專利名稱：空化泡最大泡半徑的探測裝置及其探測方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光電探測領(lǐng)域，特別是空化泡最大泡半徑的探測裝置及其探測方法。
背景技術(shù)：
自19世紀(jì)發(fā)現(xiàn)空化泡以來，學(xué)者們對(duì)其展開了一系列的理論、數(shù)值和實(shí)驗(yàn)研究， 特別是單一空化泡的動(dòng)力學(xué)理論及其膨脹收縮的行為的研究。隨著科技的進(jìn)步，空化泡的效應(yīng)開始應(yīng)用于各種領(lǐng)域中，如超聲空化泡清洗、利用空化泡潰滅時(shí)的高速射流來增強(qiáng)材料的抗疲勞強(qiáng)度、細(xì)化及均勻化懸濁液或乳濁液中顆粒?？栈莸淖畲笈莅霃阶鳛榭栈莸幕玖?，其值的探測方法顯得尤為重要。空化泡的探測方法主要可以分為兩類，一類是采用攝影技術(shù)獲取空化泡的影像，從而影像序列中提取最大半徑，如高速攝影方法。這類方法適用范圍較為廣泛，同時(shí)還可以獲得空化泡的外輪廓。但是，液體中空化泡的膨脹和收縮進(jìn)程是一個(gè)高速的瞬態(tài)過程。因此，這類方法中使用的攝影設(shè)備需要具有足夠高的拍攝幀率或者是很短的曝光快門。這就無形中增加探測設(shè)備的成本和操作難度。另一類方法則以激光光束為基礎(chǔ)探測手段，分析受空化泡擾動(dòng)的光束來提取空化泡的半徑信息，如光偏轉(zhuǎn)探測方法、Mie散射探測。這類方法適用與空化泡產(chǎn)生位置和耦合到泡中能量具有很好的重復(fù)性的場合，如超聲空化泡、激光空化泡以及電火花空化泡。這類方法最大的優(yōu)點(diǎn)就是結(jié)構(gòu)簡單，易操作且花費(fèi)少。光偏轉(zhuǎn)方法是基于空化泡的出現(xiàn)改變光路中介質(zhì)的折射率，從而致使光束發(fā)生偏轉(zhuǎn)。記錄偏轉(zhuǎn)光在空化泡生命周期中的波形，同特征信號(hào)對(duì)比可以得出空化泡的半徑信息。 但是在產(chǎn)生空化泡時(shí)，輸入能量耦合到泡能的能量受隨機(jī)噪聲的影響具有一定的隨機(jī)性， 使得空化泡的最大半徑也具有一定的隨機(jī)性。為了獲取某個(gè)確定條件下的空化泡的最泡半徑的估計(jì)值，陳笑等人于2004年提出多次重復(fù)測量中，對(duì)某個(gè)探測位置上記錄到偏轉(zhuǎn)光波形中出現(xiàn)最大半徑的特征信號(hào)及概率為50%時(shí)作為空化泡的最大半徑估計(jì)值。但是缺點(diǎn)是該方法實(shí)施過程中需要在每個(gè)探測位置做大量的重復(fù)測量，測量及后期分析的工作量巨大；而若是僅使用較少的重復(fù)測量，則得到的最大半徑有較大誤差存在。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所解決的技術(shù)問題在于提供一種簡單易行的空化泡最大泡半徑的探測裝置及其探測方法。實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為一種空化泡最大泡半徑的探測裝置，包括探測光束激光器、聚焦透鏡、耦合透鏡組、小孔光闌、光電探測系統(tǒng)、示波器、探測器用多維調(diào)節(jié)平臺(tái)、光偏轉(zhuǎn)探測系統(tǒng)用多維平移臺(tái)、含能透射探測光窗口的容器；
其中探測光束激光器、聚焦透鏡、耦合透鏡組、小孔光闌、探測器用多維調(diào)節(jié)平臺(tái)同軸設(shè)置在光偏轉(zhuǎn)探測系統(tǒng)用多維平移臺(tái)上，在探測光束激光器的出射方向上依次設(shè)置聚焦透鏡、耦合透鏡組、小孔光闌、探測器用多維調(diào)節(jié)平臺(tái)，光電探測系統(tǒng)設(shè)置在探測器用多維調(diào)節(jié)平臺(tái)的夾持機(jī)構(gòu)上，含能透射探測光窗口的容器位于聚焦透鏡、耦合透鏡組之間，光電探
