专利名称：空化泡最大泡半径的探测装置及其探测方法
技术领域：
本发明属于光电探测领域，特别是空化泡最大泡半径的探测装置及其探测方法。
背景技术：
自19世纪发现空化泡以来，学者们对其展开了一系列的理论、数值和实验研究， 特别是单一空化泡的动力学理论及其膨胀收缩的行为的研究。随着科技的进步，空化泡的效应开始应用于各种领域中，如超声空化泡清洗、利用空化泡溃灭时的高速射流来增强材料的抗疲劳强度、细化及均勻化悬浊液或乳浊液中颗粒。空化泡的最大泡半径作为空化泡的基本量，其值的探测方法显得尤为重要。空化泡的探测方法主要可以分为两类，一类是采用摄影技术获取空化泡的影像，从而影像序列中提取最大半径，如高速摄影方法。这类方法适用范围较为广泛，同时还可以获得空化泡的外轮廓。但是，液体中空化泡的膨胀和收缩进程是一个高速的瞬态过程。因此，这类方法中使用的摄影设备需要具有足够高的拍摄帧率或者是很短的曝光快门。这就无形中增加探测设备的成本和操作难度。另一类方法则以激光光束为基础探测手段，分析受空化泡扰动的光束来提取空化泡的半径信息，如光偏转探测方法、Mie散射探测。这类方法适用与空化泡产生位置和耦合到泡中能量具有很好的重复性的场合，如超声空化泡、激光空化泡以及电火花空化泡。这类方法最大的优点就是结构简单，易操作且花费少。光偏转方法是基于空化泡的出现改变光路中介质的折射率，从而致使光束发生偏转。记录偏转光在空化泡生命周期中的波形，同特征信号对比可以得出空化泡的半径信息。 但是在产生空化泡时，输入能量耦合到泡能的能量受随机噪声的影响具有一定的随机性， 使得空化泡的最大半径也具有一定的随机性。为了获取某个确定条件下的空化泡的最泡半径的估计值，陈笑等人于2004年提出多次重复测量中，对某个探测位置上记录到偏转光波形中出现最大半径的特征信号及概率为50%时作为空化泡的最大半径估计值。但是缺点是该方法实施过程中需要在每个探测位置做大量的重复测量，测量及后期分析的工作量巨大；而若是仅使用较少的重复测量，则得到的最大半径有较大误差存在。
发明内容
本发明所解决的技术问题在于提供一种简单易行的空化泡最大泡半径的探测装置及其探测方法。实现本发明目的的技术解决方案为一种空化泡最大泡半径的探测装置，包括探测光束激光器、聚焦透镜、耦合透镜组、小孔光阑、光电探测系统、示波器、探测器用多维调节平台、光偏转探测系统用多维平移台、含能透射探测光窗口的容器；
其中探测光束激光器、聚焦透镜、耦合透镜组、小孔光阑、探测器用多维调节平台同轴设置在光偏转探测系统用多维平移台上，在探测光束激光器的出射方向上依次设置聚焦透镜、耦合透镜组、小孔光阑、探测器用多维调节平台，光电探测系统设置在探测器用多维调节平台的夹持机构上，含能透射探测光窗口的容器位于聚焦透镜、耦合透镜组之间，光电探
4测系统的输出端与示波器相连接。 一种基于上述空化泡最大泡半径的探测装置的探测方法，包括以下步骤
步骤1、在保证探测光束激光器、聚焦透镜、耦合透镜组、小孔光阑、光电探测系统同轴等高的情况下，微调探测器用多维调节平台，使得光电探测系统的输出给示波器的信号电压最大；
步骤2、根据空化泡的中心位置调节光偏转探测系统用多维平移台，使得探测光束激光器发射的探测光束透过聚焦透镜后的焦点位于空化泡的中心位置，并确定此时的探测位置为光偏转扫描的原点；上述空化泡位于含能透射探测光窗口的容器中；
步骤3、从光偏转扫描的原点以固定空间步长ZlJ沿空化泡径向且垂直于探测光束的方向移动探测光束一次，所述0 <M <空化泡最大泡半径预测值；
步骤4、利用空泡产生装置在含能透射探测光窗口的容器中产生新的空泡，观察并记录示波器中显示的光偏转信号波形；之后重复本步骤4 M次；
步骤5、判断步骤4中观测到的光偏转信号波形中是否有特征波形，若不存在则返回步骤3进行下一个位置的探测；若存在特征波形则开始记录在当前探测位置下特征波形出现的概率A和此次探测位置距离cl，之后同样返回步骤3进行下一个位置的探测，并记录相应探测位置下特征波形出现的概率i和探测位置距离A直至特征波形出现的概率A为零时执行步骤6 ；所述探测位置距离i/为当前探测位置到光偏转扫描原点的距离；所述特征波形为类似高斯函数状的峰值波形，且其电压值低于之后出现的峰值电压；
