CN112345421A - 一种用于含杂液滴物理参数测量的消光彩虹测量方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于含杂液滴物理参数测量的消光彩虹测量方法及测量装置；所述方法包括记录三种波长照射下的消光彩虹信号、从记录的消光彩虹信号分离出低频艾里结构和高频纹波结构、由低频艾里结构反演折射率和粒径的值、提取两种结构的振幅比导出二阶折射信号和直接反射信号的强度比、进一步计算相对于纯水液滴的信号衰减比，最后获得三种波长下的消光系数，根据消光系数比值唯一确定内含物尺寸和体积浓度。所述装置包括雾化***、激光发射单元、信号采集单元和信号处理单元。该方法及装置同时测量了微米级运动含杂液滴的折射率、粒径及内含物体积浓度和尺寸等参数，可应用于食品药品喷雾干燥、纳米流体燃料液滴利用等过程。
Description
技术领域
本发明涉及液滴测量领域，具体涉及一种用于含杂液滴物理参数测量的消光彩虹测量方法及装置。
背景技术
均质液滴实际上是液滴一种“理想”的状态。在许多情形下，液滴内部可能包含一些小颗粒，被称为含杂液滴。含有内含物的液滴在工业领域具有广泛的应用，例如食品生产中的喷雾干燥，喷雾冷却消防、汽车油漆喷涂，液体燃料中添加纳米颗粒以及电厂中污染物脱除。提高优化上述过程均与含杂液滴的表征有关。内部颗粒物使液滴的表征比均匀液滴更复杂。不仅要了解宿主液滴的大小、速度、折射率及折射率相关的温度组分等，更重要的是还要知晓内含物的体积浓度和尺寸。到目前为止，尽管存在广泛的应用，含杂液滴的表征研究仍然极其有限。
本领域中已有多种用于测量液滴参数的技术。传统的液滴测量技术主要以接触式测量为主。接触式测量方法操作简单，精度较高，但其测量装置会对待测场产生干扰；且无法实现在线测量。随着光学、信息和计算机等领域的快速发展以及对不同场合液滴参数测量要求的逐渐提高，基于光学原理的非侵入液滴原位在线测量技术得到了广泛地关注和发展。与传统测量技术相比，先进的光学测量技术具有非接触、时间空间分辨率高、原位在线和测量精度高等优点，因此被广泛应用于液滴粒径、浓度以及速度等参数的测量。但激光多普勒技术、激光干涉粒子成像技术、激光诱导荧光技术、数字全息技术、拉曼光谱技术等常见先进光学测量技术均难以满足含杂液滴的复杂测量需求-实现含杂液滴的液相参数(宿主液滴折射率和粒径)以及固相参数(内含物浓度和平均尺寸)的原位在线测量。
数字全息技术可以测量含杂液滴里内含物的尺寸和三维位置，但其局限于毫米级大液滴，与实际液滴尺寸不符。结合光散射强度法、斑点分析和浊度法等多种方法，能够测量含杂液滴的粒径、浓度和尺寸，但是其测量和分析过程太过复杂，实用性不强。消光法(又称浊度法)，能离线测量样品池里悬浊介质中颗粒参数。其原理为：光束穿过含有颗粒的介质时，由于受到颗粒的散射和吸收，穿过介质后的透射光强度受到衰减，衰减程度与介质中颗粒的浓度与大小有关。彩虹折射技术通过记录液滴光散射在几何彩虹角附近的二阶折射信号与直接反射信号，能同时原位在线测量液滴的热力学参数(折射率、温度、组分等)和几何学参数(粒径)。历经两次界面折射、一次内部反射的二阶折射信号的强弱与液滴内部颗粒的散射和吸收相关，据此可以估算悬浊液滴内含物的信息。但对于这种运动中液滴的消光测量，二阶折射信号的绝对强弱受相机曝光时间内记录液滴数目不同等因素干扰。因此，如何实时、精确、非接触地实现微米级运动含杂液滴的折射率、粒径及内含物体积浓度和尺寸等参数的原位在线测量是目前本领域亟需解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于含杂液滴物理参数测量的消光彩虹测量方法及装置，该方法及装置可以对微米级运动含杂液滴的折射率、粒径及内含物体积浓度和尺寸等参数同时测量，可应用到食品药品喷雾干燥、纳米流体燃料液滴利用等过程。