4測系統(tǒng)的輸出端與示波器相連接。 一種基于上述空化泡最大泡半徑的探測裝置的探測方法，包括以下步驟
步驟1、在保證探測光束激光器、聚焦透鏡、耦合透鏡組、小孔光闌、光電探測系統(tǒng)同軸等高的情況下，微調(diào)探測器用多維調(diào)節(jié)平臺(tái)，使得光電探測系統(tǒng)的輸出給示波器的信號(hào)電壓最大；
步驟2、根據(jù)空化泡的中心位置調(diào)節(jié)光偏轉(zhuǎn)探測系統(tǒng)用多維平移臺(tái)，使得探測光束激光器發(fā)射的探測光束透過聚焦透鏡后的焦點(diǎn)位于空化泡的中心位置，并確定此時(shí)的探測位置為光偏轉(zhuǎn)掃描的原點(diǎn)；上述空化泡位于含能透射探測光窗口的容器中；
步驟3、從光偏轉(zhuǎn)掃描的原點(diǎn)以固定空間步長ZlJ沿空化泡徑向且垂直于探測光束的方向移動(dòng)探測光束一次，所述0 <M <空化泡最大泡半徑預(yù)測值；
步驟4、利用空泡產(chǎn)生裝置在含能透射探測光窗口的容器中產(chǎn)生新的空泡，觀察并記錄示波器中顯示的光偏轉(zhuǎn)信號(hào)波形；之后重復(fù)本步驟4 M次；
步驟5、判斷步驟4中觀測到的光偏轉(zhuǎn)信號(hào)波形中是否有特征波形，若不存在則返回步驟3進(jìn)行下一個(gè)位置的探測；若存在特征波形則開始記錄在當(dāng)前探測位置下特征波形出現(xiàn)的概率A和此次探測位置距離cl，之后同樣返回步驟3進(jìn)行下一個(gè)位置的探測，并記錄相應(yīng)探測位置下特征波形出現(xiàn)的概率i和探測位置距離A直至特征波形出現(xiàn)的概率A為零時(shí)執(zhí)行步驟6 ；所述探測位置距離i/為當(dāng)前探測位置到光偏轉(zhuǎn)掃描原點(diǎn)的距離；所述特征波形為類似高斯函數(shù)狀的峰值波形，且其電壓值低于之后出現(xiàn)的峰值電壓；
步驟6、計(jì)算記錄數(shù)據(jù)的每個(gè)探測位置下探測距離di的加權(quán)系數(shù)乃，具體的計(jì)算公式
為
Λ = —10.5 —乓 |,i=l，2，3... 所述. 為特征波形出現(xiàn)的概率；
步驟7、計(jì)算空化泡最大泡半徑的加權(quán)平均值和相應(yīng)的均方根誤差估計(jì)，具體的表達(dá)式
為
權(quán)利要求
1.一種空化泡最大泡半徑的探測裝置，其特征在于，包括探測光束激光器[1]、聚焦透鏡[2]、耦合透鏡組[3]、小孔光闌[4]、光電探測系統(tǒng)[5]、示波器[6]、探測器用多維調(diào)節(jié)平臺(tái)[7]、光偏轉(zhuǎn)探測系統(tǒng)用多維平移臺(tái)[8]、含能透射探測光窗口的容器[9]；其中探測光束激光器[1]、聚焦透鏡[2]、耦合透鏡組[3]、小孔光闌W]、探測器用多維調(diào)節(jié)平臺(tái)[7]同軸設(shè)置在光偏轉(zhuǎn)探測系統(tǒng)用多維平移臺(tái)[8]上，在探測光束激光器[1] 的出射方向上依次設(shè)置聚焦透鏡[2]、耦合透鏡組[3]、小孔光闌W]、探測器用多維調(diào)節(jié)平臺(tái)[7]，光電探測系統(tǒng)[5]設(shè)置在探測器用多維調(diào)節(jié)平臺(tái)[7]的夾持機(jī)構(gòu)上，含能透射探測光窗口的容器[9]位于聚焦透鏡[2]、耦合透鏡組[3]之間，光電探測系統(tǒng)[5]的輸出端與示波器[6]相連接。
