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SprayQuantAI®测量原理——经典方法

SprayQuantAI®采用经典的TSTOF（Time-Shift-Time-of-Flight，时移飞行时间）[1][2]测量原理和非相干光散射来测量喷雾和流动中的单个液滴。系统可根据每个被检测液滴的时间分辨光学信号确定液滴粒径、液滴速度和液滴率。

经典解析方法只需少量数学运算，因此特别适用于实时喷雾监测，并可直接在紧凑型测量电子设备中实现。

SprayQuantAI®测量原理的技术背景

SprayQuantAI®利用非相干光散射和TSTOF测量原理对喷雾和流动中的液滴进行表征。测量探头的基本配置由一条激光线和一个高速光学探测器组成。

对于每个被检测到的液滴，测量探头都会记录一个时间分辨的光散射特征信号。利用该信号的特征参数可计算液滴粒径和速度。此外，在规定评估时间间隔内检测到的液滴事件数量即为液滴率。

更高级的SprayQuantAI®配置可采用基于AI的信号处理来评估光散射信号的更多特征。因此，信号形状和结构能够提供有关液滴或颗粒特性的附加信息，并可根据应用和校准情况提供有关材料成分的信息[3][4]。

从光散射信号到液滴粒径和速度

当液滴穿过激光线时，部分入射光被散射至光学探测器。探测器记录随时间变化的光散射信号S(t)，该信号可近似为具有两个特征信号参数的高斯函数：

信号幅值和时间宽度共同描述了光学信号强度以及液滴在受照测量区域内的停留时间。

液滴穿过激光线期间探测到的散射光量，可以用测得光散射信号的时间积分来表示：

∫−∞∞S(t)dt∝Aσ∝d2\int_{-\infty}^{\infty} S(t)\,\mathrm{d}t \propto A\sigma \propto d^2

在简化模型中，积分光学信号近似正比于液滴的横截面积。由于横截面积与d²成正比，液滴直径可由信号幅值与信号时间宽度的乘积推导得出：

d=CdAσd = C_d\sqrt{A\sigma}

其中，Cd为液滴粒径校准常数，在校准过程中通过参考测量以实验方式确定。

液滴速度与所检测光散射信号的时间宽度相关。速度较快的液滴穿过激光线所需时间较短，因此产生的光学信号较窄；速度较慢的液滴在受照测量区域内停留时间较长，产生的信号较宽。

v=Cvσv = \frac{C_v}{\sigma}

常数Cv为速度校准系数，在制造和校准过程中确定。

因此，每个被检测到的液滴事件都可以对应一对物理量(d, v)。粒径测定需综合评估信号幅值和信号宽度，而速度则主要由信号时间宽度确定。

除液滴粒径和速度外，SprayQuantAI®还可以测定液滴率。液滴率根据所选评估时间间隔内检测到的单个液滴事件数量计算得出。

因此，该测量能够区分局部液滴浓度的变化与平均液滴粒径或速度的变化。这一能力对于分析喷雾空间分布以及监测动态雾化过程尤为有用。

实时喷雾监测

本文介绍的测量展示了如何将单个光散射信号的特征参数转换为液滴粒径和液滴速度等物理量。由于所需计算十分简单，可以直接在测量电子设备中实现。因此，液滴物理量可以以约100ms的典型时间分辨率输出。

这使SprayQuantAI®能够实时检测雾化过程中的变化，并将液滴粒径、速度和液滴率测量集成到现有的喷雾监测和过程控制系统中。

参考文献

[1] W. Schaefer, L. Li, P. Stegmann, and M. Terada, “TSTOF測定法に関する技術報告書：第一部 ─ 技術的基礎、歴史的発展、および他のレーザー測定法との比較,” J. Coat. Technol. Res., vol. 61, no. 3, Art. no. 100, 2026. [Online]. Available: https://jcot.or.jp/download/61-03-2.pdf

[2] W. Schaefer, L. Li, P. Stegmann, and M. Terada, “Technical report on the TSTOF measurement method: Technical basics, historical development, and comparison with other laser-based measurement methods,” Photonics, vol. 13, no. 1, Art. no. 56, 2026, doi: 10.3390/photonics13010056.

[3] W. Schaefer and L. Li, “Particle characterization by analyzing light scattering signals with a machine learning approach,” Appl. Opt., vol. 63, no. 29, pp. 7701–7711, Oct. 2024, doi: 10.1364/AO.531346.

[4] A. M. A. Doan, W. Schaefer, V. Chernoray, W. Schaefer, and V. Chernoray, “Analysis of the light scattering of a colloid droplet on a Gaussian beam to determine the suspension concentration,” in Proc. ILASS-Europe, Lund, Sweden, 2025.