，，

(中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)精密機(jī)械與精密儀器系，安徽 合肥 230027)

超聲霧化場(chǎng)粒徑Raman /Mie雙光譜測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張鐘秀，劉維來(lái)，王克逸

(中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)精密機(jī)械與精密儀器系，安徽 合肥 230027)

為獲得煤油超聲霧化場(chǎng)粒徑二維分布信息，擺脫示蹤劑對(duì)測(cè)量的影響和干擾，設(shè)計(jì)了基于Raman/Mie雙光譜成像法的測(cè)量系統(tǒng)。首先介紹了Raman/Mie雙光譜成像法測(cè)量原理，然后給出測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并對(duì)系統(tǒng)各元件進(jìn)行了合理的參數(shù)設(shè)計(jì)選型，最后討論了系統(tǒng)時(shí)序控制方法。

煤油；超聲速氣流；霧化；液滴直徑；Raman/Mie散射

0 引言

超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)是實(shí)現(xiàn)高超聲速飛行器的首要關(guān)鍵技術(shù)，是目前世界各國(guó)競(jìng)相發(fā)展的熱點(diǎn)領(lǐng)域之一。煤油超燃霧化是研制煤油超燃發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵問(wèn)題，但是射流破碎和霧化是流體力學(xué)最為困難和尚未解決的基本問(wèn)題之一。煤油超燃霧化現(xiàn)象和粒徑測(cè)量極具挑戰(zhàn)性，盡管該問(wèn)題已得到廣泛研究，但有待于發(fā)展霧化場(chǎng)粒徑分布的精細(xì)在線測(cè)量方法，以便給煤油超燃發(fā)動(dòng)機(jī)研制，特別是燃燒室設(shè)計(jì)和評(píng)價(jià)提供基礎(chǔ)性數(shù)據(jù)。

紋影和陰影等傳統(tǒng)光學(xué)方法適合顯示流場(chǎng)波細(xì)結(jié)構(gòu)，但分辨率低、沿光程有積分效應(yīng)，因此，不適合研究液體射流破碎和混合現(xiàn)象。激光全息[1-2]測(cè)量可給出二維粒徑分布結(jié)果，但存在沿光路積分效應(yīng)，數(shù)據(jù)量大且處理效率低。PDPA[3]光路復(fù)雜、成本昂貴，對(duì)測(cè)試環(huán)境要求高，難以適合發(fā)動(dòng)機(jī)和大型超聲速風(fēng)洞等真實(shí)測(cè)量環(huán)境(噪音、振動(dòng)和油污等)。光譜/散射光成像測(cè)量粒徑二維分布是近10年快速發(fā)展的技術(shù)，具有測(cè)量效率高、光路簡(jiǎn)單和提供信息量大等特點(diǎn)，適合環(huán)境惡劣霧化場(chǎng)的在線測(cè)量，具有較好的應(yīng)用前景。其中Raman/Mie較PLIF/Mie更具優(yōu)越性，前者較后者定標(biāo)及粒徑反演過(guò)程要簡(jiǎn)單、可靠。對(duì)于PLIF，一般需要采用熒光示蹤劑。不同測(cè)量過(guò)程示蹤劑濃度可能會(huì)不一樣，另外示蹤劑會(huì)隨著蒸發(fā)而濃縮，示蹤劑濃度對(duì)熒光強(qiáng)度和粒徑關(guān)系有較大的影響，同時(shí)，在使用過(guò)程中，要使熒光示蹤劑輻射強(qiáng)度限制在飽和條件以下，以上因素使得PLIF/Mie法對(duì)于粒徑定量測(cè)量變得復(fù)雜。

Raman/Mie圖像法也是利用片激光激發(fā)進(jìn)行二維粒徑測(cè)量的方法[4]。由于Raman散射不需要示蹤劑，其粒徑定標(biāo)不受蒸發(fā)的影響。且對(duì)于透明液體，Raman的激勵(lì)能力不會(huì)衰減減弱，測(cè)量粒徑的反演過(guò)程相對(duì)簡(jiǎn)單。Raman/Mie圖像法測(cè)量的主要挑戰(zhàn)在于Raman散射光比較微弱，而且還與很強(qiáng)的Mie散射光混合在一起，需要復(fù)雜的光學(xué)濾波器和光探測(cè)器。隨著相干濾波器和高精度CCD的發(fā)展，Raman/Mie圖像法已經(jīng)顯示出其自身的可行性及優(yōu)越性。

1 Raman/Mie雙光譜測(cè)量原理

受激光激發(fā)，煤油液滴會(huì)產(chǎn)生Mie散射和Raman散射。煤油為含有C=O鍵的混合物，易受激發(fā)產(chǎn)生熒光和Raman散射光譜，并且只有采用紫外激光(波長(zhǎng)小于400nm)激發(fā)，煤油才能產(chǎn)生熒光且熒光波長(zhǎng)范圍為100～500nm[5]。選擇波長(zhǎng)532nm激光作為激發(fā)光源，即可忽略所產(chǎn)生的煤油熒光及其對(duì)測(cè)量的影響。煤油受激產(chǎn)生的Raman光譜波數(shù)范圍約700～1700cm-1。如果用532nm激光激發(fā)，煤油Raman散射Stocks譜線位于542～573nm。Raman散射光強(qiáng)很弱，約為煤油Mie散射光強(qiáng)的10-4～10-6[6]，必須分離強(qiáng)度相差較大的Raman和Mie散射光，以降低Mie散射光對(duì)于Raman散射光的干擾。