本发明为解决上述技术问题，采用的具体技术方案是：
一种用于含杂液滴物理参数测量的消光彩虹测量方法，包括以下步骤：
(1)使用标定激光器对光路***进行彩虹信号散射角度的标定，得到相机像素与散射角之间的对应关系；
(2)用线性偏振的三波长激光合束点光源照射含杂液滴，含杂液滴散射的彩虹信号经傅里叶光学成像***后成像在彩色面阵相机的传感器芯片上，得到低曝光时间的彩色彩虹图像；
(3)根据相机传感器芯片对三种波长光的响应特性，从步骤(2)得到的彩色彩虹图像的RGB通道中分离出三种波长光对应的彩虹图像；
(4)分别从步骤(3)得到的三种波长光对应的彩虹图像提取待测彩虹信号，并使用快速傅里叶变换和逆变换，分离提取出低频艾里结构和高频纹波结构；
(5)对步骤(4)得到的低频艾里结构进行拟合反演，得到宿主液滴的粒径和折射率，可进一步计算出二阶折射光在几何彩虹角附近的光程长；
(6)根据步骤(4)得到低频艾里结构和高频纹波结构，分别提取它们的最大振幅，基于振幅的强度比公式计算三种波长光下二阶折射信号与直接反射信号的强度比；
(7)分别计算三种波长光的待测浓度下含杂液滴强度比与相同粒径的纯液滴强度比的比值，获得待测浓度下三种波长的衰减比；
(8)根据得到的衰减比和光程长，计算出三种波长光下的内含物消光系数，根据据步骤(7)不同波长之间消光因子比值与内含物尺寸对应关系，确定内含物的体积浓度和尺寸信息。
所述步骤(2)中的低曝光时间，是为了使单张信号记录尽可能少液滴的彩虹信号，避免液滴待测彩虹信号的高频纹波结构遭到破坏。
所述步骤(5)中拟合反演的步骤为：采用复角动量理论计算彩虹低频艾里结构，通过计算信号与实验分离信号的二范数建立优化的目标函数，并采用有效集方法进行迭代计算，直到符合迭代停止条件，得到宿主液滴的折射率和直径。所述的几何彩虹角，指的是二阶折射光线存在一个最小偏转角，其附近角度的散射信号被称为彩虹信号。
所述步骤(6)中基于振幅的强度比计算公式，推导描述如下：
单色激光照射球形液滴产生的彩虹信号，由低频艾里结构和高频纹波结构组成，其中低频艾里结构由二阶折射光(p＝2)互干涉形成，高频纹波结构则是由二阶折射光(p＝2)与直接反射光(p＝0)干涉导致的。据标量衍射理论，可以得到低频艾里结构的最大振幅表示为Aairy＝Ip＝2，高频纹波结构的的最大振幅表示为
因此，主峰附近二阶折射信号与直接反射信号的强度比R表达为：
Ip＝0为待测含杂液滴的直接反射光(p＝0)的光强，Ip＝2为待测含杂液滴的二阶折射光(p＝2)的光强。
所述步骤(7)中的强度比的比值即衰减比，可以表示为：
Ip＝0为直接反射光(p＝0)的光强，Ip＝2为待测含杂液滴的二阶折射光(p＝2)的光强，
为纯液滴的二阶折射光(p＝2)的光强。
所述步骤(8)中的内含物消光系数μext，根据Beer-Larmbert定律，计算为：
其中L为二阶折射光的光程长度，在几何彩虹角附近其值为
D为宿主液滴的直径，n为液滴液相折射率。所述的内含物消光系数μext又是内含物体积浓度CV和内含物尺寸Dc的函数，
其中Qext(Dc,n,λ)是内含物在入射波长为λ，尺寸为Dc条件下的消光因子。对于已知的内含物种类，消光因子Qext(Dc,n,λ)的函数关系是确定的。当内含物尺寸服从多分散分布时，式(4)中的尺寸Dc为索特尔平均粒径D32。
所述的确定内含物的体积浓度和尺寸信息，式(4)中尺寸和体积浓度都是待求量，因此至少需要增加1个方程数才能求解出。而采用不同波长同时测量，即可增加相应方程数。通过计算不同波长之间消光系数比值，即是消光因子比值，可以消除体积浓度的影响，
