一維全場(chǎng)彩虹測(cè)量裝置及測(cè)量方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一維全場(chǎng)彩虹測(cè)量裝置及測(cè)量方法，包括激光發(fā)射單元，信號(hào)采集單元，信號(hào)處理單元三部分，激光發(fā)射單元由激光器發(fā)射的激光束經(jīng)調(diào)制成片光源，用于照射噴霧場(chǎng)液滴，產(chǎn)生彩虹信號(hào)；信號(hào)采集單元用于將不同高度測(cè)量點(diǎn)的彩虹信號(hào)通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)單元分開(kāi)成像在CCD信號(hào)采集器的不同行像素上；信號(hào)處理單元用于轉(zhuǎn)化接收到的彩虹信號(hào)，以數(shù)據(jù)的形式經(jīng)計(jì)算機(jī)處理后得到測(cè)量值。本發(fā)明可以分析噴射過(guò)程的氣液兩相流場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)燃料霧化、噴淋等過(guò)程的在線測(cè)量，具有實(shí)時(shí)、非接觸測(cè)量噴霧液滴粒的折射率、粒徑、溫度等參數(shù)能力。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一維全場(chǎng)彩虹測(cè)量裝置及測(cè)量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及氣液兩相流測(cè)量領(lǐng)域，具體涉及一種可以對(duì)噴霧液滴粒的粒徑、折射率、溫度等多參數(shù)分布進(jìn)行一維測(cè)量的全場(chǎng)彩虹測(cè)量裝置及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]噴霧是目前能源環(huán)境領(lǐng)域廣泛存在的氣液兩相流現(xiàn)象，如液體燃料霧化蒸發(fā)燃燒、脫硫脫硝噴淋設(shè)備中氣液混合和吸收等。在本領(lǐng)域中已有多種用于測(cè)量噴霧場(chǎng)的技術(shù)。傳統(tǒng)的接觸式測(cè)量方法有:浸液法、跟蹤法、沉降法、凍結(jié)法、溶臘法和瞬時(shí)取樣法等，上述方法會(huì)對(duì)的原流場(chǎng)產(chǎn)生破壞，造成誤差和應(yīng)用局限性較大，不適應(yīng)目前的測(cè)量需求。而目很多激光測(cè)量技術(shù)則突破了上述限制，具有不干擾原有流場(chǎng)、精度高、實(shí)時(shí)快速、信息量大、可進(jìn)行定量計(jì)算等優(yōu)點(diǎn)。
[0003]按照激光技術(shù)的測(cè)量類(lèi)別，測(cè)量噴霧液滴粒徑的常見(jiàn)方法有:馬爾文粒度分析儀、激光Mie散射技術(shù)、激光誘導(dǎo)熒光法、激光全息技術(shù)、激光顯微攝影技術(shù)、激光干涉成像粒徑測(cè)量技術(shù)(ILIDS)、相位多普勒技術(shù)(H)PA或PDA);測(cè)量噴霧液滴折射率的常見(jiàn)方法有:V形棱鏡法、掠入射法(阿貝折射儀)、干涉條紋(牛頓環(huán))法；測(cè)量噴霧液滴粒溫度的測(cè)量方法主要有熒光法和彩虹散射法，后者還可以同時(shí)測(cè)量液滴粒徑或粒徑分布，分為標(biāo)準(zhǔn)彩虹法和全場(chǎng)彩虹法兩種形式；此外測(cè)量噴霧場(chǎng)濃度常見(jiàn)的方法有:假彩色法、陰影法、層析成像技術(shù)(CT);測(cè)量噴霧場(chǎng)速度常見(jiàn)的方法有:激光多普勒測(cè)速技術(shù)(LDV或LDA)、光散斑測(cè)速技術(shù)(LSV)、相位多普勒技術(shù)O3DPA或PDA)、粒子圖像測(cè)速技術(shù)(PIV)。
[0004]全場(chǎng)彩虹測(cè)量技術(shù)(GRT)的原理是光線照射到球形粒子上，部分光射入球內(nèi)經(jīng)球內(nèi)表面一次反射后出射(稱(chēng)為一階彩虹)，部分光被球外表面反射。反射光與一次內(nèi)反射的出射光之間相互干涉，形成一系列的光強(qiáng)振蕩的波紋。由于彩虹信號(hào)中存在多種明顯的不同頻率的振蕩，需要濾去高頻震蕩結(jié)構(gòu)形成光滑的彩虹信號(hào)。通過(guò)記錄延長(zhǎng)曝光時(shí)間和擴(kuò)大通光孔徑，記錄成千上萬(wàn)顆具有一定粒徑分布的液滴的彩虹，由于多個(gè)顆粒的散射光相互疊加，附加在單個(gè)顆粒一階彩虹上的高頻紋波信號(hào)被消除，可以平滑彩虹信號(hào)，進(jìn)而反演噴霧液粒的平均折射率、粒徑分布、平均溫度等參數(shù)。
