本發(fā)明屬于熱工測(cè)量領(lǐng)域，涉及一種液體燃料噴霧燃燒液滴與火焰同步測(cè)量裝置及方法。

背景技術(shù)：

液體燃料具有能量密度高、貯存及運(yùn)輸方便、燃燒效率高等優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用于內(nèi)燃機(jī)、航空發(fā)動(dòng)機(jī)、火箭發(fā)動(dòng)機(jī)、沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)等動(dòng)力燃燒系統(tǒng)。

目前，針對(duì)液體燃料的測(cè)量方法大多基于單點(diǎn)參數(shù)或單一參數(shù)場(chǎng)測(cè)量，或者基于不同的方法，建立不同的燃燒場(chǎng)后分別測(cè)量相應(yīng)的參數(shù)場(chǎng)，再進(jìn)行綜合分析，因此均無(wú)法實(shí)現(xiàn)液體燃料噴霧、蒸發(fā)與燃燒的同步測(cè)量。現(xiàn)有技術(shù)中也有通過兩種或多種技術(shù)的結(jié)合來(lái)實(shí)現(xiàn)多過程同步測(cè)量的測(cè)量方法，但仍存在測(cè)量時(shí)空不同步、系統(tǒng)復(fù)雜、操作調(diào)試?yán)щy、對(duì)測(cè)量環(huán)境要求較高等問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于針對(duì)液體燃料噴霧燃燒霧化與燃燒同步測(cè)量問題，克服現(xiàn)有測(cè)量技術(shù)中的上述缺陷，提供一種背光成像與光譜成像結(jié)合的液體燃料噴霧燃燒液滴與火焰同步測(cè)量裝置及方法。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用了如下技術(shù)方案：

本發(fā)明提供了一種液體燃料噴霧燃燒液滴與火焰同步測(cè)量裝置，用于同步獲得液體燃料噴霧燃燒時(shí)的液滴圖像與火焰光譜圖像，其特征在于，具有：成像光源部，用于發(fā)出對(duì)燃燒場(chǎng)中的液滴進(jìn)行背光成像的成像光；分光部，包括分光棱鏡單元，該分光棱鏡單元用于將液體燃料燃燒時(shí)產(chǎn)生的火焰輻射光和成像光分至第一光路及第二光路；成像部，包括設(shè)置在第一光路上并且用于獲取液滴圖像的背光陰影成像單元，以及設(shè)置在第二光路上并且用于獲取火焰光譜圖像的光譜成像單元；數(shù)據(jù)處理部，分別接收背光陰影成像單元及光譜成像單元所得到的成像數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析處理；以及時(shí)序控制部，分別向成像光源部、背光陰影成像單元以及光譜成像單元發(fā)出時(shí)序控制信號(hào)，讓背光陰影成像單元在成像光源部發(fā)出成像光的同時(shí)進(jìn)行液滴圖像的獲取，并讓光譜成像單元在成像光源部不工作時(shí)進(jìn)行光譜圖像的獲取。

本發(fā)明提供的液體燃料噴霧燃燒液滴與火焰同步測(cè)量裝置，還可以具有這樣的技術(shù)特征，其中，成像光為藍(lán)色光或紫色光。

本發(fā)明提供的液體燃料噴霧燃燒液滴與火焰同步測(cè)量裝置，還可以具有這樣的技術(shù)特征，其中，成像光為藍(lán)色光，成像部還包括帶通濾光片，該帶通濾光片為藍(lán)光帶通濾波片，設(shè)置在背光陰影成像單元及分光棱鏡單元之間。

本發(fā)明提供的液體燃料液滴圖像與光譜圖像同步測(cè)量裝置，還可以具有這樣的技術(shù)特征，其中，成像光為紫色光，成像部還包括帶通濾光片，該帶通濾光片為紫光帶通濾波片，設(shè)置在背光陰影成像單元及分光棱鏡單元之間。

本發(fā)明提供的液體燃料噴霧燃燒液滴與火焰同步測(cè)量裝置，還可以具有這樣的技術(shù)特征，其中，分光部還包括光學(xué)透鏡單元，用于將火焰輻射光和成像光傳至分光棱鏡單元。

