 （19）
式中，是沿z方向投影的电子密度， 是电子半径。
可以看出，相衬成像对于样品的边缘特别敏感，在这种情况下能够直接成像，样品的特征细节能显示在增强边缘的衬度中。
位相强度(实线)和振幅强度(虚线)的CTF相对于约化变量 的曲线见图6，其中u、v是空间频率。可以看出，当z=0时，对于所有的u和v，振幅强度的CTF=1为极大，而位相衬度的CTF =0，即吸收物体接触像具有最好的衬度和分辨率。随着的增加，振幅强度的CTF减小，当 等于0.7左右时，振幅强度的CTF=0，即没有吸收衬度。随着的进一步增加，振幅强度的CTF取负值，表明衬度开始反转。随着z增大，位相衬度增加，当 时，位相强度的衬度传递函数达到极大。
图6 位相(实线)和振幅(虚线)强度衬度转换函数(CTF)曲线
因此，为获得清晰的图像，对于不同波长 和感兴趣的物体特征尺寸Δ(空间频率倒数 )机电一体化论文，需随样品不同而调整探测器与样品之间距离，以获得最好的增强效应。当CTF达到极大值时可以近似地得到：
 （20）
则 （21）
式中为X 射线波长，Δ为物体特征尺度，Z为物体到成像面的距离。
X射线位相衬度照相术所获图像含典型边界特征的干涉条纹改善边界可见性，所以样品内明显边界的区域可由增强的边界位相衬度直接显示，无需影像图重构，其关键是光源相干性和成像距离。
3 研究用喷孔的设计
本课题小组为了研究喷孔几何特征尺寸对柴油喷雾的影响，分别加工了有压力室、无压力室，孔径为0.17mm、0.25mm，长径比（l/d）为2、4、6、8的单孔喷嘴每种各4个，如表1所示。
表1 喷孔加工列表
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孔径（mm）
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长径比
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有压力室
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0.17
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2
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4
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6
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8
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0.25
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2
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4
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6
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8
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无压力室
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0.17
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2
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4
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6
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8
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0.25
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2
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4
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6
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8
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再将每种相同的4个喷孔进行液力研磨，各自加工成R型、S型（图7），粗糙度分别为Ra0.8、Ra1.6的4个不同喷孔。这样，就加工了总计64个孔径，长径比，粗糙度，入口形式，内部结构各不相同的喷嘴。以这64个喷嘴进行喷雾试验，就可测出孔径，长径比，粗糙度等喷孔几何特征尺寸对喷雾特征形态及雾化的影响。
图7 喷孔入口形式
但是，喷孔加工后并不能有效地对其进行测量和校核，所得喷孔特征尺寸只是它的设计尺寸，并不是加工出来的实际值。这就为后续的喷雾实验带来了极大的不确定性，实验所得喷雾雾化情况及油束形态并不能精确反应出喷孔几何特征尺寸的影响。而如能精确测出喷孔的直径和长径比、观测并测出喷孔内部压力室尺寸的真实值，喷雾实验结果的精确度将大大提高；同时，这也能为喷嘴的加工提供反馈，从而提高喷孔的加工精度，对改善喷孔的加工工艺也具有很大的实际工程意义。
