數(shù)字激光全息在發(fā)動(dòng)機(jī)噴霧場(chǎng)粒度測(cè)量的應(yīng)用*

（天津大學(xué)內(nèi)燃機(jī)研究所 天津 300072）

引言

噴霧場(chǎng)的粒徑尺寸與粒徑分布特征一直引起研究人員的關(guān)注，國內(nèi)外研究者已進(jìn)行了大量的研究工作，測(cè)試手段已從經(jīng)典的液浸法、印痕法、冷凍法逐漸發(fā)展成為激光全息法、激光散射法、結(jié)合計(jì)算機(jī)處理技術(shù)等多種光學(xué)方法，取得了大量油滴尺寸和分布特征的信息。

總結(jié)目前這一領(lǐng)域的研究結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)，噴霧的粒徑尺寸和粒徑分布都不均勻。在研究中，將燃油霧化質(zhì)量用2 個(gè)參數(shù)進(jìn)行衡量，一是粒徑的平均直徑，二是粒徑的分布特征[1]。

從目前國內(nèi)外普遍采用的研究方法來看，研究?jī)?nèi)燃機(jī)噴霧粒徑的技術(shù)主要包括相位多普勒技術(shù)（PDPA）、夫瑯和費(fèi)（Fraunhofer）衍射技術(shù)和數(shù)字激光全息技術(shù)等。相位多普勒技術(shù)與夫瑯和費(fèi)衍射技術(shù)在發(fā)動(dòng)機(jī)霧化特征的研究中都得到了廣泛應(yīng)用。

使用數(shù)字激光全息技術(shù)測(cè)量?jī)?nèi)燃機(jī)粒子場(chǎng)特征是粒子場(chǎng)測(cè)量技術(shù)發(fā)展史上的一個(gè)創(chuàng)新。在測(cè)試過程中，試驗(yàn)人員不需要接觸粒子場(chǎng)，不需要取樣，脈沖激光器可以高速采集高速運(yùn)動(dòng)粒子的分布及運(yùn)動(dòng)速度，粒子場(chǎng)的信息可以時(shí)時(shí)重現(xiàn)。

作為一種新興的先進(jìn)技術(shù)，數(shù)字激光全息技術(shù)目前還未能在發(fā)動(dòng)機(jī)噴霧的粒度分布特性及其空間分布特性的研究中得到廣泛應(yīng)用。本文將在這一領(lǐng)域進(jìn)行探求。

1 3 種測(cè)量方法比較

相位多普勒技術(shù)、夫瑯和費(fèi)衍射技術(shù)和數(shù)字激光全息技術(shù)3 種測(cè)量方法優(yōu)缺點(diǎn)的比較見表1。

表1 粒徑測(cè)量方法優(yōu)缺點(diǎn)比較

就目前的技術(shù)水平來看，無論是相位多普勒技術(shù)還是夫瑯和費(fèi)衍射技術(shù)都已相當(dāng)成熟，但由于測(cè)試原理的局限性，這2 種技術(shù)存在著一些共同的、難以克服的缺陷，從而限制了這2 種技術(shù)在發(fā)動(dòng)機(jī)噴霧研究應(yīng)用范圍的進(jìn)一步拓展和測(cè)試精度的進(jìn)一步提高。

就研究對(duì)象而言，數(shù)字激光全息技術(shù)的研究工作基本上是在粒子場(chǎng)常溫、運(yùn)動(dòng)速度較小、粒子密度較低和相對(duì)穩(wěn)態(tài)的條件下進(jìn)行的。通常情況下，應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)噴霧的條件，則要惡劣得多。這些惡劣條件包括：

1）環(huán)境溫度高；

2）環(huán)境背壓（即氣體密度）大；

3）粒子運(yùn)動(dòng)速度快；

4）瞬變性、隨機(jī)性強(qiáng)；

5）液滴密集，空間濃度大；

6）粒子粒徑尺寸分布范圍和空間分布范圍大。

2 試驗(yàn)裝置

2.1 FAI 燃油噴射系統(tǒng)

FAI 燃油噴射系統(tǒng)可完成對(duì)燃油的加壓和脈沖噴射。噴孔環(huán)外徑為3.8 mm，幾何錐角為23°，升程為0.1～0.3 mm，沿著噴霧錐角的周向燃油均勻分布，油束最外延有60°錐角，噴霧分布厚度為15°。

