CN102230898A - 一种基于图像处理的超声空化效应测量装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于图像处理的超声空化效应测量装置，所述装置包括盛放反应液的透光水槽（2）和对超声水处理图像进行采集的图像采集装置（3），其中，水槽（2）底部固定有超声换能器（1），超声换能器（1）与功率放大装置（5）输出端连接，功率放大装置（5）与信号发生装置（4）连接，所述的图像采集装置（3）与对图像信号进行处理的计算机（6）连接。同时，本发明还公开了利用所述装置进行测量的方法。本发明增强了人类感知超声空化效应的能力，为通过多种方法和手段的比较分析来准确评价空化效应强弱创造了有利的条件。
Description
技术领域
本发明涉及超声空化检测及信号分析技术，具体说是一种通过图像处理测量超声空化及信号分析技术。
背景技术
超声空化是一个十分重要而又非常复杂的物理现象，有着越来越广泛的应用。影响超声空化的物理参数很多，对其定性及定量的测量有非常重要的作用。超声波进入液体，导致内部压力起伏，有些超过静态压力，也有些低于静态压力，其中低于静态压力的，称为负压。在液体的负压区域，结构中的缺陷会逐渐成长，形成肉眼可见的微气泡，这就是声空化。由于表面张力的作用，微气泡的形状几乎是球形的。微气泡的运动具有明显的非线性特征，具体表现为缓慢的膨胀和急剧的压缩。
超声空化的测量已有数十种方法被报道，如直接观察空化发光的光学法；基于化学法的荧光检测法、碘释放法；物理上的次谐波法等。
（1）光学方法
声致发光是指液体中声空化过程伴随发生的一种光的弱发射现象。早在四、五十年代人们就已经发现，声致发光是离散闪烁过程，对应每一个声波周期闪烁一次，有时两次。大多数液体的声致发光光谱是从红外区一直扩展到紫外区，利用高速摄影技术直接观测发现，在低频超声空化下，发光主要是发生在空化泡崩溃的后期。
（2）声学方法
研究表明超声空化过程中伴随产生次谐波和高次谐波等。用声学仪器可以检测到空化噪声、谐波和次谐波。国际上一般认为如能监测到HIFU治疗过程中产生1/2基频波的次谐波，就可以认为发生空化反应。
（3）碘释放法
超声空化过程中，KI水溶液中的KI氧化生成单质碘，加入少量 
，使其大量析出。有关化学反应如下：
加入淀粉使碘呈兰色，硫代硫酸钠滴定，直至溶液恢复成无色。反应如下：
I2+淀粉(呈兰色)
（兰色消失）
通过检测
的量可以确定
的析出量，进而得出空化强度。
（4）用荧光光谱技术检测·OH
对苯二甲酸水溶液是非荧光性物质，但是当其与·OH 相结合，便形成稳定的强荧光性物质羟基对苯二甲酸根离子，而在超声空化过程中可以产生·OH，所以通过检测溶液的荧光强度即可对空化进行研究。
上述介绍的四种方法和已见报道的其他方法均能利用超声空化效应的某方面特征来间接的检测出超声空化效应。在尚没有利用超声空化效应全部特征来全面准确检测其效应的情况下，研究利用超声空化效应某方面特征检测空化效应的新手段或新方法，有非常重要的意义。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明的目的是提供一种基于图像处理的超声空化效应测量装置及方法，增强了人类感知超声空化效应的能力，为通过多种方法和手段的比较分析来准确评价空化效应强弱创造了有利的条件。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种基于图像处理的超声空化效应测量装置，所述装置包括盛放反应液的透光水槽（2）和对超声水处理图像进行采集的图像采集装置（3），其中，图像采集装置（3）设置在与透光水槽（2）相对应的位置，其与对图像信号进行处理的计算机（6）连接，而透光水槽（2）底部固定有超声换能器（1），超声换能器（1）与功率放大装置（5）输出端连接，功率放大装置（5）与信号发生装置（4）连接。
为了使本发明装置达到更理想的技术效果，还可以采用如下的技术方案：
所述的透光水槽（2）为玻璃水槽。
所述图像采集装置（3）为工业摄像机。
所述的计算机包括matlab图像信号处理模块。
