[发明专利]发动机燃烧尾气颗粒粒径分布在线测试装置及测试方法

权利要求书

1.一种发动机燃烧尾气颗粒粒径分布在线测试装置，其特征在于，包括粒度仪发射端(1)、粒度仪接收端(2)、粒度仪试验台(4)和控制单元，粒度仪发射端(1)和粒度仪接收端(2)相对设置于粒度仪试验台(4)上，粒度仪发射端(1)包括依次同轴设置的激光器(7)、扩束镜(8)和第一汇聚镜头(9)，粒度仪接收端(2)包括依次同轴设置的傅里叶镜头(10)、第二汇聚镜头(11)和光电探测器(12)，粒度仪发射端(1)和粒度仪接收端(2)之间设有待测样品测试区，由激光器(7)发出的光束经扩束镜(8)和第一汇聚镜头(9)后得到平行单色光束照射至待测样品测试区中的样品时发生散射，散射光经傅里叶镜头(10)和第二汇聚镜头(11)后成像在光电探测器(12)上，控制单元与粒度仪接收端(2)相连，控制单元包括数据处理单元，数据处理单元用于控制采集时间并将所测光矢量数据转化为所需粒径分布数据，所述光电探测器(12)为环形光电探测器。

2.根据权利要求1所述的在线测试装置，其特征在于，粒度仪试验台(4)包括台面、设于台面底部的脚轮(6)和粗调升降装置(5)，所述粒度仪发射端(1)和粒度仪接收端(2)的底部分别设置有细调升降装置(3)，所述细调升降装置(3)位于所述台面上。

3.根据权利要求1所述的在线测试装置，其特征在于，还包括与光电探测器(12)相连的驱动装置(13)，用于控制光电探测器(12)使经傅里叶镜头(10)和第二汇聚镜头(11)的散射光完全垂直于光电探测器(12)。

4.根据权利要求3所述的在线测试装置，其特征在于，所述驱动装置(13)为两个步进电机，两个步进电机分别控制光电探测器(12)在水平和竖直方向的运动。

5.根据权利要求1所述的在线测试装置，其特征在于，所述粒度仪发射端(1)的发射口处和/或粒度仪接收端(2)的接收口处设有滤光片。

6.根据权利要求1所述的在线测试装置，其特征在于，所述发动机为固体火箭发动机。

7.根据权利要求1-6任一项所述的在线测试装置，其特征在于，数据处理单元包括粒径分布处理单元、存储单元和输出单元，所述粒径分布处理单元用于控制采集时间并将所测光矢量数据转化为所需粒径分布数据，存储单元用于保存数据，输出单元用于调取数据和输出报表。

8.根据权利要求7所述的发动机燃烧尾气颗粒粒径分布在线测试装置的测试方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：光电探测器(12)把照射到每个环面上的散射光能转化为相应的电信号，电信号中包含颗粒粒径大小及分布的信息，电信号经放大和A/D转换后送入粒径分布处理单元；

步骤二：光电探测器(12)上得到的散射光能分布列向量E如下式(1)所示：

E＝(e₁，e₂，...，e_M)^T (1)

其中，第n环光电探测器的光能值为e_n，其中M为环数，r_n，1为光电探测器第n环内径，对应散射角为θ_n，1，r_n，2为光电探测器第n环外径，对应散射角为θ_n，2，

待测样品区由若干大小不同的颗粒组成，并设直径为D_i的颗粒重量为W_i，i＝1，2，...，K，下标i表示粒径分档，K为粒径分档i的最大范围；

产生散射光能分布的颗粒分布W由如下式(2)的储存分布列向量W表示：

W＝(W₁，W₂，...，W_K)^T (2)

其中，W_i为直径D_i的颗粒重量；N_i为直径D_i的颗粒数量，W_i和颗粒粒数N_i的关系为：

N_i＝6W_i/(ρπD_i³) (3)

ρ为颗粒密度；

光能分布系数矩阵T如下式(4)所示：

其中，t_i，j为单位重量的直径为D_i的颗粒所产生的散射光在光电探测器第j环上的光能值，t_i，j根据直径与光电探测器参数求得；

步骤三：数据处理单元根据下式(5)采用分布限定法求解W：

E＝TW (5)

被测颗粒的尺寸分布函数符合R-R积累分布函数，颗粒粒径分布函数由特征尺寸分布参数和粒径分布宽度参数k确定，其中，R-R积累分布函数如下式(6)所示：

其中，V(D)表示直径小于D的颗粒的累计体积的百分率；是特征尺寸分布参数，其含义为：直径小于的颗粒的累计体积占所有颗粒的总体积的62.3％；k为粒径分布宽度参数，k越大，颗粒分布越窄；

调整特征尺寸分布参数和粒径分布宽度参数k的值，根据公式(5)计算出理论光能分布列向量E_calc；

步骤四：由光能分布列向量E的实际测量值E_meas和光能分布列向量E的理论值E_calc求得目标函数F，采用如下式(7)计算：

其中，e_calc，n表示光电探测器第n环的理论光能值，e_meas，n表示光电探测器第n环的实际测量光能值，

通过非线性最小乘优化的LM算法求得最佳特征尺寸分布参数和粒径分布宽度参数k的值，使得目标函数值最小；

步骤五：粒径分布处理单元显示被测颗粒的粒径分布W，存储单元用于保存被测颗粒的粒径分布W的数据，输出单元输出粒径分布W，生成报表。