本发明涉及一种空化气液流场测量系统，具体涉及一种基于电导探针的流场测量系统，属于多相流检测技术领域。
背景技术：
空化不可避免发生于水力机械、高速推进器、水下兵器等运行工况下，空化的发生将带来压力脉动、振动、噪声和结构部件的疲劳破坏。空化以剧烈的气液相间质量交换为特征，是液体介质连续性的力学破坏，一旦发生，将显著改变流场结构。空化包含了空泡的生长，发展，断裂，脱落等非定常过程，具有多相流、湍流、可压缩、不稳定性和相变的强烈非线性强耦合的复杂特性。由于国家安全以及国民经济发展的需求，国内外许多研究者不断深入对空化现象的研究。由于空化现象的复杂性，空化建模仍未成熟，模型中许多参数需要经验或实验获得，实验技术是空化研究最主要的手段。
研究表明，空化流动中，气泡份额分布及其演化是流动的重要参数，是流体动力的主要来源，并且发现随着含气率的增加，空化混相介质的声速会显著降低，远低于纯汽相与纯液相，甚至达到几米每秒，使得当地流场达到超音速状态，因此高当地马赫数是空化流动的重要特性，是流体动力的主要原因，而马赫数的确定依赖于当地流速的测量。目前空化流动常用实验技术如高速录像和piv分别针对宏观气液形貌及运动场单一测量，无法同时获得空泡形貌参数和运动信息，且无法深入到单个空泡尺度。现有研究表明，电导探针技术作为两相流重要测量技术，虽然是一种接触式测量，但具有不受操作人员熟练程度的影响，响应快，便于与电脑联接，测量速度和精度高的特点，可以进行大样本实时测量，还可以直接输出电信号。由于探针的体积很小，可置于被测设备中的任意位置，而几乎不干扰流场，测量精度高。同时双头电导探针能够实现同时测量当地含气率和速度，获得空化区域马赫数参数的优点，为空化气液流场精细测量提供了可能。
目前，探针技术主要应用于多相流测量领域，由于空化气液流场具有瞬态冲击载荷、高压力脉动，非定常，湍流，可压缩，相变等显著区别于多相流的特点，亟需发展适合于空化气液流场测量的电导探针技术
技术实现要素：
有鉴于此，本发明提供了一种基于电导探针的空化气液流场测量系统，系统采用同步触发技术，实现对宏观空穴形态和局部空泡参数的同步测量。通过该系统能够精细测量不同空化阶段气液相分布及相速度，以及特定空穴结构。
一种基于电导探针的空化气液流场测量系统，测量系统包括水洞试验段，高速录像子系统，探针子系统、触发子系统和同步分析子系统；
所述探针子系统位于水洞试验段内部，所述探针子系统利用同一气泡经过探针子系统不同位置的时间差计算出气泡的移动速度，利用探针子系统处于绝缘状态的时间计算得到流场特定位置瞬态及平均含气率并存储；所述触发子系统同时触发高速录像子系统和探针子系统进行工作；所述同步分析子系统分别对高速录像子系统和探针子系统采集的信号进行处理，同步分析子系统通过统一时间管理，实现对图像和探针信号的同步分析。
进一步地，所述水洞试验段包括试验段和透明有机玻璃；所述试验段为矩形断面结构，底部布置的楔形结构形成收缩扩张流道，空化发生于扩张段流动分离区域，在所述的空化发生区域布置有探针子系统；试验段顶面、前面以及侧面为方便观察的有机玻璃。
进一步地，高速录像子系统包括照明镝灯，高速相机和图像采集仪；所述高速相机拍摄的图片由图像采集仪采集和存储。
进一步地，所述探针子系统包括探针、信号调节电路和信号采集仪；所述探针包括前探针、后探针和外壳，所述前探针和后探针通过绝缘介质固化在外壳的内部，探针的表面上覆盖绝缘层，头部留出一段导通部分；
所述外壳接地，前探针和后探针分别与外壳连接构成两个电路；前探针和后探针输出的信号分别进入信号调节电路；所述信号调节电路将导通信号放大后输入信号采集仪。
进一步地，所述信号调节电路由电阻(r1、r2、r3、r4、r5、r6)、电容(c1、c2)、隔离放大器和差动比例运算器组成；电阻r1和电容c1串联组成第一阶低通滤波电路，c1接地；电阻r2和电容c2串联后与电容c1并联组成第二阶低通滤波电路，c2接地；电容c2两端的电压信号再进入隔离放大器进行放大，并通过隔离放大器的两个输出端输出，进入差动比例运算电器后向外输出；隔离放大器正输出端的信号经过电阻r5和一个分压电阻r6加到运算放大器的同相输入端，r5和r6串联，r6接地；隔离放大器负输出端的信号经过电阻r3加到运算放大器的反相输入端，电阻r4跨接在反相输入端和输出端之间，形成深度负反馈，使运算放大器工作在线性状态。
其中二阶低通滤波器上限截止频率为10khz,用于消除信号中的高频噪声；隔离放大器将信号进行隔离并放大，削弱了环境中的电磁干扰；差动比例运算器将信号进一步放大，以满足后续信号采集仪的需要。
进一步地，所述的触发子系统包括同步触发开关和触发信号调节器；触发信号调节器为数字延迟发生器，具有多个输出通道，可以同时产生多路同步的脉冲触发信号；脉冲信号再经过触发信号调节器中同相比例放大电路的放大，以达到触发所需的电压，从而起到同时触发高速相机和信号采集仪的作用。