[0005]由于全場(chǎng)彩虹測(cè)量技術(shù)在噴霧流場(chǎng)測(cè)量上具有同時(shí)測(cè)量粒徑和折射率的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，進(jìn)而反演液滴溫度等參數(shù)，全場(chǎng)彩虹測(cè)量技術(shù)及相關(guān)應(yīng)用引起了各國(guó)研究者的興趣。布魯塞爾大學(xué)的van Beeck等用彩虹技術(shù)對(duì)液-液懸浮液、兩相射流、液滴蒸發(fā)與擴(kuò)散進(jìn)行了測(cè)量。法國(guó)G.Grehan課題組對(duì)全場(chǎng)彩虹技術(shù)進(jìn)行了大量研究，用來(lái)測(cè)量液滴折射率及折射率梯度、溫度及粒徑分布，并將其應(yīng)用到復(fù)雜惡劣的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境中測(cè)量。德國(guó)達(dá)姆施塔特工業(yè)大學(xué)S.Bakic等人將全場(chǎng)彩虹技術(shù)應(yīng)用到雙組分液滴的蒸發(fā)過(guò)程中的組分測(cè)量。德國(guó)斯圖加特大學(xué)J.Wilms等人用彩虹技術(shù)測(cè)量單個(gè)雙組分液滴蒸發(fā)過(guò)程中的組分變化。美國(guó)S.Sankar研究小組用彩虹測(cè)溫技術(shù)對(duì)燃料液滴加熱蒸發(fā)特性進(jìn)行了研究，并將彩虹技術(shù)與PDA聯(lián)合使用，對(duì)燃燒顆粒進(jìn)行了測(cè)量。德國(guó)不來(lái)梅大學(xué)H.Lohner等研究了用彩虹技術(shù)測(cè)量液-液懸浮液中液滴的非球形度。法國(guó)V.Bodoc等用彩虹技術(shù)研究了通道中湍流環(huán)境下雙組分液滴的蒸發(fā)。浙江大學(xué)吳學(xué)成、吳迎春等對(duì)應(yīng)用全場(chǎng)彩虹技術(shù)測(cè)量噴霧液滴粒的粒徑、濃度、溫度及復(fù)雜雙噴霧的組分和各組分體積比進(jìn)行了模擬與實(shí)驗(yàn)研究。
[0006]到目前為止，全場(chǎng)彩虹測(cè)量技術(shù)還僅限于單點(diǎn)測(cè)量，如能進(jìn)一步發(fā)展一維、二維，甚至三維全場(chǎng)彩虹測(cè)量技術(shù)，可為非穩(wěn)態(tài)復(fù)雜噴霧流場(chǎng)的研究提供更好的測(cè)試工具，對(duì)于進(jìn)一步深入研究噴霧機(jī)理具有重要意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有全場(chǎng)彩虹測(cè)量技術(shù)僅限于單點(diǎn)測(cè)量的缺陷，提供一種可以對(duì)噴霧液滴粒的粒徑、折射率和溫度進(jìn)行一維測(cè)量的全場(chǎng)彩虹測(cè)量裝置及測(cè)量方法，可以分析噴射過(guò)程的氣液兩相流場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)燃料霧化、噴淋等過(guò)程的在線測(cè)量，具有一維、實(shí)時(shí)、非接觸測(cè)量噴霧液滴的折射率、粒徑、溫度等參數(shù)能力。
[0008]本發(fā)明為解決上述技術(shù)問(wèn)題采用的具體技術(shù)方案是:
一種一維全場(chǎng)彩虹測(cè)量裝置，其特征是，包括激光發(fā)射單元，信號(hào)采集單元，信號(hào)處理單兀三部分；
a.激光發(fā)射單元，由激光器發(fā)射的激光束經(jīng)調(diào)制成片光源，用于照射噴霧場(chǎng)液滴，產(chǎn)生彩虹信號(hào)。
[0009]b.信號(hào)采集單元，用于將不同高度測(cè)量點(diǎn)的彩虹信號(hào)通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)單元分開(kāi)成像在CCD信號(hào)采集器的不同行像素上；
c.信號(hào)處理單元，用于轉(zhuǎn)化接收到的彩虹信號(hào)，以數(shù)據(jù)的形式經(jīng)計(jì)算機(jī)處理后得到測(cè)量值。
