本發明公開了一種高精度寬尺寸粒子場測量方法，該方法是基于雙/多角度不同偏振態的IPI系統，同時記錄粒子散射光產生的離焦條紋圖，提取不同散射角區域所采集的條紋圖的條紋數或條紋頻率，計算得到粒子尺寸大小，可測的粒子尺寸范圍，即為該雙/多路系統可測的最小粒徑和最大粒徑區間。本發明的這種非接觸測量方法具有原理簡單、測量精度高、實用性強等特點，可用于噴霧粒子場、氣溶膠粒子場測量。

技術領域

本發明涉及粒子場測量技術領域，尤其涉及一種高精度寬尺寸粒子場測量方法。

背景技術

粒子廣泛存在于工業生產和科學研究中，例如：噴霧、流體、石油、化工、環保、材料、水利、食品、航空航天、以及燃料燃燒等領域。粒子尺寸參數不僅對材料和產品的性能和質量有直接影響，還與優化工藝過程、降低能源消耗、減少環境污染等有著直接或間接的關系。因此粒子尺寸測試與診斷在工業、科研等領域具有重要的意義。目前已提出基于光學原理的多種粒子尺寸測量方法，其中的干涉粒子成像技術(IPI)是一種目前備受關注的粒子尺寸測量方法，其基本原理是基于Mie散射理論，通過測量粒子散射光干涉條紋圖的條紋數/條紋頻率，或聚焦兩點像之間的距離得到粒子尺寸大小。該技術適用于透明球形粒子場測量。

對一給定的IPI系統，可測粒徑范圍和測量精度受限于系統參數。N.Damaschke等分析了最大和最小可測粒徑(Exp.Fluids,2002,32(2):143-152)。由于粒子的直徑d正比條紋數N。當N＝1時，即為可測量的最小粒徑，最大可測粒子直徑由Nyquist抽樣定律決定。通常最小可測粒徑約幾微米，最大可測的粒徑約～100微米。通過改變系統參數可以增大測量范圍，這種方法有可能會降低測量精度，且可測粒徑范圍仍有限。對IPI技術，粒徑測量精度與條紋對比度及其亮度有關。對寬尺寸粒子場，一方面，對相同的散射角，由于大粒子散射光強大于小粒子散射光強，很難同時記錄到大粒徑的條紋圖和小粒徑的條紋圖。另一方面，大粒子條紋對比度較好的散射角區域與小粒子條紋對比度較好的散射角區域不一定相同，不管如何設計最佳的實驗系統，都很難實現較寬范圍的粒子場測量，如寬尺寸范圍的噴霧場粒徑同時測量。

發明內容

本發明提供了一種高精度寬尺寸粒子場測量方法，本發明提出了一種基于雙/多角度不同偏振態的IPI系統，同時記錄粒子散射光產生的離焦條紋圖，提取不同散射角區域所采集的條紋圖的條紋數或條紋頻率，計算得到粒子尺寸大小，可測的粒子尺寸范圍，即為雙/多路系統可測的最小粒徑和最大粒徑區間，詳見下文描述：

一種高精度寬尺寸粒子場測量方法，所述方法包括以下步驟：

1)片狀光束照射粒子場，粒子發生散射，由成像透鏡、探測器CCD組成的成像系統接收粒子的散射光，這一成像系統稱為IPI系統；

2)在兩或多個散射角區域，搭建IPI成像系統，同時記錄粒子的離焦條紋圖；

3)對上述兩路或多路系統采集到的粒子離焦條紋圖，提取條紋數N或條紋頻率F，由如下公式計算得到粒子直徑d：

式中，F＝N/Φ，Φ為粒子干涉圖所占的像素數，θ為散射角，α為光學系統的收集角，λ為激光波長，m＝n/n₀＞1為相對折射率，n、n₀分別為粒子折射率和周圍介質折射率；

4)該兩路或多路系統可測的最大和最小值區間，即為可測的粒子尺寸范圍。

所述散射角θ的選取根據粒子尺寸d和相對折射率m，選取條紋對比對高，且散射光強相對較大的散射區域。

所述每路系統的散射光偏振態是由條紋對比度和散射光強相對大小選取。進一步地，所述方法應用于氣泡型粒子。

當所述方法應用于氣泡型粒子時，由如下公式計算得到粒子直徑d′：