中國粉體網訊 液滴顆粒是自然/人工生成的霧場粒子，主要包括油霧和水霧等。霧場粒子在國民經濟各部門起著越來越重要的作用。如水利、航海航空、環保、汽車/飛機等油霧燃燒、風洞實驗、農用殺蟲劑和除草劑、產品噴涂和干燥、材料表面處理、氣體脫硫脫硝、降塵處理、食物噴霧冷凍、乃至生活中的發膠、香水等領域。
除自然霧場外，霧化技術是實現人工霧場的有效方式，其霧化效果一定程度上決定著應用效果好壞。此外，霧化效果的測試與評價則對霧化裝置設計也至關重要。研究表明，霧化效果主要由霧場粒子的理化特性決定，因而如何準確測量霧場粒子顆粒特性對研究霧場具有重要意義。
霧場粒子特性主要包括粒度分布、流量(濃度)分布、速度、噴射角度、壓力以及在高溫環境下的溫度特性等。目前主流的霧化粒子測試評價方法為光學測量法，該方法具有非接觸、無擾動、高精度等優點。根據原理不同，霧化粒子的光學測量法可以分為光散射、平面結構光照明法、相位多普勒分析儀、激光全息技術、平面激光誘導熒光/Mie雙光譜成像、彩虹散射技術等光學測量方法。
光散射
平行光束進入霧場會發生“光的顆粒散射”現象，在實際霧場中的散射光場測量值是眾多顆粒散射光相干疊加的結果。顆粒直徑不同，其散射光在焦平面的位置也不同。小顆粒產生的散射光夾角大，大顆粒產生的散射光夾角小。且散射光強度與顆粒尺寸也有關系，散射光強度可反映霧場中相同大小的顆粒所占比例。
激光散射法噴霧測量原理圖
平面結構光照明法
傳統的片狀激光照明成像檢測技術多基于光的單次散射假設原理，但實際霧場測試中，液滴尺寸、形狀和分布均比較隨機，對光的散射特性比較復雜。當霧場濃度較高時，入射光需經多次散射才被最終獲取，很難精準測量。而通過編碼后的結構光入射光束與被測對象輪廓信息發生調制后再拍攝、解調便可獲取被測物體表面信息。此外，利用帶有結構光編碼信息的片狀光源照射霧場，使用垂直于照射面的相機進行拍攝，并通過結構光解調算法快速還原出霧場剖面分布形貌。該技術可以較好地解決3維空間中深度匹配以及被動測量精度不高等問題，抗干擾能力強、速度快、分辨率高。
結構光對霧場照明示意圖
相位多普勒分析儀
相位多普勒分析儀是一種非接觸式實時光學測量方法，建立在光線透過透明球狀粒子發出多重散射現象。運動粒子在入射光照射下散射產生頻移，分析可求解粒子速度，利用頻移相位差可求解粒徑，進行綜合分析還可獲取噴霧流場的其它參量。該方法能夠實時準確地測量出透明粒子的速度和直徑信息，是一種標準液滴尺寸和速度測量光學診斷系統。
激光全息技術
激光全息技術可用于測量噴霧場內液滴粒徑分布、速度分布，進行3維信息定量診斷。激光全息粒徑分布測量方法首先需要獲取全息圖像，所采用的脈沖激光干涉方法分物光波前記錄、還原以及處理等過程。記錄信息中的干涉條紋灰度和間距分別表示光振幅和相位，獲得粒子在不同截面處的圖像并進行計算分析，借助粒子景深信息，最終可得粒子形狀、直徑、密度以及速度分布信息，進而獲取粒子分裂、破碎、團聚規律等。
平面激光誘導熒光/Mie雙光譜成像
粒徑二維分布彈性/非彈性散射光測量方法為霧場的參量測量提供了新途徑。該組合光學成像方法利用產生的Mie/熒光散射光強度與霧場液滴粒徑二次方/三次方的比例關系，將霧場粒徑信息利用光強比值進行表達，最終對Mie/PLIF散射光信號進行接收處理可得霧場粒徑二維分布信息。Mie/PLIF雙光譜成像技術可有效應用于噴霧場粒徑信息測量，但測試區域內液滴散射效應會導致入射激光和激發熒光發生沿程衰減最終形成測量誤差。
彩虹散射技術
彩虹測試方法主要分為兩種：
標準彩虹測量技術，它利用后向散射光與反射光在區域內進行干涉形成明暗條紋測量單個液滴的粒徑和折射率。條紋的間距結構信息可反演出噴霧液滴粒徑分布等參量，并且折射率隨著噴霧液滴密度、溫度、組分而變化，因此折射率的微小變化可以較為精準地測試液滴濃度、溫度和組分參量，從而實現噴霧場多參量的測量。標準彩虹測量技術易受高頻紋波結構影響且對顆粒球形度異常敏感。
由標準彩虹技術擴展而來的全場彩虹測試技術。與標準彩虹相比，通過擴大通光孔徑、增大曝光時間，多個顆粒的散射光信息進行疊加，消除單個顆粒1階彩虹高頻紋波信號，形成平滑彩虹信號。記錄成數以萬計符合一定粒徑分布規律噴霧液滴的彩虹，進而可以反演出霧液粒的平均折射率、粒徑分布、平均溫度等霧場信息。
全場彩虹系統示意圖
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專家介紹
魏永杰，河北工業大學機械工程學院教授。主要從事測控技術與儀器及相關學科的科研和教學工作。研究領域涉及顆粒測量、光電檢測與光譜分析、傳感器應用等。承擔和參與國家及省級項目十余項，承擔激光檢測相關的企事業課題多項，發表論文和獲發明專利20余項。先后擔任中國顆粒學會顆粒測試專委會委員、副秘書長、河北工業大學(張北)產業技術研究院院長、天津市相關領域創新團隊成員等。
參考資料：趙家豐，噴霧場內液滴粒徑光學測試技術進展
（中國粉體網編輯整理/江岸）
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