2.2 Motionpro HS-3 高速攝像機(jī)

高速攝像機(jī)敏感象素?cái)?shù)設(shè)置為1 280×1 024，圖像的采集速率為每秒1 000 幀，像素尺寸為12μm×12μm。

3 試驗(yàn)原理及方法

3.1 采用基于夫瑯和費(fèi)衍射的粒度測(cè)量技術(shù)對(duì)噴霧場(chǎng)粒度進(jìn)行測(cè)量

3.1.1 試驗(yàn)原理

試驗(yàn)采用的設(shè)備為激光散射法粒度測(cè)試儀（簡(jiǎn)稱激光粒度儀），圖1 是它的基本光學(xué)模式。

圖1 激光衍射散射法測(cè)量粒子尺寸分布的基本光學(xué)模式

3.1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)結(jié)構(gòu)如圖2 所示，試驗(yàn)所用激光粒度儀的主要參數(shù)見表2。

圖2 試驗(yàn)裝置布置圖

表2 激光粒度儀主要參數(shù)

3.1.3 測(cè)量結(jié)果

激光粒度儀通過分析、計(jì)算所測(cè)到的激光信號(hào)，可以獲得目標(biāo)位置被研究粒徑的粒子權(quán)重，并可得到液滴的粒徑分布圖和各種粒徑數(shù)值。圖3 所示為激光粒度儀的測(cè)量結(jié)果。圖3 中，橫坐標(biāo)為粒徑，μm；縱坐標(biāo)為粒子的權(quán)重，%。

圖3 激光粒度儀測(cè)量結(jié)果

從圖3 所示的測(cè)量結(jié)果可以看出，粒徑在5.4～360.3 μm 范圍內(nèi)，其中，處于100 μm 以下的粒子權(quán)重占到50%以上。試驗(yàn)結(jié)果還直接給出了索特平均直徑（SMD），圖3 中，SMD=69.93 μm。SMD 越小，說明油束霧化越細(xì)，霧化質(zhì)量越好。

3.2 采用數(shù)字激光全息技術(shù)對(duì)噴霧場(chǎng)粒度進(jìn)行測(cè)量

3.2.1 數(shù)字激光全息技術(shù)的理論研究

全息術(shù)的成像過程分為2 步：記錄全息圖、再現(xiàn)全息圖。再現(xiàn)后，還需要對(duì)全息圖進(jìn)行一系列的處理。

數(shù)字同軸全息系統(tǒng)的坐標(biāo)圖如圖4 所示，波長(zhǎng)為λ 的單位振幅單色平面平行光垂直入射粒子場(chǎng)，被粒子衍射的光波為物光波，經(jīng)過粒子場(chǎng)而沒有被衍射的光波作為參考光，在CCD 靶面上干涉而被記錄[2]。

圖4 數(shù)字同軸全息系統(tǒng)的坐標(biāo)圖

記錄在全息圖上的光場(chǎng)強(qiáng)度分布為：

式中：k=2π/λ；λ 為波長(zhǎng)，m；θ 為參考光的傳播方向與全息圖法線方向的夾角，°；o（x，y）為距物場(chǎng)z0處的記錄平面（x，y）上光場(chǎng)的復(fù)振幅；A、j 為比例系數(shù)；* 表示復(fù)共軛；o（x0，y0，z0）為任一層面z0上平面物體的振幅透過率，%。

用原參考波的共軛光波照射全息圖，在zr處再現(xiàn)像的光場(chǎng)復(fù)振幅分布為：

式中：t∝I（x，y）為全息圖的振幅透過率，%；zr為再現(xiàn)距離，cm。

計(jì)算式（1）、計(jì)算式（2）是衍射積分。也就是說，全息圖的數(shù)字再現(xiàn)是通過數(shù)字計(jì)算方法完成的。其實(shí)質(zhì)是利用Fresnel-Kirchhoff 衍射積分公式，數(shù)字模擬光學(xué)衍射過程。通常采用卷積算法實(shí)現(xiàn)同軸全息術(shù)的再現(xiàn)[3-4]。