一种利用所述测量装置进行测量的测量方法，包括以下步骤：
（1）向透光水槽（2）中加入适量的水，并将整个超声换能器（1）置于透光水槽（2）的底部，浸于水中，固定其位置；
（2）调整图像采集装置（3），使其与透光水槽（2）相对固定，保证每次采集气泡图像的区域相同，并位于最易于进行图像采集的位置；
（3）将图像采集装置（3）与对图像信号进行处理的计算机（6）相连；
（4）信号发生装置（4）产生的信号经功率放大装置（5）放大后驱动超声换能器（1），功率放大装置（5）不能空载；
（5）调节信号发生装置（4）的频率属性，使其与超声换能器（1）的固有频率匹配；
（6）设定功率放大装置（5）输出功率，在空化稳定时，采集液体气泡图像信号；
（7）图像采集装置（3）采集的液体气泡图像信号后，将视频信号数字化并转化为光信号后传输到图像采集卡，转化为数字图像后读入计算机（6），计算机（6）的图像信号处理模块根据数字信号提取气泡数量等图像特征参数；
（8）维持测量条件不变，改变功率放大装置（5）输出功率，重复步骤（6）和步骤（7），采集不同功率下空化效应产生的液体气泡图像信息；
（9）分析并处理采集得到的液体气泡图像信息，得出一定频率下，空化泡的数量与空化效应及声功率的关系。
为了使本发明方法达到更理想的技术效果，还可以采用如下的技术方案：
在步骤（7）中光信号通过光缆传输到图像采集卡。
在步骤（7）中计算机（6）接收到的数字图像的格式为RGB-24bits。
在步骤（9）中液体气泡图像信息的分析处理步骤为：
(1) 图像分割；
(2) 对分割后的图像进行处理；
(3) 找出气泡或气泡群以及位于图像边界处的气泡；
(4) 检测出相接的气泡组；
(5) 计算出独立的气泡数目；
在步骤（9）中得出一定频率下，空化泡的数量与空化效应及声功率的关系后，还包括建立模型的步骤。
本发明利用超声空化效应的主要特征—气化核在超声作用下能被激活增大为肉眼可观察到的微小气泡，随着声强的变化，液体中的气泡数量也随之变化，气泡数量越多说明被激活的空化核越多、空化效应越强，即在一定频率下，空化的强度与声强存在一定对应关系，空化泡的数量与空化效应也存在一定对应关系，可以通过图像采集器获取在一定超声作用下发生空化的反应液图像，分析由于空化效应产生的微小气泡的数量变化，从而确定其超声空化强度，而由于空化效应受环境因素的影响很大，所以我们必须保证除超声功率外其他环境参数保持不变，在此条件下，改变声功率的大小，采集空化反应腔内同一区域在不同声功率作用下的图像，通过图像处理，得到不同声功率对应的气泡数量，从而定性的检测出声空化效应强弱的变化。
本发明采用现代图像采集手段对超声水处理图像进行采集、处理，建立空化泡数量与声强之间的对应关系，从而获知空化效应强弱（空化泡数量）与声强之间的对应关系，为开展声空化效应的基础和应用研究提供重要参考，同时本发明提供的超声空化反应测量装置，简单、直观、易于实现。
本发明的有益效果为：本发明在保持环境参数及频率等声学参数不变的情况下，在一定范围内，由空化产生的气泡数量与声功率存在一定对应关系，进而，由气泡数量便可定性的分析声强及空化效应的强弱，建立超声功率与超声空化效应的对应关系，为开展相关基础研究和应用研究提供有意义的参考；通过对实验液体图像的实时采集、处理，建立数学模型，测量简单、直观、易于实现。
附图说明
图1为基于图像处理的超声空化效应测量装置的原理图；
图2为气泡数量与声功率的关系图；
图3为声功率为1w时的气泡二值图；
图4为声功率为8w时的气泡二值图。
图中主要附图标记含义为：
1、超声换能器 2、透光水槽 3、图像采集器
4、信号发生器 5、功率放大器 6、计算机。
具体实施方式
下面将结合附图，详细说明本发明的具体实施方式：
图1为基于图像处理的超声空化效应测量装置的原理图；图2为气泡数量与
声功率的关系图；图3为声功率为1w时的气泡二值图；图4为声功率为8w时的气泡二值图。
如图1所示，一种基于图像处理的超声空化效应测量装置，包括超声换能器1、透光水槽2、图像采集器3、信号发生器4、功率放大器5以及计算机6，其中，在本实施方式中，超声换能器1为柱状压电陶瓷换能器，透光水槽2为透光性较好的玻璃水槽，功率放大器5选用高频功率放大器，图像采集器3选用工业摄像机。