步骤6、计算记录数据的每个探测位置下探测距离di的加权系数乃，具体的计算公式
为
Λ = —10.5 —乓 |,i=l，2，3... 所述. 为特征波形出现的概率；
步骤7、计算空化泡最大泡半径的加权平均值和相应的均方根误差估计，具体的表达式
为
权利要求
1.一种空化泡最大泡半径的探测装置，其特征在于，包括探测光束激光器[1]、聚焦透镜[2]、耦合透镜组[3]、小孔光阑[4]、光电探测系统[5]、示波器[6]、探测器用多维调节平台[7]、光偏转探测系统用多维平移台[8]、含能透射探测光窗口的容器[9]；其中探测光束激光器[1]、聚焦透镜[2]、耦合透镜组[3]、小孔光阑W]、探测器用多维调节平台[7]同轴设置在光偏转探测系统用多维平移台[8]上，在探测光束激光器[1] 的出射方向上依次设置聚焦透镜[2]、耦合透镜组[3]、小孔光阑W]、探测器用多维调节平台[7]，光电探测系统[5]设置在探测器用多维调节平台[7]的夹持机构上，含能透射探测光窗口的容器[9]位于聚焦透镜[2]、耦合透镜组[3]之间，光电探测系统[5]的输出端与示波器[6]相连接。
2.一种基于权利要求1所述空化泡最大泡半径的探测装置的探测方法，其特征在于， 包括以下步骤步骤1、在保证探测光束激光器[1]、聚焦透镜[2]、耦合透镜组[3]、小孔光阑W]、 光电探测系统[5]同轴等高的情况下，微调探测器用多维调节平台[7]，使得光电探测系统 [5]的输出给示波器[6]的信号电压最大；步骤2、根据空化泡的中心位置调节光偏转探测系统用多维平移台[8]，使得探测光束激光器[1]发射的探测光束透过聚焦透镜[2]后的焦点位于空化泡的中心位置，并确定此时的探测位置为光偏转扫描的原点；上述空化泡位于含能透射探测光窗口的容器[9]中；步骤3、从光偏转扫描的原点以固定空间步长 M沿空化泡径向且垂直于探测光束的方向移动探测光束一次，所述0 <hd <空化泡最大泡半径预测值；步骤4、利用空泡产生装置在含能透射探测光窗口的容器[9]中产生新的空泡，观察并记录示波器中显示的光偏转信号波形；之后重复本步骤4 M次；步骤5、判断步骤4中观测到的光偏转信号波形中是否有特征波形，若不存在则返回步骤3进行下一个位置的探测；若存在特征波形则开始记录在当前探测位置下特征波形出现的概率A和此次探测位置距离cl，之后同样返回步骤3进行下一个位置的探测，并记录相应探测位置下特征波形出现的概率i和探测位置距离A直至特征波形出现的概率A为零时执行步骤6 ；所述探测位置距离i/为当前探测位置到光偏转扫描原点的距离；所述特征波形为类似高斯函数状的峰值波形，且其电压值低于之后出现的峰值电压；步骤6、计算记录数据的每个探测位置下探测距离di的加权系数Λ，具体的计算公式为Pi = 0.5-|0.5-^|, i=l, 2，3... 所述与为特征波形出现的概率；步骤7、计算空化泡最大泡半径的加权平均值和相应的均方根误差估计，具体的表达式为
3.根据权利要求2所述的空化泡最大泡半径的探测方法，其特征在于，步骤3中从光偏转扫描的原点以固定空间步长为空化泡最大泡半径预测值的1/100。
全文摘要
本发明公开了一种高效且高精度的探测空化泡最大泡半径的方法，依据光束偏转原理并结合扫描技术扫描探测空化泡的半径信息。探测系统平台包含探测光束激光器、聚焦透镜、耦合透镜、小孔光阑、光电探测系统、示波器、多维调节平移台。从原点开始逐个扫描探测每个探测位置处的空泡半径信息，在空化泡最大泡半径对应特征波形出现时开始记录相应探测位置下的特征波形出现的概率k及此时的探测位置距原点的距离值d，直至概率k的值为0。由记录到概率k计算得到相应探测距离值d的加权系数p，最后由加权公式计算得出空泡最大泡半径的加权平均值和相应的均方根误差估计。本发明有效降低承载光偏转测试系统的多维平移台的空间调节精度要求，降低成本。
文档编号G01B11/08GK102322805SQ20111024782
公开日2012年1月18日 申请日期2011年8月26日 优先权日2011年8月26日
发明者张宏超, 李贝贝, 陆建 申请人:南京理工大学