3.2.2 試驗(yàn)光路圖

按圖5 所示的光路搭建試驗(yàn)系統(tǒng)。He-Ne 激光器的最大功率為14 mW，波長(zhǎng)λ=0.632 8 μm，經(jīng)擴(kuò)束準(zhǔn)直系統(tǒng)，變?yōu)橹睆綖?5 mm 的平行光束。

圖5 數(shù)字激光全息技術(shù)在粒子場(chǎng)上的應(yīng)用—試驗(yàn)光路圖

3.2.3 全息圖的再現(xiàn)

再現(xiàn)結(jié)果如圖6 所示。圖6a 為柴油噴霧粒子場(chǎng)的同軸數(shù)字全息圖，圖6b 為zr=32 cm 處的再現(xiàn)像，圖6c 為zr=34 cm 處的再現(xiàn)像，圖6d 為zr=36 cm處的再現(xiàn)像。

圖6 采用數(shù)字激光全息技術(shù)記錄的粒子場(chǎng)信息

從圖6 中的3 幅再現(xiàn)像尤其是圖中方框區(qū)域內(nèi)的粒子圖像可以明顯地看出，數(shù)字激光全息技術(shù)可以全面記錄粒子場(chǎng)的分布信息。采用數(shù)字激光全息技術(shù)獲得的圖像是三維的，通過改變?cè)佻F(xiàn)距離zr，可以得到相應(yīng)的粒子場(chǎng)分布。聚焦時(shí)，粒子清晰可見；離焦時(shí)，粒子有些模糊或無法從圖片中看到。也就是說，在一定條件下拍得的全息圖，對(duì)不同位置進(jìn)行聚焦，可以得到不同的粒子場(chǎng)信息。數(shù)字激光全息技術(shù)的這一優(yōu)勢(shì)是以往的測(cè)量手段無法比擬的。

3.2.4 再現(xiàn)像的處理

在得到噴霧粒子場(chǎng)再現(xiàn)像之后，要想得到粒徑信息，還需對(duì)圖像進(jìn)行處理。處理過程大致分為5步：濾除背景噪聲—二值化—邊緣提取—獲取粒徑信息—判焦，然后得到最終的粒徑信息。粒子場(chǎng)的全息圖和再現(xiàn)像都可以儲(chǔ)存在計(jì)算機(jī)中，使用起來非常靈活、便捷，也便于獲取粒子信息。

1）濾除背景噪聲。再現(xiàn)像中，聚焦粒子、離焦粒子、背景噪聲同時(shí)存在。所以，分析、測(cè)量粒子場(chǎng)之前，第一步就要去除背景噪聲。

采用自適應(yīng)維納濾波對(duì)背景噪聲進(jìn)行過濾。自適應(yīng)維納濾波又稱最小均方差濾波。

2）二值化。圖像二值化是用灰度變換來研究灰度圖像的一種常用方法，它最基本的目的是把目標(biāo)物體從圖像中提取出來。由于目標(biāo)物體和背景的灰度值存在差異，因此可以通過設(shè)定灰度閾值達(dá)到提取粒子（目標(biāo)物體）的目的。設(shè)置灰度閾值應(yīng)保證既能準(zhǔn)確提取粒子，又具有很強(qiáng)的抗背景噪聲能力。

當(dāng)設(shè)定了一個(gè)合適的灰度閾值后，就可以得到一副只存在粒子信息的黑白圖像。

3）邊緣提取。選用羅伯特（Roberts）邊緣算子提取邊界。

算子公式如下：

式中：f（x，y）為具有整數(shù)像素坐標(biāo)的輸入圖像。

羅伯特邊緣算子定位精度高，在水平和垂直方向效果均較好，但對(duì)噪聲敏感。

4）獲取粒徑信息。經(jīng)過Hough 變換，得到粒子的尺寸和位置信息。Hough 變換可以對(duì)圖像進(jìn)行某種形式的坐標(biāo)變換，經(jīng)過變換后，原圖中給定形狀的曲線上所有點(diǎn)都集中到變換空間某些位置上，形成峰點(diǎn)。它能夠查找任意曲線，在檢驗(yàn)已知形狀目標(biāo)方面具有受曲線間斷影響小和不受圖形旋轉(zhuǎn)影響的優(yōu)點(diǎn)。

