CN108257486A - 一种精确控制水下多气泡生成试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种精确控制水下多气泡生成试验装置，包括手机、高速摄影机、水箱、单片机控制模块、蓄能升压电路、放电电路及放电电极。单片机控制模块同时连接手机、高速摄影机及多个放电电极，放电电极位于水箱内，每个蓄能升压电路、放电电路及放电电极均对应连接，调整放电电极之间的间距及高度，通过手机APP软件设定并监控多个放电电极的放电电压、放电延时参数，由单片机控制模块控制蓄能升压电路蓄能升压为放电电极提供放电电压，并控制放电电路的通断触发放电电极生成多气泡，同时控制高速摄影机同步工作。本发明可以精确控制生成多个气泡的放电电压、放电延时，生成多种形态的多个气泡，并监测充电电压，同时实现对多气泡状态的同步观测。

Description

一种精确控制水下多气泡生成试验装置

技术领域

本发明涉及水下多气泡生成试验技术领域，具体涉及一种精确控制水下多气泡生成试验装置。

背景技术

在水下爆炸过程中，炸药爆轰除形成冲击波外，还存在气泡脉动现象，其能量大约占炸药总能量的50％，对提高炸药的效能具有重要的意义。水下环境复杂多样，气泡与不同边界条件作用时将会产生不同的运动特性。例如，气泡脉动若发生在舰船附近，将对其产生致命的毁伤。如爆炸发生在近水面，还会形成不同形态的水柱或水幕，可用于防空反导等方面的研究。现实中，往往还存在多发水中兵器同时或延时爆炸，形成多种形态的气泡并相互作用。因此，多个气泡相互作用机理的研究也具有非常重要的现实意义，引起了越来越多学者和工程人员的兴趣。但使用炸药进行水下爆炸的研究，费用高、安全性差、污染环境，且在复杂的野外环境下，准确的测量较为困难。国内外学者为进行水下爆炸的研究，大都采取水箱中生成气泡的方法进行替代。

现有的水下气泡生成装置有在低压、高压环境下通过金属丝短路放电对水电离而产生气泡，这种装置采用手动调动转向开关的方式接通，无法精确控制起爆时间和多气泡的生成。还有近壁面空泡的可视化实验研究装置，采用55V的直流电源，产生空泡的最大尺寸仅为3～5mm，气泡半径较小；且双空泡相互作用的研究仅通过电路并联实现，无法实现延时功能。还有的装置电压范围小，无法实现更高的电压，也无法应用于多个气泡的生成及延时控制。

综合考虑现有的技术方案存在以下问题，无法精确控制生成多个气泡的放电电压、放电延时，并监测充电电压，也无自动触发高速摄影机对多气泡状态进行同步观测。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种精确控制水下多气泡生成试验装置，可以精确控制生成多个气泡的放电电压、放电延时，生成多种形态的多个气泡，并监测充电电压，同时实现对多气泡状态的同步观测。

本发明的具体实施方案如下：

一种精确控制水下多气泡生成试验装置，所述试验装置包括：电源模块、手机、高速摄影机、水箱、单片机控制模块、蓄能升压电路、放电电路、放电电极及光源；

所述电源模块为单片机控制模块供电，单片机控制模块连接手机，同时通过同步线连接高速摄影机，所述光源为高速摄影机补光；每个蓄能升压电路对应连接一个放电电路，每个放电电路连接一个放电电极，放电电极位于水箱内，单片机控制模块通过控制多个蓄能升压电路为所述放电电极提供放电电压；

调整放电电极之间的间距及高度，通过手机上安装的气泡生成控制APP软件设定并监控多个放电电极的放电电压、放电延时参数，由单片机控制模块控制蓄能升压电路蓄能升压，并控制放电电路的通断以触发放电电极生成多气泡，同时控制高速摄影机同步工作。

进一步地，所述试验装置还包括残余电量放电回路，残余电量放电回路与蓄能升压电路连接；蓄能升压电路未连通时，单片机控制模块控制残余电量放电回路闭合，释放蓄能升压电路中的残余电量；电源模块断开时，残余电量放电回路通过继电器实现闭合释放蓄能升压电路中的残余电量。

进一步地，所述导线固定在竖直伸入水箱中的套筒内，所述水箱外部设置外围框架，滑块与外围框架上横梁滑动配合；所述套筒上端夹持在滑块内部，套筒通过滑块沿外围框架上横梁水平移动，并且在竖直方向上高度可调。

进一步地，所述套筒外圆周上竖直固定标尺，用于标定气泡大小。

有益效果：

1、本发明通过单片机控制模块精确控制放电电极间放电电压，控制所生成气泡的大小，通过控制放电延时，从而控制多个电极间同时或延时放电，结合调整放电电极在水中的位置，生成多种形态的多个气泡。其次，通过蓄能升压电路提升放电电压，放电电压可选范围为220～1000VDC，起爆间隔延时范围可为0～100ms，步进0.1ms；再者，通过手机控制和监测输入电压、放电延时、放电电压等参数，同时接收单片机控制模块的反馈信息，界面友好，互动型强，安全可靠。最后，设计的高速摄影同步电路，可在生成气泡的同时同步触发高速摄影模块进行精确的捕捉和观测，不需人为触发高速摄影机，操作简单。