Raman散射光極其微弱，易受到光、電磁和熱噪聲干擾，需綜合采用噪聲濾除算法、保持ICCD低溫條件和光路優(yōu)化設(shè)計(jì)等措施。在噪聲濾除算法方面，可采用黑暗噪聲修正法、像素值閾值過(guò)濾法、相鄰像素值取和平均法、小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法和多幅圖像疊加平均法[4，7-9]等。

在統(tǒng)計(jì)意義上，Raman散射光強(qiáng)和顆粒d3成正比(d為直徑)，而Mie散射光強(qiáng)和顆粒d2成正比。若在單元區(qū)域存在數(shù)密度為N的Raman活性粒子群，受激發(fā)后，其Raman散射光強(qiáng)用IR表示，Mie散射光強(qiáng)用IM表示，則粒子SMD(sauter mean diameter)粒徑為：

(1)

SMDN為單元區(qū)粒徑SMD值；IR和IM分別為單元區(qū)在ICCD中散射光成像的像素值和；di為單元區(qū)各粒子等效粒徑；K和K1為系數(shù)。

(2)

利用PDA和Raman/Mie散射光成像測(cè)量多個(gè)單元區(qū)域，再利用式(2)，可得到一組(IR/IM,K)值。再利用最小二乘法多項(xiàng)式擬合，得出IR/IM和K關(guān)系曲線。由ICCD得到的Raman和Mie散射光圖像，通過(guò)算法可得到圖像對(duì)應(yīng)單元區(qū)IR/IM值。根據(jù)式(1)，結(jié)合定標(biāo)得到的IR/IM和K曲線，可反演出各單元區(qū)SMD值，從而得到片激光成像截面SMD分布。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)構(gòu)成

Raman/Mie雙光譜成像測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。其工作過(guò)程為：激光器產(chǎn)生激光束經(jīng)過(guò)凹柱透鏡和凸透鏡形成片激光，片激光經(jīng)過(guò)反射鏡反射進(jìn)入霧化場(chǎng)實(shí)驗(yàn)段，激發(fā)產(chǎn)生的Raman散射光和Mie散射光經(jīng)Raman二向色鏡分光，Raman散射光透射經(jīng)過(guò)陷波濾光鏡成像于ICCD，Mie散射光反射經(jīng)過(guò)中性灰濾光鏡成像于CCD。

圖1 Raman/Mie雙光譜測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

PDA標(biāo)定光路如圖2所示。除了PDA外，其他部分與圖1相同。這里增加了PDA激光發(fā)射頭和激光接收器。當(dāng)進(jìn)行PDA標(biāo)定時(shí)，不需片激光進(jìn)入霧化區(qū)。當(dāng)片光進(jìn)入霧化區(qū)時(shí)，PDA發(fā)射激光不進(jìn)入霧化區(qū)。

圖2 PDA標(biāo)定光路

2.2 光路系統(tǒng)

參考圖1所示的光路系統(tǒng)。包括光源、光路系統(tǒng)(含片光展開(kāi))和成像系統(tǒng)。由帶外觸發(fā)信號(hào)控制的脈沖激光器產(chǎn)生線激光，利用凹柱透鏡擴(kuò)束，再經(jīng)球形凸透鏡匯聚為厚度小于0.3mm片激光。凸透鏡焦距應(yīng)盡可能長(zhǎng)，使得片光在實(shí)驗(yàn)段內(nèi)厚度變化較小，各位置能量密度較為均勻。經(jīng)反射鏡使其進(jìn)入霧化場(chǎng)且和側(cè)面觀察窗平行。霧化區(qū)煤油液滴受片光激發(fā)，會(huì)產(chǎn)生Raman和Mie散射光。采用Raman二向色鏡將Raman和Mie散射光分開(kāi)。其中，Raman散射光通過(guò)Raman二向色鏡，經(jīng)陷波濾光鏡后，可濾除Mie散射光，Raman散射光在ICCD上成像。由Raman二向色鏡反射的Mie散射光，經(jīng)過(guò)中性灰濾光鏡衰減后在CCD成像。與PLIF相比，Raman散射的光路系統(tǒng)更為簡(jiǎn)單。

2.3 元件參數(shù)設(shè)計(jì)選型

2.3.1 激光器

當(dāng)其他條件相同，Raman散射光強(qiáng)隨入射激光功率增大而線性增大。在未達(dá)到飽和Raman散射光的前提下，選用功率較大的激光器，會(huì)得到更強(qiáng)的Raman光，有利于Raman光譜測(cè)量。選擇Spectra-Physics公司的Nd:YAG激光器(Quallta-Ray Pro-250-10，如圖3a所示)。該激光器頻率為10Hz，波長(zhǎng)為1064nm的最大脈沖輸出能量為1.5 J，經(jīng)二倍頻后泵浦光的波長(zhǎng)為532nm，單脈沖能量約為850mJ。

