全场彩虹自标定技术及在线测量探头研究

摘要

液体雾化是能源、化工等工业领域广泛存在的现象，在许多工业应用中喷雾液滴发挥着传热传质的主导作用。对液滴参数的准确测量，有助于人们掌握复杂气液两相流机理，从而指导工业优化设计和制造。在诸多气液两相流测量技术中，彩虹测量技术具有同时精确测量雾化液滴粒径和温度/浓度特点，近几年来在燃烧、污染物脱除等方面的应用研究取得了重要成果。本课题主要针对全场彩虹测量技术的高精度标定方法与在线应用进行研究，提出一种基于双波长的全场彩虹散射角高精度自标定方法，设计了一种便携式可变工作距离的全场彩虹测量探头，并开发了在线测量与数据管理功能集成化设计的彩虹探头在线测量软件。本文对以下三个方面进行了研究。
　　根据介质在不同波长下的折射率偏差对应着彩虹角的偏差，提出一种基于双波长的全场彩虹散射角高精度自标定方法，并给出了具体的处理步骤以及算法流程。基于一个假设的标定介质温度T以及RI值（彩虹角对应的归一化光强），通过不断迭代寻找此假设温度下两种波长折射率与反演折射率的最小RMS偏差来确定最终标定方程，同时得到液滴在2种波长下的折射率。通过模拟研究发现当初始假设温度T和RI值逐渐接近目标真实值时此 RMS（均方根）偏差迅速降低。搭建双波长全场彩虹测量系统，用去离子水作为标定介质，最终测得喷雾平均温度以及标定参数。用此双波长自标定全场彩虹系统测量体积分数10％~60%梯度浓度的乙醇-水溶液的折射率，并与传统反射镜标定该系统后的反演结果以及文献中的黄光折射率对比。模拟和实验结果证明，自标定全场彩虹系统的测量精度可以达到彩虹反演算法的精度水平。利用自标定的方法既能免除额外的计量仪器又能用于传统计量仪器无法触及的场合（如密闭容器），也可用于一维甚至高维彩虹的CCD面标定，为后续彩虹在线测量应用及分析复杂过程的气液两相流场奠定基础。
　　基于几何光学对几种彩虹散射测量系统进行了原理上的分析和进一步改进的探索，设计并开发了一种双透镜式便携彩虹在线测量探头。双透镜-定焦镜头的探头光路设计是一种结构简单，各光学元件轴向位置基本不变的光路系统设计方案。彩虹探头可通过更换焦距不同的前透镜达到变物距测量的目的，其他元件的位置均不变，探头整体长度相比传统光路大幅缩短。通过多功能的旋转调节器可以快速实现多种工作模式的切换，有利于在工程应用中的灵活调节光路布置及在线测量。搭建了彩虹探头多物距测量系统，并进行了完整的彩虹光路调节、定焦镜头像距定档、激光器位置定档以及散射角标定。通过反复调试与不同物距下的喷雾实测，给出了最佳工作距离小于30cm的建议。用此探头系统测量乙醇-水二元混合喷雾组分，最终得到的彩虹曲线与反演计算得到的拟合曲线重合良好，实验测量值也与文献值的走势基本一致。
　　针对彩虹测量探头配套处理软件，分析了在实际现场测量与软件操作过程中需要解决的问题。通过对全场彩虹测量手段的实验过程以及后续处理流程的详细梳理与设计，采用业务流程图、功能模块图等形式组织介绍了本软件的MVC（模型-视图-控制器）系统架构。对信号处理流程与反演算法进行了简要介绍，并针对在线测量做了相关功能与性能方面的优化。综合考虑实验室与工业现场测量两种场景下的软件需求，集成CCD的控制、数据实时处理以及高效易用的操作流程与文件统一管理机制，在Windows平台下使用Qt Creator设计开发了一款功能齐备、高可用性、高精度、高稳定性的彩虹探头测量软件。并对软件的欢迎界面、主界面以及页面跳转逻辑进行了分析，并对CCD控制、信号采集、信号处理、参数调节、数据操作、文件管理、实时反演、离线处理这8大功能点进行了详细介绍。经过多次软件在线与离线测试，验证了彩虹测量探头的实时在线测量效果，并对软件的测量误差、主要功能点以及软件性能进行了分析。

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致谢

第1章 绪论

1.1 引言

1.2彩虹测量技术研究现状

1.3研究目的及意义

1.4 主要研究内容

1.5 本章小结

第2章 基于双波长的全场彩虹高精度自标定方法及应用

2.1 引言

2.2 双波长高精度自标定方法原理

2.3 高精度自标定算法流程与模拟验证

2.4全场彩虹自标定系统实验研究

2.5 本章小结

第3章 全场彩虹在线测量探头设计

3.1 引言

3.2 彩虹测量系统仪器化设计思路与原理

3.3彩虹探头结构设计

3.4 彩虹探头工作模式

3.5 彩虹探头系统调试与试验分析

3.6 本章小结

第4章 彩虹探头测量软件开发

4.1 引言

4.2 软件总体设计

4.3 主要功能模块

4.4 软件性能测试与分析

4.5 本章小结

第5章 总结及展望

5.1 全文总结

5.2 创新点

5.3不足与展望

参考文献

作者简历