2、本发明设有残余电量放电回路，大大提高了装置的安全性。

3、本发明利用外围框架、滑块和套筒的配合，方便调节放电电极在水中的位置，生成多种形态的气泡。

4、本发明通过在套筒上设置标尺，方便标定气泡大小，便于实验研究。

附图说明

图1为本发明的构成示意图；

图2为控制器的电路构成图。

其中，1-电源模块，2-OTG线，3-控制器，31-USB通信模块，32-单片机控制模块，33-残余电量放电回路，34-蓄能升压电路，35-放电电路，36-高速摄影同步电路，37-触发按钮，4-光源，5-手机，6-外围框架，7-水箱，8-滑块，9-标尺，10-套筒，11-放电电极，12-同步线，13-计算机，14-高速摄影机。

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。

本发明提供的精确控制水下多气泡生成试验装置，该装置包括电源模块1、手机5、控制器3、气泡发生模块、高速摄影模块、支撑框架及水箱7。

电源模块1为AC转DC的电源转换，可将输入端的市电，即220V、50Hz的交流电转化为输出端的18V、3A的直流电，输入到控制器3中，选用市电，方便快捷。

手机5装有气泡生成控制APP软件，可以精确设定多通道的放电电压、放电延时参数及显示输入电压，打开手机5APP软件上充电选项便可开启蓄能升压功能，用于提升放电电压，APP软件界面可以实时监控上述参数。

如图2所示，控制器3包括USB通信模块31、单片机控制模块32、蓄能升压电路34、触发按钮37、放电电路35、残余电量放电回路33及高速摄影同步电路36。

USB通信模块31包括USB转串行芯片和OTG线2，通过USB转串行芯片实现手机5和控制器3的双向通信，并通过光耦隔离，提供安全功能，通过OTG线2连接手机5和控制器3。

单片机控制模块32内嵌入控制程序，控制整个电路的运行，精确控制多通道的放电电压、延时参数，还控制蓄能升压电路34蓄能、放电电路35放电，通过USB通信模块31接收手机5气泡生成控制APP软件的指令并将信息反馈给APP软件，单片机选用的型号为STM32F030F4，放电电压可选范围为220～1000VDC，延时范围为0～100ms，步进0.1ms。

蓄能升压电路34含有蓄能电容，设置多个通道，分别对应连接多个放电电路35，即每个蓄能升压电路对应一个放电电路35。采用反激电源拓扑，由单片机控制模块32控制，使其蓄能电容蓄能，蓄能电容可以选用1μF～100μF多种规格的CBB电容。

触发按钮37用于产生低电平触发信号，该信号输入单片机控制模块32，触发单片机控制放电电路35进行放电。

放电电路35含有IGBT芯片及IGBT驱动芯片，型号分别为IRG7PSH73K10PBF、IR2110S，当触发按钮37按下，单片机控制模块32根据设定参数产生同步或延时触发信号，进而由IGBT驱动芯片驱动IGBT芯片，实现快速放电功能。

残余电量放电回路33，在未开启蓄能时，由单片机控制模块32控制残余电量放电回路33通断，如果蓄能电容中存在残余电量，则将其迅速释放。在电源线拔出或OTG线2拔出时，残余电量放电回路33通过继电器实现闭合也可将蓄能电容中的残余电量迅速释放；另外，关闭手机5APP软件上充电选项，使单片机控制模块32控制残余电量放电回路33导通，迅速释放残余电量，大大提高了试验的安全性。

高速摄影同步电路36提供一个同步触发信号给高速摄影机14，在放电同时，触发高速摄影机14进行拍摄。

气泡发生模块包括多个放电电极，以放电电极11为例，采用焊接的方式将金属丝焊于放电电极11上，放电电极11与放电电路35相接通，快速放电使细金属丝发生强烈爆炸，产生气泡。

高速摄影模块由高速摄影机14、装有高速摄影机配套软件的计算机13、光源4和同步线12组成，用于捕捉、拍摄气泡运动状态，光源4用于给高速摄影机14补光，同步线12连接控制器3和高速摄影机14，用于高速摄影同步电路36触发信号的输入。

支撑框架包括外围框架6、滑块8、套筒10和标尺9，外围框架6设置在水箱7外部，滑块8为3D打印，滑块8与外围框架6上横梁滑动配合，套筒10上端夹持在滑块8内部，套筒10通过滑块8沿外围框架6上横梁水平移动，并且在竖直方向上高度可调。套筒10内固定放电电缆，放电电缆与放电电极11相连，放电电极11随着套筒10移动，便于调节放电电极11的位置。套筒10外圆周上竖直固定标尺9，用于标定气泡大小。

