[发明专利]一种利用双光谱成像进行雾场粒径平面分布测量的装置

说明书

技术领域

本发明涉及雾滴粒径分布的测量仪器，可以对雾化场粒径分布进行统计学意义上的测量。主要用于测量仪器领域，是获得用来进行喷雾或雾化功能结构功能评价和改进的数据的重要测量工具。具体涉及一种利用双光谱成像进行雾场粒径平面分布测量的装置。

背景技术

雾化粒径测量对于喷嘴和发动机燃烧室等的设计优化具有重要的意义。雾化粒径分布直接影响了发动机的燃烧效率，也是确定喷嘴的雾化特性的重要指标。由于雾化过程是极其复杂的过程，具有复杂性和多变性，目前还难以用理论模型进行精确描述和计算。因此，实验测量是雾化场特征参数获得的主要方法之一。近四十年来，科研人员对雾化场粒径测量方法进行了大量研究，取得了一定的成果。其中，光学测量方法具有对雾化场非入侵性、对于雾化场的温度、速度等有较强的适应性等优点，在雾化场测量中占据主导地位。具有代表性的研究成果有：1）、激光相位多普勒技术（简称PDA或PDPA）。G.Pitche,等人1991年出版《Applications of Laser Techniques to Fluid Mechanics》（著作中文名《流体力学激光技术应用》），该著作第227-247页主标题是“Sensitivity of Dropsize Measurements by Phase Doppler Anemometry to Refractive Index Changes in Combusting Fuel Sprays”。在该文中，作者介绍了PDA基本原理，并重点讨论了燃料折射系数对于燃料燃烧雾化粒径测量结果的影响。PDA对于雾化场的粒径测量技术比较成熟可靠，但是存在缺陷有：只能进行单点测量、雾场浓度不能太高、测量效率低。费立森等人采用PLIF(planar laser induced fluorescence)系统测量，将激光束通过光学系统转化为激光片，测量超燃系统煤油冷态雾化浓度定性分布，相关论文“高速冷态气流中煤油雾化现象的实验研究”发表在《中国科学：E辑》2008年第1期。PLIF法可精确显示煤油液滴或浓度分布，但是不能测量液滴的粒径分布。需要说明的是，燃料液体的粒径对于燃烧效率具有关键性影响。

专利“扫描式喷嘴雾化场粒径和浓度空间分布分析仪”，发明人为吴伟亮、陈汉平、马会明、徐芬，专利号为200410053033，该发明主要用于各种喷雾场的研究。该发明通过电机带动导轨，实现激光光源和粒度传感器二维运动，从而实现对于雾场浓度和粒径的扫描测量。但是该专利没有对粒度传感器的工作原理进行介绍，也没有说明其是否克服了激光束进行粒度测量时，经常会遇到的线积分效应带来的沿激光束方向分辨率不高的问题。

发明内容

本发明提出以激光片激发的雾场的一个面（这个面的厚度就是激光片厚度，后文中，称这个被激光片激发的雾场面叫做“激发面”），激发面的液滴中含有受激光激发而产生荧光的物质。对激发面产生的Mie散射光和荧光散射光分别成像，综合利用这两幅图像信息，计算出激发面的SMD(Sault Mean Diameter，索特平均粒径)粒径分布数据。PDA是对雾场粒径进行点测量，而本发明提出的测量方法，能够仅用一个相机就可以实现对激发面粒径的二维分布进行测量。相对于PDA技术，本发明提出的一种利用双光谱成像进行雾场粒径平面分布测量的装置具有更高的测量效率和更高的空间分辨率，可以将PDA的单点测量拓展至二维平面测量。

本发明采用的技术方案为：一种利用双光谱成像进行雾场粒径平面分布测量的装置，该装置由四大部分组成：激光器、时序控制器、激光束转激光片光路以及成像光路，其中：

激光器作为激光光源，产生激光束；

时序控制器分别控制激光器外触发源和相机的快门控制端，使得在脉冲激光到达测量区域时，时序控制器启动相机快门并保持一段曝光时间，以便相机完成对荧光散射光和Mie散射光成像；

激光束转激光片光路是将激光束转换为激光片。激光束转激光片光路由第一反射镜、凹柱面透镜、凸透镜和凸柱面透镜组成，该激光束转激光片光路将束激光展成一定宽度和一定厚度的片激光；激光片通过激发面，可以使激发面中的微液滴群受激发，受激光激发的微液滴都会产生荧光散射光和Mie散射光；