CN102322805B - 空化泡最大泡半径的探测方法 - Google Patents

Abstract

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。

Description

空化泡最大泡半径的探测方法

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、细化及均匀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Δd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＜Δd＜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4～24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k和此次探测位置距离d，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k和探测位置距离d，直至特征波形出现的概率k为零时执行步骤6；所述探测位置距离d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p_i，具体的计算公式为：

p_i＝0.5-|0.5-k_i|，i＝1,2,3…

所述k_i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：

最大泡半径加权平均值计算表达式：

相应的均方根误差估计的计算表达式：

从而得到空化泡最大泡半径的估计值及其相应的均方根误差估计值。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：1）扫描探测过程中，扫描空间步长Δd不需要非常小，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；2）扫描探测过程中，每个探测位置处重复探测次数不需要非常大，有效降低整个扫描过程的总探测次数；3）扫描探测过程中，不需要寻找特征信号出现概率为50%的探测位置。因此，对扫描空间步长、重复探测次数的要求相对现有方法较为宽松；4）方法不仅能够在少量的测量次数中分析提取到误差更小的最大半径的估计值，还能获得相应的均方根误差估计。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1为本实用新型采用的光偏转探测系统示意图。

图2为光偏转探测系统的探测空化泡脉动的原理图，其中点划线a、b、c分别为探测空泡半径信息时的三个典型的探测位置。

图3为光偏转法探测空化泡的特征波形示意图，其中图（a）为探测距离大于空化泡最大半径时（即如图2中所示的典型探测位置a）相应的理论波形信号，且虚线框住的部分为空化泡单个运动周期的理论特征波形，图（b）为探测距离约等于空化泡最大半径时（即如图2所示的典型探测位置b）相应的理论波形信号，且图中虚线框住的部分为空化泡单个运动周期的理论特征波形。

图4为实例1探测激光空化泡的特征波形，其中图（a）为探测距离大于空化泡最大半径时（即如图2中所示的典型探测位置a）相应的真实波形信号，且虚线框住的部分为空化泡单个运动周期的特征波形，图（b）为探测距离约等于空化泡最大半径时（即如图2所示的典型探测位置b）相应的真实波形信号，且图中虚线框住的部分为空化泡单个运动周期的特征波形。图（a）和图（b）中点划线框住的部分为激光诱导空化泡产生过程中，激光光学击穿时辐射出的冲击波所致。

图5为实例1所得到的一系列环境压强下空化泡最大泡半径及其均方根误差估计值。

图中附图标记及其对应部分为：1为探测光束激光器；2为聚焦透镜；3为耦合透镜组（聚焦）；4为小孔光阑；5为光电探测系统；6为示波器；7为探测器用多维调节平台；8光偏转探测系统用多维平移台；9含能透射探测光窗口的容器；10为空化泡。

具体实施方式

结合图1，本发明的一种空化泡最大泡半径的探测装置，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4、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4、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。

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1、聚焦透镜2、耦合透镜组3、小孔光阑4、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Δd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＜Δd＜空化泡最大泡半径预测值；步长Δd优选为空化泡最大泡半径预测值的1/100。

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4～24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k和此次探测位置距离d，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k和探测位置距离d，直至特征波形出现的概率k为零时执行步骤6；所述探测位置距离d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p_i，具体的计算公式为：

p_i＝0.5-|0.5-k_i|，i=1,2,3…

所述k_i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：

最大泡半径加权平均值计算表达式：

相应的均方根误差估计的计算表达式：

从而得到空化泡最大泡半径的估计值及其相应的均方根误差估计值。

下面结合实施例对本发明做进一步详细的描述：

实施实例1（激光诱导空化泡最大泡半径的探测）

步骤1、根据光偏转探测系统的结构示意图搭建光偏转探测系统。其中探测光束采用He-Ne光束（波长632.8nm）；容器9的材料为在波长为632.8nm和1064nm附近透射率较高的光学玻璃，且调节容器内压强为1.5atm；光电探测系统采用光纤作为小孔光阑，光电倍增管作为光电转换装置。

步骤2、调节安放光纤的多维调节架使得耦合进光纤的能量达到最大，此时示波器中显示的波形的电压值也为最大。

步骤3、因为在本实例中空化泡的产生方法是激光光学击穿的方式产生的，且作用激光的焦点位置即为空化泡的中心位置。调节安放光偏转探测系统的多维平移台8，使得探测光束经聚焦透镜2聚焦后的焦点位于该作用激光的焦点位置，定义探测光束此时的位置为原点O，记录此时多维平移台8的读数。

