一种基于荧光强度的液膜厚度动态测量系统技术方案

本发明专利技术涉及一种基于荧光强度的液膜厚度动态测量系统，包括液膜生成模块、光学照明模块、图像采集模块和图像处理模块；所述光学照明模块布置在由所述液膜生成模块产生的被采集液膜的正下方，用于照射所述被采集液膜，所述图像采集模块布置在所述被采集液膜的正上方，用于获取并储存所述被采集液膜产生的荧光信号，所述图像处理模块可以根据所述被采集液膜的荧光信号计算出所述被采集液膜的实际厚度。本发明专利技术采用发光二极管光源，降低了设备要求，并且具有结构简单、成本低、体积小和易操作等优点，而且光源尺寸、波长和功率等容易调节，能够实现对大面积和大厚度的运动液膜的可靠的动态厚度测量。的动态厚度测量。的动态厚度测量。

【技术实现步骤摘要】
一种基于荧光强度的液膜厚度动态测量系统


[0001]本专利技术涉及液膜厚度测量
，特别是涉及一种基于荧光强度的液膜厚度动态测量系统。

技术介绍

[0002]液膜在冷却、雾化、医药、化工和润滑等领域中具有广泛的应用，而液膜厚度对于液膜来说是一个非常重要的特征。比如在液膜冷却中，液膜厚度分布均匀可以避免出现局部“干斑”并且节约资源，而在燃油雾化中，液膜厚度分布决定了燃油粒径的空间分布，进而决定了发动机燃烧效率和尾气排放。此外，对液膜厚度变化的研究也是研究气液两相流界面波动机制的基础。因此，如何精确地测量液膜厚度分布是非常重要的研究内容。
[0003]目前，液膜厚度测量方法包括很多种，比如电容电导法、超声法和光学法等。电容电导法属于接触式测量，会对流动本身产生干扰，超声法容易对液膜波动机制产生干扰，而且测量频次受到衰减周期限制，而光学法由于具有非侵入特征受到广泛的应用。光学法又可以分为平面激光诱导荧光法、全内反射法、荧光强度法、光衰减法、光纤法等等。平面激光诱导荧光法只能测量一条线上的液膜厚度，全内反射法只能测量一个点上的液膜厚度，光衰减法受到溶液特性的限制，光纤法中需要多个光纤才能实多点测量，而且测量装置复杂，荧光强度法可以实现三维测量，但是想要对大面积和大厚度的液膜实现动态厚度测量，会对激光功率和稳定性提出很高的要求，进而导致测量设备非常昂贵。

