CN101419108A - 一种超声波空化压强的测量装置及其测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超声波空化压强的测量装置及其测量方法，该装置是将传感器置于支架上，测量面应对超声波发生仪探头，信号线接入放大器输入端，输出端接入数据采集装置；该方法是将传感器置入水中调节探头距离和电荷放大器的灵敏度，选定增益量程，采集电荷放大器输出的电信号，开启超声波发生仪测量，记录存储电压数据，得到电压和时间的数据曲线进行换算，即得超声波空化压强值。本发明方法多点、快速、瞬时、长时、实时、动态监测采集数据，突破了传统监测方法的局限性，可测定瞬时值或平均值；本发明装置结构刚度大而简单便捷，固有频率高，可靠准确。适用于声化学反应、设备空化腐蚀等液体的物理和化学性质的变化研究。
Description
技术领域
本发明涉及一种测量液体中微泡空化压强的装置及其方法，尤其是一种用于动态液体中微泡在超声波作用下空化压强的测量装置及其测量方法。
背景技术
超声波空化是指存在于液体中的微气核空化泡在声波的作用下振动，当声压达到一定值时发生的生长和崩溃的动力学过程。空化作用一般包括3个阶段：空化泡的形成、长大和剧烈的崩溃。在液体中通入超声波后，由于液体振动而产生数以万计的微小气泡，即空化泡。这些气泡在超声波纵向传播形成的负压区生长，而在正压区迅速闭合，从而在交替正负压强下受到压缩和拉伸。在气泡被压缩直至崩溃的一瞬间，会产生巨大的瞬时压力，一般可高达几十兆帕至上百兆帕。
超声空化效应在溶液内部使得液体产生高频变化的机械运动，其加速度可达重力加速度的1500倍。高频条件下液体局部的瞬时压力发生很大的变化，在不同的时间和空间其空化强度也不同。近年来，随着计算工具、测量技术的进步，人们对超声作用下液体中空化泡的运动开展了大量的基础研究，建立了不同的模型，对影响空化泡运动状态以及空化泡内的压力、传递特性等因素进行了模拟求解，从理论上获得了一些重要的结论。但是由于实际中空化泡运动过程的复杂性和实验条件的限制，人们对它的认识仍不完善，其模拟结果偏差较大，难以反映过程的真实情况。尤其在空化强度的实验表征方面，由于测量仪器和传感器等选择方面的原因，只能测量到误差较大的平均值。对于空化产生的较为精确的瞬时压力值，到目前为止仍然未有行之有效的测量手段。
发明内容
本发明的目的是提供一种超声波空化压强的测量装置及其测量方法，以解决定量测量超声波瞬时空化压强的问题。
本发明实现上述目的和解决上述问题的技术方案包含有计算机数据采集装置、电荷放大器、超声波发生仪、压电石英力传感器以及支架。该测量装置是将压电石英力传感器设置在支架上，使其测量面正对超声波发生仪的探头，再将传感器的信号线接入放大器的输入端，放大器的输出端连接到计算机数据采集系统。
本发明用于超声波空化压强的测量装置的测量方法，其方法按下列步骤进行：
(1)将传感器置入水中，使传感器的测量面正对浸入水中的探头底部，后通过支架上的旋扭调节其测量面与探头的距离。
(2)调节电荷放大器的灵敏度，选定增益量程，设定上下限频率，由计算机数据采集系统采集电荷放大器输出的电信号。
(3)开启超声波发生仪进行测量，记录并存储电脑所显示的电压数据，调整超声波发生仪的探头到压电石英力传感器的距离，进行测量，得到电压和时间的数据曲线。
(4)根据电压和时间的数据曲线进行压力和电压换算，即得到超声波空化压强值。
本发明超声波空化压强的测量装置及其测量方法，通过压电石英力传感器，采用计算机快速进行多点采集数据，探索出一种传感器及其辅助数据采集系统，对超声波在水中产生的空化强度进行全程实时监控，得到全部实时动态变化曲线，结合设备的物理力学性质，从而测量出真实的空化压力。这对于从根本上解决声化学以及水电设备的空化腐蚀问题提供了真实的第一手基础性数据。
本发明突破了传统监测方法的局限性，扩大了测试范围，由原来的空化强度的平均值监测拓展为瞬时、长时、实时、动态监测，既可以测定瞬时值又可以获得平均值，提高了测试仪器的适用范围，保证了测量的准确度。
本发明超声波空化压强的测量装置具有结构刚度大、体积小、重量轻、固有频率高(通常在几十千赫以上)等特点。
本发明用于超声波空化压强的测量装置的测量方法，简单便捷、可靠准确，适用于声化学反应、设备空化腐蚀以及水中微小气泡溃灭所引起液体的物理性质和化学性质的变化研究。
附图说明
图1是本发明的监测装置结构示意图
图2是本发明的传感器结构示意图
图3是本发明压电石英力传感器输出电压与采集点数的曲线图
图4是本发明压电石英力传感器峰值输出电压的曲线图
图5是本发明空化压力和压电石英力传感器距离的曲线图
图中：1：电荷放大器 2：计算机数据采集装置 3：超声波发生仪 4：压电石英力传感器 5：支架 6：旋扭 7：容器 8：探头 9：信号线
具体实施方式
下面通过具体实施例能够对本发明的具体实施方式作出进一步的详细说明，本专业的普通技术人员在阅读了本发明的具体实施例后，能够理解和实施本发明。
实施例1