本發(fā)明還提供了一種液體燃料噴霧燃燒液滴與火焰同步測(cè)量方法，同步獲得液體燃料噴霧燃燒時(shí)的液滴圖像與火焰光譜圖像，從而得到噴霧燃燒參數(shù)，其特征在于，包括如下步驟：

步驟s1，采用時(shí)序控制部發(fā)出時(shí)序控制信號(hào)；

步驟s2，采用成像光源部根據(jù)時(shí)序控制信號(hào)間隔地發(fā)出成像光，對(duì)噴霧燃燒場(chǎng)中的液滴進(jìn)行成像；

步驟s3，采用光學(xué)透鏡單元將液體燃料噴霧燃燒時(shí)產(chǎn)生的火焰輻射光和成像光傳給分光棱鏡單元；

步驟s4，采用分光棱鏡單元將火焰輻射光和成像光分至第一光路及第二光路；

步驟s5，采用設(shè)置在第一光路上的帶通濾光片讓成像光通過；

步驟s6，當(dāng)成像光源部發(fā)出成像光時(shí)，采用背光陰影成像單元根據(jù)時(shí)序控制信號(hào)對(duì)第一光路進(jìn)行液滴圖像的獲取，當(dāng)成像光源部不工作時(shí)，采用光譜成像單元對(duì)第二光路進(jìn)行光譜圖像的獲??；

步驟s7，采用數(shù)據(jù)處理部分別接收背光陰影成像單元及光譜成像單元所得到的成像數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析處理，得到燃燒參數(shù)。

本發(fā)明提供的液體燃料噴霧燃燒液滴與火焰同步測(cè)量方法，還可以具有這樣的技術(shù)特征，其中，背光圖像中包含液滴圖像或軌跡圖像，數(shù)據(jù)處理部對(duì)液滴圖像進(jìn)行圖像處理，通過模糊修正、灰度歸一化、濾波去噪處理、二值化處理等處理方法，按照跡線法原理，獲得液滴粒徑d、運(yùn)動(dòng)速度(v＝l/t)及分布等參數(shù)。

本發(fā)明提供的液體燃料噴霧燃燒液滴與火焰同步測(cè)量方法，還可以具有這樣的技術(shù)特征，其中，背光圖像中還包含碳煙的陰影圖像，數(shù)據(jù)處理部對(duì)碳煙陰影圖像進(jìn)行處理的方法為：

通過建立基于消光法原理的圖像像素點(diǎn)，獲得波段響應(yīng)強(qiáng)度與碳煙濃度的定量關(guān)系，該定量關(guān)系如下式所示：

上式中，i為手術(shù)背光陰影成像單元中的彩色ccd的響應(yīng)值，i0為彩色ccd的初始響應(yīng)值，λi為彩色ccd的響應(yīng)波段，l為光程，n為碳煙中的顆粒數(shù)量濃度，d32為索太爾平均粒徑，e為消光系數(shù)，λ為成像光的波長(zhǎng)，f(λi)為彩色ccd的波段響應(yīng)曲線。

本發(fā)明提供的液體燃料噴霧燃燒液滴與火焰同步測(cè)量方法，還可以具有這樣的技術(shù)特征，其中，數(shù)據(jù)處理部對(duì)光譜圖像進(jìn)行處理的方法為：

根據(jù)輻射波長(zhǎng)與輻射強(qiáng)度的關(guān)系，利用標(biāo)準(zhǔn)黑體爐對(duì)光譜成像單元進(jìn)行響應(yīng)標(biāo)定，實(shí)驗(yàn)優(yōu)化火焰溫度與輻射率反演算法，并基于液體燃料燃燒火焰輻射特性獲得輻射率分布規(guī)律，建立液體燃料火焰輻射率函數(shù)模型，進(jìn)一步通過液體燃料火焰溫度場(chǎng)與輻射率場(chǎng)的二維重建反演算法，根據(jù)光譜圖像在線得到溫度場(chǎng)與輻射率場(chǎng)信息，