[0010]本發(fā)明由激光發(fā)射單元提供偏振的片光源，照射到噴霧場(chǎng)的測(cè)量區(qū)域，使噴霧液滴粒產(chǎn)生彩虹信號(hào)，該彩虹信號(hào)通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)單元后，不同高度測(cè)量點(diǎn)的彩虹信號(hào)分開(kāi)成像在CCD信號(hào)采集器的不同行像素上，從而一次性得到一維線區(qū)域的彩虹信號(hào)。采集到的一維彩虹信號(hào)，通過(guò)傳統(tǒng)的單點(diǎn)GRT反演算法，可以得出一維線上各點(diǎn)噴霧液滴粒的粒徑分布和折射率分布；而溫度、組分(成分)等物理參數(shù)隨折射率有特定的變化規(guī)律，根據(jù)得到的折射率分布可以反演噴霧場(chǎng)的溫度分布、組分分布等關(guān)鍵參量。本發(fā)明克服了現(xiàn)有技術(shù)的GRT僅限于單點(diǎn)測(cè)量的缺陷，實(shí)現(xiàn)了全場(chǎng)彩虹測(cè)量系統(tǒng)對(duì)復(fù)雜噴霧場(chǎng)的一維測(cè)量，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、適合工業(yè)在線應(yīng)用等特點(diǎn)；它能對(duì)一維線上不同高度噴霧液滴粒的彩虹信號(hào)進(jìn)行一次性測(cè)量，得到粒徑和折射率分布，從而實(shí)時(shí)快速的獲得噴霧液滴粒的粒徑和溫度等參數(shù)，通過(guò)連續(xù)性地采集一維噴霧液滴粒的數(shù)據(jù)，還可以獲得二維穩(wěn)定噴霧場(chǎng)的參數(shù)分布。
[0011]作為優(yōu)選，激光發(fā)射單元由三部分組成:
半導(dǎo)體激光器，用于產(chǎn)生強(qiáng)度可調(diào)節(jié)的激光束；
調(diào)制元件，用于將出射激光束調(diào)制成偏振的片光源；
臺(tái)架系統(tǒng)，用于調(diào)整激光片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(hào)方向與所述光學(xué)系統(tǒng)單元的主光軸重合；
作為優(yōu)選，半導(dǎo)體激光器為40mW至600mW光強(qiáng)可調(diào)激光器,激光器固定在旋轉(zhuǎn)位移臺(tái)上，所述的旋轉(zhuǎn)位移臺(tái)重復(fù)定位精度小于0.005，分辨率為0.00125°。
[0012]作為優(yōu)選，調(diào)制元件包括偏振片、擴(kuò)束器及柱透鏡，半導(dǎo)體激光器、擴(kuò)束器及柱透鏡安裝在臺(tái)架系統(tǒng)上。半導(dǎo)體激光器射出的激光束，經(jīng)偏振片使得只有磁矢量垂直于入射面的線偏振波(TM波)通過(guò)，經(jīng)擴(kuò)束器擴(kuò)束后，用柱透鏡調(diào)制成片光源，用于照射噴霧場(chǎng)的測(cè)量區(qū)域。
[0013]作為優(yōu)選，信號(hào)采集單元包括視場(chǎng)透鏡、水平線光闌、豎直線光闌、成像透鏡及CXD信號(hào)采集器，視場(chǎng)透鏡后側(cè)設(shè)有水平線光闌，從噴霧場(chǎng)反射的光，依次通過(guò)視場(chǎng)透鏡、水平線光闌、豎直線光闌及成像透鏡后進(jìn)入CXD信號(hào)采集器。帶水平光闌的視場(chǎng)透鏡、豎直線光闌及成像透鏡，組成一維全場(chǎng)彩虹測(cè)量系統(tǒng)的傅里葉光學(xué)成像系統(tǒng)，不同高度液滴的彩虹信號(hào)通過(guò)視場(chǎng)透鏡收集，視場(chǎng)透鏡后側(cè)設(shè)有一個(gè)水平線光闌，水平線線光闌用于使只有通過(guò)透鏡水平中心線的彩虹信號(hào)才能通過(guò)，從而使得不同高度測(cè)量點(diǎn)的彩虹信號(hào)具有不同的入射角，進(jìn)而可以利用傅里葉成像原理將彩虹信號(hào)分開(kāi)，將不同高度測(cè)量點(diǎn)的彩虹信號(hào)成像在CXD信號(hào)采集器的不同行像素上；在測(cè)量區(qū)域?qū)?yīng)于視場(chǎng)透鏡的像平面處放置一個(gè)豎直線光闌，可以用于控制測(cè)量區(qū)域的大小。
[0014]作為優(yōu)選，視場(chǎng)透鏡前側(cè)的水平線光闌線寬為0.5mm至5mm ;豎直線光闌為零孔徑可變光闌，最大孔寬為25mm。
[0015]作為優(yōu)選，視場(chǎng)透鏡及成像透鏡直徑為80_至120mm,焦距為100_至250mm。