2.一種基于權(quán)利要求1所述空化泡最大泡半徑的探測裝置的探測方法，其特征在于， 包括以下步驟步驟1、在保證探測光束激光器[1]、聚焦透鏡[2]、耦合透鏡組[3]、小孔光闌W]、 光電探測系統(tǒng)[5]同軸等高的情況下，微調(diào)探測器用多維調(diào)節(jié)平臺(tái)[7]，使得光電探測系統(tǒng) [5]的輸出給示波器[6]的信號(hào)電壓最大；步驟2、根據(jù)空化泡的中心位置調(diào)節(jié)光偏轉(zhuǎn)探測系統(tǒng)用多維平移臺(tái)[8]，使得探測光束激光器[1]發(fā)射的探測光束透過聚焦透鏡[2]后的焦點(diǎn)位于空化泡的中心位置，并確定此時(shí)的探測位置為光偏轉(zhuǎn)掃描的原點(diǎn)；上述空化泡位于含能透射探測光窗口的容器[9]中；步驟3、從光偏轉(zhuǎn)掃描的原點(diǎn)以固定空間步長 M沿空化泡徑向且垂直于探測光束的方向移動(dòng)探測光束一次，所述0 <hd <空化泡最大泡半徑預(yù)測值；步驟4、利用空泡產(chǎn)生裝置在含能透射探測光窗口的容器[9]中產(chǎn)生新的空泡，觀察并記錄示波器中顯示的光偏轉(zhuǎn)信號(hào)波形；之后重復(fù)本步驟4 M次；步驟5、判斷步驟4中觀測到的光偏轉(zhuǎn)信號(hào)波形中是否有特征波形，若不存在則返回步驟3進(jìn)行下一個(gè)位置的探測；若存在特征波形則開始記錄在當(dāng)前探測位置下特征波形出現(xiàn)的概率A和此次探測位置距離cl，之后同樣返回步驟3進(jìn)行下一個(gè)位置的探測，并記錄相應(yīng)探測位置下特征波形出現(xiàn)的概率i和探測位置距離A直至特征波形出現(xiàn)的概率A為零時(shí)執(zhí)行步驟6 ；所述探測位置距離i/為當(dāng)前探測位置到光偏轉(zhuǎn)掃描原點(diǎn)的距離；所述特征波形為類似高斯函數(shù)狀的峰值波形，且其電壓值低于之后出現(xiàn)的峰值電壓；步驟6、計(jì)算記錄數(shù)據(jù)的每個(gè)探測位置下探測距離di的加權(quán)系數(shù)Λ，具體的計(jì)算公式為Pi = 0.5-|0.5-^|, i=l, 2，3... 所述與為特征波形出現(xiàn)的概率；步驟7、計(jì)算空化泡最大泡半徑的加權(quán)平均值和相應(yīng)的均方根誤差估計(jì)，具體的表達(dá)式為
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的空化泡最大泡半徑的探測方法，其特征在于，步驟3中從光偏轉(zhuǎn)掃描的原點(diǎn)以固定空間步長為空化泡最大泡半徑預(yù)測值的1/100。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種高效且高精度的探測空化泡最大泡半徑的方法，依據(jù)光束偏轉(zhuǎn)原理并結(jié)合掃描技術(shù)掃描探測空化泡的半徑信息。探測系統(tǒng)平臺(tái)包含探測光束激光器、聚焦透鏡、耦合透鏡、小孔光闌、光電探測系統(tǒng)、示波器、多維調(diào)節(jié)平移臺(tái)。從原點(diǎn)開始逐個(gè)掃描探測每個(gè)探測位置處的空泡半徑信息，在空化泡最大泡半徑對(duì)應(yīng)特征波形出現(xiàn)時(shí)開始記錄相應(yīng)探測位置下的特征波形出現(xiàn)的概率k及此時(shí)的探測位置距原點(diǎn)的距離值d，直至概率k的值為0。由記錄到概率k計(jì)算得到相應(yīng)探測距離值d的加權(quán)系數(shù)p，最后由加權(quán)公式計(jì)算得出空泡最大泡半徑的加權(quán)平均值和相應(yīng)的均方根誤差估計(jì)。本發(fā)明有效降低承載光偏轉(zhuǎn)測試系統(tǒng)的多維平移臺(tái)的空間調(diào)節(jié)精度要求，降低成本。
文檔編號(hào)G01B11/08GK102322805SQ20111024782
公開日2012年1月18日 申請(qǐng)日期2011年8月26日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月26日
發(fā)明者張宏超, 李貝貝, 陸建 申請(qǐng)人:南京理工大學(xué)