技术实现思路

[0004]本专利技术的主要目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于荧光强度的液膜厚度动态测量系统，能够实现对大面积和大厚度的液膜进行非侵入地、动态地、准确地三维厚度测量。
[0005]本专利技术提供的基于荧光强度的液膜厚度动态测量系统具有这样的特征，包括：液膜生成模块、光学照明模块、图像采集模块和图像处理模块。
[0006]所述光学照明模块布置在由所述液膜生成模块产生的被采集液膜的正下方，用于照射所述被采集液膜，所述图像采集模块布置在所述被采集液膜的正上方，用于获取并储存所述被采集液膜产生的荧光信号，所述图像处理模块可以根据所述被采集液膜的荧光信号计算出所述被采集液膜的实际厚度。
[0007]所述液膜生成模块中液膜正上方或正下方的结构都是透明结构，以保证照射光和荧光的穿透。
[0008]所述液膜生成模块包括平面液膜标定装置和楔形液膜标定装置，所述平面液膜标定装置用于生成厚度均匀分布的平面液膜，所述楔形液膜标定装置用于生成厚度从0线性增加到最大厚度的楔形液膜。
[0009]所述光学照明模块包括：发光二极管光源、直流稳压电源、冷却风扇和光学扩散板，所述光源和光学扩散板都平行于所述被采集液膜，所述光源在经过其他元件的配合之
后，发射的照射光在时间上稳定，在空间上均匀。
[0010]所述光源是一个大面积的发光二极管灯，所述光源的面积能够覆盖整个所述被采集液膜，所述光源由多个相同的发光二极管灯珠组成，所述灯珠在所述光源的整个面积上等间距分布；
[0011]所述直流稳压电源给所述光源供电，降低电流波动对所述光源的影响；
[0012]所述冷却风扇给所述光源进行散热降温，降低环境温度对所述光源的影响；
[0013]所述光学扩散板是一块薄的半透明的半磨砂的有机玻璃板，所述光学扩散板位于所述光源和所述被采集液膜的中间，用于将所述光源的照射光进行漫射，降低所述光源照射光的光强的空间分布不均匀性。
[0014]所述图像采集模块包括：高速相机、镜头和滤镜，所述高速相机、镜头和滤镜都平行于所述被采集液膜；所述滤镜位于所述被采集液膜和所述高速相机之间，用来滤除照射光，保证只有荧光通过；所述镜头用于聚焦目标平面；所述高速相机用于接收并储存荧光信号，然后传输至图像处理模块。
[0015]所述图像处理模块包括设计好的图像处理程序，可以根据储存的所述被采集液膜的荧光信号强度计算出所述被采集液膜的实际厚度，计算液膜实际厚度的整个过程需要使用所述基于荧光强度的液膜厚度动态测量系统来完成以下步骤：
[0016](1)根据需要测试的液体，选择荧光染色剂，然后选择具有与荧光染色剂激发波长相同波长的发光二极管光源，再选择能够通过荧光染色剂发射波长而截止发光二极管光源波长的滤镜，接着配置出含有固定浓度的荧光染色剂的溶液，然后根据液膜在测试时的位置，调节液膜正下方的透明结构的空间位置，之后调整其他设备相对位置，校准水平和垂直，保证发光二极管光源、光学扩散板、液膜、滤镜、镜头和高速相机的中心在同一垂直线上，而且它们沿光线传播方向上都保持平行，且发光二极管光源和光学扩散板都位于液膜正下方，而滤镜、镜头和高速相机位于液膜正上方，再调整发光二极管光源、光学扩散板、液膜、滤镜、镜头和高速相机之间在沿光线传播方向上的相对距离，确保液膜接收到的照射光是均匀且稳定的，并且高速相机能够清晰地获取并储存液膜的二维荧光图像；
[0017](2)通过液膜生成模块中的平面液膜标定装置生成第一平面液膜，第一平面液膜厚度分布均匀，而且面积大，能够覆盖整个被采集液膜，通过图像采集模块记录第一平面液膜的瞬时荧光信号和瞬时背景信号，其中背景信号和荧光信号的唯一差异在于记录背景信号时标定装置中没有溶液，通过图像处理模块对第一平面液膜的瞬时荧光信号和瞬时背景信号进行时间平均去噪和背景信号减去处理，得到减去背景的荧光信号和减去背景的荧光信号所有像素点的平均强度值两者的比值即为照射光的光强空间分布不均匀性的修正系数M
EDC
，该修正系数可以用来修正照射光的光强空间分布不均匀性对液膜荧光信号的影响；
[0018](3)通过液膜生成模块中的平面液膜标定装置生成第二平面液膜，相对于第一平面液膜，第二平面液膜的唯一差异在于第二平面液膜上表面覆盖有不同厚度的玻璃盖板，通过图像采集模块记录第二平面液膜的瞬时荧光信号和瞬时背景信号，通过图像处理模块对第二平面液膜的瞬时荧光信号和瞬时背景信号进行时间平均去噪和背景信号减去处理，得到减去背景的荧光信号所有像素点的平均强度值然后可以得到一条平均强度值随玻璃盖板厚度δ变化的曲线，并拟合成荧光强度