[0016]作為優(yōu)選，CXD信號(hào)采集器的CXD芯片為線性(XD，像素范圍為IM至16M，最高頻率為30Hz，探測(cè)彩虹角附件范圍為10°至20°，最小分辨角為0.002°。根據(jù)測(cè)量對(duì)象和測(cè)量條件的不同，可以選擇調(diào)整CCD曝光時(shí)間和出射光角度及強(qiáng)度，從而達(dá)到最好的測(cè)量效果。
[0017]作為優(yōu)選，CCD信號(hào)采集器上設(shè)有高度調(diào)節(jié)器。高度調(diào)節(jié)器用于調(diào)節(jié)探測(cè)器接收部位光敏面的高度。
[0018]作為優(yōu)選，CCD信號(hào)采集器前設(shè)有濾光片。濾光片用于減少CCD信號(hào)采集器上接收到的背景光功率，從而減小周邊光的散射和背景輻射引起的噪聲，在保證激光透過(guò)的條件下，濾光片的帶寬應(yīng)盡可能窄，使得探測(cè)器處于良好的工作狀態(tài)。
[0019]一種一維全場(chǎng)彩虹測(cè)量裝置的測(cè)量方法，包括以下步驟:
a.使用激光器對(duì)光路進(jìn)行彩虹信號(hào)高度及散射角度的標(biāo)定；
b.打開(kāi)噴嘴裝置，調(diào)整噴霧場(chǎng)至穩(wěn)定狀態(tài)；
c.開(kāi)啟激光器，激光器發(fā)射的激光束經(jīng)擴(kuò)束器擴(kuò)束后，經(jīng)過(guò)柱透鏡以垂直偏振的片光源的方式照射到噴霧場(chǎng)的測(cè)量區(qū)域上，不同高度點(diǎn)噴霧液滴散射的彩虹信號(hào)，通過(guò)帶水平光闌的視場(chǎng)透鏡后，使得只有過(guò)透鏡水平中心線的彩虹信號(hào)才能通過(guò)，使不同高度的液滴的彩虹信號(hào)具有不同的入射角度而分開(kāi)；
d.調(diào)整視場(chǎng)透鏡與成像透鏡之間的豎直線光闌的孔寬，控制視場(chǎng)區(qū)域大小并濾除環(huán)境雜光，直至得到清晰穩(wěn)定的彩虹信號(hào)；
e.成像透鏡將視場(chǎng)透鏡后不同角度的散射圖樣條紋，折射到CCD芯片上，不同出射角度的光線對(duì)應(yīng)CCD信號(hào)采集器像素面上的不同行，每行的像素記錄不同高度點(diǎn)的噴霧液滴在不同散射角度上的光強(qiáng)。
[0020]作為優(yōu)選，散射角度標(biāo)定方法是:
在光學(xué)系統(tǒng)單元的主光軸延伸方向的噴霧場(chǎng)的測(cè)量區(qū)域設(shè)置一個(gè)帶有旋轉(zhuǎn)位移臺(tái)的反射鏡，調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)位移臺(tái)，先使反射鏡反射的光線與光學(xué)系統(tǒng)單元的主光軸重合，并記錄旋轉(zhuǎn)位移臺(tái)的初始角度，微調(diào)旋轉(zhuǎn)位移臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，記錄旋轉(zhuǎn)角度與反射光在CCD信號(hào)采集器上的位置，結(jié)合激光器發(fā)射的激光束與光學(xué)系統(tǒng)單元的主光軸的角度，可以得到標(biāo)定點(diǎn)的散射角度，進(jìn)而得到CCD信號(hào)采集器像素與散射角之間的關(guān)系。
[0021]本發(fā)明的有益效果是，它克服現(xiàn)有技術(shù)的GRT僅限于單點(diǎn)測(cè)量的缺陷，實(shí)現(xiàn)了全場(chǎng)彩虹測(cè)量系統(tǒng)對(duì)復(fù)雜噴霧場(chǎng)的一維測(cè)量，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、適合工業(yè)在線應(yīng)用等特點(diǎn)；它能對(duì)一維線上不同高度噴霧液滴粒的彩虹信號(hào)進(jìn)行一次性測(cè)量，得到粒徑和折射率分布，從而實(shí)時(shí)快速的獲得噴霧液滴粒的粒徑和溫度等參數(shù)，通過(guò)連續(xù)性地采集一維噴霧液滴粒的數(shù)據(jù)，可以獲得二維穩(wěn)定噴霧場(chǎng)的參數(shù)分布，有利于實(shí)際工業(yè)的監(jiān)測(cè)分析，為燃燒及污染物控制策略和設(shè)計(jì)方案提供數(shù)據(jù)指導(dǎo)，達(dá)到節(jié)約原料、減少排放的目的。