式(5)中消光因子比值是关于内含物尺寸Dc的振荡函数，当预先知道内含物尺寸范围，仅需一个式即可直接确定尺寸及体积浓度，只采用两种波长的这种称为双波长法；当无尺寸范围信息时，再增加一个波长会增加1个独立的式(5)，此时称为三波长法，其能唯一确定任意尺寸。
本发明还提供一种用于含杂液滴物理参数测量的消光彩虹测量装置，所述消光彩虹测量装置包括液滴雾化***、激光发射单元、信号采集单元、信号处理单元；所述液滴雾化***由喷雾装置产生稀疏液滴场，液滴场被所述激光发射单元产生的点光源照射；所述信号采集单元收集并记录液滴散射的彩虹信号，得到消光彩虹图像；所述信号处理单元连接于信号采集单元之后，用于消光彩虹图像的处理，得到内含物的体积浓度和尺寸信息。
所述激光发射单元包括三种波长激光器、调制元件和台架***三部分：激光器发出线性偏振的点光束，波长均在350nm到700nm的可见波段之间，功率均在100mW到5W之间；调制元件为两个分束镜，用于将三种波长激光器发出的三种波长点光束合成点光源照射液滴场中的含杂液滴。
所述的信号采集单元包括球面透镜、孔光阑、定焦镜头和彩色面阵相机：球面透镜具有傅里叶光学成像作用，含杂液滴散射的彩虹光依次通过球面透镜、孔光阑和定焦镜头后进入彩色面阵相机，其中：
孔光阑放置于含杂液滴关于球面透镜的成像平面处，定义了测量体；
定焦镜头接于彩色面阵相机上，位于孔光阑之后；
含杂液滴在球面透镜焦平面的彩虹像被定焦镜头成像到彩色面阵相机的感光芯片上，并被记录，得到消光彩虹图像。
所述的球面透镜的直径为50mm-150mm，焦距为40mm-200mm；孔光阑直径为0.5mm-10mm，可调；定焦镜头的直径为30mm-50mm，焦距为8mm-50mm；彩色面阵相机的像素为1M-16M，采样频率不低于1Hz，最低曝光时间为1μs-10μs，相机对三种测量波长的响应系数不低于0.7。
所述信号处理单元处理消光彩虹图像的方法包括以下步骤：
(1)分别从三种波长光对应的彩虹图像提取待测彩虹信号，并使用快速傅里叶变换和逆变换，分离提取出低频艾里结构和高频纹波结构；
(2)对步骤(1)得到的彩虹低频艾里结构进行拟合反演，得到宿主液滴的粒径和折射率，并进一步计算出二阶折射光在几何彩虹角附近的光程长；
(3)根据步骤(1)得到的低频艾里结构和高频纹波结构，分别提取其最大振幅，基于振幅的强度比公式计算三种波长光下二阶折射信号与直接反射信号的强度比；
(4)分别计算三种波长光的待测浓度下含杂液滴强度比与相同粒径的纯液滴强度比的比值，获得待测浓度下三种波长光的衰减比；
(5)根据步骤(4)得到的衰减比和光程长，计算出三种波长光下的内含物消光系数，根据不同波长之间消光因子比值与内含物尺寸对应关系，确定内含物的体积浓度和尺寸信息。
在本发明中，直接反射信号被认为不受液滴内含物的影响，利用二阶折射信号与反射信号的强度比可以消除强度随机波动问题。在此，基于彩虹二阶折射信号的拟合反演和消光作用，本发明提出消光彩虹测量方法与装置，可以实时、精确、非接触地实现微米级运动含杂液滴的折射率、粒径及内含物体积浓度和尺寸等参数的原位在线测量，可为含杂液滴的研究提供高精度和多参数的测试工具，对深入了解涉及多相液滴的复杂多相流机理具有重要意义。
本发明的有益效果在于：本发明提供的用于含杂液滴物理参数测量的消光彩虹测量方法及装置克服了现有技术在线表征含杂液滴困难，实现了对微米级运动含杂液滴的折射率、粒径及内含物体积浓度和尺寸等参数的同时测量，有利于分析涉及多相液滴的复杂多相流过程，可应用到食品药品喷雾干燥、纳米流体燃料液滴利用等过程的原位在线测量；测量方法具有非侵入、高精度和在线等优点；测量装置结构简单等。
附图说明
图1为含杂液滴的散射彩虹光光路示意图；
图2为消光彩虹测量装置示意图；