4 X射线同轴相衬成像技术测试方法
4.1 X射线同轴相衬成像测试光路布置
上海光源X射线成像及生物医学应用光束线站(BL13W1)采用的是第三代同步辐射光源，光源的能量最高可达72.5keV，最高空间分辨率为500nm。其光速线布局（光路）如图8所示，X射线经加速器从辐射源通过光圈、滤光器、准直仪、狭缝照射到被测样品，根据相衬的成像原理，形成X射线相衬象，再经过反射镜或者三棱镜滤去X射线，留下保留有相衬象信息的可见光，通过光子快门、准直仪等被CCD探测器探测到，并记录成像结果论文开题报告。如要观测动态过程或抓拍动态物体，还需设计电路使得X射线、快门与CCD相机同步。
图8 X射线成像及生物医学应用光束线布局示意图
4.2 X射线同轴相衬成像测试台架布置
由前面X射线同轴相衬的成像原理的分析可知，该测试技术的关键是要选择恰当的同步辐射光源和样品台的距离以及样品台到成像面的距离。实验台架具体布置如9所示，图中电离室用来测量X射线的剂量，实验时，样品置于精密旋转台上，该平台具有六个自由度，其线性运动精度好于1mm，转角精度为1弧秒(arcsec)，运动由六个步进电机驱动实现。
CCD相机、透镜、反射镜等安装在长平台的导轨上，其上还装有狭缝、闪烁晶体、分析晶体、准直及扩束晶体等；X射线透过闪烁晶体后发出可见光，被高数值孔径的透镜收集，再用可见光CCD接收，狭缝用于阻挡不需要的杂散光，分析晶体作为带通滤波器，选择折射的光子进行成像，准直及扩束晶体用于调节光束。
图9 试验站台架及主要设备
5 实验结果及分析
本实验选用的光子能量为50keV，曝光时间为5~30ns（根据壁厚不同而有所变化，孔壁薄所需曝光时间短；孔壁厚则相应增加曝光时间）。实验选用高分辨CCD为喷油嘴成像，图中一个像素为实际尺寸0.74μm。
以1号喷嘴为例（设计尺寸：孔径0.25mm，长径比为2，有压力室，S型），如图10所示，从图中可以测出，该喷嘴孔径为245.68μm，与所要求加工尺寸相差无几，但是其孔径长度也仅为272.32μm，与设计尺寸长径比为2相差甚远。此外，从图中也可以看出，孔壁左右高度不一，说明喷孔没有打在喷嘴的轴线上。
(d:0.25mm，l/d:2，有压力室，S型)
图10 1号喷嘴
图11为2号喷嘴（孔径0.25mm，长径比为2，有压力室，R型）的X射线同轴相衬成像图片，从图中可以看出，为了加工R型喷孔的圆弧入口对喷孔进行了液力研磨。由于打孔未在轴线上机电一体化论文，液力研磨受力不对称，相比较1号喷嘴，造成了左右孔壁高度的更大差异。
(d:0.25mm，l/d:2，有压力室，R型)
图11 2号喷嘴
图12为3号喷嘴（孔径0.25mm，长径比为2，无压力室，R型）的X射线同轴相衬成像图片。图中喷孔右侧孔壁明显厚于左侧，且左右孔长相差极大，达127.28μm，长径比也远小于设计尺寸l/d:2。此外，该喷孔按设计应为无压力室的喷孔，但是，在图中可以清晰地看到压力室结构，且向一边偏斜，可见，该喷嘴远未达到设计要求。
(d:0.25mm，l/d:2，无压力室，R型)
图12 3号喷嘴
另外，美国阿贡国家实验室的研究人员利用X射线同轴相衬成像技术成功拍摄了喷雾场图像[23]，在此基础上，他们也进行了喷孔几何特征尺寸对喷雾场影响的研究。图13为研究所用的两种不同单孔喷嘴的相衬成像图片。从图中可以看出喷嘴（a）喷孔入口的圆滑过渡（R型喷嘴），明显区别于喷嘴（b）的入口形式（S型喷嘴），而国内加工的喷嘴则无法看出这一区别。而且，图中喷嘴喷孔与压力室的同轴度也远好于国内加工的喷嘴。
图13 阿贡国家实验室研究所用喷嘴图像
6 结论
柴油机喷嘴的喷孔几何特征尺寸主要包括喷孔直径、喷孔长径比、喷孔入口圆弧半径和喷孔锥度等，这些参数直接影响着柴油的喷雾雾束，从而在很大程度上影响着柴油机的各项性能。本文简要介绍了部分喷孔几何特征尺寸与柴油机性能的影响关系，并介绍了制模法，力传感器测量法在喷孔几何特征尺寸测量上的应用，针对其不足，提出了一种利用X射线相衬成像技术测量喷孔尺寸的新途径。测试的结果表明：
（1）利用X射线相衬成像技术在不破坏喷嘴的情况下，能清晰地观测到包括压力室、入口圆弧在内的喷孔内部结构，并能精确地测出喷孔的直径及长度。
（2）对比国内外喷油嘴的X射线成像图像可以看出，国内喷油嘴的加工工艺相比国外还有不少差距，喷嘴加工不能满足设计要求的精度。
（3）X射线相衬成像技术在测量喷油嘴几何特征尺寸上的成功应用，对于控制喷嘴的加工精度具有重要的工程意义，同时也为类似具有微小孔径结构物体的测试开辟了新的途径，为后续喷雾试验的成功进行提供了保障。
致谢：
本课题研究得到了上海光源的大力支持和协助，在此表示衷心的感谢。
参考文献：
[1]Pierpoint D., Reitz R. E?ects of injection pressure and nozzlegeometry on D.I. diesel emissionsand performance[J]. SAE paper 950604, 1995.
[2]Tennison P. J., Reitz R. An experimentalinvestigation of the e?ects of common-rail injection system parameters on emissions andperformance in a high-speed direct-injection diesel engine[J]. Trans. ASME, J.Engng Gas Turbines Power, 2001, 123,167–174.
[3]曹建明，喷雾学[M].机械工业出版社，2005.