[0022]此外，采用合理設(shè)計(jì)的噴霧裝置可以測(cè)量噴霧場(chǎng)在加熱或冷卻等復(fù)雜環(huán)境條件下的動(dòng)態(tài)變化情況。對(duì)多組分的混合復(fù)雜噴霧場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量，通過(guò)得到的混合彩虹圖，可以反演得到各組分在測(cè)量區(qū)域內(nèi)的體積分?jǐn)?shù)。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0023]圖1是本發(fā)明一維全場(chǎng)彩虹測(cè)量裝置實(shí)施例1的整體結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2是本發(fā)明一維全場(chǎng)彩虹測(cè)量裝置實(shí)施例1光學(xué)系統(tǒng)單元的光路結(jié)構(gòu)示意圖；
圖3是本發(fā)明一維全場(chǎng)彩虹測(cè)量裝置實(shí)施例2的整體結(jié)構(gòu)示意圖；
圖4是本發(fā)明一維全場(chǎng)彩虹測(cè)量裝置實(shí)施例2光學(xué)系統(tǒng)單元的光路結(jié)構(gòu)示意圖；
圖5是本發(fā)明中噴霧場(chǎng)及噴霧液滴粒彩虹信號(hào)干涉圖像的放大結(jié)構(gòu)示意圖。
[0024]圖中:1.激光器，2.偏振片，3.擴(kuò)束器，4.柱透鏡，5.視場(chǎng)透鏡，6.水平線光闌，7.豎直線光闌，8.成像透鏡，9.濾光片，10.CXD信號(hào)采集器，11.噴霧場(chǎng)，12.噴霧液滴粒，13.噴嘴裝置，14.彩虹信號(hào)。
【具體實(shí)施方式】
[0025]下面通過(guò)實(shí)施例，并結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明技術(shù)方案的【具體實(shí)施方式】作進(jìn)一步的說(shuō)明。
[0026]實(shí)施例1
在如圖1、圖2所示的實(shí)施例1中，一種一維全場(chǎng)彩虹測(cè)量裝置，包括激光發(fā)射單元，信號(hào)采集單元，信號(hào)處理單元三部分:
a.激光發(fā)射單元，由激光器發(fā)射的激光束經(jīng)調(diào)制成片光源，用于照射噴霧場(chǎng)液滴，產(chǎn)生彩虹信號(hào)。激光發(fā)射單元由三部分組成:
半導(dǎo)體激光器1，用于產(chǎn)生強(qiáng)度可調(diào)節(jié)的激光束；本實(shí)施例的半導(dǎo)體激光器為500mW光強(qiáng)可調(diào)激光器，激光器固定在旋轉(zhuǎn)位移臺(tái)上，所述的旋轉(zhuǎn)位移臺(tái)重復(fù)定位精度小于0.005，分辨率為0.00125°。
[0027]調(diào)制元件，用于將出射激光束調(diào)制成偏振的片光源，調(diào)制元件包括偏振片2、擴(kuò)束器3及柱透鏡4 ；
臺(tái)架系統(tǒng)，用于調(diào)整激光片光源的入射位置及入射角度，使噴霧液滴粒12產(chǎn)生的彩虹信號(hào)14 (見(jiàn)圖5)方向與信號(hào)采集單元中光學(xué)系統(tǒng)單元的主光軸重合；半導(dǎo)體激光器、擴(kuò)束器及柱透鏡均安裝在臺(tái)架系統(tǒng)上。
[0028]b.信號(hào)采集單元，用于將不同高度測(cè)量點(diǎn)的彩虹信號(hào)通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)單元分開(kāi)成像在CXD信號(hào)采集器10的不同行像素上；信號(hào)采集單元包括視場(chǎng)透鏡5、水平線光闌6、豎直線光闌7、成像透鏡8及CCD信號(hào)采集器，視場(chǎng)透鏡后側(cè)設(shè)有水平線光闌，從噴霧場(chǎng)11反射的光，依次通過(guò)視場(chǎng)透鏡、水平線光闌、豎直線光闌及成像透鏡后進(jìn)入CXD信號(hào)采集器。視場(chǎng)透鏡及成像透鏡直徑為100mm，焦距為150mm ;視場(chǎng)透鏡前側(cè)的水平線光闌線寬3mm，豎直線光闌為零孔徑可變光闌，最大孔寬為25mm ;所述CCD信號(hào)采集器的CCD芯片為線性CCD，像素范圍為IM至16M，最高頻率為30Hz，探測(cè)彩虹角附件范圍為10°至20°，最小分辨角為0.002°，C⑶信號(hào)采集器上設(shè)有高度調(diào)節(jié)器。
[0029]c.信號(hào)處理單元，用于轉(zhuǎn)化接收到的彩虹信號(hào)，以數(shù)據(jù)的形式經(jīng)計(jì)算機(jī)處理后得到測(cè)量值。