图像采集装置3设置在与透光水槽2相对应的位置，其与对图像信号进行处理的计算机6连接，而透光水槽2底部固定有超声换能器1，超声换能器1与功率放大装置5输出端连接，功率放大装置5与信号发生装置4连接。
基于图像处理的超声空化效应测量装置的工作过程为：超声换能器1置于水槽透光2的底部，并固定其位置，透光水槽2盛放反应液体水，信号发生器4发出一定频率正弦信号经功率放大器5放大后驱动超声换能器1，使反应液体发生空化效应。
然后固定工业摄像机的位置，待空化效应稳定后采集反应液发生空化效应时的气泡图像，把采集到的图像传输到计算机6进行分析处理，得到气泡数目等图像特征参数。
利用基于图像处理的超声空化效应测量装置进行测量的方法，包括以下步骤：
（1）向透光水槽2中加入适量的水，并将整个超声换能器（1）置于透光水槽（2）的底部，浸于反应液体水中，固定其位置；
（2）调整图像采集装置3，使其与透光水槽2相对固定，保证每次采集气泡图像的区域相同，并位于最易于进行图像采集的位置；
（3）将图像采集装置3与对图像信号进行处理的计算机6相连；
（4）信号发生装置4产生的信号经功率放大装置5放大后驱动超声换能器1，其中功率放大装置5不能空载；
（5）调节信号发生装置4的频率属性，使其与超声换能器1的固有频率匹配；
（6）设定功率放大装置5输出功率，在空化稳定时，采集液体气泡图像信号；
（7）图像采集装置3采集的液体气泡图像信号后，将视频信号数字化并转化为光信号后通过光缆传输到图像采集卡，转化为数字图像后以RGB-24bits格式的数字图像信息读入计算机6，计算机（6）的图像信号处理模块根据数字信号提取气泡数量等图像特征参数；
（8）维持测量条件不变，改变功率放大装置5输出功率，重复步骤6）和步骤（7），采集不同功率下空化效应产生的液体气泡图像信息；
（9）分析并处理采集得到的液体气泡图像信息，得出一定频率下，空化泡的数量与空化效应及声功率的关系并建立模型，其中，气泡图像信息分析处理的步骤为：
(1) 图像分割；
(2) 对分割后的图像进行处理；
(3) 找出气泡或气泡群以及位于图像边界处的气泡；
(4) 检测出相接的气泡组；
(5) 计算出独立的气泡数目。
下面给出一个具体实例，详细说明使用本发明的测量方法及具体步骤：
本实例中透光水槽2为60×60×50cm玻璃槽；超声换能器1的谐振频率为494.74kHz；工业摄像机3的分辨率为1024*768，快门为323us，视场为16cm*12cm，由12v直流电源供电，测量精度为6.4-6.8pixels/mm；用matlab图像信号处理模块进行图像处理；
使用图1所示的装置，向透光水槽2中加入适量的水，并将超声换能器1置于水中，固定其位置；
用四向夹将工业摄像机3固定在最易观测液体气泡图像的位置；
将信号发生器4的输出端与功率放大器5的输入端连接，将功率放大器5的输出端与超声换能器1连接，在通电之前保证功率放大器5没有空载。
用信号发生器4产生频率为494.74kHz的正弦信号，幅度为3V，并与高频功率放大器5相连，整个装置连接好后，打开功率放大器开关，调节其输出功率为1w，将信号放大后驱动超声换能器1。
每个电功率加到超声换能器1上后，工作一分钟，使空化效应达到稳定后通过工业摄像机采集图像信息如图3所示。
维持测量条件不变，改变功率放大器4的输出功率为2w、4w、6w、8w、10w。重复上述测量步骤，采集不同声功率下液体中的气泡图像信息，功率放大器4的输出功率为8w时工业摄像机采集图像信息如图4所示。
通过以上的实验，图像处理得到的空化效应测量结果如表1所述：
表1：图像处理得到的空化效应实验测量结果
分析比较不同声功率下的图像信息，通过图像处理软件得到不同声功率下的气泡数目，进而定性的分析空化产生的气泡数量与声功率的关系，确定空化效应的强弱，气泡数量与声功率的关系如图2所示：
超声换能器所发射的声功率尚未达到空化效应饱和点时，超声换能器的输入电功率与超声换能器发射的声功率成正比，声功率与空化效应成正比；当所加电功率足够大时，空化效应趋向饱和，将不存在线性关系。