2.3.2 成像相機(jī)

Raman信號(hào)很微弱，對(duì)CCD靈敏度和信噪比要求高，所以選擇ICCD獲得Raman光譜成像。選擇美國(guó)Princeton Instruments公司產(chǎn)品PI-MAX-ICCD(1024×1024，f=1.8，門(mén)寬最小2ns，如圖3b所示)，分別帶有快門(mén)開(kāi)閉和增益開(kāi)閉4個(gè)外觸

圖3 激光器和ICCD相機(jī)

發(fā)信號(hào)控制端口。Mie散射光較強(qiáng)，可采用普通CCD相機(jī)，對(duì)靈敏度和信噪比要求不高，可選擇高速CCD相機(jī)(FASTCAM SA5 1000K-M3，1024×1024/7 000fps，帶外觸發(fā)控制端口)，配有焦距為100mm和80～200mm(f均為2.8)鏡頭。

2.3.3 濾光鏡

根據(jù)上述煤油光譜分析，Raman二向色鏡可選擇Semrock公司的LPD01-532RU-25，通帶為538.9～824.8 nm，過(guò)渡帶寬波數(shù)為< 186 cm-1。用532nm激光激發(fā)，煤油Raman散射Stocks譜線位于542～573nm。圖4a為所選二向色鏡的透射性能曲線，圖4b為所選二向色鏡的反射性能曲線，可見(jiàn)542～573nm的Raman散射光可幾乎全部透過(guò)，而Mie散射光幾乎全部被反射。

圖4 LPD01-532RU-25 二向色鏡透射/反射性能曲線

為降低Mie散射光對(duì)Raman散射光信號(hào)的干擾，可選用LP03-532RE-25陷波濾光鏡,其性能曲線如圖5所示。濾光鏡對(duì)Mie散射光的衰減系數(shù)達(dá)10-6(ODabs > 6 532nm)。Mie散射光較強(qiáng)，為使其Mie散射光成像于CCD在線性響應(yīng)區(qū)，需在Mie散射光路中間布置中性灰濾光鏡。

圖5 LP03-532RE-25陷波濾光鏡性能曲線

3 時(shí)序控制方法

測(cè)量系統(tǒng)需要進(jìn)行時(shí)序控制。利用外觸發(fā)信號(hào)觸發(fā)DG535，由DG535輸出延時(shí)信號(hào)控制YAG激光器氙燈，DG535另一路輸出信號(hào)觸發(fā)時(shí)序控制器并輸出2路信號(hào)，分別經(jīng)預(yù)設(shè)延時(shí)觸發(fā)ICCD和CCD攝像機(jī)，使ICCD和CCD快門(mén)與Raman和Mie散射光同步，捕捉散射光圖像。為獲得高信噪比圖像，應(yīng)保證ICCD和CCD打開(kāi)時(shí)和煤油散射光出現(xiàn)同步。為了獲得最佳信噪比圖像，需預(yù)先用光電倍增管(PMT)測(cè)量Raman和Mie散射光壽命及其光強(qiáng)隨時(shí)間變化，以便確定2個(gè)相機(jī)的最佳延時(shí)。

4 結(jié)束語(yǔ)

介紹了Raman/Mie雙光譜成像法測(cè)量原理，給出測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，采用的Raman/Mie雙光譜成像測(cè)量方法對(duì)比與其他傳統(tǒng)測(cè)量方法具有很多優(yōu)越性。然后進(jìn)一步對(duì)系統(tǒng)各器件進(jìn)行了討論和分析，并討論了系統(tǒng)時(shí)序控制方法。

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Design of Raman/Mie Dual Spectrum Measurement System ofParticle Size Distribution in Ultrasonic Atomization Field

ZHANGZhongxiu,LIUWeilai,WANGKeyi

(Department of Precision Machinery and Precision Instrumentation, University of Science and Technology of China, Hefei 230027, China)

In order to obtain a two-dimensional particle-field ultrasonic atomizer kerosene distribution information, and to get rid of tracer measurements influence and interference, this paper is designed based on Raman/Mie dual spectrum imaging measurement system. First of all, the Raman/Mie dual spectrum imaging measurement principle is introduced. Secondly, the measurement system structure is designed, and components of the system are chosen. Finally, the system timing control method is given.

kerosene; supersonic flow; atomization; droplet SMD; Raman/Mie scattering

2014-04-16

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(11272309)

TH741.4

A

1001-2257(2014)09-0003-03

張鐘秀(1989-)，男，江蘇連云港人，碩士研究生，研究方向?yàn)榍度胧较到y(tǒng)以及發(fā)動(dòng)機(jī)霧化激光診斷技術(shù)；劉維來(lái)(1970-)，男，安徽六安人，講師，研究方向?yàn)楣怆姕y(cè)量技術(shù)和智能信號(hào)處理以及煤油超燃光學(xué)診斷。