进一步地，所述同步分析子系统包括两台计算机，一台计算机对图像采集仪采集的图像进行处理，另一台计算机对信号采集仪的探针信号进行处理，两台计算机通过统一时间管理，实现对图像和探针信号的同步分析。
有益效果：
1、本发明的系统采用多场同步测量技术，实现了图像采集系统和探针测量系统的同步控制。
2、本发明能够实现对宏观空穴演化过程及空化气液流场微观气泡参数的同步测量，为深入分析空化气液流场特性提供了手段。
3、本发明相比现有技术，不仅可以测量两相流，考虑了空化气液流场高瞬态载荷，可以实现对非定常空化流动的测量，为空化流动精细化测量提供依据；
4、本发明可以实现特定空化结构下含气率和相速度的同步测量，可以获得空化介质内马赫数状态。
附图说明
图1为本发明系统组成示意图
图2为本发明电导探针系统测量流程图
图3为探针结构示意图
图4为探针信号调节电路结构图
图5为触发信号调节电路结构图
其中：1-水洞试验段、2-前探针、3-后探针、4-信号调节电路、5-信号采集仪、6-同步触发开关、7-镝灯、8-高速相机、9-图像采集仪、10-图像计算机、11-信号计算机、12-外壳、13-绝缘介质、14-导通部分。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
如附图1所示，本发明提供了一种基于电导探针的空化气液流场测量系统，包括水洞试验段1，高速录像子系统，探针子系统、触发子系统和同步分析子系统；该电导探针系统通过同步触发开关将图像采集子系统和探针子系统同步触发控制，当水洞试验段的扩张流道内产生典型空化流动形态时，待流动稳定后，关闭同步触发开关6，实现图像和探针信号按各自设定的频率进行同步采集。
图像测量子系统由镝灯7、高速相机8、图像采集仪9和图像计算机10组成；镝灯7作为光源，高速相机8用以拍摄实验过程中实验段的图片，所拍摄的图片由图像采集仪9采集和存储，之后在图像计算机10中进行定量图像处理。
探针子系统由探针、信号调节电路4、信号采集仪5以及信号计算机11组成；如附图3所示，探针由外壳12、前探针2、后探针3和绝缘介质13构成；探针上覆盖有一层均匀的绝缘漆，只在头部留出长度约10～20μm的导通部分14。探针的外壳12接地，前探针2和后探针3分别与外壳12连接构成两个电路，前探针2和后探针3输出的信号进入信号调节电路4。
如附图4所示，信号调节电路由电阻(r1、r2、r3、r4、r5、r6)、电容(c1、c2)、隔离放大器和差动比例运算器组成；电阻r1和电容c1串联组成第一阶低通滤波电路，c1接地；电阻r2和电容c2串联后与电容c1并联组成第二阶低通滤波电路，c2接地；电容c2两端的电压信号再进入隔离放大器进行放大，并通过隔离放大器的两个输出端输出，进入差动比例运算电器后向外输出；隔离放大器正输出端的信号u1经过电阻r5和一个分压电阻r6加到运算放大器的同相输入端，r5和r6串联，r6接地；隔离放大器负输出端的信号u2经过电阻r3加到运算放大器的反相输入端，电阻r4跨接在反相输入端和输出端之间，形成深度负反馈，使运算放大器工作在线性状态。
其中低通滤波电路为二阶低通滤波电路，其上限截至频率为10khz,用于消除信号中的高频噪声；隔离放大器将信号进行隔离并放大，削弱了环境中的电磁干扰；差动比例运算电路，将信号进一步放大，以满足后续信号采集仪的需要。经过处理的探针信号由信号采集仪进行采集和记录。最后信号计算机11对采集的信号进行计算和处理，得到含气率和气泡速率等所需参数。
触发子系统由同步触发开关6和触发信号调节电路组成(如附图5所示)；同步触发开关为数字延迟发生器，具有多个输出通道，可以同时产生多路同步的脉冲触发信号。脉冲信号再经过触发信号调节电路中同相比例放大电路的放大，以达到触发所需的电压，从而起到同时触发高速相机和信号采集仪的作用。
工作过程：首先，检查探针导电性和绝缘性，保证探针的处于良好的电导性能状态，将该电导探针系统各子系统连接，检查连接正确性；设置图像采集子系统和探针测量子系统的采集频率。然后，运行空化水洞，产生空化流动，关闭同步触发开关，实现图像和探针信号的同步采集。初步检查数据可用性，如果可行，进行下一组工况采集，直至实验结束。最后，对采集的图像数据进行图像处理，得到不同空穴结构演化；对探针得到的探针信号进行信号处理，通过滤波，去噪，相关等方法，基于matlab软件程序，得到气泡参数，含气率、泡径、泡速度等信息。对图像数据和探针信号数据进行同步分析，得到特定空穴结构下气泡参数特性。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。