Transcript 第五章粒度测量
粒径测量 目 1 录 激光多普勒测速仪（LDV） 2 相位多普勒粒子分析仪（PDPA） 3 4 激光全息 激光衍射粒度分析仪 5 激光透射仪 6 高速摄影粒度分析 第一章 激光多普勒测速仪LDV 1.1 散射基本概念 激光多普勒测速仪（LDV）和激光相位多普勒粒子分析仪 （PDPA）都是根据运动粒子的光散射效应来进行测量的。 光的散射：介质中存在的微粒（气态、液态或固态）对光束 的影响使光波偏离原来的传播方向而向四周散射的现象。 若粒径dp << （入射光波长），用Rayleigh理论； 分类 若粒径dp ~ ，用Lorerz-Mie理论； 若粒径dp > , 用几何光学理论 1.1 散射基本概念 米氏散射理论：散射光的频率不随散射角的位置而变，但散射光 的光强却与散射方向有很大关系。 入射光束与散射粒子的线度的关系：入射光强越强，散射光强越 强，而且越向入射光的方向集中。 向前散射光 强比向后大 1.2 激光多普勒测量原理 在相交区里，由于两束光之间的干涉，存在干涉条纹，粒子以速度u运动，如果u和条纹 平面法线的夹角为，则粒子会受到一个光强的调制，其频率即为差动多普勒频率。 激光束光强：1/e2 1/e2 激光束直径：d d L1 聚焦前两平行光束的距离：s 聚焦透镜焦距：F 两聚焦光束的夹角： L2 在差动多普勒技术中，相交光束产生的条纹图 F 条纹间距： f 2 sin( / 2) s LDV测速的关键参数，可用速度标定工具来检验 粒子速度： v f D f 椭球型控制体基本参数： 4 F d dw 宽度： L1 cos( / 2) 直径： d w dw 8F 2 长度： L2 sin( / 2) ds 1.2 激光多普勒测量原理 粒子大小和浓度测量：信号可见度法 信号底基幅值法 I max I min 在多普勒信号中有可见度的定义： V I max I min 可见度和球形颗粒度的关系，可近似用第一类一阶贝塞尔函数的形式来 表示： V 2 J1 (d p / f ) d p / f J1：一阶贝塞尔函数 dp：粒子直径 f：干涉条纹间距 可见度方法只适合用于粒径 很小的粒子测量，其可测的 有效动态范围较小，只能准 确测量50 m以下的粒子。 1.2 激光多普勒测量原理 信号底基幅值法：信号的幅值只取决于粒径dp和粒子从测量 体中经过的路径。一般用标定来建立信号幅值和粒径的关系。 适用范围 信号可见度 dp < f 信号底基幅值 dp > f 需要条件 预先标定粒 径与信号可 见度或幅值 的关系 LDV信号测粒径只能用于一些 简单、粒子浓度很低的流动 Doppler信号中的最大、最小和基底值 1.3 激光多普勒测速仪的外差检测模式 •参考光束系统：参考光直接照 射到光检测器去同散射光束进 行光学外差。 可用光阑受到严格限制，光路安 排、接收光阑、粒子浓度与可达 v 到的信噪比的关系十分密切。 •单光束系统：一束光在两个不 同方向上的散射光进行光外差而 获得多普勒频移。 要求两个接收孔的直径要选择适当， 过大过小都会使信号质量变坏，降低 测量精度。而且这种光路对光能利用 率低，目前已较少使用。 