一种实现密闭腔体内喷雾形状检测和成像的系统及方法与流程

本发明涉及无损检测技术，特别是涉及一种实现密闭腔体内喷雾形状检测和成像的系统及方法。

背景技术

1929年p.a.m.狄拉克预言了正电子的存在，1932年c.d.安德森用云室研究宇宙射线时发现了正电子。中国物理学家赵忠尧在此之前(1929～1930)曾观测到重元素对硬γ射线有反常的吸收，并伴随放出能量大约为5.50×10⁵电子伏的光子，后来被证实为正、负电子对的产生和随后正电子的湮没辐射。正电子湮灭是指正电子与电子相遇后一起消失而放出光子的过程。正电子是电子的反粒子，它的质量和电荷量与电子相同，但电荷符号相反。

正电子湮灭技术发端于上个世纪六十年代，该技术通过探测正电子与材料中电子湮灭时所发射出的γ光子，来研究材料的电子结构、缺陷结构等。它制样方法简便，适应的材料广泛，通过γ光子带出信息有利于现场测量特点，在材料科学、医学等领域得到了越来越广泛的应用。随着探测器技术水平的不断提高，在工业领域也呈现出很好的应用前景。但在无损检测领域正电子湮没技术的应用还比较少，更未涉及对发动机内喷嘴中喷出油雾形状的无损检测及成像。

发动机是一种能够把其它形式的能转化为机械能的机器，包括如内燃机(汽油发动机等)、外燃机(斯特林发动机、蒸汽机等)、电动机等。对于使用燃油(汽油、煤油等)作为能源的发动机，其燃油通过喷嘴进入气缸。它的喷雾特性包括雾化粒度、油雾分布、油束方向、射程和扩散锥角等，这些特性及燃油喷出后在燃烧室的分布应符合柴油机燃烧系统的要求，以使混合气形成和燃烧完善，并获得较高的功率和热效率。不佳的喷雾特性影响系统工作的安全性、会造成油液的浪费、增加机器的停工时间、降低生产效率、增加生产成本，所以对发动机内部的喷雾特性检测是十分重要的。

由于发动机缸体都是金属材料，设备在运行过程中，人们很难从外面观察到它内部的情况。目前，并没有对发动机缸体内喷油雾化形态进行无损检测的方法，现有的常用检测方法有射线检测、超声波检测等，这类检测方式或在检测时会破坏发动机内部的静态特性，或对形态结构复杂的设备难以检测。

技术实现要素：

发明目的：为解决现有技术的不足，提出一种实现密闭腔体内喷雾形状检测和成像的系统及方法。

技术方案：本发明提供了一种实现密闭腔体内喷雾形状检测和成像的系统，包括发动机、γ光子探测器、γ光子屏蔽环以及成像设备，所述发动机油缸中有被标记的载体溶剂混合物，该载体溶剂混合物包括载体溶剂、放射性核素以及燃烧残余物去除剂；所述γ光子探测器设置于发动机的周围，所述γ光子屏蔽环设置在发动机喷油嘴和油管周围，且可在γ光子探测器内部移动，所述成像设备与γ光子探测器连接。

优选的，所述γ光子探测器为由若干探测单元组成的环形、柱形或板形，所述探测单元包括铝壳、反光粉、光学窗、磁屏蔽以及光电倍增管，所述光学窗将铝壳分为第一容置空间和第二容置空间，所述反光粉涂设于第一容置空间内的铝壳内壁上，所述磁屏蔽层设于第二容置空间内的铝壳内侧壁上，所述光电倍增管设置于第二容置空间中。