水箱7为透明玻璃材质，内盛装一定体积的水。

如图1所示，电源模块1连接控制器3，控制器3通过OTG线2连接手机5，并通过同步线12连接高速摄影机14，同时通过导线连接放电电极11。高数摄影机14与装有高速摄影机配套软件的计算机13相连，通过光源4对高数摄影机14进行补光，放电电极11、高速摄影机14及光源4设置在同一水平高度，提升高速摄影机14捕捉气泡的精确度。导线固定在竖直伸入水箱7中的套筒10内。

实验开始前，选择0.03mm的细铜丝，采用焊接的方式焊于放电电极11上，光源4选择200W的LED灯。首先，将电源模块1输入端连接220V、50Hz的交流电，输出端连接控制器3，为控制器3提供18V、3A的直流电源。

通过手机5APP软件根据需要设定不同通道的放电电压及放电延时参数。放电电压设置的范围为220～1000VDC，不同放电电极间放电延时范围为0～100ms，步进0.1ms，APP软件界面可以实时显示放电电压、放电延时，并监控输入电压。手机5与控制器3中的单片机控制模块32通过USB通信模块31进行双向通信。

当手机5APP软件上的充电选项打开后，单片机控制模块32控制蓄能升压电路34进行蓄能，并将蓄能信号反馈给单片机控制模块32。单片机控制模块32在放电电压达到APP软件的预设值后关闭蓄能升压电路34，另一方面发送信息给手机5，在APP软件界面显示放电电压。

蓄能升压完毕后，按下触发按钮37，产生低电平信号输入单片机控制模块32，并由嵌入程序根据手机5中APP软件设定的参数，产生同时或延时信号，进而连通放电电路35。此时，与放电电路35相连的放电电极11接通，放电电流通过放电电极11上的金属丝放电，产生气泡。另一方面，单片机控制模块32控制高速摄影同步电路36，输出给高速摄影机14同步触发信号，在放电同时，触发高速摄影机14进行拍摄，拍摄完成后，通过装有高速摄影机配套软件的计算机13进行储存和分析。

通过精确控制放电电极间放电电压，控制所生成气泡的大小。通过控制放电延时，从而控制多个电极间同时或延时放电，利用外围框架、滑块和套筒的配合，结合调整放电电极在水中的位置，生成多种形态的多个气泡。

单片机控制模块32上电后，在未开启蓄能功能时，残余电量放电回路33的通断由单片机控制模块32控制，单片机控制模块32控制残余电量放电回路33闭合，将蓄能升压电路34中存在残余电量迅速释放。电源线拔出或OTG线2拔出等掉电情况下，残余电量放电回路33通过继电器闭合，如在残余电量放电回路存在残余电量，也可其迅速释放。

一次放电结束后，单片机控制模块32控制控制蓄能升压电路34再次进行蓄能，等待下一次试验，无需人为操作。

试验间隙或结束后，可关闭手机5APP软件上充电选项，使单片机控制模块32控制残余电量放电回路33导通，迅速释放残余电量，提高试验的安全性。

本发明操作高效、安全、可靠、简单，人机界面友好，可重复多次利用，试验成本较少，可成为替代真实水下爆炸的试验手段，用于水中爆炸气泡及气泡动力学等方面的研究。

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。

Claims (4)

1.一种精确控制水下多气泡生成试验装置，其特征在于，所述试验装置包括：电源模块、手机、高速摄影机、水箱、单片机控制模块、蓄能升压电路、放电电路、放电电极及光源；

所述电源模块为单片机控制模块供电，单片机控制模块连接手机，同时通过同步线连接高速摄影机，所述光源为高速摄影机补光；每个蓄能升压电路对应连接一个放电电路，每个放电电路连接一个放电电极，放电电极位于水箱内，单片机控制模块通过控制多个蓄能升压电路为所述放电电极提供放电电压；

调整放电电极之间的间距及高度，通过手机上安装的气泡生成控制APP软件设定并监控多个放电电极的放电电压、放电延时参数，由单片机控制模块控制蓄能升压电路蓄能升压，并控制放电电路的通断以触发放电电极生成多气泡，同时控制高速摄影机同步工作。

2.如权利要求1所述的精确控制水下多气泡生成试验装置，其特征在于，所述试验装置还包括残余电量放电回路，残余电量放电回路与蓄能升压电路连接；蓄能升压电路未连通时，单片机控制模块控制残余电量放电回路闭合，释放蓄能升压电路中的残余电量；电源模块断开时，残余电量放电回路通过继电器实现闭合释放蓄能升压电路中的残余电量。

3.如权利要求1所述的精确控制水下多气泡生成试验装置，其特征在于，所述导线固定在竖直伸入水箱中的套筒内，所述水箱外部设置外围框架，滑块与外围框架上横梁滑动配合；所述套筒上端夹持在滑块内部，套筒通过滑块沿外围框架上横梁水平移动，并且在竖直方向上高度可调。

4.如权利要求3所述的精确控制水下多气泡生成试验装置，其特征在于，所述套筒外圆周上竖直固定标尺，用于标定气泡大小。