1.3 激光多普勒测速仪的外差检测模式 •双光束/差动多普勒速度测量系统，无参考光束 • • • • 多普勒频移与接收方向无关 光检测器的位置可以任意选择 有较好的信噪比 调准较容易 1.4 激光多普勒测速的设备 • • • • 激光发生器 光纤驱动器 发射器 光电倍增管 冷却系统 光纤 接收器 分析仪 DSA软件 第二章 相位多普勒粒子分析仪（PDPA） 相位多普勒粒子分析仪（Phase Doppler Particle Analyzer，简称PDPA）， 它是由激光多普勒测速仪（LDV）发展而来的，是利用随流体而运动的粒 子同时测量流体速度和粒径的泛称，是一种两相流测量仪器。 PDPA的测速原理与LDV是相同的 v f D f f fD 本质上是一个单粒子计数器 F 2 sin( / 2) s 2v cos sin 2 1—激光器 2—分光镜 3—发射透镜 4—接收透镜 5—光电倍增管 6—频率相位处理器 7—测量体 2.1 相位多普勒测粒原理 待测的透明球形粒子相当于透镜 （焦距f）。静止时，直径d的球形 PDPA的测速原理与LDV是相同的， 粒子在空间相距R处产生由折射放 是LDV的发展与延续。 大的条纹，其间距设为。。。。 srf ( R f ) f f 式中 f f 所测相移 R f f m d ( m 1) 4 2sin( / 2) sd m d 2sin( / 2) 2 2 sd d srf ( m 1) 4 R 2.2 相位多普勒测粒要点 • PD法的测量原理与光散射干涉法密切相关，即以波长作 为测量标尺。 • PDPA中两入射光束的交角较小（约5°），同时测量容积 保持较少的条纹数（5-8条），但PDPA的接收光学至少基 于2个（通常3个,可解决相位模糊问题）光电检测器。 • 接收器不宜放在。。。衍射区，最常用的是30°前向散 射,粒子越小，散射角越大。 • 测量球形粒子粒径和速度精度最高的仪器：测速精度可 达0.2%，粒径测量精度为0.5%，雾滴数及雾化角测量精 度达1%。 2.3 PDPA设备 • 仪器包括320mw氩离子风冷激光器、激光耦合器、RSA信号处理器、数据 处理系统以及激光发射和接收器等。一般情况下，它的测速范围是 -90～283m/s，可测粒径范围是0.5～90µm，此范围还可通过更换发射 镜头加以扩大。 发射器 接收透镜 激光器 处理器 光电倍增管 2.4 PDPA的特点 1. 由于是激光测量，对于流场没有干扰，测速范围宽， 2. 由于多普勒频率与速度是线性关系，和该点的温度、 压力没有关系； 3. 消除了由于散射光干涉带来的复杂问题； 4. 对采样体的精确确定，使得在测量粒子速度和粒径的 同时，也可以测量粒子的密度和体积流量； 5. 信号处理技术的优势提高了数据的可靠性； 6. 目前还只能被用在固体浓度较低的环境中。 可以说它是目前世界测量球形粒子粒径和速 度精度最高的仪器。 2.5 PDPA应用实例 运用PDPA进行喷雾试验时，测速精度可达0.2%， 粒径测量精度为0.5%，雾滴数及雾化角测量精度达1%。 1 —空气压缩机 2—储液罐 3—调节阀 4—压力表 5—流量计 6—喷嘴 7—接收探头 8—发射探头 雾化流场的PDPA测试装置简图 2.5 PDPA应用实例 PDPA测量喷射燃料粒子场 两束激光束相交处为 测量区域, 在该区域形成 干涉条纹, 喷雾场粒子通 过该区域, 接收探头接收 到折射和散射光信号, 经 信号分析和数据处理, 得 到粒子速度和粒径信息。 实验结果 左图为PDPA 测量粒径统 计分布结果, 横坐标为喷雾 粒径, 单位为μm, 纵坐标为 统计个数。 