优选的，所述γ光子屏蔽环采用金属铅制成，为半圆环状或圆环状；壁厚大于7mm，长度大于100mm，外径小于探测器内经。

优选的，所述载体溶剂为燃油，所述放射性核素为¹⁸f-bte、¹¹c、¹³n或¹⁵o。

本发明还提供了一种实现密闭腔体内喷雾形状检测和成像的方法，该方法采用上述任一项实现密闭腔体内喷雾形状检测和成像的系统，该方法包括以下步骤：

(1)将具有活度的放射性核素与载体溶剂按预设比例充分混合，制备得到带有核素标记的载体溶剂，同时，按预设比例加入燃烧残余物去除剂制成载体溶剂混合物；

(2)将载体溶剂混合物作为发动机工作的燃料，发动机运行时载体溶剂混合物通过油管、喷油嘴进入气缸；

(3)在发动机周围放置γ光子探测器，在发动机喷油嘴和油管周围放置γ光子屏蔽环；

(4)通过γ光子探测器探测并记录载体溶剂混合物发生正电子湮灭事件而产生的γ光子对，并对发动机内喷雾形状进行数据采集，成像设备对采集的数据进行预处理，同时求解图像像素与γ光子数之间关系的最大似然估计数学模型，再利用傅里叶重建算法求解上述数学模型得到发动机内有油雾形状的2d图像；

(5)利用光线投射法将得到的2d图像还原成带有核素标记的油雾形状的3d图像，进一步通过图像分割将喷雾空间作为感兴趣区域提取出来，采用直方图均衡化处理算法，消除管壁燃烧残余物的影响，从而得到清晰完整的喷雾图像。

进一步的，所述感兴趣区域是沿着喷油嘴喷射轴线分割出的一块包含完整喷雾形状的立体图像区域。

有益效果：与现有技术相比，本发明的一种实现密闭腔体内喷雾形状检测和成像的方法及系统能够更准确、更清晰、更直观地得到发动机内喷雾形状或者密闭腔室喷雾形状的检测结果和3d图像。具有以下几方面的优势：

(1)射线检测：射线检测是用射线发生器产生的射线穿透过检测材料，根据不同材料对射线的吸收特性不同，以此来检测材料的内部结构或缺陷。这种方法的检测成本很高且速度慢，缺陷的方向性对射线束方向选择要求高。而本发明基于正电子湮没原理，以燃油为载体，将具有活度的放射性核素¹⁸f-bte与燃油充分混合，制备带有核素标记的燃油，通过γ光子探测仪及成像设备实时检测发动机内油雾形状，这是射线机不能实现的功能。

(2)超声波检测：超声波探伤是利用超声透入金属材料的深处，并由一截面进入另一截面时，在界面边缘发生反射的特点来检查内部的一种方法。这种方法需要丰富的经验，同时对形状复杂的内部结构效果不佳。而本发明基于正电子湮灭原理，无论发动机内部多么复杂，只要通过γ光子探测及成像设备实时检测发动机内油雾形状就能通过3d图像直观地展现出来。

(3)放射性核素在衰变过程中发射正电子，同时其与电子发生湮没事件，产生一对互成180°的中性γ光子对，该对光子的穿透能力极强，穿透200mm厚的铝材能量才衰减到1％，以这对光子作为检测密闭腔体内喷雾形状的信息载体，可以不受温度、压强、电场、磁场等外界因素的干扰，即使在很苛刻的条件下也能够完成检测。

(4)基于正电子湮没原理的检测方法，其正电子的放射性核素可以根据发动机内部零件的要求针对性的定制，本发明以¹⁸f-bte为放射性核素，进行发动机内部油雾形状的检测。

(5)燃烧残余物去除剂能够去除留在喷嘴附近、气缸表面的燃烧残余物，防止其发出的γ光子对喷雾信号的采集带来干扰，使成像更清晰；喷油嘴和油管四周的铅环能起到屏蔽外来γ光子的作用，消除喷嘴和油管中燃油过强的γ光子发射对喷油形状成像的影响，从而提高了成像的清晰度与质量，所生成的图像是3d的。

附图说明

图1是环形探测器检测喷油嘴油雾形状结构示意图；

图2是平板探测器检测喷油嘴油雾形状结构示意图；

图3是探测单元结构图；

图4是本发明方法流程图；

图5是放射性核素发生β+衰变产生正电子原理图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案进行详细说明。