‑
玻璃盖板厚度关系式，该关系式可以用来修
正当被采集液膜上表面覆盖的玻璃盖板厚度和楔形液膜上表面覆盖的玻璃盖板厚度不一致时对计算被采集液膜实际厚度产生的影响。
[0019](4)通过液膜生成模块中的楔形液膜标定装置生成楔形液膜，楔形液膜的厚度从0线性增加到最大厚度，通过图像采集模块记录楔形液膜的瞬时荧光信号和瞬时背景信号，通过图像处理模块对楔形液膜的瞬时荧光信号和瞬时背景信号进行时间平均去噪和背景信号减去处理，然后利用修正系数M
EDC
再进行照射光光强空间不均匀性修正处理，得到修正后的荧光信号得到然后得到一条荧光信号强度随液膜厚度变化的曲线，并拟合成荧光强度
‑
液膜厚度关系式，该关系式可以用来根据被采集液膜的荧光信号计算实际厚度。
[0020](5)通过液膜生成模块在透明结构上生成被采集液膜，通过图像采集模块记录被采集液膜的瞬时荧光信号和瞬本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于荧光强度的液膜厚度动态测量系统，其特征在于，包括：液膜生成模块、光学照明模块、图像采集模块和图像处理模块；所述光学照明模块布置在由所述液膜生成模块产生的被采集液膜的正下方，用于照射所述被采集液膜，所述图像采集模块布置在所述被采集液膜的正上方，用于获取并储存所述被采集液膜产生的荧光信号，所述图像处理模块可以根据所述被采集液膜的荧光信号计算出所述被采集液膜的实际厚度。2.根据权利要求1所述的液膜厚度动态测量系统，其特征在于，所述液膜生成模块中液膜正上方或正下方的结构都是透明结构，以保证照射光和荧光的穿透。3.根据权利要求2所述的液膜厚度动态测量系统，其特征在于，所述液膜生成模块包括平面液膜标定装置和楔形液膜标定装置，所述平面液膜标定装置用于生成厚度均匀分布的平面液膜，所述楔形液膜标定装置用于生成厚度从0线性增加到最大厚度的楔形液膜。4.根据权利要求1所述的液膜厚度动态测量系统，其特征在于，所述光学照明模块包括：发光二极管光源、直流稳压电源、冷却风扇和光学扩散板，所述光源和光学扩散板都平行于所述被采集液膜，所述光源在经过其他元件的配合之后，发射的照射光在时间上稳定，在空间上均匀。5.根据权利要求5所述的液膜厚度动态测量系统，其特征在于，所述光学照明模块包括：多个元件；所述光源是一个大面积的发光二极管灯，所述光源的面积能够覆盖整个所述被采集液膜，所述光源由多个相同的发光二极管灯珠组成，所述灯珠在所述光源的整个面积上等间距分布；所述直流稳压电源给所述光源供电，降低电流波动对所述光源的影响；所述冷却风扇给所述光源进行散热降温，降低环境温度对所述光源的影响；所述光学扩散板是一块薄的半透明的半磨砂的有机玻璃板，所述光学扩散板位于所述光源和所述被采集液膜的中间，用于将所述光源的照射光进行漫射，降低所述光源照射光的光强的空间分布不均匀性。6.根据权利要求1所述的液膜厚度动态测量系统，其特征在于，所述图像采集模块包括：高速相机、镜头和滤镜，所述高速相机、镜头和滤镜都平行于所述被采集液膜；所述滤镜位于所述被采集液膜和所述高速相机之间，用来滤除照射光，保证只有荧光通过；所述镜头用于聚焦目标平面；所述高速相机用于接收并储存荧光信号，然后传输至图像处理模块。7.根据权利要求1所述的液膜厚度动态测量系统，其特征在于，所述图像处理模块根据储存的所述被采集液膜的荧光信号计算出所述被采集液膜的实际瞬时厚度，计算所述被采集液膜的实际瞬时厚度的整个过程需要使用所述液膜厚度动态测量系统来完成以下步骤：(1)根据需要测试的液体，选择荧光染色剂，然后选择具有与荧光染色剂激发波长相同波长的发光二极管光源，再选择能够通过荧光染色剂发射波长而截止发光二极管光源波长的滤镜，接着配置出含有固定浓度的荧光染色剂的溶液，然后根据液膜在测试时的位置，调节液膜正下方的透明结构的空间位置，之后调整其他设备相对位置，校准水平和垂直，保证发光二极管光源、光学扩散板、液膜、滤镜、镜头和高速相机的中心在同一垂直线上，而且它们沿光线传播方向上都保持平行，且发光二极管光源和光学...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄勇，章宏宙，袁韦韦，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：