[4]Chang, C., Farrell, P. A study on the e?ects of fuel viscosity and nozzle geometryon high injection pressure diesel spray characteristics[J]. SAE paper970353, 1997.
[5]Blessing, M., Ko¨nig, G., Kru¨ger, C.,Michels, U., Schwarz, V. Analysis of ?ow and cavitation phenomena in dieselinjection nozzles and its e?ects on spray and mixture formation[J]. SAE paper 2003-01- 1358, 2003.
[6]Naber J., Siebers D. E?ects of gas density and vaporization onpenetration and dispersion of diesel sprays[J]. SAE paper 960034, 1996.
[7]Siebers D. Liquid-phase fuel penetrationin diesel sprays[J]. SAE paper 980809, 1998.
[8]Araneo L., Coghe A., Cossall G.E.Experimental investigation of gas density e?ects on diesel spray penetration andentrainment [J]. SAE paper 1999-01-0525, 1999.
[9]Wang Tsung-Cheng, Han Joong-Sub, XieXing –bin. Direct visualization of high pressure diesel spray and enginecombustion [J]．SAE Paper, 1999-0l-3496.
[10]Sick V., Stojkovic B. Attenuation e?ects on imaging diagnostics of hollow-conesprays [J]. Appl. Optics, 2001, 40, 2435–2442.
[11]C. Bae, J. Yu, J. Kang, J. Kong, R.Cuenca and K.O. Lee. The Influence of Injector Parameters on Diesel Spray[C].THIESEL 2002 Conference on Thermo- and Fluid-Dynamic Processes in DieselEngines.
[12]P?r Bergstrand. The Effects of OrificeShape on Diesel Combustion[J]. SAE 2004-01-2920.
[13]S. Kampmann, B. Dittus, P. Mattes, andM. Kirner. The Influence of Hydro Grinding at VCO Nozzles on the MixturePreparation in a DI Diesel Engine[J]. SAE 9608267:149-161.
[14]Badock C, Wirth R, Tropea C. The influenceof hydro-grinding on cavitation inside a diesel injection nozzle and primarybreak-up under unsteady pressure conditions [C]. In: Proceedings of the 15thILASS-Europe 1999, Toulouse, July 5–7.
[15]Macian V,Bemudez V, Payri R, Gimeno J.New technique for the determination of the internal geometry of diesel nozzlewith the use of the silicone methodology[J]. Experimental Techniques2003:27(2):39-43.
[16]R. Payri, X. Margot and F. J. Salvador.A Numerical Study of the Influence of Diesel Nozzle Geometry on the InnerCavitating Flow[J]. SAE 2002-01-0215.
[17]R. Payri, J.M. Garc?′a, F.J. Salvador,J. Gimeno. Using spray momentum flux measurements to understand the influenceof diesel nozzle geometry on spray characteristics[J]. Fuel 84 (2005) :551–561.
[18]R. Payri, F.J. Salvador, J. Gimeno, L.D.Zapata. Diesel nozzle geometry influence on spray liquid-phase fuel penetrationin evaporative conditions[J]. Fuel 87(2008): 1165–1176.
[19]R. Payri, F. J. Salvador,J. Gimeno, J.de la Morena. Effects of nozzle geometry on direct injection diesel enginecombustion process[J]. Applied thermal engineering.29(2009): 2051-2060.
[20]Erwin Peiner, MichaelBalke, LutzDoering. Form measurement inside fuel injector nozzle spray holes [J]. MicroelectronicEngineering.86 (2009):984–986.
[21]A. L. Kastengren, C. F. Powell, YujieWang et al. Nozzle geometry and Injection Duration Effects on Diesel SpraysMeasured by X-Ray Radiography．J. Fluid Eng. 130, 041301 (2008).
[22]Xin Liu, Kyoung-Su Im, Yujie Wang et al.Quantitative Characterization of Near-Field Fuel Sprays by Multi-Orifice DirectInjection Using Ultrafast X-Tomography Technique[J]. SAE 2006-01-1041.
[23]YUJIE Wang, XIN LIU, etc, UltrafastX-ray study of dense- liquid-jet flow dynamics using structure- trackingvelocimetry[J]. Nature, January 2008.
[24]Xizeng Wu and Hong Liu, Phase-spaceformulation for phase-contrast x-ray imaging, APPLIED OPTICS, 1 October 2005Vol. 44, No. 28
[25]赵凯华,钟锡华,光学（下册）[M]，北京大学出版社，1984
[26]朱佩平,吴自玉,X射线相位衬度成像[J],物理，2007,36(6): 443-451
ZHU Pei-Ping, WU Zi-Yu, X-ray phase contrastimaging[J], Physics,36,(2007)6,443-451
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