图3为信号处理单元处理含杂液滴消光彩虹图像的流程图；
图4为彩虹信号分离提取低频艾里结构和高频纹波结构并获得振幅；
图5为低频艾里结构反演拟合的过程；
图6为三种波长间消光因子比值与内含物尺寸关系；
其中：1、含杂液滴；2、内含物；3、直接反射光(p＝0)；4、二阶折射光(p＝2)；5、第一激光器；6、第二激光器；7、第三激光器；8、第一分束镜；9、第二分束镜；10、喷雾装置；11、液滴场；12、球面透镜；13、孔光阑；14、定焦镜头；15、彩色面阵相机；16、信号处理单元；17、消光彩虹信号；18、低频艾里结构；19、高频纹波结构；20、拟合低频信号。
具体实施方式
下面通过实施例，并结合附图对本发明技术方案的具体实施方式作进一步的说明。
一种用于含杂液滴物理参数测量的消光彩虹测量方法，包括以下步骤：
(1)使用标定激光器对信号采集单元进行彩虹信号散射角度的标定，得到相机像素与散射角之间的对应关系；
(2)将三种不同波长的第一激光器5、第二激光器6和第三激光器7发出的线性偏振点光束合成一束，并照射含杂液滴1，散射光信号通过信号采集单元(傅里叶光学成像***)成像在彩色面阵相机15的传感器芯片上，得到低曝光时间的彩色彩虹图像；低曝光时间，是为了使单张信号记录尽可能少含杂液滴1的彩虹信号，避免含杂液滴1彩虹信号的高频纹波结构遭到破坏；
(3)根据彩色面阵相机15的传感器芯片对三种波长光的响应特性，从步骤(2)得到的低曝光彩色彩虹图像的RGB通道中分离出三种波长光对应的彩虹图像；
(4)分别从步骤(3)得到的三种波长光的彩虹图像提取中间50行平均得到待测彩虹信号，并使用快速傅里叶变换和逆变换，分离提取出低频艾里结构18和高频纹波结构19，如图3所示；
(5)对步骤(4)得到的彩虹低频艾里结构18进行拟合反演，获得拟合低频信号20，如图4所示，得到宿主液滴的粒径和折射率，进一步计算出二阶折射光在几何彩虹角附近的光程长；
拟合反演的步骤为：采用复角动量理论计算彩虹低频艾里结构18，通过计算信号与实验信号的二范数建立优化的目标函数，并采用有效集方法进行迭代计算，直到符合迭代停止条件，得到宿主液滴的折射率和粒径。所述的几何彩虹角，指的是二阶折射光线存在一个最小偏转角，其附近角度的散射信号被称为彩虹信号；
(6)根据步骤(4)得到三种波长下待测彩虹信号的低频艾里结构18和高频纹波结构19，分别提取它们的最大振幅，基于振幅的强度比公式计算三种波长下二阶折射信号4与直接反射信号3的强度比；
激光照射含杂液滴1产生的消光彩虹信号17，由低频艾里结构18和高频纹波结构19组成，其中低频艾里结构18由二阶折射光4互干涉形成，高频纹波结构19则是由二阶折射光4与直接反射光3干涉导致的。据标量衍射理论，可以得到低频艾里结构18的最大振幅表示为Aairy＝Ip＝2，高频纹波结构19的最大振幅表示为
因此，主峰附近二阶折射信号4与直接反射信号3的强度比R表达为：
(7)分别计算三种波长的待测浓度下含杂液滴1强度比与相同粒径的纯液滴强度比的比值，获得该浓度下三种波长的衰减比；
强度比的比值即衰减比，表示为
(8)根据衰减比和光程长计算出该波长下的内含物2消光系数，根据不同波长之间消光因子比值与内含物2尺寸对应关系，可以获得内含物2的体积浓度和尺寸信息，如图5所示；
内含物2消光系数μext，根据Beer-Larmbert定律，计算为
其中L为二阶折射光的光程长度，在几何彩虹角附近其值为
D为宿主液滴的直径，n为液滴液相折射率。而所述的内含物2消光系数μext又是内含物2体积浓度CV和内含物2尺寸Dc的函数，
其中Qext(Dc,n,λ)是内含物2在入射波长为λ，尺寸为Dc条件下的消光因子。对于已知的内含物种类，消光因子Qext(Dc,n,λ)的函数关系是确定的。当内含物2尺寸服从多分散分布时，式(4)中的尺寸Dc为索特尔平均粒径D32。