小 结 应用激光多普勒技术（LDV/PDPA）可以获得如下信息： 流体的瞬时速度、时均速度、均方根脉动速度； 悬浮粒子的瞬时速度、时均速度、均方根速度； 悬浮粒子的尺寸大小及分布； 悬浮粒子的浓度（数量密度、体积流率等）； 粒子运动的动态行为。 LDV/PDPA只能测量粒子体积浓度小于1%的流动，速度测量 较准确，粒径次之，浓度测量可靠性最差。 第三章 激光全息 • 全息照相原理是1948年Dennis Gabor 为了提高电子显微镜的 分辨能力而提出的。 • “全息”是指物体发出的光波 的全部信息：既包括振幅或强 度，也包括相位。 • 丹尼斯·伽柏(Dennis Gabor， 1900年6月5日—1979年2月9日 ），英国籍匈牙利裔物理学家 ，因发明全息摄影而获得1971 年诺贝尔物理学奖。 3.1 全息摄影简明原理 在物体旁边放一 张感光底片，如果不 采取任何措施，物体 中每一点发出的散射 光都能到达底片上的 任意一点，得到的是 一张均匀曝光的底片 ，没有记录到物体的 像。 3.1 全息摄影简明原理 物体中每一 点只允许有一条 光穿过小孔到达 底片时，就可以 在底片上得到物 体的倒像，也是 普通照相原理。 3.1 全息摄影简明原理 从一个角度另外提 供参考光源，到达 底片上的既有来自 物体的光，也有来 自参考光源的光， 会在底片上形成阴 暗相间和形状不规 则的条纹，干涉结 果。阴暗和分布分 别对应物体光的振 幅和相位，就把代 表物体光波的所有 信息记录下来。 3.1 全息摄影简明原理 普通照相只记录了物体各点的光强信息（反映在 振幅上），丢掉了位像信息，得到的是一个二维平面 图像，毫无立体感。全息照相是利用相干光叠加而发 生干涉的原理，借助于所谓参考光波与原物光波的相 互作用，记录下二种光波在记录介质上的干涉条纹， 这种干涉条纹不仅保存了物光波（从物体反射的光波 ）的振幅信息，同时还保存了物光波的位相信息，它 只有在高倍显微镜下才能观察得到。记录了干涉条纹 的全息照片可以看做是个复杂的衍射光栅，当用与原 参考光波相同的光再照射该光栅时，其衍射波能重现 原来的物光波，在照片后原物的位置就可以观察到原 被照物的三维图像。 全息摄影与普通摄影的区别 类 别 全息摄影 一般摄影 记录方式 物束光与参考光束 记录内容 物体散射光的强度及相位 信息 成像介质 记录后称全息片 （全灰色调） 一般借助激光还原观看 光学镜头成像 （物束光） 景物本身或 反射光强度 感光胶片 影像观察 方式 眼睛直接观看 色彩表现 彩色干涉条纹图像 彩色物体图像 影像特点 三度空间立体感的景物， 只有散射光线而并无实物 平面物体图像 激光全息摄影包括两步： ◇ 记录 ◇ 再现 全息记录过程 把激光束分成两束；一 束激光直接投射在感光 底片上,称为参考光束； 另一束激光投射在物体 上，经物体反射或者透 射，就携带有物体的有 关信息，称为物光束.物 光束经过处理也投射在 感光底片的同一区域上. 在感光底片上，物光束 与参考光束发生相干叠 加，形成干涉条纹，这 就完成了一张全息图。 反射镜 分束器 M1 红宝石激光器 扩束器 L2 L1 M2 H P 反射镜 全息干板 O 全息再现方法 用一束激光照射全息 图，这束激光的频率 和传输方向应该与参 考光束完全一样，于 是就可以再现物体的 立体图象。人从不同 角度看，可看到物体 不同的侧面,就好像看 到真实的物体一样， 只是摸不到真实的物 体。 