1.碳黑团聚体一次粒径分布和热适应系数同时测量装置,其特征在于,包括:激光器、半波片、薄膜偏光片、柱面镜、光圈、碳黑颗粒气溶胶化装置、束流收集器、消色差透镜、带通滤波器、光电倍增管、示波器,以及数据采集处理系统;
光电倍增管和束流收集器的输出端口连接至示波器的输入端;示波器信号输出端连接至数据采集处理系统;
激光器出射脉冲激光,激光经过半波片和薄膜偏光片后射在第一柱面镜上,第一柱面镜反射光线经过光圈后并经过第二柱面镜后聚焦在碳黑气溶胶化装置的测量点处,部分激光能量透射穿过测量颗粒后被束流收集器收集并转换为电压信号输入到示波器,测量点处的碳黑团聚颗粒系统被脉冲激光激发,颗粒系统的温度先迅速升高,随后降至环境温度,期间碳黑团聚颗粒系统发射的炽光信号通过一对消色差透镜后被光电倍增管采集;一对消色差透之间设置有带通滤波器。
2.根据权利要求1所述的碳黑团聚体一次粒径分布和热适应系数同时测量装置,其特征在于,所述激光器出射的激光经过一个半波片和两个薄膜偏光片后射在第一柱面镜上。
3.根据权利要求2所述的碳黑团聚体一次粒径分布和热适应系数同时测量装置,其特征在于,所述激光器为钇铝石榴石晶体激光器。
4.根据权利要求1、2或3所述的碳黑团聚体一次粒径分布和热适应系数同时测量装置,其特征在于,数据采集处理系统为一台计算机。
5.碳黑团聚体一次粒径分布和热适应系数同时测量方法,其特征在于,所述方法包括以下步骤:
步骤一:调整激光器的激光通量,出射脉冲激光通过半波片、薄膜偏光片、光圈后被柱面镜聚焦在碳黑气溶胶化装置的测量点处,部分激光能量透射穿过测量颗粒后被束流收集器收集并转换为电压信号输入到示波器,测量点处的碳黑团聚颗粒系统被脉冲激光激发,颗粒系统的温度先升高,随后降至环境温度,期间碳黑团聚颗粒系统发射的炽光信号通过消色差透镜、带通滤波器和光电倍增管后,将其中l1和l2波长下的颗粒时域激光诱导炽光光学信号转换为两组电压信号输入示波器,示波器将电压信号转为数字信号输入数据采集处理系统,最终得到l1和l2波长下的颗粒时域激光诱导炽光信号的实验值sexp(l1)和sexp(l2);
步骤二:将碳黑一次粒径分布和热适应系数的第g代预测值xest输入简化时域激光诱导炽光模型,得到波长l1和l2处的时域激光诱导炽光信号的预测值sest(l1)和sest(l2);
步骤三:根据预测值sest(l1)和sest(l2)相对于实验值sexp(l1)和sexp(l2)的相对误差计算适应度函数值f;
步骤四:如果f既不小于预期精度eps且迭代数g也尚未达到预期的最大迭代数max,则迭代进入第g+1代,协方差矩阵适应进化策略算法根据f生成碳黑一次粒径分布和热适应系数的第g+1代预测值xest,重复步骤二和步骤三直到f小于预期精度eps或迭代数g达到预期的最大迭代数max,进入步骤五;
步骤五:反演迭代求解过程结束,将最后一代的碳黑一次粒径分布和热适应系数预测值作为最终结果输出。
6.根据权利要求5所述的碳黑团聚体一次粒径分布和热适应系数同时测量方法,其特征在于,所述步骤二的具体过程包括以下步骤:
简化激光诱导炽光模型如下:
t时刻碳黑颗粒温度的时间微分方程:
其中t(tj)是tj时刻颗粒的温度;cs是碳黑颗粒的比热容;ρs是碳黑颗粒的密度;dp是碳黑颗粒的直径;qabs是由于吸收激光能量导致的颗粒能量变化;qcond是由于对环境气体热传导导致的颗粒能量变化;
吸收激光能量导致的颗粒能量变化qabs为:
其中λinc是入射激光波长;e(λinc)是碳黑颗粒在入射激光波长下的吸收函数,;f为入射激光通量;q(tj)是激光时间变化函数;
对环境气体热传导导致的颗粒能量变化qcond:
其中αt,f是融合了所有分形参数影响的热适应系数;pa是环境气体压力;rm是有效质量单位下的通用气体常数;ta是环境气体温度;wa是环境气体的分子量;γ是环境气体的热容量比;
tj时刻li波长下碳黑颗粒的归一化激光诱导炽光信号的预测值sest(li,tj):
其中h是普朗克常数;c是空气中的光速;kb是玻尔兹曼常数;λi是第i个测量波长;f(dp)是碳黑一次粒子直径为dp时的对数正态分布概率,其表达式为:
其中dp,g是对数正态分布的几何平均直径;σd,g是对数正态分布的几何标准差;
将碳黑一次粒径分布和热适应系数的第g代预测值xest=[dp,g,σd,g,αt,f]代入上述五个方程,联立求解即可得到t1到tn时刻λ1和λ2波长下的碳黑颗粒时域激光诱导炽光信号的预测值sest(λ1)和sest(λ2);sest(λ1)=[sest(λ1,t1),sest(λ1,t2),…,sest(λ1,tn)],sest(λ2)=[sest(λ2,t1),sest(λ2,t2),…,sest(λ2,tn)]。
7.根据权利要求6所述的碳黑团聚体一次粒径分布和热适应系数同时测量方法,其特征在于,所述激光时间变化函数q(tj)为标准偏差σlaser=3.3ns的高斯分布。
8.根据权利要求6所述的碳黑团聚体一次粒径分布和热适应系数同时测量方法,其特征在于,所述测量波长中的第1个测量波长λ1=780nm,第1个测量波长λ2=1064nm。
9.根据权利要求6所述的碳黑团聚体一次粒径分布和热适应系数同时测量方法,其特征在于,所述t1为激光发射后第20ns,tn为激光发射后第276ns。
10.根据权利要求6、7、8或9所述的碳黑团聚体一次粒径分布和热适应系数同时测量方法,其特征在于,步骤三所述适应度函数定义如下:
其中sexp(λi,tj)和sest(λi,tj)分别是λi波长下第tj时刻的激光诱导炽光信号的实验值和预测值;m是信号总的测量波长数;n是总的测量时刻数;下标i和j分别指第i个波长和第j个时刻。