[發明專利]一種用于含雜液滴物理參數測量的消光彩虹測量方法及裝置

在審

• 申請號: 202011269678.1
• 申請日: 2020-11-13
• 公開（公告）號: CN112345421A
• 公開（公告）日: 2021-02-09
• 發明（設計）人: 吳學成;吳迎春;陳玲紅;李燦;鄭成航;高翔;邱坤贊;岑可法
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: G01N15/02
• 分類號: G01N15/02;G01N15/06;G01N21/45
• 代理公司: 杭州天勤知識產權代理有限公司 33224
• 代理人: 白靜蘭;胡紅娟

本發明公開了一種用于含雜液滴物理參數測量的消光彩虹測量方法及測量裝置；所述方法包括記錄三種波長照射下的消光彩虹信號、從記錄的消光彩虹信號分離出低頻艾里結構和高頻紋波結構、由低頻艾里結構反演折射率和粒徑的值、提取兩種結構的振幅比導出二階折射信號和直接反射信號的強度比、進一步計算相對于純水液滴的信號衰減比，最后獲得三種波長下的消光系數，根據消光系數比值唯一確定內含物尺寸和體積濃度。所述裝置包括霧化系統、激光發射單元、信號采集單元和信號處理單元。該方法及裝置同時測量了微米級運動含雜液滴的折射率、粒徑及內含物體積濃度和尺寸等參數，可應用于食品藥品噴霧干燥、納米流體燃料液滴利用等過程。

技術領域

本發明涉及液滴測量領域，具體涉及一種用于含雜液滴物理參數測量的消光彩虹測量方法及裝置。

背景技術

均質液滴實際上是液滴一種“理想”的狀態。在許多情形下，液滴內部可能包含一些小顆粒，被稱為含雜液滴。含有內含物的液滴在工業領域具有廣泛的應用，例如食品生產中的噴霧干燥，噴霧冷卻消防、汽車油漆噴涂，液體燃料中添加納米顆粒以及電廠中污染物脫除。提高優化上述過程均與含雜液滴的表征有關。內部顆粒物使液滴的表征比均勻液滴更復雜。不僅要了解宿主液滴的大小、速度、折射率及折射率相關的溫度組分等，更重要的是還要知曉內含物的體積濃度和尺寸。到目前為止，盡管存在廣泛的應用，含雜液滴的表征研究仍然極其有限。

本領域中已有多種用于測量液滴參數的技術。傳統的液滴測量技術主要以接觸式測量為主。接觸式測量方法操作簡單，精度較高，但其測量裝置會對待測場產生干擾；且無法實現在線測量。隨著光學、信息和計算機等領域的快速發展以及對不同場合液滴參數測量要求的逐漸提高，基于光學原理的非侵入液滴原位在線測量技術得到了廣泛地關注和發展。與傳統測量技術相比，先進的光學測量技術具有非接觸、時間空間分辨率高、原位在線和測量精度高等優點，因此被廣泛應用于液滴粒徑、濃度以及速度等參數的測量。但激光多普勒技術、激光干涉粒子成像技術、激光誘導熒光技術、數字全息技術、拉曼光譜技術等常見先進光學測量技術均難以滿足含雜液滴的復雜測量需求-實現含雜液滴的液相參數(宿主液滴折射率和粒徑)以及固相參數(內含物濃度和平均尺寸)的原位在線測量。

數字全息技術可以測量含雜液滴里內含物的尺寸和三維位置，但其局限于毫米級大液滴，與實際液滴尺寸不符。結合光散射強度法、斑點分析和濁度法等多種方法，能夠測量含雜液滴的粒徑、濃度和尺寸，但是其測量和分析過程太過復雜，實用性不強。消光法(又稱濁度法)，能離線測量樣品池里懸濁介質中顆粒參數。其原理為：光束穿過含有顆粒的介質時，由于受到顆粒的散射和吸收，穿過介質后的透射光強度受到衰減，衰減程度與介質中顆粒的濃度與大小有關。彩虹折射技術通過記錄液滴光散射在幾何彩虹角附近的二階折射信號與直接反射信號，能同時原位在線測量液滴的熱力學參數(折射率、溫度、組分等)和幾何學參數(粒徑)。歷經兩次界面折射、一次內部反射的二階折射信號的強弱與液滴內部顆粒的散射和吸收相關，據此可以估算懸濁液滴內含物的信息。但對于這種運動中液滴的消光測量，二階折射信號的絕對強弱受相機曝光時間內記錄液滴數目不同等因素干擾。因此，如何實時、精確、非接觸地實現微米級運動含雜液滴的折射率、粒徑及內含物體積濃度和尺寸等參數的原位在線測量是目前本領域亟需解決的問題。

發明內容

本發明的目的在于提供一種用于含雜液滴物理參數測量的消光彩虹測量方法及裝置，該方法及裝置可以對微米級運動含雜液滴的折射率、粒徑及內含物體積濃度和尺寸等參數同時測量，可應用到食品藥品噴霧干燥、納米流體燃料液滴利用等過程。

本發明為解決上述技術問題，采用的具體技術方案是：

一種用于含雜液滴物理參數測量的消光彩虹測量方法，包括以下步驟：

(1)使用標定激光器對光路系統進行彩虹信號散射角度的標定，得到相機像素與散射角之間的對應關系；