式(4)中尺寸和体积浓度都是待求量，因此至少需要增加1个方程数才能求解出。而采用不同波长同时测量，即可增加相应方程数。通过计算不同波长之间消光系数比值，可以消除体积浓度的影响，
式(5)中消光因子比值是关于内含物2尺寸Dc的振荡函数，在获得消光系数比值之后，其会对应多个尺寸值。当预先知道尺寸范围时，仅需一个式即可直接确定尺寸及体积浓度，只需采用两种波长的这种称为双波长法；当无尺寸范围信息时，再增加一个波长会增加1个独立的式(5)，此时称为三波长法，其能唯一确定任意尺寸。
实施例1
如图1和2所示，消光彩虹测量装置：包含由喷雾装置10和液滴场11组成的液滴雾化***；由三个不同波长的第一激光器5、第二激光器6和第三激光器7和第一分束镜8和第二分束镜9组成、用于照射含杂液滴1的激光发射单元；含球面透镜12、孔光阑13、定焦镜头14和彩色面阵相机15的信号记录单元以及与彩色面阵相机15相连的信号处理单元16。含杂液滴1由去离子水混有单分散聚苯乙烯微球的悬浊液雾化发生。
三种不同波长激光合成光束照射含杂液滴1产生的彩虹信号由具有傅里叶成像作用的球面透镜12收集；孔光阑13位于待测含杂液滴1的成像平面处，以定义测量体；定焦镜头14将球面透镜12焦平面处的彩虹信号成像到彩色面阵相机15的感光芯片上记录，得到低曝光时间的消光彩虹光信号17。
其中，液滴雾化***产生的含杂液滴粒径范围为20μm至500μm，含杂液滴折射率在1.1到1.54之间，含杂液滴的运动速度在0.1m/s到50m/s之间。
第一激光器5、第二激光器6和第三激光器7发出线性偏振的激光，波长在350nm到700nm的可见波段之间，激光器的功率在100mW到5W之间。
第一分束镜8和第二分束镜9，用于将第一激光器5、第二激光器6和第三激光器7发出的三种波长点光束合成一束。
球面透镜12的直径为50mm-150mm，焦距为40mm-200mm；孔光阑13直径为0.5mm-10mm，可调；定焦镜头14的直径为30mm-50mm，焦距为8mm-50mm；彩色面阵相机15的像素为1M-16M，采样频率不低于1Hz，最低曝光时间为1μs-10μs，对三种测量波长的响应系数不低于0.7。
用上述消光彩虹测量装置记录含杂液滴的消光彩虹信号17，并测量获得宿主液滴粒径、折射率及内含物体积浓度和尺寸的步骤如下：
(1)使用标定激光器对信号采集单元进行彩虹信号散射角度的标定，得到相机像素与散射角之间的对应关系；
(2)打开雾化***，含杂液滴1从喷嘴向下喷射，调整液滴场11至稳定状态；
(3)开启三个波长激光器：第一激光器5、第二激光器6和第三激光器7，产生波长为405nm、532nm、655nm的线性偏振的连续激光光束，并将强度调至最大的500mW，依次经第一分束镜8和第二分束镜9合成一束，用其照射液滴场11的含杂液滴1，散射彩虹光依次通过直径为100mm、焦距为100mm的球面透镜12、孔径为1mm的孔光阑13和直径为40mm、焦距为30mm的定焦镜头14后进入像素为5M、采样频率为50Hz的彩色面阵相机15，调低相机的曝光时间至最合适的5μs，得到低曝光时间的消光彩虹图像；
(4)用信号处理单元对步骤(3)得到的消光彩虹图像处理，处理流程如图3所示；
(5)对消光彩虹信号17进行快速傅里叶变换和逆变换，分离出低频艾里结构18和高频纹波结构19，如图4所示。对分离出的低频艾里结构18进行反演，计算得到最佳的拟合低频信号20，如图4所示，反演得到宿主液滴的粒径为125μm，折射率在405nm、532nm、655nm三种波长下分别为1.3427、1.3350和1.3312；
