CN103148975A - 一种用于超声场剪切力测量的实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于超声场剪切力测量的实验装置，对超声波在液体中传播产生的剪切力进行测量，包括由直径依次从大至小且依次套装在一起的第一、第二、第三级球体钢架组成的三级球形传感器阵列体结构，每级球体钢架的中心底部紧贴在一起，每级球体钢架是由具有共同垂直中心线的截面为圆形且直径相同的若干个空管支架沿圆周方向间隔均匀搭建成，每级球体钢架中的每相邻两根空管支架之间连接多根弹性固定绳，多根弹性固定绳从球体钢架的底部至顶部间隔分布，每根弹性固定绳上设有微型压力传感器；采用三级球形传感器阵列体结构反应整个超声场内的剪切力分布状况，通过弹性连接方式来测量流体受超声场产生的剪切力。

Description

一种用于超声场剪切力测量的实验装置

技术领域

本发明涉及一种用于超声场剪切力测量的实验装置，对超声波在液体中传播产生的剪切力进行测量。

背景技术

利用功率超声波在液体中传播能够产生巨大的剪切力，例如当声波压强达100kPa，功率密度达0.35W/cm²时，其剪切力的大小可以将液体分子拉裂成空洞(空化核)，在超声波压强下一个半周达到最大时，由于周围压力的增大而被压碎，此时，液体分子激烈碰撞产生非常巨大的二次剪切力。利用超声场产生的强大剪切力可将吸附在一起的物质进行分离，利用这一原理，可以利用超声波发生器制成超声波清洗机、超声波细胞粉碎机，也可将超声场用于超滤装置的强化助滤。

目前对于超声场作用力的实验研究往往只能通过实验结果进行反推分析。其原因在于没有能够实时传输整个超声场剪切力分布结构的实验装置。然而从空化的原理可以看出空化过程涉及两次超声场剪切力的施用，因此在研究超声清洗或者超声助滤过程的时候，需要实时传输整个超声场剪切力分布的实验装置才能深入了解超声波的作用机理，优化超声波的功率匹配。

发明内容

本发明的目的是为克服现有技术中因没有实时传输整个超声场剪切力分布结构的实验装置而导致无法深入了解超声波的作用机理和无法优化超声波的功率匹配的缺陷，从而提出一种用于超声场剪切力测量的实验装置，能对整个超声场剪切力进行实时测量。

为达到上述目的，本发明一种用于超声场剪切力测量的实验装置采用的技术方案是：包括由直径依次从大至小且依次套装在一起的第一、第二、第三级球体钢架组成的三级球形传感器阵列体结构，每级球体钢架的中心底部紧贴在一起，每级球体钢架是由具有共同垂直中心线的截面为圆形且直径相同的若干个空管支架沿圆周方向间隔均匀搭建成；每级球体钢架中的每相邻两根空管支架之间连接多根弹性固定绳，多根弹性固定绳从球体钢架的底部至顶部间隔分布，每根弹性固定绳上设有微型压力传感器，所有微型压力传感器均连接数据传输总线一端，数据传输总线另一端经数据采集板连接计算机。

进一步地，所述数据传输总线一端位于三级球形传感器阵列体结构的顶部，三级球形传感器阵列体结构的底部中间设有固定吸盘底座。

进一步地，所述微型压力传感器上设有传感器固定钩，空管支架上设有架体固定钩，弹力固定绳一端连接传感器固定钩，另一端连接架体固定钩。

进一步地，微型压力传感器的传感器传输信号线通过空管支架上开有的信号线入口伸入空管支架内部，从空管支架的顶端口引出后连接数据传输总线。

进一步地，所述信号采集板由信号调理电路、多路开关选择器、A/D转换器和单片机组成，信号调理电路将传感器传来的信号调理后经多路开关选择器进行分时巡检并将信号传递给信号A/D转换器，A/D转换器将调理后的模拟信号转换为数字信号后传递给计算机。多路开关选择器和A/D转换器的采样信号由单片机控制给出。

本发明与已有技术相比，具有如下优点：

1、本发明采用一种三级球形传感器阵列体结构，能够反应整个超声场内的剪切力分布状况，有助于更加准确实时地研究超声清洗或者超声助滤过程时超声波的作用机理，优化超声波的功率匹配。

2、本发明采用一种弹性连接式压力传感器来测量流体受超声场产生的剪切力，结构简单。

3、本发明采用传统通用的微型压力传感器作为数据采集终端，成本低且便于更换。

4、本发明中的球形阵列体结构采用空管支架，使得导线从空管支架中向外传导，避免了导线对流场的影响。

5、本发明中的球形阵列体结构的底部安装有固定吸盘，保证整个支架能够固定在流场底部，方法简单且固定作用好。

6、本发明采用信号采集卡实时巡检收集传感器的剪切力信号，保证传输的实时性。

7、本发明的使用过程只需将球形阵列体结构放入流场并压紧就可以采集流场内部各个相对位置的剪切力信号，并将信号实时的传输给计算机，安装方便、操作简单，解决了传统方法无法实时测量超声场剪切力分布及其变化的问题。

