[实用新型]一种用于测量液滴的相位粒子干涉成像装置

说明书

本实用新型公开了一种用于测量液滴的相位粒子干涉成像装置,包括激光片光源入射系统、散射光成像系统以及信号处理系统；所述激光片光源入射系统产生片光源；所述散射光成像系统采集液滴的前向散射光并记录液滴的时间分辨前向散射光条纹图；信号处理系统分析处理记录的时间分辨前向散射光条纹图，获得液滴的粒径及其粒径变化；相位粒子干涉成像装置克服了现有离焦粒子干涉成像技术仅能测量球形液滴粒径的缺陷，能同时测量粒子尺寸及其粒径变化。

技术领域

本实用新型涉及喷雾液滴测量领域，具体涉及一种用于测量液滴的相位粒子干涉成像装置。

背景技术

喷雾及雾化液滴具有广泛的工业应用，比如包括内燃机、航空发动机和液体火箭在内的各种喷雾燃烧动力系统，食品与生物工程的喷雾制药与干燥，喷雾燃烧合成的纳米材料制备，以及喷雾冷却和吸收等。在这些过程中，喷雾液滴与环境介质存在传热传质等各种物理化学反应，典型的如蒸发、冷凝、加热及冷却。由于液滴质量的变化甚至在热胀冷缩的作用下，液滴的粒径在一个小的时间尺度内也发生微小变化。

已有的液滴测量技术可以分为接触式测量和非接触光学测量两大类。接触式测量方法，如沉降法、冻结法、溶腊法等，会对原有液滴流场产生干扰破坏，只能测量其粒径且误差大，无法实现其液滴粒径变化测量。非接触光学测量方法不干扰液滴场，且具有精度高、快速测量等优点，近年发展了几种针对液滴粒径测量的光学方法和仪器。

相位多普勒技术能够高精度同时测量球形透明均匀液滴粒径及其运动速度且无需标定，是液滴粒径测量的标准测量方法和设备；阴影法通过拍摄液滴的投影对液滴粒径进行直观测量；衍射法通过分析液滴前向衍射条纹的间距或频率来测量液滴大小；液滴全息成像法通过记录液滴的全息图，反演重建获得液滴的聚焦图像，测量液滴粒径；彩虹折射仪通过分析液滴在彩虹角附近的散射光强度来求取液滴粒径；耀斑成像法通过测量液滴的耀斑的距离来反推液滴大小。

离焦粒子干涉成像法测量液滴粒径时，其基本原理为：采用离焦成像系统记录液滴的一阶透射光和表面发射光在前向散射方向的干涉条纹，分析记录条纹的频率或者条纹间距来测量液滴粒径。这种方法最早由Konig等人提出用来测量二维稀相喷雾液滴场。后来，Kawaguchi等人通过采用柱透镜或者狭缝光阑将干涉条纹圆形区域压缩成细长方形区域，扩大了液滴测量浓度。近期，Shen等人设计特殊的象散成像系统来测量液滴的三维位置信息。

上述非接触式光学测量方法主要针对液滴粒径的测量，其中绝对测量精度一般不超过1微米，相对精度一般不超过1％。在液滴粒径变化测量时，相位多普勒技术由于是点测量而无能为力；其他上述图像法则采用拉格朗日粒子跟踪策略，对比不同时刻液滴粒径尺寸来求取其变化。但是对于实际运动液滴，粒径为5-300微米，在通过几毫米到几厘米测量视场时的几毫秒时间内，其粒径变化变化范围一般为1纳米到1微米。这个小尺寸粒径变化往往超出了上述方法和设备的测量精度，因而上述方法和设备无法测量这个液滴粒径变化。

到目前为止，缺乏同时测量微米尺度的液滴粒径及其纳米尺度粒径变化的方法和装置。这类方法和装置是深入研究并揭示喷雾液滴动力学的一个重要实验测试工具，对其进行开发具有重要意义和实用价值。

实用新型内容

本实用新型目的在于提供一种用于测量液滴的相位粒子干涉成像装置，所述的相位粒子干涉成像装置能同时测量液滴尺寸及其纳米尺度粒径变化，克服了现有离焦粒子干涉成像技术仅能测量微米尺度球形液滴粒径的缺陷。

一种用于测量液滴的相位粒子干涉成像装置，所述相位粒子干涉成像装置包括激光片光源入射系统、散射光成像系统以及信号处理系统；所述激光片光源入射系统产生片光源；所述散射光成像系统采集液滴的前向散射光并记录液滴的时间分辨前向散射光条纹图；所述信号处理系统分析处理记录的时间分辨前向散射光条纹图，获得液滴的粒径及其粒径变化。

进一步的，所述激光片光源入射光路系统包括连续激光器或高频脉冲激光器，以及片光源调制组件。