(6)通过低频艾里结构18和高频纹波结构19的振幅比推出二阶折射信号4与直接反射信号3的强度比，进一步计算相对于纯水液滴的衰减比，对于这三种波长分别为0.481、0.445和0.297。结合反演的折射率和粒径得到的光程长，消光系数分别计算为1524.456m-1、1666.008m-1和2484.190m-1；自然地，这三种波长消光系数比值分别为1.093、1.491和1.630。
(7)根据图6中已知的波长间消光因子比值与内含物尺寸的关系，唯一确定内含物尺寸为2.024μm，随之得到三种波长下的消光因子分别为2.057、2.248和3.352。将上述已知参数代入到消光系数计算公式，进一步得到体积浓度为0.105％。至此，获得了微米级运动含杂液滴的折射率、粒径及内含物体积浓度和尺寸。
上述是结合实施例对本发明作出的详细说明，但是本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其它任何在本发明专利核心指导思想下所作的改变、替换、组合简化等都包含在本发明专利的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种用于含杂液滴物理参数测量的消光彩虹测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)使用标定激光器对光路***进行彩虹信号散射角度的标定，得到相机像素与散射角之间的对应关系；
(2)用线性偏振的三波长激光合束点光源照射含杂液滴，含杂液滴散射的彩虹信号经傅里叶光学成像***后成像在彩色面阵相机的传感器芯片上，得到低曝光时间的彩色彩虹图像；
(3)根据相机传感器芯片对三种波长光的响应特性，从步骤(2)得到的彩色彩虹图像的RGB通道中分离出三种波长光对应的彩虹图像；
(4)分别从步骤(3)得到的三种波长光对应的彩虹图像提取待测彩虹信号，并使用快速傅里叶变换和逆变换，分离提取出低频艾里结构和高频纹波结构；
(5)对步骤(4)得到的低频艾里结构进行拟合反演，得到宿主液滴的粒径和折射率，并进一步计算出二阶折射光在几何彩虹角附近的光程长；
(6)根据步骤(4)得到的低频艾里结构和高频纹波结构，分别提取其最大振幅，基于振幅的强度比公式计算三种波长光下二阶折射信号与直接反射信号的强度比；
(7)分别计算三种波长光的待测浓度下含杂液滴强度比与相同粒径的纯液滴强度比的比值，获得待测浓度下三种波长光的衰减比；
(8)根据步骤(7)得到的衰减比和光程长，计算出三种波长光下的内含物消光系数，根据不同波长之间消光因子比值与内含物尺寸对应关系，确定内含物的体积浓度和尺寸信息。
2.根据权利要求1所述的用于含杂液滴物理参数测量的消光彩虹测量方法，其特征在于，所述步骤(5)中拟合反演的步骤为：采用复角动量理论计算彩虹低频艾里结构，通过计算信号与实验分离信号的二范数建立优化的目标函数，并采用有效集方法进行迭代计算，直到符合迭代停止条件，得到宿主液滴的折射率和直径。
3.根据权利要求1所述的用于含杂液滴物理参数测量的消光彩虹测量方法，其特征在于，所述步骤(6)中二阶折射信号与直接反射信号的强度比R表达为：
其中，低频艾里结构的最大振幅表示为Aairy＝Ip＝2，高频纹波结构的的最大振幅表示为
Ip＝0为待测含杂液滴的直接反射光(p＝0)的光强，Ip＝2为待测含杂液滴的二阶折射光(p＝2)的光强。
4.根据权利要求1所述的用于含杂液滴物理参数测量的消光彩虹测量方法，其特征在于，所述步骤(7)中的衰减比表示为：
其中，Ip＝0为直接反射光(p＝0)的光强，Ip＝2为待测含杂液滴的二阶折射光(p＝2)的光强，Ip＝2,CV＝0为纯液滴的二阶折射光(p＝2)的光强。