扩束器 He－Ne激光器 L P A ' O B 物虚像 H A B O' 共轭实像 用高倍显微镜观看全息图表面，看到的是复杂的条纹， 丝毫看不到物体的形象，这些条纹是利用激光照明的物 体所发出的物光波与标准光波（参考光波）干涉，在平 面感光底板上被记录形成的，即用编码方法把物光波“ 冻结”起来。一旦遇到类似于参考光波的照明光波照射 ，就会衍射出成像光波，它好像原物光波重新释放出来 一样。所以全息照相的原理可用八个字来表述： “干涉记录，衍射再现”。 几种典型的全息干涉方法 (1)单次曝光法(实时干涉法)：拍摄某—物体的全息照片， 显影、定影后使之精确复位，这时稍微变—下原物的状态 ，如加上或解除应力、压缩或膨胀等等，使之产生一定形 变，则新的物光束与原物的重建光束之间由于物上各点的 位移而产生光程差，使肉眼根本看不出的物体形态变化在 全息图上产生干涉条纹；据此可研究物体形变或微小位移 及其与受力的关系。“单次”是指拍摄全息片时只经过一 次曝光。 在单次曝光法中，全息片的复位要求精确，比较难以 做到，乳胶的畸变也有一定影响，但只拍摄一张全息片就 可以多次或连续观察物体的变化 。 (2)两次曝光法：在同一张底片上拍摄物体在不同时 刻的两张全息照片，如果这两个时刻物体有形变，那 么再现时，得到两个重建的物光束，它们由于彼此相 干而且存在光程差而产生干涉花样。干涉条纹的分布 直接与物体的始末状态有关，可用来分析物体状态的 变化。两次曝光法不能观察物体连续变化的情况，但 对底片的安放及对再现光的要求不那么严格，易于实 现，此外乳胶的畸变对两个重建光波的影响基本一样 ，干涉时相互抵消。不再产生附加的光程差。 (3)时间平均法：全息照相还可以用来研究物体的快 速微小振动。其做法是：对振动物体拍摄全息照片 ，再现时可以看到物像表面重叠着干涉条纹。关于 干涉条纹产生的原因，可做粗糙的定性解释：振动 着的物体在极限位置的速度为零，所以在极限位置 滞留的时间最长，选择合适的曝光时间，可拍摄到 物体在两个极限位置的全息图，近似地等效于物体 分别处于极限位置的两个静止状态，从而和两次曝 光法类似．再现时将出现干涉条纹。对干涉条纹进 行分析可得到物体振动的准确情况。 全息照相的拍摄要求 为拍出一张满意的全息照片，拍摄系统必须具备以下要求： (1) 光源必须是相干光源 (2) 全息照相系统要具有稳定性 (3) 物光与参考光应满足：物光和参考光的光程差应尽量小 (4) 使用高分辨率的全息底片 (5) 全息照片的冲洗过程要在暗室进行， 药液千万不能见光，保持在室温20℃ 左右进行冲洗。 全息照相的特点 1．再现像形象逼真，立体感强，和观察实物一样，具有完全相同 的视觉效应。 2．全息照片上的每一部分，都是整个物体的物光与参考光相干叠 加的结果，因而每一部分，不论大小，都携带整个物波在该处的 全部信息。因此，都能再现被摄物的完整图像。即使干板打碎了 ，每块碎片也能再现完整的图像，当然，碎片越小，像的分辨率 也就越低。 3．在一张全息底片上，经过多次曝光，可记录下物光与参考光夹 角不同的许多全息照片。 4．因全息图具有光栅结构，经其衍射的成像光束总有两支，因此 所成像总是孪生的一对。物体的虚像与共扼实像共存，不象光学 透镜成像那样是唯一的。 5．全息照片的再现象可放大或缩小。当用不同波长的激光照射全 息照片时，由于拍摄所光的波长不同，再现像就会放大或缩小。 激光全息的应用 1.把一些珍贵的文物用这项技术拍摄下来，展出时可以真实 的立体再现文物，供参观者欣赏，而原物妥善保存，防失 窃。 