輻射波長(zhǎng)λ(nm)與輻射強(qiáng)度eλ(w/m²)的關(guān)系如下式：

式中，λ為輻射波長(zhǎng)，eλ為輻射強(qiáng)度，iλ為光譜成像單元中的ccd在λ波段的響應(yīng)值，kλ為通過標(biāo)準(zhǔn)黑體爐標(biāo)定獲得的ccd響應(yīng)標(biāo)定系數(shù)，ε為輻射率，t為溫度，c1和c2分別為輻射常量。

發(fā)明作用與效果

根據(jù)本發(fā)明的液體燃料噴霧燃燒液滴與火焰同步測(cè)量裝置及方法，由于采用分光棱鏡單元將液體燃燒的火焰輻射光及對(duì)液滴圖像進(jìn)行成像的成像光分至兩條光路，因此能夠用背光陰影成像單元和光譜成像單元分別進(jìn)行背光陰影圖像采集和光譜圖像的獲取，實(shí)現(xiàn)兩種不同數(shù)據(jù)采集方式在空間上的同步。由于采用時(shí)序控制部發(fā)出時(shí)序控制信號(hào)，讓背光陰影成像單元在成像光源部發(fā)出成像光時(shí)進(jìn)行液滴圖像獲取，并讓光譜成像單元在成像光源部不工作時(shí)進(jìn)行光譜圖像獲取，因此能夠在獲取液滴圖像的同時(shí)獲取火焰光譜圖像，實(shí)現(xiàn)兩種不同圖像獲取方式在時(shí)間上的同步，并且這兩種采集過程相互獨(dú)立、互不干擾。進(jìn)一步，本發(fā)明的同步測(cè)量裝置及方法通過時(shí)序控制及分光就能夠?qū)崿F(xiàn)液滴圖像及光譜圖像的時(shí)空同步獲取，其裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，方法容易操作，對(duì)環(huán)境要求也較低。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實(shí)施例的液體燃料噴霧燃燒液滴與火焰同步測(cè)量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明的實(shí)施例的液體燃料噴霧燃燒液滴與火焰同步測(cè)量方法的流程圖。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖以及實(shí)施例來(lái)說明本發(fā)明的具體實(shí)施方式。

<實(shí)施例>

圖1是本發(fā)明實(shí)施例的液體燃料噴霧燃燒液滴與火焰同步測(cè)量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

如圖1所示，液體燃料噴霧燃燒液滴與火焰同步測(cè)量裝置(以下簡(jiǎn)稱測(cè)量裝置)100，用于對(duì)測(cè)量區(qū)200內(nèi)的液體燃料噴霧燃燒進(jìn)行液滴圖像及光譜圖像的同步測(cè)量，包括成像光源部1、分光部2、成像部3、數(shù)據(jù)處理部4以及時(shí)序控制部5。

成像光源部1用于發(fā)出對(duì)液體燃料噴霧燃的液滴進(jìn)行成像的成像光。該成像光源部1向測(cè)量區(qū)200間隔地照射成像光，并且成像光以背光的方式進(jìn)入測(cè)量區(qū)200。由于測(cè)量區(qū)200內(nèi)是噴霧燃燒場(chǎng)，成像光進(jìn)入測(cè)量區(qū)200后就對(duì)燃燒場(chǎng)內(nèi)進(jìn)行照明，使噴霧燃燒場(chǎng)中的液體燃料燃燒液滴成像，使碳煙顆粒物形成陰影；對(duì)通過了燃燒場(chǎng)的成像光進(jìn)行圖像采集(即背光成像)，就得到能夠反映這些霧化液滴大小、分布、運(yùn)動(dòng)速度，碳煙顆粒物濃度等。