5.根据权利要求1所述的用于含杂液滴物理参数测量的消光彩虹测量方法，其特征在于，所述步骤(8)中的内含物消光系数μext，根据Beer-Larmbert定律，计算为：
其中L为二阶折射光的光程长度，在几何彩虹角附近其值为
D为宿主液滴的直径，n为液滴液相折射率；
所述的内含物消光系数μext又是内含物体积浓度CV和内含物尺寸Dc的函数：
其中Qext(Dc,n,λ)是内含物在入射波长为λ，尺寸为Dc条件下的消光因子；对于已知的内含物种类，消光因子Qext(Dc,n,λ)的函数关系是确定的；当内含物尺寸服从多分散分布时，式(4)中的尺寸Dc为索特尔平均粒径D32；
不同波长之间消光因子比值为：
6.一种用于含杂液滴物理参数测量的消光彩虹测量装置，其特征在于，所述消光彩虹测量装置包括液滴雾化***、激光发射单元、信号采集单元、信号处理单元；所述液滴雾化***由喷雾装置产生稀疏液滴场，液滴场被所述激光发射单元产生的点光源照射；所述信号采集单元收集并记录液滴散射的彩虹信号，得到消光彩虹图像；所述信号处理单元连接于信号采集单元之后，用于消光彩虹图像的处理，得到内含物的体积浓度和尺寸信息。
7.根据权利要求6所述的用于含杂液滴物理参数测量的消光彩虹测量装置，其特征在于，所述激光发射单元包括三种波长激光器、调制元件和台架***三部分：激光器发出线性偏振的点光束，波长均在350nm到700nm的可见波段之间，功率均在100mW到5W之间；调制元件为两个分束镜，用于将三种波长激光器发出的三种波长点光束合成点光源照射液滴场中的含杂液滴。
8.根据权利要求6所述的用于含杂液滴物理参数测量的消光彩虹测量装置，其特征在于，所述的信号采集单元包括球面透镜、孔光阑、定焦镜头和彩色面阵相机：
孔光阑放置于含杂液滴关于球面透镜的成像平面处，定义了测量体；
定焦镜头接于彩色面阵相机上，位于孔光阑之后；
含杂液滴散射的彩虹光依次通过球面透镜、孔光阑和定焦镜头后进入彩色面阵相机，含杂液滴在球面透镜焦平面的彩虹像被定焦镜头成像到彩色面阵相机的感光芯片上，并被记录，得到消光彩虹图像。
9.根据权利要求8所述的用于含杂液滴物理参数测量的消光彩虹测量装置，其特征在于，所述的球面透镜的直径为50mm-150mm，焦距为40mm-200mm；孔光阑直径为0.5mm-10mm，可调；定焦镜头的直径为30mm-50mm，焦距为8mm-50mm；彩色面阵相机的像素为1M-16M，采样频率不低于1Hz，最低曝光时间为1μs-10μs，彩色面阵相机对三种测量波长的响应系数不低于0.7。
10.根据权利要求6所述的用于含杂液滴物理参数测量的消光彩虹测量装置，其特征在于，所述信号处理单元处理消光彩虹图像的方法包括以下步骤：
(1)分别从三种波长光对应的彩虹图像提取待测彩虹信号，并使用快速傅里叶变换和逆变换，分离提取出低频艾里结构和高频纹波结构；
(2)对步骤(1)得到的低频艾里结构进行拟合反演，得到宿主液滴的粒径和折射率，并进一步计算出二阶折射光在几何彩虹角附近的光程长；
(3)根据步骤(1)得到的低频艾里结构和高频纹波结构，分别提取其最大振幅，基于振幅的强度比公式计算三种波长光下二阶折射信号与直接反射信号的强度比；
(4)分别计算三种波长光的待测浓度下含杂液滴强度比与相同粒径的纯液滴强度比的比值，获得待测浓度下三种波长光的衰减比；
(5)根据步骤(4)得到的衰减比和光程长，计算出三种波长光下的内含物消光系数，根据不同波长之间消光因子比值与内含物尺寸对应关系，确定内含物的体积浓度和尺寸信息。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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