附圖標(biāo)記為:1噴霧系統(tǒng)；2視場透鏡；3小孔光闌；4成像透鏡；5彩色CXD芯片；6第一種波長的激光器；7第二種波長的激光器；8分束鏡；9反射鏡。
【具體實施方式】
[0033]下面通過實施例，并結(jié)合附圖對本發(fā)明技術(shù)方案的【具體實施方式】作進行詳細描述。
[0034]如圖1所示，本發(fā)明裝置包括:噴霧發(fā)生單元、激光發(fā)射單元、信號收集單元和信號處理單元四部分；
[0035]1、噴霧系統(tǒng)發(fā)生單元，主要包括噴霧系統(tǒng)1，用于產(chǎn)生各種液滴參數(shù)的液體噴霧場；
[0036]2、激光發(fā)射單元，由三部分組成:
[0037]兩個波長不同的半導(dǎo)體激光器，用于產(chǎn)生兩種不同波長的激光束；
[0038]調(diào)制元件，是一個裝在旋轉(zhuǎn)位移臺上的分束鏡8，用于將兩束不同波長的激光調(diào)制成重合為一束的激光；以及反光鏡臺架系統(tǒng)，用于調(diào)節(jié)重合為一束的激光光源的入射位置及入射角度，使噴霧液滴粒產(chǎn)生的彩虹信號方向與所述彩虹信號采集單元的主光軸重合；
[0039]將兩種不同波長的激光器(第一種波長的激光器6，第二種波長的激光器7)在同一水平面垂直布置，保證兩束激光在同