中國粉體網(wǎng)訊   液滴顆粒是自然/人工生成的霧場粒子，主要包括油霧和水霧等。霧場粒子在國民經(jīng)濟(jì)各部門起著越來越重要的作用。如水利、航海航空、環(huán)保、汽車/飛機(jī)等油霧燃燒、風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)、農(nóng)用殺蟲劑和除草劑、產(chǎn)品噴涂和干燥、材料表面處理、氣體脫硫脫硝、降塵處理、食物噴霧冷凍、乃至生活中的發(fā)膠、香水等領(lǐng)域。

除自然霧場外，霧化技術(shù)是實(shí)現(xiàn)人工霧場的有效方式，其霧化效果一定程度上決定著應(yīng)用效果好壞。此外，霧化效果的測試與評價(jià)則對霧化裝置設(shè)計(jì)也至關(guān)重要。研究表明，霧化效果主要由霧場粒子的理化特性決定，因而如何準(zhǔn)確測量霧場粒子顆粒特性對研究霧場具有重要意義。

霧場粒子特性主要包括粒度分布、流量(濃度)分布、速度、噴射角度、壓力以及在高溫環(huán)境下的溫度特性等。目前主流的霧化粒子測試評價(jià)方法為光學(xué)測量法，該方法具有非接觸、無擾動、高精度等優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)原理不同，霧化粒子的光學(xué)測量法可以分為光散射、平面結(jié)構(gòu)光照明法、相位多普勒分析儀、激光全息技術(shù)、平面激光誘導(dǎo)熒光/Mie雙光譜成像、彩虹散射技術(shù)等光學(xué)測量方法。

光散射

平行光束進(jìn)入霧場會發(fā)生“光的顆粒散射”現(xiàn)象，在實(shí)際霧場中的散射光場測量值是眾多顆粒散射光相干疊加的結(jié)果。顆粒直徑不同，其散射光在焦平面的位置也不同。小顆粒產(chǎn)生的散射光夾角大，大顆粒產(chǎn)生的散射光夾角小。且散射光強(qiáng)度與顆粒尺寸也有關(guān)系，散射光強(qiáng)度可反映霧場中相同大小的顆粒所占比例。

激光散射法噴霧測量原理圖

平面結(jié)構(gòu)光照明法

傳統(tǒng)的片狀激光照明成像檢測技術(shù)多基于光的單次散射假設(shè)原理，但實(shí)際霧場測試中，液滴尺寸、形狀和分布均比較隨機(jī)，對光的散射特性比較復(fù)雜。當(dāng)霧場濃度較高時(shí)，入射光需經(jīng)多次散射才被最終獲取，很難精準(zhǔn)測量。而通過編碼后的結(jié)構(gòu)光入射光束與被測對象輪廓信息發(fā)生調(diào)制后再拍攝、解調(diào)便可獲取被測物體表面信息。此外，利用帶有結(jié)構(gòu)光編碼信息的片狀光源照射霧場，使用垂直于照射面的相機(jī)進(jìn)行拍攝，并通過結(jié)構(gòu)光解調(diào)算法快速還原出霧場剖面分布形貌。該技術(shù)可以較好地解決3維空間中深度匹配以及被動測量精度不高等問題，抗干擾能力強(qiáng)、速度快、分辨率高。

結(jié)構(gòu)光對霧場照明示意圖

相位多普勒分析儀

相位多普勒分析儀是一種非接觸式實(shí)時(shí)光學(xué)測量方法，建立在光線透過透明球狀粒子發(fā)出多重散射現(xiàn)象。運(yùn)動粒子在入射光照射下散射產(chǎn)生頻移，分析可求解粒子速度，利用頻移相位差可求解粒徑，進(jìn)行綜合分析還可獲取噴霧流場的其它參量。該方法能夠?qū)崟r(shí)準(zhǔn)確地測量出透明粒子的速度和直徑信息，是一種標(biāo)準(zhǔn)液滴尺寸和速度測量光學(xué)診斷系統(tǒng)。

