基于激光干涉仪的工业喷嘴喷雾角度测量方法_李明凯.pdf

第 44 卷第 3 期2023 年 3 月激光杂志LASE JOUNALVol.44，No.3March，2023http /www laserjournal cn收稿日期:20221005基金项目:河北省重点研发计划(No 20326602D)、天津市自然科学基金(No 18JCTPJC56600)、微光机电系统技术教育部重点实验室开放课题(No 2021)作者简介:李明凯(1997)，男，硕士研究生，主要研究方向:光电检测与光谱分析。魏永杰(1971)，男，博士，教授，主要研究方向:光电检测与光谱分析。基于激光干涉仪的工业喷嘴喷雾角度测量方法李明凯，魏永杰，张树日河北工业大学机械工程学院，天津300130摘要:喷雾角度是工业喷嘴的关键性能指标，如何精确地测量喷雾角度直接影响着工业喷嘴的应用效果及其发展潜力，为此，提出基于激光干涉仪的工业喷嘴喷雾角度测量方法。定义工业喷嘴喷雾角度(以射流边界辅助切线之间的夹角作为喷雾角度)，并以此为基础，引入激光干涉仪搭建工业喷嘴喷雾角度测量模型，确定喷雾角度测量公式。深入分析喷雾角度测量误差(环境误差与非线性误差)，通过恒温保障及其纯软件方式补偿环境误差与非线性误差，即可实现工业喷嘴喷雾角度的精确测量。实验数据显示:应用提出方法获得的喷雾角度测量灵敏度参数高于给定的标准阈值，喷雾角度测量误差低于最低限值，充分证实了提出方法喷雾角度测量性能较佳，能够满足现今工业喷嘴应用需求。关键词:激光干涉仪;工业喷嘴;喷雾角度;角度测量;雾化特性;测量误差中图分类号:TN691文献标识码:Adoi:10.14016/j cnki jgzz.2023.03.039Measurement method of industrial nozzle spray angle based onlaser interferometerLI Mingkai，WEI Yongjie，ZHANG ShuriSchool of Mechanical Engineering，Hebei University of Technology，Tianjin 300130，ChinaAbstract:The spray angle is the key performance index of the industrial nozzle How to precisely measure thespray angle directly affects the application effect and the development potential of the industrial nozzle Therefore，amethod of measuring the spray angle of the industrial nozzle based on the laser interferometer is proposed The sprayangle of the industrial nozzle is defined(the angle between the tangent lines of the jet boundary as the spray angle)，and based on this，a laser interferometer is introduced to establish the spray angle measurement model of the industrialnozzle，and the spray angle measurement formula is determined In depth analysis of spray angle measurement error(Environmental error and nonlinear error)，through the constant temperature protection and pure software to compen-sate for environmental error and nonlinear error，the accurate measurement of industrial nozzle spray angle can be a-chieved The experimental data show that the sensitivity of the spray angle measurement obtained by the proposedmethod is higher than the given standard threshold，and the measurement error of the spray angle is lower than the min-imum limit This fully confirms that the spray angle measurement method is better and can meet the application re-quirements of the industrial nozzleKey words:laser interferometer;industrial nozzle;spray angle;angle measurement;atomization characteristics;measurement error1引言工业喷嘴是多个领域作业的主要构成零件，承担着至关重要的作用。工业喷嘴主要安装在喷雾、喷砂等设备中，在不同设备中起着不同的作用，被广泛应用于冶金、石油、造纸等多个领域中1。例如，在冶金http /www laserjournal cn行业中，工业喷嘴是铸钢装置的关键构成零件，喷雾粒径尺寸主要由工业喷嘴喷雾角度决定，其直接关系着铸钢的质量。