[0030]一維全場(chǎng)彩虹測(cè)量裝置的測(cè)量方法，其特征在于包括以下步驟:
a.使用激光器對(duì)光路進(jìn)行彩虹信號(hào)高度及散射角度的標(biāo)定，本實(shí)施例的標(biāo)定方法
為:
在光學(xué)系統(tǒng)單元的主光軸延伸方向的噴霧場(chǎng)的測(cè)量區(qū)域設(shè)置一個(gè)帶有旋轉(zhuǎn)位移臺(tái)的反射鏡，調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)位移臺(tái)，先使反射鏡反射的光線與光學(xué)系統(tǒng)單元的主光軸重合，并記錄旋轉(zhuǎn)位移臺(tái)的初始角度，微調(diào)旋轉(zhuǎn)位移臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，記錄旋轉(zhuǎn)角度與反射光在CCD信號(hào)采集器上的位置，結(jié)合激光器發(fā)射的激光束與光學(xué)系統(tǒng)單元的主光軸的角度，可以得到標(biāo)定點(diǎn)的散射角度，進(jìn)而得到CCD信號(hào)采集器像素與散射角之間的關(guān)系，然后同步調(diào)整反射鏡及激光器的上下高度，測(cè)量高度的變化量并重復(fù)上述測(cè)量過(guò)程，得到噴霧場(chǎng)一維線上不同高度的測(cè)量點(diǎn)與CCD信號(hào)采集器像素上下行的對(duì)應(yīng)關(guān)系；
b.打開(kāi)噴嘴裝置13，調(diào)整噴霧場(chǎng)至穩(wěn)定狀態(tài)；
c.開(kāi)啟激光器，激光器發(fā)射的激光束經(jīng)擴(kuò)束器擴(kuò)束后，經(jīng)過(guò)柱透鏡以垂直偏振的片光源的方式照射到噴霧場(chǎng)的測(cè)量區(qū)域上，不同高度點(diǎn)噴霧液滴散射的彩虹信號(hào)，通過(guò)帶水平光闌的視場(chǎng)透鏡后，使得只有過(guò)透鏡水平中心線的彩虹信號(hào)才能通過(guò)，使不同高度的液滴的彩虹信號(hào)具有不同的入射角度而分開(kāi)；
d.調(diào)整視場(chǎng)透鏡與成像透鏡之間的豎直線光闌的孔寬，控制視場(chǎng)區(qū)域大小并濾除環(huán)境雜光，直至得到清晰穩(wěn)定的彩虹信號(hào)；
e.成像透鏡將視場(chǎng)透鏡后不同角度的散射圖樣條紋，折射到CCD芯片上，不同出射角度的光線對(duì)應(yīng)CCD信號(hào)采集器像素面上的不同行，每行的像素記錄不同高度點(diǎn)的噴霧液滴在不同散射角度上的光強(qiáng)。
[0031]d.接收處理單元，用于轉(zhuǎn)化接收到的彩虹信號(hào)，以數(shù)據(jù)的形式經(jīng)計(jì)算機(jī)處理后得到測(cè)量值。
[0032]在得到一維測(cè)量線上各點(diǎn)噴霧液滴粒的粒徑分布后；將得到的粒徑分布代入光強(qiáng)線性方程組，可以得出一維測(cè)量線區(qū)域噴霧液滴粒的折射率分布；而溫度、組分(成分)等物理參數(shù)隨折射率有特定的變化規(guī)律，根據(jù)得到的折射率分布可以反演噴霧場(chǎng)的溫度分布、組分分布等關(guān)鍵參量。本發(fā)明克服了現(xiàn)有技術(shù)的GRT僅限于單點(diǎn)測(cè)量的缺陷，實(shí)現(xiàn)了全場(chǎng)彩虹測(cè)量系統(tǒng)對(duì)復(fù)雜噴霧場(chǎng)的一維測(cè)量，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、適合工業(yè)在線應(yīng)用等特點(diǎn)；它能對(duì)一維線上不同高度噴霧液滴粒的彩虹信號(hào)進(jìn)行一次性測(cè)量，得到粒徑和折射率分布，從而實(shí)時(shí)快速的獲得噴霧液滴粒的粒徑和溫度等參數(shù)，通過(guò)連續(xù)性地采集一維測(cè)量線上噴霧液滴粒的數(shù)據(jù)，還可以獲得二維穩(wěn)定噴霧場(chǎng)的參數(shù)分布。
[0033]此外，采用合理設(shè)計(jì)的噴霧裝置可以測(cè)量噴霧場(chǎng)在加熱或冷卻等復(fù)雜環(huán)境條件下的動(dòng)態(tài)變化情況。對(duì)多組分的混合復(fù)雜噴霧場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量，通過(guò)得到的混合彩虹圖，可以反演得到各組分在測(cè)量區(qū)域內(nèi)的體積分?jǐn)?shù)。