本发明通过以下措施：正电子液中的放射性核素标记燃油；添加燃烧残余物去除剂清除燃烧残余物射线带来的干扰；设置γ光子屏蔽环消除油管和喷油嘴内燃油中射线带来的干扰，在此基础上对发动机缸体内喷油嘴喷出的油雾形状进行检测和三维成像，并通过图像分割的方法提取喷雾空间作为感兴趣区域(voi)进行进一步处理，由此得到发动机缸内喷雾形状和工作情况。

如图1和图2所示一种实现密闭腔体内喷雾形状检测和成像的系统，包括发动机、γ光子探测器1、γ光子屏蔽环2以及成像设备3，所述发动机油缸中有被标记的载体溶剂混合物，该载体溶剂混合物包括载体溶剂、放射性核素以及燃烧残余物去除剂；γ光子探测器设置于发动机的周围，γ光子屏蔽环设置在发动机喷油嘴和油管4周围，且可在γ光子探测器内部移动，成像设备与γ光子探测器连接。γ光子探测器及成像设备用于对燃油油雾5的形状进行γ探测及成像处理，进一步将喷雾空间作为感兴趣区域(voi)进行图像分割和直方图均衡化处理，消除管壁残余物的影响。

如图1中(b)所示，在发动机周围放置的γ光子探测器为环形，在发动机喷油嘴和油管周围放置的γ光子屏蔽环为圆环形，该γ光子屏蔽环的外径小于γ光子探测器的内经，且可在γ光子探测器内部移动。屏蔽环的长度和厚度的设置可以确保屏蔽来自于喷油嘴内和连接到喷油嘴的油管中的燃油发出的γ光子对检测的影响。

如图2中(b)所示，在发动机两侧放置的γ光子探测器为两个相对的板形探测器，板形探测器的高度高于发动机的高度；在发动机喷油嘴和油管周围放置的γ光子屏蔽环为圆环形，该γ光子屏蔽环的外径小于两个相对的板形γ光子探测器之间的距离，且可在两个相对的板形γ光子探测器之间移动。

其中，γ光子屏蔽环的材料采用金属铅，可做成圆环状或半圆环形状，也可以根据待测对象的外形做成其他形状，圆环壁厚大于7mm，这时透过γ光子屏蔽环的γ光子含量和空气中存在的γ光子含量几乎相同。γ光子屏蔽环的外径可小于探测环的内径，γ光子屏蔽环长度大于100mm，确保喷油嘴和油管中发出的干扰光子被屏蔽掉，不会对探测带来额外的影响。

其中，γ光子探测器由若干探测单元组成的环形、柱形或板形，如图3所示，探测单元包括铝壳101、反光粉102、光学窗103、磁屏蔽104以及光电倍增管105，光学窗将铝壳分为第一容置空间和第二容置空间，反光粉涂设于第一容置空间内的铝壳内壁上，磁屏蔽层设于第二容置空间内的铝壳内侧壁上，光电倍增管设置于第二容置空间中。

其中，放射性核素为¹⁸f-bte、¹¹c、¹³n及¹⁵o等，为¹⁸f-bte时，合成材料为：无水乙腈，成分为sigma-aldrich，bte前体为：1,2-双甲苯磺酰氧基乙烷。所述燃烧残余物去除剂为去离子水、三乙醇胺、表面活性剂和发泡剂的混合物。

如图4所示，一种实现密闭腔体内喷雾形状检测和成像的方法，包括以下步骤：

(1)将具有活度的放射性核素¹⁸f-bte(也可使用¹¹c、¹³n、¹⁵o等其他放射性核素)与燃油(包含了各种发动机燃料，如煤油、汽油、柴油等)按1:10000的比例充分混合，制备得到带有放射性核素标记的燃油。同时，为了防止残留在喷油嘴附近、气缸表面的燃烧残余物中发出的γ光子对喷雾信号的采集带来干扰，燃油中需要按1:1000的比例加入燃烧残余物的去除溶剂，使得气缸在排气冲程中排出燃烧废气的同时将燃烧残余物同时带出排尽。