2.大型全息图既可展示轿车、卫星以及各种三维广告，亦可 采用脉冲全息术再现人物肖像、结婚纪念照。 3.小型全息图可以戴在颈项上形成美丽装饰，它可再现人们 喜爱的动物，多彩的花朵与蝴蝶。 4.迅猛发展的模压彩虹全息图，既可成为生动的卡通片、贺 卡、立体邮票，也可以作为防伪标识出现在 商标、证件卡、银行信用卡，甚至钞票上。 5.装饰在书籍中的全息立体照片，以及礼品包装 上闪耀的全息彩虹，使人们体会到21世纪印 刷技术与包装技术的新飞跃。 应用激光全息术拍摄喷雾场全息图 也可采用激光数字全息技术获得颗粒场的粒径分布 激光全息原图 激光数字全息技术重建的颗粒图像 第四章 激光衍射粒度分析仪 4.1 激光衍射粒度分析仪测量原理 基于激光颗粒前向散射原理。当一束激光束照射到被测液滴时 ，受液滴的散射作用，激光会向四面八方散射，其中大部分散射光 能量处于前向方向。散射光能的分布与被测液滴的大小有关，采用 专门设计的扇形多元光电探测器测出前向散射光能的分布，根据光 散射理论及反演算法对测得的散射光能分布数据进行处理，就可以 得到被测液滴的粒度分布。 4.1 激光衍射粒度分析仪测量原理 基本光学知识告诉我们，当一束光照射到一个物 体表面时，光会发生散射。这散射中有表面反射、介 质折射和衍射三种效果。虽然物体周围都充满着各种 散射光，但这三种散射光的强度分布有差异，即在不 同的散射角三种散射光的相对能量大小不一，它与物 体本身特性有密切联系，即反映一定的物体特征。 衍射：又称为绕射，波遇到障碍物或小孔后产生偏离直线传 播的现象。衍射现象是波的特有现象，一切波都会发生衍射 现象。 发生明显衍射现象的条件：孔或障碍物可以跟波长相比，甚 至比波长还要长。当障碍物的尺寸远大于光波的波长时，光 可看成沿直线传播。当孔尺寸远小于波长的时候，尽管衍射 十分突出，但由于能量的减弱衍射现象不易观察到。 注意，光的 直线传播只 是一种近似 的规律，衍 射现象是一 直存在的， 只是明不明 显的问题。 4.1 激光衍射粒度分析仪测量原理 激光衍射粒度分析仪利用的是光的夫琅禾费 （Frauhofer）衍射现象，即远场衍射。 菲涅尔衍射：光源和观察点距障碍物为有限远的衍射， 称为菲涅尔衍射（近场衍射）。 夫琅和费衍射：光源和观察点距障碍物为无限远，即平 行光的衍射为夫琅和费衍射。 菲涅尔衍射： 光源和观察点距障碍物为有限远的衍射称为菲涅尔衍射。 夫琅和费衍射： 光源和观察点距障碍物为无限远，即平行光的衍射为夫琅和费 衍射。 4.1 激光衍射粒度分析仪测量原理 远场接收要求光源和观测屏（或二者之一）与障碍物的距 离为无穷远，在实际操作中一般是通过在障碍物和观测屏 之间放置一透镜，把无穷远处的衍射图样拉回到透镜后的 焦面上，观测屏放置在透镜的焦面上。 如下图所示，一激光束照射到物体颗粒，在其前向区域产 生衍射，通过透镜把无穷远处的衍射图样聚焦到它的焦平 面上，在位于焦平面的观测屏上就能看到远场衍射图样。 4.1 激光衍射粒度分析仪测量原理 衍射光 单色激光束 观测屏 待测颗粒 傅里叶透镜 夫琅禾费衍射的光强分布 d J1 ( X ) I ( ) I 0 2 2 2 16 f X 2 4 X (d sin ) / 2 d：颗粒尺寸； f：傅里叶透镜的焦距； ：入射光波长； J1：一阶贝塞尔函数； ：入射角。 