基于数字图像全息干涉法测量液相扩散系数的研究

论文摘要

在传递现象的研究中,全息干涉法已被公认为一种最直观有效的方法。由于具有精度及灵敏度高、信息量大、无干扰、可进行瞬态测量和整场观察等优点,已被广泛应用于流场中诸如速度、温度、浓度和密度等的许多物性参数的定性或定量测量。液相分子扩散系数是描述质量传递的最重要的物性参数之一,由于缺乏精确的理论预测方法,迫切需要开发一种精密测试技术以满足实际应用和理论验证的需要。本文从理论和实验两方面详细探讨了数字图像实时全息干涉法的原理及其在液相扩散系数测量方面的应用。主要内容包括:（1）从理论上,查阅了大量与液相扩散系数相关的文献,认真总结并比较前人实验方法的优点和不足,确定了使用数字全息激光干涉法测量液相质扩散系数。（2）从理论上,讨论了全息术重建的数学基础——傅立叶变换的基本理论,详细阐述了光学全息术记录与再现、数字全息术记录与再现的基本理论;结合角谱理论,讨论了数值再现方法——频谱变换法再现物场的理论基础和实现过程。（3）从实验上,在研究传统光学实验系统的基础上,设计并搭建了基于数字图像全息干涉法测量液相质扩散系数的实验系统;设计新型的扩散槽系统,使得待测物质的分界面更加清晰;在扩散槽底部设计了锥形的整流栅,使用了新的注液方法,减小了注液时的扰动,提高了实验精度;引入了循环水浴温度控制系统,控温精度在±0.1K,使实验能够在严格的温度要求下实现流体质扩散系数的测量。（4）针对全息图记录中低的CCD分辨率,合理地分析了实验条件,完成了应用CCD直接记录全息干涉条纹图的实验设计。介绍了数字全息的实现途径,利用MATLAB语言编写了全息图的数字处理程序,对记录的全息图进行分析处理,清晰再现出了干涉条纹图。最后,利用该系统测定了浓度为0.33mol·L-1的KCL水溶液在298.15K、294.7K、298.8K、299.8K、305.4K、308.5K和315.2K条件下的质扩散系数,实验结果表明实验值和文献参考值之间相对偏差绝对值的平均数为1.3%,验证了实验系统的精确性和可靠性。最后,在此系统上测量了浓度为0.1mol·L-1的蔗糖水溶液在从288.15K到338.15K的温度范围内的质扩散系数。为测量工程上急需的新型燃料替代工质和新型制冷剂替代工质的质扩散系数提供了一种新的有效方法。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 液相扩散系数研究背景及意义
• 1.2 液相扩散系数研究方法及国内外研究现状
• 1.2.1 膜池法
• 1.2.2 Taylor 分散法
• 1.2.3 核磁共振法
• 1.2.4 光干涉法
• 1.2.5 其它测量液相扩散系数的方法
• 1.3 激光全息干涉法在测量液相扩散系数方面的应用
• 1.3.1 二次曝光全息干涉法
• 1.3.2 实时全息干涉法
• 1.3.3 数字全息干涉法
• 1.4 数字全息相关技术
• 1.4.1 电耦合器件CCD
• 1.4.2 MATLAB 语言简介和数字图像处理
• 1.4.3 二维傅立叶变换的基本理论
• 1.5 本论文主要研究内容
• 第二章 全息干涉法测量液相扩散系数基本原理
• 2.1 全息干涉简介
• 2.1.1 全息术
• 2.1.2 数字全息术
• 2.1.3 光学全息干涉
• 2.1.4 数字全息干涉
• 2.1.5 数字全息干涉的特点
• 2.1.6 全息干涉必要条件
• 2.1.7 液相扩散系数的实时全息干涉法测量原理
• 2.2 实时全息干涉法测量液相浓度场相关理论
• 2.2.1 全息干涉条纹与折射率的关系
• 2.2.2 溶液浓度、折射率以及物光相位变化之间的关系
• 2.2.3 液相扩散系数计算公式推导
• 2.3 本章小结
• 第三章 数字全息的基本原理及再现像处理
• 3.1 光学全息原理
• 3.1.1 光学全息记录
• 3.1.2 光学全息再现
• 3.2 数字全息原理
• 3.2.1 数字记录
• 3.2.2 数字再现
• 3.3 数字全息的实验条件和数字全息图处理的基本问题
• 3.3.1 物光频谱信息的分离
• 3.3.2 参考光与物光夹角的选择
• 3.3.3 数字全息记录距离的选择
• 3.3.4 傅立叶变换及频谱滤波
• 3.3.5 相位展开
• 3.4 本章小结
• 第四章 数字全息干涉法测量液相扩散系数实验装置及操作方法
• 4.1 激光全息干涉系统
• 4.2 液－液传质扩散系统
• 4.3 循环水域温度调节系统
• 4.4 图像采集存储系统
• 4.5 实验步骤及注意事项
• 4.5.1 实验步骤
• 4.5.2 实验注意事项
• 4.6 本章小结
• 第五章 数字全息干涉法测量液相扩散系数实验数据处理和分析
• 5.1 数字全息干涉图像的处理
• 5.1.1 图像的采集、存储
• 5.1.2 全息图的预处理
• 5.1.3 全息图的频谱域滤波
• 5.1.4 再现数字全息干涉条纹
• 5.1.5 数字全息干涉图的后处理
• 5.2 实验系统精确性和可靠性验证
• 5.3 误差来源分析
• 5.4 结论
• 结论和展望
• 1. 结论
• 2. 展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文
• 致谢