由于放射性核素可溶于油类溶剂，本发明所针对的发动机主要使用燃油，所以本发明实施例以燃油为载体溶剂，以¹⁸f-bte作为放射性核素，将其与燃油按1:10000的比例混合制备得到带有放射性核素标记的燃油，其中放射性核素由医用回旋加速器系统制备得到。

带有放射性核素标记的燃油的制备过程如下：

(ⅰ)加速器生产的含h¹⁸f的h2¹⁸o溶液在n2流输送下，通过一个qma固相萃取柱(10ml0.5mnahco3冲洗，再用20ml的超纯水冲洗)，h¹⁸f吸附于qma固相萃取柱上，吸附完成后用1.5mlk222/k2co3淋洗液洗脱至反应管，加热器将该混合物加热至105℃，氮气流下将溶剂蒸干，再次加入2ml无水乙腈，在氮气流作用下105℃蒸干溶剂，开启冷却风扇冷却反应管至50℃以下。

(ⅱ)加入bte前体(10mg前体1ml乙腈溶解)的乙腈溶液，反应液在90℃加热10min，反应结束后冷却至室温，用c-18柱分离纯化。

(ⅲ)取一定量的¹⁸f-bte，混合到燃油中，搅拌10分钟，得到带有放射性核素标记的燃油。

另外，选择放射性核素种类的主要依据是检测所需要的时间，根据检测时间的长短选择半衰期适合的放射性核素。

放射性核素选择的标准是：

(a)放射性核素能够溶于载体溶剂；(b)放射性核素不与载体溶剂发生化学反应而改变载体溶剂的成分；(c)制备得到的带有核素标记的载体溶剂不会与待测零件发生化学反应而腐蚀待测零件。

(2)将载体溶剂混合物(带有放射性核素标记的、配置了燃烧残余物去除剂的燃油)作为发动机工作的燃料，发动机运行时载体溶剂混合物通过油管、喷油嘴进入气缸；

喷雾状态下透过在金属材料后的γ光子是比较微弱的，为了提高成像质量，必须仔细消除检测过程中各种不理想因素带来的干扰。燃烧残余物去除剂可以溶解燃烧残余物并通过排气方式排出，燃烧残余物去除剂可用溶于燃油的三乙醇胺实现，燃烧残余物去除剂的制备过程如下：

(i)在反应釜中加入90％去离子水和5％三乙醇胺，搅拌约30分钟，沉淀存放8个小时以上；

(ii)保持操作的温度10～30℃，然后加入3％表面活性剂，得到半成品，最后再加入2％发泡剂，可得到燃烧残余物去除剂。

本发明中的表面活性剂可以选用烷基酚聚氧乙烯醚op-10和烷基苯磺酸盐las等，发泡剂可以选用溶于燃油的偶氮化合物或亚硝基化合物等。

(3)如图1和图2所示，在发动机两侧放置环形或者平行相对的板形γ光子探测器；同时，为了防止喷油嘴和油管中静置的燃油发射出的γ光子对喷雾检测和成像带来干扰，在喷油嘴和油管周围放置γ光子屏蔽环。

在γ光子探测器的探测单元中，反光粉的目的是吸收γ光子的能量产生荧光光子、反射体和光导，将荧光光子搜集到光电倍增管的阴极上打出电子。被打出的电子在光电倍增管中倍增到几个数量级，在阴极负载上产生电信号。处于视野周围的γ光子射线斜入射到探测仪的晶体上，这些γ光子射线极有可能投射过这个晶体或产生康普顿散射与相邻的晶体产生作用，这些作用使得空间分辨率从中心到视野的四周位置呈下降趋势，由此探测出γ光子。

用成像设备记录γ光子，利用计算机求解图像像素与γ光子数之间关系的数学模型，对发动机内油雾形状进行静态2d成像。

金属铅对γ光子有很好的阻挡作用，大于7mm的铅板可以基本阻挡内部的γ光子透射，这时透射出的γ光子和空气中的含量差不多。

γ光子屏蔽环制备过程如下：

制作γ光子屏蔽环的材料采用金属铅，可做成半圆环形状，也可以根据待测的对象的外形做成其他形状，圆环壁厚大于7mm，这时透过屏蔽环的γ光子含量和空气中存在的γ光子含量几乎相同。屏蔽环的外径可小于探测器环的内径，环长度大于100mm，确保喷嘴和油管中发出的干扰光子被屏蔽掉，不会对探测带来额外的影响。γ光子屏蔽环可在探测器环内部移动。

