[实用新型]一种基于数字同轴全息测量液滴折射率的装置

说明书

本实用新型公开了一种基于数字同轴全息测量液滴折射率的装置，包括：信号发射单元，包括用于产生激光的连续激光器和光路调整段，用于产生平行光束照射被测液滴；信号接收单元，包括显微物镜及CCD相机，用于记录经平行光束照射后液滴散射的物光与未受干扰的参考光干涉形成的液滴全息图；信号处理单元，连接于信号采集单元之后，用于液滴全息图的处理，获得液滴焦距f和粒径d，并根据液滴折射率n₀与液滴焦距f、液滴粒径d、空气折射率n_i之间的关系计算液滴折射率。本实用新型提供同轴全息测量装置实现了对动态液滴粒径、折射率等参数的同时测量，从而分析液滴动力学过程，实现喷雾冷却、液滴燃烧等过程的在线测量。

技术领域

本实用新型属于液滴折射率测量领域，具体涉及一种基于数字同轴全息测量液滴折射率的装置。

背景技术

液体雾化是一种复杂的气液多相流动，在能源、化工等工业领域具有广泛的应用背景，如喷雾混合、喷雾冷却或干燥、液体燃料雾化燃烧等。喷雾液滴在工业应用中发挥着传热传质的主导作用，因此对雾化液滴的粒径、速度、浓度以及折射率、温度等参数的测量对衡量喷嘴雾化性能的优劣，研究雾化液滴传热、蒸发、燃烧机理具有重要意义。

目前用于液滴粒径、速度、浓度等几何物理参数的测量已经有一些成熟的光学测试手段，例如粒子图像测速法(PIV)测量流场速度，激光多普勒/相位多普勒技术(LDA/PDA)测量球形透明颗粒速度和粒径分布，马尔文粒度仪测量颗粒粒径分布。但这些方法都局限于单点或二维测量，且无法同时进行液滴温度和折射率的测量。目前也有一些应用于液滴折射率测量常见的方法有V形棱镜法、掠入射法(阿贝折射仪)、干涉条纹(牛顿环)法，彩虹散射技术等。彩虹散射技术是通过检测彩虹角的大小计算折射率。虽然彩虹散射技术有较高的精度，但测量系统复杂，需要对液滴的彩虹角进行精确跟踪和测量，测量相对困难。

数字全息技术是一种真正的三维成像技术，其不仅继承光学手段全场性、无标定、非接触等特点，还可利用单相机实现液滴三维位置、粒径、浓度、三维速度等参数的同时测量。数字全息包括全息图记录与重建两个过程。激光束入射至颗粒场，一部分被颗粒散射形成散射光(物光)，另一部分直接透过测量区域作为参考光；物光和参考光干涉形成的条纹图即为全息图，被相机记录。全息图记录了颗粒散射光的相位信息，经数值重建可以得到颗粒的深度位置，从而实现三维空间内颗粒场的测量。

目前已经数字全息成功应用于液滴三维空间分布、粒径和速度的测量，如能实现更多参数，如折射率等的测量，将有助于拓展该技术的应用潜力。

实用新型内容

本实用新型目的在于提供一种基于数字同轴全息测量液滴折射率的装置，可以对动态液滴三维位置、粒径、浓度等多参数进行同时测量，实现喷雾冷却、干燥及液滴燃烧等过程的在线测量。

本实用新型为解决上述技术问题，采用的具体技术方案是：

本实用新型还提供一种基于数字同轴全息测量液滴折射率的装置，所述同轴全息测量装置包括：

信号发射单元，包括用于产生激光的连续激光器和光路调整段，用于产生平行光束照射被测液滴；

信号接收单元，包括显微物镜及CCD相机，用于记录经平行光束照射后液滴散射的物光与未受干扰的参考光干涉形成的液滴全息图；

信号处理单元，连接于信号采集单元之后，用于液滴全息图的处理，液滴焦距f和粒径d，并根据液滴折射率n₀与液滴焦距f、液滴粒径d、空气折射率n_i之间的关系计算液滴折射率。

所述信号处理单元对液滴全息图的处理包括全息重建、景深拓展、液滴识别及定位后获得液滴的粒径d和液滴中心位置；根据液滴全息图作x-z平面的亮度分布图，对液滴的焦点位置进行定位，获得液滴焦点位置和液滴的焦距f，所述液滴的焦距f为液滴中心到焦点的距离。