5）判焦。Hough 變換之后，為去除離焦粒子對(duì)結(jié)果的影響，需要對(duì)再現(xiàn)像進(jìn)行灰度判焦，只把聚焦粒子的信息作為最后結(jié)果。

4 試驗(yàn)結(jié)果

表3 是柴油噴霧在脈寬為8 ms 時(shí)用數(shù)字激光全息技術(shù)測(cè)得的粒徑結(jié)果。

表3 柴油噴霧粒徑測(cè)量結(jié)果

從表3 可以看出，柴油噴霧場(chǎng)粒徑大致分布在24 μm～168 μm 這一范圍內(nèi)，100 μm 以下的噴霧場(chǎng)粒徑所占權(quán)重超過60%。因此，僅從表3 就可以估計(jì)出最終的噴霧場(chǎng)粒徑應(yīng)小于100 μm。（實(shí)測(cè)值：SMD=75.547 44 μm）

圖7 為柴油噴霧在脈寬為8 ms 時(shí)用數(shù)字激光全息技術(shù)測(cè)得的粒子權(quán)重分布，最終的索特平均直徑是SMD=75.547 44 μm。

圖7 柴油噴霧的粒子權(quán)重分布（數(shù)字激光全息測(cè)量結(jié)果）

從圖7 可以看出，粒子直徑主要分布在40～120 μm 之間，粒子權(quán)重分布最高峰所對(duì)應(yīng)的粒子直徑為110 μm。

圖8 為激光粒度儀在相同條件下對(duì)柴油噴霧粒徑測(cè)量的結(jié)果。

從圖8 可以看出，粒子主要分布在42.7～155.8 μm之間，粒子權(quán)重分布最高峰所對(duì)應(yīng)的粒子直徑為120～155.8 μm。最終的測(cè)量結(jié)果為：SMD=75.51 μm。這與采用數(shù)字激光全息技術(shù)得到的結(jié)果誤差為0.05%。由于采用數(shù)字激光全息技術(shù)測(cè)得的粒徑結(jié)果是用像素?cái)?shù)表示的，因而得到的粒徑是離散的。這是數(shù)字激光全息技術(shù)與激光粒度儀測(cè)量結(jié)果的差別所在，因此導(dǎo)致粒徑的分布有些許差異。

圖8 激光粒度儀對(duì)柴油噴霧粒徑測(cè)量的結(jié)果

比較圖7 和圖8 可以看出，利用數(shù)字激光全息技術(shù)測(cè)得的粒子場(chǎng)信息與激光粒度儀測(cè)得的結(jié)果是相符的。表明本文所提出的數(shù)字激光全息技術(shù)在內(nèi)燃機(jī)噴霧場(chǎng)上的應(yīng)用是可行的。

5 結(jié)論

1）本文使用基于夫瑯和費(fèi)衍射的粒度測(cè)量技術(shù)和數(shù)字激光全息技術(shù)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)噴霧場(chǎng)同一位置的粒徑進(jìn)行測(cè)量，從對(duì)比結(jié)果可以看出，用這2 種方法獲得的粒徑分布趨勢(shì)和峰值一致，獲得的粒徑索特平均直徑十分接近。

2）將2 種測(cè)量方法的結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，可以看出，數(shù)字激光全息技術(shù)在內(nèi)燃機(jī)噴霧場(chǎng)上的應(yīng)用是可行的。

3）采用數(shù)字激光全息技術(shù)獲得的圖像是三維的。對(duì)于噴霧全場(chǎng)的粒度分布來說，通過改變?cè)佻F(xiàn)距離zr，可以得到相應(yīng)的粒子場(chǎng)分布。也就是說，在一定條件下拍得的全息圖，對(duì)不同位置進(jìn)行聚焦，可以得到不同的粒子場(chǎng)信息。數(shù)字激光全息技術(shù)這一優(yōu)勢(shì)是以往的測(cè)量手段無法比擬的。

4）從再現(xiàn)像中得到粒徑信息需要對(duì)圖像進(jìn)行處理，采用的處理方法可有效識(shí)別出非圓液滴，大大提高了測(cè)量精度，這也是數(shù)字激光全息技術(shù)的一大優(yōu)勢(shì)。

5）重現(xiàn)和再現(xiàn)像的處理過程都是通過程序?qū)崿F(xiàn)的，使用起來方便、快捷。