[0034]實(shí)施例2
實(shí)施例2的CCD信號(hào)采集器前設(shè)有濾光片9 (見(jiàn)圖3圖4)，半導(dǎo)體激光器為50mW光強(qiáng)可調(diào)激光器，其余和實(shí)施例1相同。
[0035]在上述實(shí)施例中，半導(dǎo)體激光器的功率可以在40mW至600mW之間選取，視場(chǎng)透鏡前側(cè)的水平線光闌線寬可用在0.5mm至5mm之間選??；視場(chǎng)透鏡及成像透鏡直徑可以在80mm至120_之間選取,焦距可以在100_至250_之間選取。
[0036]除上述實(shí)施例外，在本發(fā)明的權(quán)利要求書(shū)及說(shuō)明書(shū)所公開(kāi)的范圍內(nèi)，本發(fā)明的技術(shù)特征或技術(shù)數(shù)據(jù)可以進(jìn)行重新選擇及組合，從而構(gòu)成新的實(shí)施例，這些都是本領(lǐng)域技術(shù)人員無(wú)需進(jìn)行創(chuàng)造性勞動(dòng)即可實(shí)現(xiàn)的，因此這些本發(fā)明沒(méi)有詳細(xì)描述的實(shí)施例也應(yīng)視為本發(fā)明的具體實(shí)施例而在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種一維全場(chǎng)彩虹測(cè)量裝置，其特征是，包括激光發(fā)射單元，信號(hào)采集單元，信號(hào)處理單元三部分: a.激光發(fā)射單元，由激光器發(fā)射的激光束經(jīng)調(diào)制成片光源，用于照射噴霧場(chǎng)液滴，產(chǎn)生彩虹信號(hào)； b.信號(hào)采集單元，用于將不同高度測(cè)量點(diǎn)的彩虹信號(hào)通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)單元分開(kāi)成像在CCD信號(hào)采集器的不同行像素上； c.信號(hào)處理單元，用于轉(zhuǎn)化接收到的彩虹信號(hào)，以數(shù)據(jù)的形式經(jīng)計(jì)算機(jī)處理后得到測(cè)量值。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一維全場(chǎng)彩虹測(cè)量裝置，其特征在于所述的激光發(fā)射單元由三部分組成: 半導(dǎo)體激光器，用于產(chǎn)生強(qiáng)度可調(diào)節(jié)的激光束； 調(diào)制元件，用于將出射激光束調(diào)制成偏振的片光源； 臺(tái)架系統(tǒng)，用于調(diào)整激光片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(hào)方向與所述光學(xué)系統(tǒng)單元的主光軸重合。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一維全場(chǎng)彩虹測(cè)量裝置，其特征在于，所述的半導(dǎo)體激光器為40mW至600mW光強(qiáng)可調(diào) 激光器，激光器固定在旋轉(zhuǎn)位移臺(tái)上，所述的旋轉(zhuǎn)位移臺(tái)重復(fù)定位精度小于0.005，分辨率為0.00125°。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一維全場(chǎng)彩虹測(cè)量裝置，其特征在于，所述的調(diào)制元件包括偏振片、擴(kuò)束器及柱透鏡，半導(dǎo)體激光器、擴(kuò)束器及柱透鏡安裝在臺(tái)架系統(tǒng)上。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一維全場(chǎng)彩虹測(cè)量裝置，其特征在于，信號(hào)采集單元包括視場(chǎng)透鏡、水平線光闌、豎直線光闌、成像透鏡及C⑶信號(hào)采集器，視場(chǎng)透鏡后側(cè)設(shè)有水平線光闌，從噴霧場(chǎng)反射的光，依次通過(guò)視場(chǎng)透鏡、水平線光闌、豎直線光闌及成像透鏡后進(jìn)入C⑶信號(hào)采集器。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一維全場(chǎng)彩虹測(cè)量裝置，其特征在于，所述視場(chǎng)透鏡前側(cè)的水平線光闌線寬為0.5mm至5_ ;豎直線光闌為零孔徑可變光闌，最大孔寬為25_。