步骤4、本实例中激光诱导空化泡的产生缘于激光光学击穿，因此在空化泡产生的同时还伴有冲击波信号的辐射，冲击波辐射信号的特征波形同空化泡溃灭时刻辐射的冲击波信号一致，只是出现在空化泡相关特征波形的前面。这个特征信号可以为我们判断空化泡最大泡半径特征波形提供时间参考点，进一步降低工作量。所以在本实例中，我们采用含有激光击穿冲击波信号特征波形的复合特征波形作为判读依据，相应的特征波形如附图4所示。

步骤5、以空间步长Δd（Δd＝10μm）沿附图1中所示的+y方向调节多维平移台一次。则此时的探测光束的位置为10μm。

步骤6、连续8次触发作用光激光器发射激光脉冲（每个脉冲间的时间间隔约为10s），在原点O处重复激发出激光诱导空化泡。观察并记录示波器中每次探测的光偏转信号的波形，如果这8次的重复测量中都没有附图4a所示的特征波形出现在信号波形中，则继续以空间步长Δd调节多维平移台，直至附图4a所示的特征波形出现。

步骤7、处理此次重复探测得到的8组信号波形：记信号波形中出现附图4b所示特征波形的信号波形个数为N，则附图4b所示特征波形出现的概率为k₁＝N/8＝87.5%。记录下此次探测的探测距离d₁＝2030μm（d₁值为当前探测位置下多维平移台读数减去原点处读数）和特征波形出现概率k₁＝87.5%。

步骤8、继续以空间步长Δd调节多维平移台，重复8次产生空化泡并记录下相应的探测距离d_i（i＝2,3,…）和特征波形的概率k_i（i＝2,3,…）。直到8组信号波形都有附图4a中所示特征波形出现，即k_i＝0，则停止扫描探测且不记录此次的相应数据。

步骤1.在本实例中，共得到6组不同探测距离和概率值，分别为：

1.d₁＝2030,k₁＝87.5%

2.d₂＝2040,k₂＝75.0%

3.d₃＝2050,k₃＝62.5%

4.d₄＝2060,k₄＝37.5%

5.d₅＝2070,k₅＝25.0%

6.d₆＝2080,k₆＝12.5%

步骤9、根据公式p_i＝0.5-|0.5-k_i|计算这六组探测距离的加权系数，分别为：

1.d₁＝2030,k₁＝12.5%

2.d₂＝2040,k₂＝25.0%

3.d₃＝2050,k₄＝37.5%

4.d₄＝2060,k₄＝37.5%

5.d₅＝2070,k₅＝25.0%

6.d₆＝2080,k₆＝12.5%

步骤10、根据公式计算此次光偏转扫描探测得到的环境压强为1.5atm下的激光诱导空化泡最大泡半径的加权平均值和相应的均方根误差的估计值分别为

R_max＝2055μm、

使用的计算公式表达式如下：

最大泡半径加权平均值计算表达式：

相应的均方根误差估计的计算表达式：

步骤11、改变容器9内的压强，采用相同的方法即可得到不同环境压强中激光诱导空化泡的最大泡半径加权平均值和相应的均方根误差估计，测试的结果如附图5所示。

结合实例可以发现：应用本探测方法的光偏转探测系统不需要以寻找特征波形出现的概率为50%的探测位置为目标，因此对扫描探测的空间步长和重复测量次数的要求大大降低。首先扫描过程中不需要将扫描的空间步长设置的非常小则对承载光偏转测试系统的多维平移台的空间调节精度要求大大降低，有效的减小了成本；其次，在每个探测位置上的重复测量次数不需太大，同时又因扫描空间步长的增大使总的扫描探测位置数量减小，最终使得总的测量次数大大降低，有效的减小测量的工作量。应用本方法不仅能够在少量的测量次数中分析提取到误差更小的最大半径的估计值，还能获得相应的均方根误差估计。

Claims (2)

1.一种空化泡最大泡半径的探测方法，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[4]、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Δd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，Δd满足以下条件：0＜Δd＜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4～24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k和此次探测位置距离d，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k和探测位置距离d，直至特征波形出现的概率k为零时执行步骤6；所述探测位置距离d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p_i，具体的计算公式为：

p_i＝0.5-|0.5-k_i|，i＝1,2,3…

所述k_i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：

最大泡半径加权平均值计算表达式：

相应的均方根误差估计的计算表达式：

从而得到空化泡最大泡半径的估计值及其相应的均方根误差估计值。

2.根据权利要求1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Δd为空化泡最大泡半径预测值的1/100。

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