本发明为一种超声波空化压强的测量装置，包括超声波发生仪、压电石英力传感器、电荷放大器、计算机数据采集装置、以及可调节精确高度的支架。该装置是将压电石英力传感器设置在支架上，使其测量面正对超声波发生仪的探头，再将传感器的信号线接入放大器的输入端，放大器的输出端连接到计算机数据采集装置。
本发明的主要原理是用压电石英力传感器来测定超声波在水中的压强。压电传感器是一种机电换能器，其特点是结构简单、坚固、安装方便、尺寸小、重量轻和寿命长；频率响应范围宽，稳定性好。利用压电石英压电效应，当传感器受到力作用时，根据压电效应原理，在压电元件的两面就产生一个与这个力成正比的电荷。通过电荷放大器，将该电荷放大并转变为电压信号，然后将电压信号输入计算机数据采集系统，用电脑监测和记录电压数据，进而将电压换算成精确的力数据即压力。
实施例2
本发明用于测量装置的测量方法，具体步骤如下：
(一)测量步骤
1.传感器的结构见图2，测量之前应该将传感器的信号插座和信号线接好，并且用环氧树脂将信号线接插处密封，达到绝对防水作用，凉干24小时后使用。
2.将传感器固定在可以上下移动的金属支架上，移动的距离可通过支架上的刻度度量，如图1所示。
3.将传感器放入水中，传感器测量面正对超声波探头的低部，调节测量面与探头的距离。
4.将超声波探头浸入水平面下5mm，把传感器的信号线引出和电荷放大器输入端连接，电荷放大器输出端接到计算机A/D转换采集卡输入端记录试验数据。
5.调节电荷放大器的灵敏度电位器到3.67 PC/unit，选定增益量程为×10下限频率为100Hz；上限频率为100kHz。用计算机采集传感器输出的电信号。
6.开启超声波发生仪进行测量，记录并存储电脑所显示的电压数据。调整不同的超声波源和传感器的距离分别进行同样的测量，所得的电压和时间的数据曲线(超声波源和传感器的距离为5厘米)见图3和图4
(二)空化强度测量结果分析
传感器处在超声波探头之下5cm处所测量的电压输出随时间的变化的数据见图7-6。图中横坐标为采集时间的点数，纵坐标为传感器经放大器放大10倍后的电压值。
从图3可以看出，在离超声波源5cm处，传感器的输出电压幅度变化比较平稳，整体电压幅度的平均值为0.082V。最大峰值输出电压为0.173V。因为最关心的是最大压力，所以进行压力和电压换算时所选电位的大小统一取每组测量的最大峰值电压。最大峰值输出电压与时间的关系见图4，图4的横坐标已经换算成时间，单位为微妙。
具体换算的步骤是：由超声波的振动频率20kHz可以求出超声波的振动周期为5×10-5秒，由图4可以看出，每个周期内的采集点数为25个，然后求得每个采集点的时间为2×10-6秒，即数据采集卡每2微妙采集一个点，或者每秒采集5×105个点，以保障瞬时压力的准确度。
通过对以上测得的电压数据进行换算处理，得出压电石英力传感器在距离超声波波源不同位置时所受到的压力，所得结果列在表1中
表1 传感器输出电压和所受压力的换算结果
压电石英力传感器在距离超声波波源不同位置时所受到的压力曲线见图5，
传感器所受到的压力P和超声波波源的的距离d的关系见图5。由图可以看出随着传感器和超声波波源的的距离的增大，传感器所受到的压力逐渐衰减。在靠近超声波变幅杆探头低端0.1cm处最大压力为162×105Pa，平均压力为51×105Pa。
本发明在上述实施例中，压电石英力传感器测量表明：在水介质中，超声波频率为20kHz，功率为1000W的超声波作用下，传感器所受到的压力和超声波波源的的距离有关。随着传感器和超声波波源的的距离的增大，传感器所受到的压力很快衰减，该方法既可以测量瞬时压力，也可以测出平均压力。
Claims (2)
1.一种超声波空化压强的测量装置，其含有计算机数据采集装置(2)、电荷放大器(1)、超声波发生仪(3)、压电石英力传感器(4)以及支架(5)，特征在于：
将压电石英力传感器(4)设置在支架(5)上，使其测量面正对超声波发生仪(3)的探头，再将传感器(4)的信号线接入放大器(1)的输入端，放大器(1)的输出端连接到计算机数据采集系统(2)。
2.一种用于超声波空化压强的测量装置的测量方法，其方法按下列步骤进行：
(1)将传感器(4)置入水中，使传感器(4)的测量面正对浸入水中的探头底部，后通过支架(5)上的旋扭(6)调节其测量面与探头的距离；
(2)调节电荷放大器(1)的灵敏度，选定增益量程，设定上下限频率，由计算机数据采集系统(2)采集电荷放大器(1)输出的电信号；
(3)开启超声波发生仪(3)进行测量，记录并存储电脑所显示的电压数据，调整超声波发生仪(3)的探头到压电石英力传感器(4)的距离，进行测量，得到电压和时间的数据曲线；
(4)根据电压和时间的数据曲线进行压力和电压换算，即得到超声波空化压强值。
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2008
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