附图说明

图1是本发明一种用于超声场剪切力测量的实验装置的整体结构示意图。

图2是图1中微型压力传感器4的放大的安装示意图。

图3是图1中球形传感器阵列体的底部连接结构图。

图4是图1中球形传感器阵列体的顶部结构图。

图5是图1中信号采集板8的原理图。

图6是本发明一种用于超声场剪切力测量的实验装置的使用图。

附图中各部件的序号和名称：1：第一级球体钢架，2：第二级球体钢架，3：第三级球体钢架，4：微型压力传感器，5：弹力固定绳，6：固定吸盘底座，7：数据传输总线，8：信号采集板，9：计算机，10：架体固定钩，11：传感器固定钩，12：中心支撑柱传输线出口，13：传感器传输信号线，14：架体信号线入口，15：钢架连接座，16：实心连接旋口，17：橡胶吸盘，18：中心支撑柱，19：超声波发生器，20：换能器，21：超声场作用容器。

具体实施方式

参见图1，为本发明一种用于超声场剪切力测量的实验装置的整体结构示意图，该装置的主体部分为由第一级球体钢架1、第二级球体钢架2以及第三级球体钢架3组成的三级球形传感器阵列体结构。第一、二、三级球体钢架1、2、3的直径依次为从大到小，依次套装在一起，第二级球体钢架2套在第一级球体钢架1内底部，第三级球体钢架3套在第二级球体钢架2内底部，套装时，三级球体钢架于垂直中心线的中心底部紧密贴在一起。三级球体钢架的直径大小可以根据反应容器大小合理确定，例如对与长、宽均为50cm的容器，第一、二、三级球体钢架1、2、3的直径可依次设计为45cm、30 cm、15 cm。

每一级球体钢架是由具有共同垂直中心线的截面为圆形且直径相同的若干个空管支架沿圆周方向间隔均匀搭建成。每根空管支架均为中空结构的管状，可以用于安放导线。空管支架的数量可以根据待测超声场的分布密度来确定。三级球体钢架具有共同的垂直中心线，该共同的垂直中心线与球形传感器阵列体结构的垂直轴心线重合。

每级球体钢架1、2、3中的每相邻两根空管支架之间连接多根弹性固定绳5，多根弹性固定绳5从球体钢架的底部至顶部间隔分布，每根弹性固定绳5上安装有微型压力传感器4，微型压力传感器4用于检测超声场中各个位置的剪切力。所有微型压力传感器4均连接数据传输总线7一端，数据传输总线7一端从三级球形传感器阵列体结构的顶部传输出来，数据传输总线7另一端连接数据采集板8，数据采集板8连接计算机9，通过数据采集板8将信号传送给计算机9。在三级球形传感器阵列体结构的底部中间安装有固定吸盘底座6，用于将整个阵列体固定在待测场的底部。

参见图1及图2，图2为本发明一种用于超声场剪切力测量的实验装置的微型压力传感器4的安装示意图，仅以第一级球体钢架1为例说明，连接在第二、三级球体钢架2、3上的微型压力传感器4的安装结构与连接在第一级球体钢架1上的微型压力传感器4的安装结构一样。图2所示的微型压力传感器4安装于第一级球体钢架1的相邻两个空管支架之间。微型压力传感器4采用常用的微型压力传感器，微型压力传感器4上设有传感器固定钩11，用于连接弹力固定绳5一端，弹力固定绳5的另一端与设在空管支架上的固定架体钩10相连。弹力固定绳5具有一定的弹性，使得当微型压力传感器4受到单向压力时，由于弹力固定绳5的作用使得单向压力力量得到消除或者衰减，只有当微型压力传感器4受到来自不同方向压力的时候才会出现有效测力，而不同方向的合成力就是需要测量的剪切力。微型压力传感器4的信号传输线13通过空管支架上开的信号线入口14伸入空管支架内部，从空管支架的顶端口引出后连接数据传输总线7，这样能够有效减少信号传输线13对流场的影响。

参见图1及图3，图3为本发明用于超声场剪切力测量的实验装置的球形传感器阵列体与固定吸盘底座6的连接结构图。图1中的固定吸盘底座6是由图3中的实心连接旋口16、橡胶吸盘17和钢架连接座15组成。为了清楚表达，图3中只给出了第一级球体钢架1的局部和第三级球体钢架3与底座6的连接示意图。图3中第一级球体钢架1和第三级球体钢架3的底部焊接于钢架连接座15的上面中央。钢架连接座15上面中央，即球体钢架的垂直中心线位置处焊接一根垂直的中心支撑柱18。中心支撑柱18上部连接第一级球体钢架1、第二级球体钢架2以及第三级球体钢架3的上端，作用是起支撑作用。其次，中心支撑柱18为中空的空管结构且其顶点高出第一级球体钢架1，中心支撑柱18的顶部表面开有传输线出口12，用于将第二级球体钢架2以及第三级球体钢架3内部来自微型压力传感器4的信号线引出中心支撑柱18。钢架连接座15的下面为旋口，用于配合连接实心连接旋口16，实心连接旋口16与橡胶吸盘17为一体，其橡胶吸盘17则为空心橡胶吸盘，能将整个装置牢牢吸定。