夫琅禾费衍射 示意图 4.1 激光衍射粒度分析仪测量原理 激光衍射光强分布落在光电探测器第n环（环半径从Sn到Sn+1，对应 的散射角从θn到θn+1）上的光能量为： en Sn1 Sn en I 2 S dS d2 4 n 1,2,3 I 0 J 02 X n J12 X n J 02 X n 1 J12 X n 1 如果测量中同时有N个直径为d的颗粒存在，则在第n个光环上所接收 到的光能量将是一个颗粒时的N倍（N·en）。以此类推，当颗粒群中 直径等级为di的颗粒共有Ni个，则颗粒群在第n环处总的衍射光能将 是所有各等级颗粒在第n环处衍射光能之和，即 En I0 4 2 2 2 2 2 N d J X J X J X J i i 0 i,n 1 i,n 0 i,n1 1 X i,n1 4.1 激光衍射粒度分析仪测量原理 如果尺寸分布用重量W表示，W和N之间的关系为： Ni En 3I 0 2 6Wi di3 式中：ρ为颗粒物质的密度 Wi 2 2 2 2 J X J X J X J d 0 i,n 1 i,n 0 i,n1 1 X i,n1 i 建立了光电探测器各环的衍射光信号与被测颗粒粒径及分布之间的对应 关系。对于在粒度分析中用激光衍射技术，当中的计算涉及到有关线性 方程组求解的病态问题和算法快慢问题，这要根据具体的物理过程的特 点，结合有关矩阵论知识来解决。 4.2 激光衍射粒度分析仪结构 4.2 激光衍射粒度分析仪组成 激光接收器 另有：USB信号电缆 计算机 激光发射器 4.2 激光衍射粒度分析仪结构 4.3 工作过程 4.4 操作步骤 关键技术：使激光发射器中射出的激光束直线打到 激光接收器中的光靶中心位置。 1、打开激光发射器，打开激光接收器的盖板； 2、在激光接收器上装上对孔板2，将对孔板1 放置 在激光器箱内任意位置； 3、利用对孔板将光线对齐，最终穿过硅片光靶的 小孔，完成光路的调节。盖上接收器的盖板。 第五章 激光透射仪 5.1 测量原理 当光束穿过具有悬浮粒子的流场时，透过的光束会由于粒子的挡 光作用而发生一定程度的衰减。衰减规律按下式变化： I e rL I0 I0：入射光束的光强（W/m2） I： 透射光束的光强（W/m2） r： 衰减系数 L： 光程 待测的平均颗粒直径可由下式给出： Cm： 颗粒的质量浓度（g/cm3） p： 颗粒的密度（g/cm3） Q： 颗粒的平均挡光效率，可取2 mp： 颗粒的质量流量（g/s） Vg： 流体的体积总流量（cm3/s） 3C m Q d av 2 pr Cm mp Vg 颗粒直径与衰减 系数的关系 5.2 光路图 第六章 高速摄影粒度分析 燃烧过程是快速而剧烈复杂的物理化学过程，人眼的分辨率有 限(时间分辨率约0.1s，空间分辨率在视距250mm时约0.1mm)。 按曝光率（次/秒）划分摄影档次：低于10²s-1为普通摄影； 10²~10³s-1为快速摄影；10³~4*104s-1 为次高速摄影；高于4*104 s-1为高速摄影。 摄影主要需解决好曝光时间和胶片的移动问题，现代高速摄影 要求曝光时间尽可能的短，并且解决胶片快速运动带来的图像 模糊(或拖影现象)。图像模糊是因为曝光时胶片和被摄物之间 有相对运动引起的，可通过软处理实现相位补偿，一如相控阵 雷达或相控声纳一样。 摄像机本身的分辨率有限，为满足特定要求，高速摄像机和阴 影仪、纹影仪、干涉仪、全息技术、显微技术结合，可构成高 速阴影、高速纹影、高速干涉、高速全息、高速显微等技术。