基于米氏理论反演的散射光偏振比粒径测量法研究

The on-line diagnostic of particles including powders, droplets and bubbles has been widely applied to many research and industrial fields such as chemical engineering, medicine, energy, and environmental engineering etc. To realize the fast acquisition and effective control of the size, concentration and velocity of particles can be a significant technical breakthrough for both laboratory work and engineering application. In the current project, a particle sizing method through image processing of the polarized particle images is proposed. The two polarized components of scattered light from the target particle group are separated from each other to form two polarized images of particles on the same CCD. Through image processing, the polarization ratio of the scattered light is determined, given which inverse calculation is performed based on Lorenz-Mie Theory. Attribute to its working principle, this particle sizing method based on polarization ratio analysis can realize fast on-line diagnostic with good anti-interference. Moreover, it can be combined with particle image velocimetry to perform a simultaneous acquisition of particle velocity, which may provide a valuable technique for the research field of particle diagnostic.

固体颗粒、液滴、气泡等微粒的实时在线检测技术已广泛应用于化工、医药、环保、动力和大气等领域，有效地测量与控制这些微粒的粒度、浓度和流速等微粒特性对控制环境污染、提高能量利用率、降低能耗等具有重要意义。本项目提出一种基于米氏理论的散射光偏振比粒径测量法，通过光路设计将粒子群散射光两偏振分量分离，使其在CCD上分别成像而后经图像处理确定偏振比，结合多角度多波长测量并基于修正的米氏散射参数计算结果，采用粒子群优化算法进行粒径反演，寻找最优粒径分布。项目使用粒径范围为0.5μm-10μm的标准聚苯乙烯球形粒子进行测试，验证实验方案准确度并探讨有效测量次数对反演结果精度的影响。基于图像处理的散射光偏振比粒径测量法因其原理特点，能实现快速的在线测量，抗干扰性强，并且可与粒子图像测速相结合对颗粒速度场进行同步测量，对全面认识颗粒特性及各行业工程实际中的颗粒测试有重大的意义。

随着全球经济的快速发展，流场中固体颗粒、液滴、气泡的实时在线检测技术已广泛应用于化工、医药、环保、动力，大气等领域，有效地测量与控制这些微粒的粒度对控制环境污染、提高能量利用效率、降低能源消耗等具有重要意义。在已有的颗粒检测技术中，光学方法在二相流场的研究和工程实际中有其不可取代的优势，因其能实现快速实时无干扰的场测量并易于与其他测量方式相结合实现两种甚至两种以上参数的同时获取，近些年来更是得到广泛关注。因此目前国内外针对流场测试技术的研究主要集中在可实现同步测量的光学场测量方案上。散射光偏振比粒径测量法的优势在于不仅可以实现实时快速的无干扰性在线测量，也因为其测量依据的是散射光偏振分量的相对值，从而降低了对于粒子场图像的清晰度的要求，加上其紧凑的光路设计，使此方法有望应用于实际的工程实践中复杂的二相流场颗粒物粒径的测量，并且可以与流场其他参数测量如速度测量和折射率测量相结合，实现颗粒多参数同步测量，具有良好的应用前景。本项目工作内容主要包括：建立理论模型，基于米氏散射理论对颗粒散射光电磁场进行求解，得到不同实验条件下粒子散射光偏振比随粒径参数及观测角度的变化，同时设计实验光路，以达到分离散射光两正交偏振分量使其同时到达CCD成像的目的。继而通过粒子图像分析得到散射光偏振比的实验值，并基于米氏散射理论求解进行粒径反演得到目标粒径分布函数。在研究中采用标准乳胶粒子对散射光偏振比粒径测量法的测量准确度进行校核验证，得到了较好的结果。将散射光偏振比粒径测量法应用于较复杂的实际二相流场的检测，如喷雾在空气中自然分散的研究，也取得了合理的可靠的结果。其中图像处理程序也被应用于汽车行人碰撞的理论研究，以及汽车车身设计流场分析。截至申请结题日，已基于相关研究成果发表了2篇SCI论文，2篇国际会议论文（EI收录），并申请了3项国内发明专利，已获批3项实用新型专利，投稿1篇SCI论文。

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