SprayQuantAI®（SQA）是一种光学测量系统，用于对喷雾和流动中的单个液滴进行时间分辨表征。该系统结合了经典的[1]和基于AI的[2][3]TSTOF测量原理，由测量探头（MSO）、控制单元（CU）和软件组成。
运行过程中，MSO探头探测来自单个液滴的光学信号。随后，CU处理这些信号，并计算液滴粒径、液滴速度和液滴数量。最后，系统将测量结果发送至上位机HMI，或通过模拟接口输出。
测量原理与科学背景
TSTOF测量原理是SprayQuantAI®的技术基础。参考文献[1]介绍了经典的TSTOF方法，参考文献[2]和[3]则介绍了基于AI的光散射信号分析。
MSO – 测量探头
光学测量
MSO是SprayQuantAI®的光学传感组件。测量时，单个液滴穿过光学测量区域并产生光散射信号。系统利用这些信号确定液滴粒径、速度和数量。
此外，AI方法还可以根据光散射信号的结构确定液滴的成分[3]。通过改变MSO的位置，系统还能估算液滴轨迹[4]。
MSO支持适用于不同测量距离的多种光学配置：62.5 mm、125 mm和250 mm。设计的液滴测量范围下限约为2 µm，速度范围最高可达250 m/s。
MSO技术参数
| 参数 | 规格 |
|---|---|
| 测量原理 | 非相干光散射 + TSTOF |
| 测量对象 | 喷雾和流动中的单个液滴 |
| 测量量 | 液滴粒径、速度、数量、不透明度和浓度 |
| 信号处理 | 经典处理和AI辅助处理 |
| 最小液滴粒径 | > 2 µm |
| 最大液滴速度 | < 250 m/s |
| 工作距离 | 62.5 mm、125 mm或250 mm，取决于光学配置 |
| 激光波长 | 405–450 nm，取决于配置 |
| 激光功率 | 3 mW、5 mW或10 mW |
| 总长度 | 182 mm |
| 最大高度 | 74.9 mm |
| 前端宽度 | 32 mm |
CU – 控制单元
信号处理与系统集成
CU是核心的信号处理和系统控制组件。它接收来自MSO探头的光学测量信号，并在内部进行处理。
控制单元计算各项测量参数，包括液滴粒径、速度、数量和不透明度，然后通过Ethernet（以太网）将所得数据发送至上位计算机。
同时，CU通过模拟4–20 mA接口输出测量结果。此外，数字I/O接口支持将系统集成到试验台、自动化系统和工业过程中。
控制单元技术参数
| 参数 | 规格 |
|---|---|
| 主要功能 | 测量信号处理与系统控制 |
| 计算量 | 液滴粒径、速度、数量和成分 |
| 上位机通信 | 以太网（Ethernet） |
| 数字接口 | 4路数字输入（24 V） 4路数字输出（24 V） |
| 模拟接口 | 4路模拟输入（4–20 mA） 4路模拟输出（4–20 mA） |
| 上位系统 | 带以太网连接的Windows计算机 |
| 测量数据输出 | 通过SprayQuantAI®软件输出CSV 模拟接口（4–20 mA） |
| 运行指示灯 | 表示光学和测量硬件已准备就绪 |
| 测量指示灯 | 表示正在进行测量数据采集 |
| 监测指示灯 | 表示处于监测运行状态（在所选配置支持的情况下） |
| 激光指示灯 | 表示激光驱动电源已启用 |
| 电源指示灯 | 表示控制单元已开启 |
| 激光钥匙开关 | 启用激光驱动电源 |
| 电源开关 | 控制控制单元的主电源 |
| 宽度 | 251 mm |
| 深度 | 211 mm |
| 高度 | 109 mm |
软件
测量处理与可视化
SprayQuantAI®测量软件采用C++编写，运行在低功耗HMI上。控制单元执行全部测量计算，并通过以太网与HMI通信。
因此，软件可专注于测量可视化、系统配置和测量数据存储。为便于后续分析，软件以CSV格式保存测量值。
标准测量数据结构包括：日期、时间、粒径、速度和数量。
技术演示
以下视频展示了SprayQuantAI®在实际测量和监测应用中的表现。
参考文献
[1] Schaefer, W., Li, L., Stegmann, P., & Terada, M. (2026). Technical report on the TSTOF measurement method: Technical basics. Photonics, 13(1), 56. https://doi.org/10.3390/photonics13010056
[2] Schaefer, W., & Li, L. (2024). Particle characterization by analyzing light scattering signals with a machine learning approach. Applied Optics, 63(29), 7701–7711. https://doi.org/10.1364/AO.531346
[3] Walter Schäfer, Egor Goldenberg, Magd Fekri Shaif Al-Naggar, Wladimir Schaufler,
AI-assisted determination of refractive index and mass concentration of individual spray droplets using TSTOF light-scattering signals, International Journal of Heat and Fluid Flow, 2026, 110417, ISSN 0142-727X, https://doi.org/10.1016/j.ijheatfluidflow.2026.110417.
[4] Schäfer, W. Neues optisches Messverfahren für Rotationszerstäuber. J Oberfl Techn 66, 52–53 (2026). https://doi.org/10.1007/s35144-026-3895-3