而在其他应用领域中，喷雾角度也是工业喷嘴主要应用效果的决定因素。经过上述分析可知，工业喷嘴喷雾角度测量对其应用性能的影响巨大，如何对其进行精准的测量，是工业喷嘴应用与发展亟待解决的问题之一2。针对工业喷嘴，其角度是关键的性能指标。在实际情况下，工业喷嘴喷雾角度容易受到风速、喷射压力等外界环境的影响，使获得的工业喷嘴喷雾图像呈现不规则特征，导致喷雾角度测量存在着较大的难度，对于喷雾角度的定义也没有固定、统一的标准。就现有研究成果来看，使用较为广泛的工业喷嘴喷雾角度测量方法主要为积水容器法、三角法及其照相法3。虽然上述三种方法应用范围较为广泛，操作步骤简单，但是由于人为误差、判断标准等因素的影响，在重复性应用过程中，无法保证工业喷嘴喷雾角度的测量精度，制约了工业喷嘴的应用与发展，故提出基于激光干涉仪的工业喷嘴喷雾角度测量方法，希望通过激光干涉仪的应用，最大限度地降低喷雾角度测量误差。2工业喷嘴喷雾角度测量方法研究2.1工业喷嘴喷雾角度定义为了精准测量工业喷嘴喷雾角度，首要任务即确定工业喷嘴喷雾角度定义4。此研究以工业喷嘴喷出的射流边界明显直线部分为依据，以辅助切线之间的夹角作为喷雾角度，具体如图 1 所示。图 1工业喷嘴喷雾角度定义示意图如图 1 所示，代表工业喷嘴喷雾角度，aL与 a代表左右明显射流边界辅助切线的斜率5。则工业喷嘴喷雾角度计算公式为=180arctanaLarctan(a)(1)上述过程完成了工业喷嘴喷雾角度的定义，并构建喷雾角度计算公式，为后续工业喷嘴喷雾角度测量模型搭建打下坚实的基础。2.2工业喷嘴喷雾角度测量模型构建在实际应用过程中，工业喷嘴射流边界很难找到，这也是喷雾角度测量中的难点，故此研究以上述定义的工业喷嘴喷雾角度为基础，引入激光干涉仪，搭建工业喷嘴喷雾角度测量模型6。激光干涉仪与多种反射镜、折射镜配合使用，能够有效地测量角度与速度，也能够校正测量仪器的误差，具有空间同调性、高度方向性、高强度等优势，是现今角度、速度测量主要应用器件之一7。激光干涉仪原理图如图 2 所示。图 2激光干涉仪原理图如图 2 所示，在激光干涉仪应用过程中，需要对光反馈影响变量进行忽视，以此来降低提出方法的运算量，提升工业喷嘴喷雾角度测量效率8。以图 2 所示原理为准，搭建激光干涉仪简化模型，表达式为v=v0I=I0(1+mcos)(2)式(2)中，v 与 v0分别表示有光反馈与无光反馈时对应的激光频率值;I 与 I0分别表示有光反馈与无光反馈时对应的激光强度值;m 表示调制系数;表示激光干涉仪外腔引起的相位变化值，由=4L计算而得，L 表示激光干涉仪外腔的长度，表示激光干涉仪的输出波长。应用激光干涉仪后，即使喷雾角度发生微小变化，发射点也会发生相应的变化(由 A 变为 A)，激光干涉仪外腔长度也会产生变化量，从而影响激光干涉04李明凯，等:基于激光干涉仪的工业喷嘴喷雾角度测量方法http /www laserjournal cn仪输出光强的变化，获得喷雾角度计算模型9。激光干涉仪外腔长度变化量计算公式为L=AA=hrtan2()tanhtan(3)式(3)中，L 与 AA表示激光干涉仪外腔长度变化量;h 表示图 2 中 AB 的距离;r 表示中心 O 到反射面的距离;表示工业喷嘴喷雾角度变化值。则最终激光干涉仪输出光强表达式为I=I01+mcos4L0+4h()()(4)由公式(4)可以看出，激光干涉仪可以精确地测量出喷雾角度微小变化值，从而满足工业喷嘴喷雾角度实时测量的需求。2.3喷雾角度测量误差分析以上述搭建的工业喷嘴喷雾角度测量模型为依据，调查研究可知:喷雾角度测量过程中，由于环境、机械等多种因素的影响，致使喷雾角度测量存在着误差，极大地影响着喷雾角度测量精度，故此研究针对测量误差进行深入的分析，为后续误差补偿做准备10。工业喷嘴喷雾角度测量过程中，激光干涉仪中的光源、分光镜、旋光器等器件均能成为非线性误差源，此研究以分光镜与旋光器为例，深入分析非线性误差11。其中，分光镜光路结构如图 3 所示。图 3分光镜光路结构示意图如图 3 所示，设定进入分光镜的激光矢量为E=exp i(t+0)(5)式(5)中，表示分光镜激光矢量计算辅助参数;i 表示激光发射的次数;表示分光镜占据的权重数值;t表示激光发射的时间;0表示激光发射的初始相位。经过波片及其两次反射后，进入分光镜的激光矢量表达式为E1=exp it+4L1+0()E2=exp it+4L2+0()(6)式(6)中，E1与 E2分别表示第一次反射与第二次反射后，进入分光镜的激光矢量;L1与 L2分别表示第一次反射与第二次反射过程中激光平均光程;0由0+2计算而得12。由公式(6)可知，经过分光镜的多次反射，激光矢量存在着随机的衰减现象，从而产生工业喷嘴喷雾角度的测量误差13。旋光器的旋光角度极易出现偏差，射出激光进入分光镜时，会出现偏振混叠，从而造成喷雾角度测量误差14。设置旋光器角度偏差为，其射出激光可以表示为ESx=Excos+EysinESy=Exsin+Eycos(7)式(7)中，ESx与 ESy表示旋光器射出激光 ES在 x 轴与y 轴上的分量;Ex与 Ey表示 x 轴与 y 轴上的激光矢量分量总和。通过上述过程完成了喷雾角度测量过程中非线性误差的深入分析，为后续误差的补偿以及喷雾角度测量精度的提升提供支撑15。2.4喷雾角度测量误差补偿以上述喷雾角度测量误差分析结果为依据，分别对测量过程中产生的环境误差及其非线性误差进行补偿，以此来获取更加精准的工业喷嘴喷雾角度测量结果，为工业喷嘴的应用与发展提供动力16。其中，激光干涉仪应用过程中，激光以空气为介质，激光波长会随着空气折射率发生变化，而空气折射率由环境的温度、湿度、气压等相关参数决定17。角度测量过程中，激光波长表达式为=0s(8)式(8)中，0表示真空中的激光波长;s表示空气折射率。依据现有文献研究可知，对空气折射率影响最大的因素为温度，故在角度测量过程中，尽量保证恒温条件，即可实现环境误差的补