在本實(shí)施例中，成像光為藍(lán)色光或紫色光。

分光部2包括光學(xué)透鏡單元21和分光棱鏡單元22。

光學(xué)透鏡單元21設(shè)置在測(cè)量區(qū)200的另一側(cè)。成像光源部1、測(cè)量區(qū)200與該光學(xué)透鏡單元21位于同一直線上，使得成像光經(jīng)過測(cè)量區(qū)后能夠照射至光學(xué)透鏡單元21處，并且測(cè)量區(qū)200中的液體燃料燃燒所產(chǎn)生的火焰輻射光也能夠直接照射至該光學(xué)透鏡單元21處。因此，光學(xué)透鏡單元21能夠接收來(lái)自測(cè)量區(qū)200的光，并將接收到的光傳至分光棱鏡單元22。

分光棱鏡單元22用于將液體燃燒的火焰輻射光及成像光分至第一光路l1以及第二光路l2。

當(dāng)成像光源部1發(fā)出成像光時(shí)，該成像光通過了測(cè)量區(qū)200，經(jīng)光學(xué)透鏡單元21到達(dá)分光棱鏡單元22處并被分為兩束。此時(shí)第一光路l1和第二光路l2上的光成分相同，均包含成像光及液體燃料燃燒所發(fā)出的火焰輻射光。當(dāng)成像光源部1不工作，即不發(fā)出成像光時(shí)，第一光路l1和第二光路l2上均只包含液體燃料燃燒所發(fā)出的火焰輻射光。

在本實(shí)施例中，第一光路l1和第二光路l2相互垂直。

成像部3包括帶通濾光片31、背光陰影成像單元32和光譜成像單元33。其中，帶通濾光片31和背光陰影成像單元32依次設(shè)置在第一光路l1上，光譜成像單元33設(shè)置在第二光路l2上。

帶通濾光片31的波長(zhǎng)與成像光的波長(zhǎng)相對(duì)應(yīng)，用于讓成像光通過。由于測(cè)量過程中，測(cè)量區(qū)200內(nèi)的液體燃料是一直在燃燒的，其燃燒形成的火焰輻射光也一直存在，容易對(duì)陰影成像造成干擾。帶通濾光片31能夠僅讓成像光通過，因此能夠消除火焰輻射光的干擾。在本實(shí)施例中，帶通濾光片31與成像光相對(duì)應(yīng)，為藍(lán)色光帶通濾光片或紫色光帶通濾光片。

背光陰影成像單元32用于進(jìn)行液滴圖像獲取。該背光陰影成像單元32對(duì)通過了測(cè)量區(qū)200的成像光進(jìn)行圖像獲取，即可形成相應(yīng)的陰影成像圖像，其中包含霧化液滴大小、分布及運(yùn)動(dòng)速度、碳煙顆粒濃度信息。

光譜成像單元33用于進(jìn)行光譜圖像的獲取，該光譜圖像是采用光譜采集陣列對(duì)火焰的不同位置點(diǎn)同時(shí)進(jìn)行光譜采集而得到的，因而其中每個(gè)點(diǎn)均與火焰中的一個(gè)位置點(diǎn)相對(duì)應(yīng)，并且每個(gè)點(diǎn)均包含該位置點(diǎn)處的光譜信息。

數(shù)據(jù)處理部4分別接收背光陰影成像單元32及光譜成像單元33所得到的成像數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析處理。

本實(shí)施例中，數(shù)據(jù)處理部4所采用的數(shù)據(jù)分析方法如下：

背光陰影成像單元32所獲得的液滴圖像中，主要包括液體燃料在霧化、蒸發(fā)與燃燒過程中形成的液滴或軌跡(微米級(jí))與碳煙陰影(亞微米/納米級(jí))。其中，液滴或軌跡可在背光圖像中成像，而碳煙則在液滴圖像中呈現(xiàn)為陰影狀。

對(duì)于微米級(jí)的液滴圖像，利用模糊修正、灰度歸一化、濾波去噪處理、二值化處理等處理方法，按照跡線法原理，獲得液滴的粒徑d、運(yùn)動(dòng)速度(v＝l/t)及分布等參數(shù)。

對(duì)于亞微米/納米級(jí)的碳煙陰影圖像，通過建立基于消光法原理的圖像像素點(diǎn)，獲得波段響應(yīng)強(qiáng)度與碳煙濃度的定量關(guān)系。該關(guān)系如下所示：

