全場(chǎng)彩虹自標(biāo)定技術(shù)及在線測(cè)量探頭研究.pdf

1、液體霧化是能源、化工等工業(yè)領(lǐng)域廣泛存在的現(xiàn)象，在許多工業(yè)應(yīng)用中噴霧液滴發(fā)揮著傳熱傳質(zhì)的主導(dǎo)作用。對(duì)液滴參數(shù)的準(zhǔn)確測(cè)量，有助于人們掌握復(fù)雜氣液兩相流機(jī)理，從而指導(dǎo)工業(yè)優(yōu)化設(shè)計(jì)和制造。在諸多氣液兩相流測(cè)量技術(shù)中，彩虹測(cè)量技術(shù)具有同時(shí)精確測(cè)量霧化液滴粒徑和溫度/濃度特點(diǎn)，近幾年來(lái)在燃燒、污染物脫除等方面的應(yīng)用研究取得了重要成果。本課題主要針對(duì)全場(chǎng)彩虹測(cè)量技術(shù)的高精度標(biāo)定方法與在線應(yīng)用進(jìn)行研究，提出一種基于雙波長(zhǎng)的全場(chǎng)彩虹散射角高精度自標(biāo)定方法

2、，設(shè)計(jì)了一種便攜式可變工作距離的全場(chǎng)彩虹測(cè)量探頭，并開(kāi)發(fā)了在線測(cè)量與數(shù)據(jù)管理功能集成化設(shè)計(jì)的彩虹探頭在線測(cè)量軟件。本文對(duì)以下三個(gè)方面進(jìn)行了研究。
　　根據(jù)介質(zhì)在不同波長(zhǎng)下的折射率偏差對(duì)應(yīng)著彩虹角的偏差，提出一種基于雙波長(zhǎng)的全場(chǎng)彩虹散射角高精度自標(biāo)定方法，并給出了具體的處理步驟以及算法流程?；谝粋€(gè)假設(shè)的標(biāo)定介質(zhì)溫度T以及RI值（彩虹角對(duì)應(yīng)的歸一化光強(qiáng)），通過(guò)不斷迭代尋找此假設(shè)溫度下兩種波長(zhǎng)折射率與反演折射率的最小RMS偏差來(lái)確定最

3、終標(biāo)定方程，同時(shí)得到液滴在2種波長(zhǎng)下的折射率。通過(guò)模擬研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)初始假設(shè)溫度T和RI值逐漸接近目標(biāo)真實(shí)值時(shí)此 RMS（均方根）偏差迅速降低。搭建雙波長(zhǎng)全場(chǎng)彩虹測(cè)量系統(tǒng)，用去離子水作為標(biāo)定介質(zhì)，最終測(cè)得噴霧平均溫度以及標(biāo)定參數(shù)。用此雙波長(zhǎng)自標(biāo)定全場(chǎng)彩虹系統(tǒng)測(cè)量體積分?jǐn)?shù)10％~60%梯度濃度的乙醇-水溶液的折射率，并與傳統(tǒng)反射鏡標(biāo)定該系統(tǒng)后的反演結(jié)果以及文獻(xiàn)中的黃光折射率對(duì)比。模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，自標(biāo)定全場(chǎng)彩虹系統(tǒng)的測(cè)量精度可以達(dá)到彩虹反演

4、算法的精度水平。利用自標(biāo)定的方法既能免除額外的計(jì)量?jī)x器又能用于傳統(tǒng)計(jì)量?jī)x器無(wú)法觸及的場(chǎng)合（如密閉容器），也可用于一維甚至高維彩虹的CCD面標(biāo)定，為后續(xù)彩虹在線測(cè)量應(yīng)用及分析復(fù)雜過(guò)程的氣液兩相流場(chǎng)奠定基礎(chǔ)。
　　基于幾何光學(xué)對(duì)幾種彩虹散射測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行了原理上的分析和進(jìn)一步改進(jìn)的探索，設(shè)計(jì)并開(kāi)發(fā)了一種雙透鏡式便攜彩虹在線測(cè)量探頭。雙透鏡-定焦鏡頭的探頭光路設(shè)計(jì)是一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，各光學(xué)元件軸向位置基本不變的光路系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。彩虹探頭可通過(guò)

5、更換焦距不同的前透鏡達(dá)到變物距測(cè)量的目的，其他元件的位置均不變，探頭整體長(zhǎng)度相比傳統(tǒng)光路大幅縮短。通過(guò)多功能的旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)器可以快速實(shí)現(xiàn)多種工作模式的切換，有利于在工程應(yīng)用中的靈活調(diào)節(jié)光路布置及在線測(cè)量。搭建了彩虹探頭多物距測(cè)量系統(tǒng)，并進(jìn)行了完整的彩虹光路調(diào)節(jié)、定焦鏡頭像距定檔、激光器位置定檔以及散射角標(biāo)定。通過(guò)反復(fù)調(diào)試與不同物距下的噴霧實(shí)測(cè)，給出了最佳工作距離小于30cm的建議。用此探頭系統(tǒng)測(cè)量乙醇-水二元混合噴霧組分，最終得到的彩虹曲線

6、與反演計(jì)算得到的擬合曲線重合良好，實(shí)驗(yàn)測(cè)量值也與文獻(xiàn)值的走勢(shì)基本一致。
　　針對(duì)彩虹測(cè)量探頭配套處理軟件，分析了在實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量與軟件操作過(guò)程中需要解決的問(wèn)題。通過(guò)對(duì)全場(chǎng)彩虹測(cè)量手段的實(shí)驗(yàn)過(guò)程以及后續(xù)處理流程的詳細(xì)梳理與設(shè)計(jì)，采用業(yè)務(wù)流程圖、功能模塊圖等形式組織介紹了本軟件的MVC（模型-視圖-控制器）系統(tǒng)架構(gòu)。對(duì)信號(hào)處理流程與反演算法進(jìn)行了簡(jiǎn)要介紹，并針對(duì)在線測(cè)量做了相關(guān)功能與性能方面的優(yōu)化。綜合考慮實(shí)驗(yàn)室與工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量?jī)煞N場(chǎng)景下

7、的軟件需求，集成CCD的控制、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理以及高效易用的操作流程與文件統(tǒng)一管理機(jī)制，在Windows平臺(tái)下使用Qt Creator設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一款功能齊備、高可用性、高精度、高穩(wěn)定性的彩虹探頭測(cè)量軟件。并對(duì)軟件的歡迎界面、主界面以及頁(yè)面跳轉(zhuǎn)邏輯進(jìn)行了分析，并對(duì)CCD控制、信號(hào)采集、信號(hào)處理、參數(shù)調(diào)節(jié)、數(shù)據(jù)操作、文件管理、實(shí)時(shí)反演、離線處理這8大功能點(diǎn)進(jìn)行了詳細(xì)介紹。經(jīng)過(guò)多次軟件在線與離線測(cè)試，驗(yàn)證了彩虹測(cè)量探頭的實(shí)時(shí)在線測(cè)量效果，并對(duì)軟件