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一維全場(chǎng)彩虹測(cè)量裝置，其特征在于，所述的視場(chǎng)透鏡及成像透鏡直徑為80_至120mm,焦距為100_至250mm。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一維全場(chǎng)彩虹測(cè)量裝置，其特征在于，所述CCD信號(hào)采集器的CXD芯片為線性(XD，像素范圍為IM至16M，最高頻率為30Hz，探測(cè)彩虹角附件范圍為10°至20°，最小分辨角為0.002°。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一維全場(chǎng)彩虹測(cè)量裝置，其特征在于，所述的CCD信號(hào)采集器上設(shè)有高度調(diào)節(jié)器。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一維全場(chǎng)彩虹測(cè)量裝置，其特征在于，所述的CCD信號(hào)采集器前設(shè)有濾光片。
11.一種權(quán)利要求1所述的一維全場(chǎng)彩虹測(cè)量裝置的測(cè)量方法，其特征在于包括以下步驟: a.使用激光器對(duì)光路進(jìn)行彩虹信號(hào)高度及散射角度的標(biāo)定； b.打開(kāi)噴嘴裝置，調(diào)整噴霧場(chǎng)至穩(wěn)定狀態(tài)； c.開(kāi)啟激光器，激光器發(fā)射的激光束經(jīng)擴(kuò)束器擴(kuò)束后，經(jīng)過(guò)柱透鏡以垂直偏振的片光源的方式照射到噴霧場(chǎng)的測(cè)量區(qū)域上，不同高度點(diǎn)噴霧液滴散射的彩虹信號(hào)，通過(guò)帶水平光闌的視場(chǎng)透鏡后，使得只有過(guò)透鏡水平中心線的彩虹信號(hào)才能通過(guò)，使不同高度的液滴的彩虹信號(hào)具有不同的入射角度而分開(kāi)； d.調(diào)整視場(chǎng)透鏡與成像透鏡之間的豎直線光闌的孔寬，控制視場(chǎng)區(qū)域大小并濾除環(huán)境雜光，直至得到清晰穩(wěn)定的彩虹信號(hào)； e.成像透鏡將視場(chǎng)透鏡后不同角度的散射圖樣條紋，折射到CCD芯片上，不同出射角度的光線對(duì)應(yīng)CCD信號(hào)采集器像素面上的不同行，每行的像素記錄不同高度點(diǎn)的噴霧液滴在不同散射角度上的光強(qiáng)。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的一維全場(chǎng)彩虹測(cè)量裝置的測(cè)量方法，其特征在于所述的散射角度標(biāo)定方法是: 在光學(xué)系統(tǒng)單元的主光軸延伸方向的噴霧場(chǎng)的測(cè)量區(qū)域設(shè)置一個(gè)帶有旋轉(zhuǎn)位移臺(tái)的反射鏡，調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)位移臺(tái)，先使反射鏡反射的光線與光學(xué)系統(tǒng)單元的主光軸重合，并記錄旋轉(zhuǎn)位移臺(tái)的初始角度，微調(diào)旋轉(zhuǎn)位移臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，記錄旋轉(zhuǎn)角度與反射光在CCD信號(hào)采集器上的位置，結(jié)合激光器發(fā)射的激光束與光學(xué)系統(tǒng)單元的主光軸的角度，可以得到標(biāo)定點(diǎn)的散射角度，進(jìn)而得到CCD信號(hào)采集器像素與散射角之間的關(guān)系，然后同步調(diào)整反射鏡及激光器的上下高度，測(cè)量高度的變化量并重復(fù)上述測(cè)量過(guò)程，得到噴霧場(chǎng)一維線上不同高度的測(cè)量點(diǎn)與CCD信號(hào)采集器像素上下行的對(duì)應(yīng)關(guān)系。
【文檔編號(hào)】G01N21/41GK103842797SQ201380003099
【公開(kāi)日】2014年6月4日 申請(qǐng)日期:2013年5月10日 優(yōu)先權(quán)日:2013年5月10日
【發(fā)明者】吳學(xué)成, 岑可法, 王智化, 高翔, 陳玲紅, 邱坤贊, 吳迎春, 姜淏予 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)