上式中，i為背光陰影成像單元32中彩色ccd的響應(yīng)值，i0為該彩色ccd的初始響應(yīng)值；λi表示彩色ccd的響應(yīng)波段，l為光程，n為碳煙中的顆粒數(shù)量濃度，d32為索太爾平均粒徑，e為消光系數(shù)，λ為波長(zhǎng)，f(λi)為彩色ccd的波段響應(yīng)曲線。

光譜成像單元33所獲得的是火焰輻射光的光譜圖像。對(duì)于該光譜圖像，根據(jù)普朗克定律，輻射波長(zhǎng)λ(nm)與輻射強(qiáng)度eλ(w/m²)的關(guān)系為：

上式中，iλ為光譜成像單元33中的ccd在λ波段的響應(yīng)值，kλ為通過黑體爐標(biāo)定獲得的ccd響應(yīng)標(biāo)定系數(shù)，ε為輻射率，t為溫度，c1和c2分別為輻射常量。

根據(jù)上述關(guān)系，利用標(biāo)準(zhǔn)黑體爐對(duì)光譜成像系統(tǒng)進(jìn)行響應(yīng)標(biāo)定，實(shí)驗(yàn)優(yōu)化火焰溫度與輻射率反演算法，并基于液體燃料燃燒火焰輻射特性獲得的輻射率分布規(guī)律，即可建立液體燃料火焰輻射率函數(shù)模型。通過液體燃料火焰溫度場(chǎng)與輻射率場(chǎng)的二維重建反演算法，即可通過獲得光譜圖像來(lái)在線得到溫度場(chǎng)與輻射率場(chǎng)的信息。

時(shí)序控制部5用于發(fā)出時(shí)序控制信號(hào)。該時(shí)序控制信號(hào)用于對(duì)成像光源部1的發(fā)光間隔進(jìn)行控制，同時(shí)對(duì)背光陰影成像單元32及光譜成像單元33中的液滴圖像及火焰光譜圖像的獲取動(dòng)作(在本實(shí)施例中為成像單元的快門動(dòng)作)進(jìn)行控制。其結(jié)果是使得背光陰影成像單元32在成像光源部1發(fā)出成像光的同時(shí)進(jìn)行液滴圖像獲取，并讓光譜成像單元33在成像光源部1不工作時(shí)進(jìn)行光譜圖像的獲取。

以下結(jié)合附圖說明利用本發(fā)明的測(cè)量裝置100進(jìn)行測(cè)量的流程。

圖2是本發(fā)明實(shí)施例的液體燃料液滴圖像與光譜圖像同步測(cè)量方法的流程圖。

在測(cè)量開始前，需對(duì)測(cè)量裝置100中的各個(gè)光學(xué)部件之間的位置、距離及角度進(jìn)行調(diào)整，使背光陰影成像單元32和光譜成像單元33能夠清晰成像。然后，在測(cè)量區(qū)200內(nèi)置入液體燃料并點(diǎn)燃，使其燃燒。

如圖2所示，本發(fā)明的方法對(duì)液體燃料噴霧燃燒進(jìn)行液滴圖像及火焰光譜圖像的同步測(cè)量，在液體燃料穩(wěn)定燃燒后進(jìn)行，包括如下步驟：

步驟s1，采用時(shí)序控制部5發(fā)出時(shí)序控制信號(hào)；

步驟s2，采用成像光源部1根據(jù)時(shí)序控制信號(hào)間隔地發(fā)出成像光，照射至燃燒場(chǎng)處進(jìn)行液滴成像；

步驟s3，采用光學(xué)透鏡單元21將液體燃料噴霧燃燒的火焰輻射光和成像光傳給分光棱鏡單元22；

步驟s4，采用分光棱鏡單元22將火焰輻射光和成像光分至第一光路l1及第二光路l2；

步驟s5，采用帶通濾光片31讓第一光路l1中成像光通過；

步驟s6，當(dāng)成像光源部1發(fā)出成像光時(shí)，采用背光陰影成像單元32根據(jù)時(shí)序控制信號(hào)對(duì)第一光路l1進(jìn)行液滴圖像的獲取，當(dāng)成像光源部1不工作時(shí)，采用光譜成像單元33對(duì)第二光路l2進(jìn)行火焰光譜圖像的獲??；