参见图1、图3及图4，图4为本发明用于超声场剪切力测量的实验装置球形传感器阵列体的顶部俯视结构图。为了清楚表达，图4中省略了微型压力传感器4以及相应的弹力固定绳5。从图4中可以看出第一级球体钢架1内的传感器传输信号线13，在整个架体的上部与第二级球体钢架2以及第三级球体钢架3输入到中心支撑柱18的传感器传输信号线13进行汇总，汇总后经数据传输总线7传输到信号采集板8。

参见图5，图5为本发明一种用于超声场剪切力测量的实验装置的信号采集板原理图。图中第一、二、三路传感器分别是第一级球体钢架1、第二级球体钢架2以及第三级球体钢架3上的微型压力传感器4组成的传感器阵列。信号采集板8由信号调理电路、多路开关选择器、A/D转换器和单片机组成。第一、二、三路传感器的信号分别通过第一、二、第三球体钢架1、2、3输出，分别传递给相应的信号调理电路，信号调理电路将传感器传来的信号调理成符合后续电路要求的信号。调理好后的三路信号均经过多路开关选择器进行分时巡检并将信号传递给信号A/D转换器，A/D转换器将调理后的模拟信号转换为数字信号后传递给计算机。多路开关选择器和A/D转换器的采样信号由单片机控制给出。

参见图6，图6为本发明一种用于超声场剪切力测量的实验装置的使用实例。将本发明用于超声场剪切力测量的实验装置的三级球形传感器阵列体结构放入如图6所示的超声场作用容器21中。然后轻压整个钢架体将底座6内橡胶吸盘17中的空气排空，从而使得整个装置固定于超声场作用容器21的底部。开通超声波发生器19的电源，超声波发生器19通过换能器将电信号转换为超声振动信号向容器21传播。第一级球体钢架1、第二级球体钢架2以及第三级球体钢架3上的微型压力传感器阵列不断采集超声场内不同位置的剪切力信号。并将剪切力信号转换为电信号通过数据传输总线7传递给信息采集板8，信息采集板8将模拟信号转换为数字信号传递给计算机9。计算机9通过将采样得到的数字信号转换为相应的压力值，并根据相应的信号采集顺序形成列表，反映当前超声场容器21内的剪切力分布，并实时刷新其变化情况。

Claims (6)

1.一种用于超声场剪切力测量的实验装置，其特征是：包括由直径依次从大至小且依次套装在一起的第一、第二、第三级球体钢架（1、2、3）组成的三级球形传感器阵列体结构，每级球体钢架的中心底部紧贴在一起，每级球体钢架是由具有共同垂直中心线的截面为圆形且直径相同的若干个空管支架沿圆周方向间隔均匀搭建成，每级球体钢架中的每相邻两根空管支架之间连接多根弹性固定绳（5），多根弹性固定绳（5）从球体钢架的底部至顶部间隔分布，每根弹性固定绳（5）上设有微型压力传感器（4），所有微型压力传感器（4）均连接数据传输总线（7）一端，数据传输总线（7）另一端经数据采集板（8）连接计算机（9）。

2.根据权利要求1所述一种用于超声场剪切力测量的实验装置，其特征是：所述数据传输总线（7）一端位于三级球形传感器阵列体结构的顶部，三级球形传感器阵列体结构的底部中间设有固定吸盘底座（6）。

3.根据权利要求1所述一种用于超声场剪切力测量的实验装置，其特征是：微型压力传感器（4）上设有传感器固定钩（11），空管支架上设有架体固定钩（10），弹力固定绳（5）一端连接传感器固定钩（11），另一端连接架体固定钩（10）。

4.根据权利要求1所述一种用于超声场剪切力测量的实验装置，其特征是：微型压力传感器（4）的传感器传输信号线（13）通过空管支架上开有的信号线入口（14）伸入空管支架内部，从空管支架的顶端口引出后连接数据传输总线（7）。

5.根据权利要求1所述一种用于超声场剪切力测量的实验装置，其特征是：信号采集板（8）由信号调理电路、多路开关选择器、A/D转换器和单片机组成，信号调理电路将传感器传来的信号调理后经多路开关选择器进行分时巡检并将信号传递给信号A/D转换器，A/D转换器将调理后的模拟信号转换为数字信号后传递给计算机，多路开关选择器和A/D转换器的采样信号由单片机控制给出。

6.根据权利要求2所述一种用于超声场剪切力测量的实验装置，其特征是：固定吸盘底座（6）上面中央处固接垂直中心支撑柱（18）下部，中心支撑柱（18）上部支撑连接第一、第二、第三级球体钢架（1、2、3）的上端，中心支撑柱（18）为中空的空管结构且其顶点高出第一级球体钢架（1），中心支撑柱（18）的顶部开有传输线出口（12），连接第二、第三级球体钢架（2、3）的微型压力传感器（4）的传感器传输信号线经所述传输线出口（12）引出，三级球体钢架上的传感器传输信号线在中心支撑柱（18）的顶部汇总。

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