(4)通过γ光子探测器探测并记录载体溶剂混合物发生正电子湮灭事件而产生的γ光子对，对发动机内喷雾形状进行数据采集；

从图5中可以看出，放射性核素在衰变过程中发射正电子，同时其与电子发生湮没事件，产生一对互成180°的中性γ光子对。利用这一特性，通过图3中的探测单元组成的γ光子探测器探测，并用成像设备记录喷油嘴喷雾时γ光子信息，利用成像设备(计算机)求解图像像素与γ光子数之间关系的最大似然估计数学模型，对发动机内油雾形状进行静态2d成像。

原子核发生衰变这一过程通常是服从泊松分布的，那么对于一个像素来说，其衰变并释放出正电子的过程中也是符合泊松分布的，如果这个像素亮度越亮就会释放出越多的正电子，其数学期望也就越高。从而，可以通过最大似然估计数学模型得到实际产生的γ光子数与设备探测到的γ光子之间的关系。再利用傅里叶重建算法求解上述数学模型得到发动机内有油雾形状的2d图像。

具体为：γ光子为放射性核素，在衰变过程中发射正电子，同时其与电子发生湮没事件，产生的一对互成180°的中性γ光子对。因此探测器可以用两个探测单元进行记录(称为符合事件)，γ光子的位置和两个探测单元连成一条直线(符合线)。通过γ光子探测器探测并记录载体溶剂混合物发生正电子湮灭事件而产生的γ光子对，并对发动机内喷雾形状进行数据采集：计算机(成像设备)收集到的初始数据是采用列模型数据(以列矩阵存储架构进行数据存储)，即探测器对符合线的符合事件的个数，为了后面进一步重建研究，通常把列模型数据中符合事件按照符合线的角度和一定顺序转化为正弦图的数据来存储处理。正弦图的生成过程是：首先选定一个符合线的角度，将与符合线平行的所有探测单元对从左到右排成一列，产生正弦图的一行数据，然后逆时针旋转符合线一定角度，产生另一行的正弦图数据，重复上述过程，直到符合线旋转180°，完成所有的探测单元对采集到的数据转化。在正弦图的数据中，行号对应的是符合线的角度，列号对应的是同一符合线从左边开始计数的距离。同时求解图像像素与γ光子数之间关系的最大似然估计数学模型，再利用傅里叶重建算法求解上述数学模型得到发动机内有油雾形状的2d图像。

(5)利用光线投射法将得到的2d图像还原成带有核素标记的油雾形状的3d图像，为了进一步消除气缸壁、活塞面和喷油嘴喷口附近燃烧残余物发出的γ光子影响，在成像处理时通过图像分割法将喷雾空间作为感兴趣区域(voi)提取出来，采用直方图均衡化等处理算法，使该感兴趣区域图像的对比度和清晰度提高，以消除干扰带来的伪影和分辨率下降等影响。

一般情况下油雾形状可能有实心圆锥型或扇形等(喷油嘴类型、压力等多方面因素都会影响油雾形状)。此处使用光线投射法：从图像的每一个像素，沿固定方向(通常是视线方向)发射一条光线，光线穿越整个图像序列，并在这个过程中，对图像序列进行采样获取颜色信息，同时依据光线吸收模型将颜色值进行累加，直至光线穿越整个图像序列，最后得到的颜色值就是渲染图像的颜色。

感兴趣区域(voi)是沿着喷油嘴喷射轴线分割出的一块包含完整喷雾形状的立体图像区域。

综上，该方法不仅仅局限于发动机内油雾形状的检测，还可以用来检测任一密闭腔体内的喷雾形状。可以理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。