步驟s7，采用數(shù)據(jù)處理部4分別接收背光陰影成像單元32及光譜成像單元33所得到的成像數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析處理。

在本實(shí)施例中，進(jìn)行上述測(cè)量步驟前還可以進(jìn)行一個(gè)調(diào)試步驟s0，在液體燃料穩(wěn)定燃燒后可進(jìn)行，主要包括如下子步驟：

子步驟s0-1，采用成像光源部1發(fā)出成像光；

子步驟s0-2，采用光學(xué)透鏡單元21將火焰輻射光和成像光傳給分光棱鏡單元22；

子步驟s0-3，采用分光棱鏡單元22將火焰輻射光和成像光分至第一光路l1及第二光路l2；

子步驟s0-4，采用帶通濾光片31讓第一光路l1中的成像光通過；

子步驟s0-5，采用背光陰影成像單元32對(duì)第一光路l1進(jìn)行液滴圖像采集，得到初始液滴背光圖像；

子步驟s0-6，根據(jù)初始液滴圖像估算液滴的運(yùn)動(dòng)速度范圍和顆粒參數(shù)范圍，并根據(jù)估算結(jié)果對(duì)時(shí)序控制信號(hào)進(jìn)行設(shè)定，使成像光源部1、背光陰影成像單元32及光譜成像單元33按照適當(dāng)?shù)臅r(shí)序分別進(jìn)行相應(yīng)的動(dòng)作，從而讓得到的合適的液滴圖像，能夠更好地反映霧化液滴大小、分布與運(yùn)動(dòng)速度信息。

實(shí)施例作用與效果

根據(jù)本發(fā)明的液體燃料噴霧燃燒液滴與火焰同步測(cè)量裝置及方法，由于采用分光棱鏡單元將液體燃燒的火焰輻射光及對(duì)液滴圖像進(jìn)行成像的成像光分至兩條光路，因此能夠用背光陰影成像單元和光譜成像單元分別進(jìn)行背光陰影圖像采集和光譜圖像的獲取，實(shí)現(xiàn)兩種不同數(shù)據(jù)采集方式在空間上的同步。由于采用時(shí)序控制部發(fā)出時(shí)序控制信號(hào)，讓背光陰影成像單元在成像光源部發(fā)出成像光時(shí)進(jìn)行液滴圖像獲取，并讓光譜成像單元在成像光源部不工作時(shí)進(jìn)行光譜圖像獲取，因此能夠在獲取液滴圖像的同時(shí)獲取火焰光譜圖像，實(shí)現(xiàn)兩種不同圖像獲取方式在時(shí)間上的同步，并且這兩種采集過程相互獨(dú)立、互不干擾。進(jìn)一步，本發(fā)明的同步測(cè)量裝置及方法通過時(shí)序控制及分光就能夠?qū)崿F(xiàn)液滴圖像及光譜圖像的時(shí)空同步獲取，其裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，方法容易操作，對(duì)環(huán)境要求也較低。

本實(shí)施例的測(cè)量裝置采用了藍(lán)色光或紫色光作為成像光，同時(shí)還采用了與成像光波長(zhǎng)范圍對(duì)應(yīng)的帶通濾波片來(lái)讓成像光通過，而火焰輻射光中的藍(lán)色光及紫色光較少，因此能夠有效消除火焰輻射光的干擾，從而獲得液滴背光圖像。

本實(shí)施例的測(cè)量方法采用了調(diào)試步驟s0，根據(jù)初始液滴圖像的估算結(jié)果來(lái)確定時(shí)序控制信號(hào)，因此能夠得到最佳的時(shí)序控制信號(hào)，讓得到合適的液滴圖像更加清晰，更好地反映霧化液滴大小、分布與運(yùn)動(dòng)速度信息。