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模型位姿变化对荧光油膜测厚精度的影响.docx
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模型位姿变化对荧光油膜测厚精度的影响.docx
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摘要
基于紫外诱导荧光的油膜厚度测量方法已被广泛应用于风洞油流实验,但在动态风洞实验
中,承载荧光油膜的模型的位姿变化将会影响油膜厚度测量的精度。在紫外激发光源一次照
明与油膜直接成像场景中,对模型位姿变化带来的成像荧光强度误差进行了理论及实验分
析。研究了当被测模型发生平移和倾斜时,模型表面的辐照特性、接收荧光强度及成像接收
荧光强度的变化,并利用成像荧光强度误差来表征油膜厚度测量精度。分析结果表明,当模
型平移时,油膜厚度测量误差与平移距离有关,平移距离越大,误差越大。当模型小角度(-
4°~4°)倾斜时,油膜厚度测量的相对误差小于 1%。
Abstract
The method of oil film thickness measurement based on ultraviolet-induced fluorescence
technology has been widely used in wind tunnel oil flow tests. However, pose change of
the model bearing the fluorescent oil film will affect the accuracy of oil film thickness
measurement in dynamic wind tunnel tests. In the scene of primary illumination of
ultraviolet excitation light source and direct imaging of oil film, the error in the imaging
fluorescence intensity caused by the model pose change is analyzed theoretically and
experimentally. The changes in the radiation characteristics, received fluorescence
intensity, and imaging received fluorescence intensity of the model surface are
investigated when the measured model is translated or tilted. The accuracy of oil film
thickness measurement is represented by the error of the imaging fluorescence intensity.
The analysis results show that the error in the oil film thickness measurement depends
on the translation distance, and a longer translation distance results in a larger error
when the model translates. The relative error of oil film thickness measurement is less
than 1% when the model takes on a small-angle tilt (-4°--4°).
1 引言
当紫外光或波长较短的可见光照射到某些物质时,这些物质会发射出各种颜色和不同强度的
可见光。然而,当光源停止照射时,光线会随之消失。其中,在激发光源诱导下产生的光被称
为荧光
[1]
,相关的物质被称为荧光物质。荧光物质被激发光源照射后发出荧光的现象被称为
诱导荧光。诱导荧光技术可利用荧光的激发特性进行物体表面的流动测量,其具有显示直
观、成本低的优点。
诱导荧光技术已被广泛应用于生物
[2]
、化学
[3]
、环境
[4]
、食品
[5]
等多个领域中。除此之外,诱
导荧光技术还被用于内燃机可视化研究
[6-7]
、风洞中油流法流场显示技术研究
[8-10]
、火焰场
结构特性研究
[11-13]
等。基于诱导荧光的油膜厚度测量技术在这些应用与研究中扮演着重要
的角色。陆宵露等
[14]
将激光作为诱导荧光激发光源,通过标定实验得到了将荧光信号转化为