通过对超声水处理的气泡图像的分析处理得到：一定频率下，空化的强度与声强存在一定对应关系，空化泡的数量与空化效应也存在一定对应关系。提取的气泡数量特征参数能够反映空化效应的强弱，进而为开展空化效应的相关基础研究和应用研究提供有意义的参考。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种基于图像处理的超声空化效应测量装置，其特征在于，所述装置包括盛放反应液的透光水槽（2）和对超声水处理图像进行采集的图像采集装置（3），其中，图像采集装置（3）设置在与透光水槽（2）相对应的位置，其与对图像信号进行处理的计算机（6）连接，而透光水槽（2）底部固定有超声换能器（1），超声换能器（1）与功率放大装置（5）输出端连接，功率放大装置（5）与信号发生装置（4）连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于图像处理的超声空化效应测量装置，其特征在于，所述的透光水槽（2）为玻璃水槽。
3.根据权利要求1所述的一种基于图像处理的超声空化效应测量装置，其特征在于，所述图像采集装置（3）为工业摄像机。
4.根据权利要求1所述的一种基于图像处理的超声空化效应测量装置，其特征在于，所述的计算机包括matlab图像信号处理模块。
5.一种利用权利要求1中测量装置进行测量的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）向透光水槽（2）中加入适量的水，并将整个超声换能器（1）置于透光水槽（2）的底部，浸于水中，固定其位置；
（2）调整图像采集装置（3），使其与透光水槽（2）相对固定，保证每次采集气泡图像的区域相同，并位于最易于进行图像采集的位置；
（3）将图像采集装置（3）与对图像信号进行处理的计算机（6）相连；
（4）信号发生装置（4）产生的信号经功率放大装置（5）放大后驱动超声换能器（1），其中，功率放大装置（5）不能空载；
（5）调节信号发生装置（4）的频率属性，使其与超声换能器（1）的固有频率匹配；
（6）设定功率放大装置（5）输出功率，在空化稳定时，采集液体气泡图像信号；
（7）图像采集装置（3）采集液体气泡图像信号后，将视频信号数字化并转化为光信号后传输到图像采集卡，转化为数字图像后读入计算机（6），计算机（6）的图像信号处理模块根据数字信号提取气泡数量等图像特征参数；
（8）维持测量条件不变，改变功率放大装置（5）输出功率，重复步骤（6）和步骤（7），采集不同功率下空化效应产生的液体气泡图像信息；
（9）分析并处理采集得到的液体气泡图像信息，得出一定频率下，空化泡的数量与空化效应及声功率的关系。
6.根据权利要求5所述的一种利用权利要求1中测量装置进行测量的测量方法，其特征在于，步骤（7）中光信号通过光缆传输到图像采集卡。
7.根据权利要求5所述的一种利用权利要求1中测量装置进行测量的测量方法，其特征在于，步骤（7）中计算机（6）接收到的数字图像的格式为RGB-24bits。
8.根据权利要求5所述的一种利用权利要求1中测量装置进行测量的测量方法，其特征在于，步骤（9）中液体气泡图像信息的分析处理步骤为：
(1) 图像分割；
(2) 对分割后的图像进行处理；
(3) 找出气泡或气泡群以及位于图像边界处的气泡；
(4) 检测出相接的气泡组；
(5) 计算出独立的气泡数目。
9.根据权利要求5所述的一种利用权利要求1中测量装置进行测量的测试方法，其特征在于，步骤（9）中得出一定频率下，空化泡的数量与空化效应及声功率的关系后，还包括建立模型的步骤。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C12 | Rejection of a patent application after its publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20111102 |