激光全息技術(shù)

激光全息技術(shù)可用于測量噴霧場內(nèi)液滴粒徑分布、速度分布，進(jìn)行3維信息定量診斷。激光全息粒徑分布測量方法首先需要獲取全息圖像，所采用的脈沖激光干涉方法分物光波前記錄、還原以及處理等過程。記錄信息中的干涉條紋灰度和間距分別表示光振幅和相位，獲得粒子在不同截面處的圖像并進(jìn)行計(jì)算分析，借助粒子景深信息，最終可得粒子形狀、直徑、密度以及速度分布信息，進(jìn)而獲取粒子分裂、破碎、團(tuán)聚規(guī)律等。

平面激光誘導(dǎo)熒光/Mie雙光譜成像

粒徑二維分布彈性/非彈性散射光測量方法為霧場的參量測量提供了新途徑。該組合光學(xué)成像方法利用產(chǎn)生的Mie/熒光散射光強(qiáng)度與霧場液滴粒徑二次方/三次方的比例關(guān)系，將霧場粒徑信息利用光強(qiáng)比值進(jìn)行表達(dá)，最終對Mie/PLIF散射光信號進(jìn)行接收處理可得霧場粒徑二維分布信息。Mie/PLIF雙光譜成像技術(shù)可有效應(yīng)用于噴霧場粒徑信息測量，但測試區(qū)域內(nèi)液滴散射效應(yīng)會導(dǎo)致入射激光和激發(fā)熒光發(fā)生沿程衰減最終形成測量誤差。

彩虹散射技術(shù)

彩虹測試方法主要分為兩種：

• 標(biāo)準(zhǔn)彩虹測量技術(shù)，它利用后向散射光與反射光在區(qū)域內(nèi)進(jìn)行干涉形成明暗條紋測量單個液滴的粒徑和折射率。條紋的間距結(jié)構(gòu)信息可反演出噴霧液滴粒徑分布等參量，并且折射率隨著噴霧液滴密度、溫度、組分而變化，因此折射率的微小變化可以較為精準(zhǔn)地測試液滴濃度、溫度和組分參量，從而實(shí)現(xiàn)噴霧場多參量的測量。標(biāo)準(zhǔn)彩虹測量技術(shù)易受高頻紋波結(jié)構(gòu)影響且對顆粒球形度異常敏感。

• 由標(biāo)準(zhǔn)彩虹技術(shù)擴(kuò)展而來的全場彩虹測試技術(shù)。與標(biāo)準(zhǔn)彩虹相比，通過擴(kuò)大通光孔徑、增大曝光時(shí)間，多個顆粒的散射光信息進(jìn)行疊加，消除單個顆粒1階彩虹高頻紋波信號，形成平滑彩虹信號。記錄成數(shù)以萬計(jì)符合一定粒徑分布規(guī)律噴霧液滴的彩虹，進(jìn)而可以反演出霧液粒的平均折射率、粒徑分布、平均溫度等霧場信息。

全場彩虹系統(tǒng)示意圖

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專家介紹

魏永杰，河北工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院教授。主要從事測控技術(shù)與儀器及相關(guān)學(xué)科的科研和教學(xué)工作。研究領(lǐng)域涉及顆粒測量、光電檢測與光譜分析、傳感器應(yīng)用等。承擔(dān)和參與國家及省級項(xiàng)目十余項(xiàng)，承擔(dān)激光檢測相關(guān)的企事業(yè)課題多項(xiàng)，發(fā)表論文和獲發(fā)明專利20余項(xiàng)。先后擔(dān)任中國顆粒學(xué)會顆粒測試專委會委員、副秘書長、河北工業(yè)大學(xué)(張北)產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院院長、天津市相關(guān)領(lǐng)域創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)成員等。

參考資料：趙家豐，噴霧場內(nèi)液滴粒徑光學(xué)測試技術(shù)進(jìn)展

（中國粉體網(wǎng)編輯整理/江岸）

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