油膜厚度的方法,并对石英平板上的油膜厚度进行了测量。结果表明,采用诱导荧光显示法
测量油膜厚度是可行且有效的。Schubring 等
[15-16]
提出了一种平面激光诱导荧光(PLIF)的方
法,可实现向上的空气-水环形流动中液膜的直接可视化,进而实现了对液膜厚度的测量。
Hidrovo 等
[17]
提出了发射再吸收激光诱导荧光(ERLIF)的油膜厚度测量方法,并利用两种荧光
染料,对厚度为 5~40 μm 的薄膜进行了测量。结果表明,该方法的测量精度可达 1%。崔永
强等
[18]
提出了一种基于激光诱导荧光(LIF)检测技术的反演算法,可用于测量较厚的油膜(油
膜厚度不小于 20 μm),并对不同厚度的原油和白油的混合油(体积分数比例为 1∶50)进行了
测量。结果表明,在混合油膜厚度不大于 800 μm 时,该方法测量精度较高。
测量精度是衡量基于诱导荧光的油膜厚度测量技术研究与改进效果的重要标准。在实际应
用中,测量精度与测量条件和测量过程有关。Hidrovo 等
[19]
研究了荧光强度与激发强度的非
线性行为对发射再吸收激光诱导荧光误差的影响,并提出了一种基于幂律的荧光强度非线性
近似方法来提高测量精度。Häber 等
[20]
研究了全反射现象对液膜厚度测量的影响,研究结果
表明,全反射现象会导致均匀液膜厚度的测量结果偏离实际值约 30%。
在静态测量中,承载油膜的模型总是固定不变的。然而,在动态风洞实验中,为了有效检验模
型的气动特性,被测模型将发生一定程度的平移、偏转等姿态变化,这也会引起测量误差。
本文基于风洞中受激荧光油膜的厚度测量模型,进行了模型位姿变化对紫外诱导荧光油膜厚
度测量结果影响的理论误差分析和实验研究,这样不仅可以减小或消除测量误差,让测量结
果更加精确,还可以促进诱导荧光技术更好地应用于风洞实验测量研究。
2 基本原理
光在物质中传播时,存在被吸收的现象。根据比尔-朗伯吸收定律
[21]
,随着光进入物质深度的
增加,光的强度在指数式衰减。在特定照射光波长下,每个像素对应的薄膜微元的横截面积
为 A、厚度为 h,则荧光辐射强度
[17]
为
F=IeεCϕAh=IsεCϕAhexp(−εCd),(1)F=IeεCϕAh=IsεCϕAhexp(-εCd),(1)
式中:I
e
为距离液体薄膜表面 d 处的微元接收到的激发光辐照强度;I
e
εC 为单位面积上荧光物
质吸收的总能量;ϕ 为量子效率,表示激发的荧光能量与吸收的激发光源能量的比例;I
s
为液膜
表面(即 d=0)处的光辐照强度;C 为液膜中荧光物质的浓度;ε 为荧光物质的分子吸收系数,该
系数与波长相关。在风洞中利用诱导荧光显示的方法进行油膜厚度测量,此时油膜的厚度通
常在微米量级,故辐照光源在油膜中传输时几乎不会被吸收。因此,可将 (1) 式中的荧光辐
射强度简化为
F≈IsεCϕAh,(2)F≈IsεCϕAh,(2)
由(2)式可知,在固定的受激荧光成像系统中,当其他条件相同时,薄膜微元的荧光辐射强度 F
与薄膜微元的厚度 h 成正比。因此,在理想情况下,当标定荧光辐射强度与厚度的比例系数
后,根据静止模型表面上油膜的荧光成像强度便可测量出相应的油膜厚度。同时,可利用荧
光成像强度误差来表征油膜厚度的测量精度。
在传统油流实验中,通常将激光作为诱导荧光激发光源,但是紫外激光器的价格较为昂贵,此
时成本较高。由于紫外发光二极管(LED)具有结构简单、能量效率高、成本较低等优点,故
在风洞实验中将紫外 LED 作为激发光源进行油膜厚度测量,测量模型如图 1 所示。其中,紫
外 LED 线阵对称均匀地摆放在模型和相机之间,模型与相机所在平面与 LED 阵列所在平面
相互垂直,并且相机和 LED 阵列的位置固定不变。在测量过程中,紫外 LED 阵列在垂直于模
型表面方向上进行均匀照明。当承载荧光油膜的模型位姿相对初始静止状态发生变化时,油
膜厚度的测量将会产生误差。其中,模型位姿变化主要包括模型位置的平移(即模型靠近或
远离 LED 光源)和倾斜。
根据(2)式,在固定的受激荧光成像系统中,当承载荧光油膜的模型位姿发生平移或倾斜时,虽
然油膜和荧光物质的物理化学特性不发生变化,但是液膜表面处的紫外辐照强度 I
s
、每个像
素对应的薄膜微元的横截面积 A 将会发生变化。I
s
和 A 的变化将引起荧光物质接收到的紫
外照射能量以及荧光成像接收能量的改变,进而导致成像荧光强度的结果产生误差。
图 1. 风洞中受激荧光油膜测厚模型
Fig. 1. Model of stimulated fluorescence oil film thickness measurement in wind
tunnel
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