CN114295074B - 一种测量单泡声致发光中气泡形状的方法及装置 - Google Patents

一种测量单泡声致发光中气泡形状的方法及装置 Download PDF

Info

Publication number
CN114295074B
CN114295074B CN202210031796.1A CN202210031796A CN114295074B CN 114295074 B CN114295074 B CN 114295074B CN 202210031796 A CN202210031796 A CN 202210031796A CN 114295074 B CN114295074 B CN 114295074B
Authority
CN
China
Prior art keywords
bubble
light intensity
photomultiplier
light source
incident light
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202210031796.1A
Other languages
English (en)
Other versions
CN114295074A (zh
Inventor
于扬新
丁轩
苏仁杰
赖奇
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Chongqing Medical University
Original Assignee
Chongqing Medical University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Chongqing Medical University filed Critical Chongqing Medical University
Priority to CN202210031796.1A priority Critical patent/CN114295074B/zh
Publication of CN114295074A publication Critical patent/CN114295074A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN114295074B publication Critical patent/CN114295074B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Landscapes

  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
  • Investigating, Analyzing Materials By Fluorescence Or Luminescence (AREA)

Abstract

本发明提供一种测量单泡声致发光中气泡形状的方法及装置，首先向装满溶液介质且存在驻波场的目标容器注入气泡，然后利用激光光源照射气泡；再利用至少两个光电倍增管检测激光光源穿过气泡后的散射光强；其中，至少两个光电倍增管在检测散射光强时，对应检测位置与激光光源的出射光方向存在不同角度；最后根据每个光电倍增管检测到的散射光强，确定出气泡在目标容器内的形状。通过本发明不仅可以检测出气泡在目标容器内的形状，而且还能降低检测气泡形状时的测量成本，并且本发明中的测量设备操作简单，方便用户使用和调节。本发明在测量过程中，还可以实时测量出气泡半径变化曲线，从而使得测量结果更加精准。

Description

一种测量单泡声致发光中气泡形状的方法及装置
技术领域
本发明涉及光学技术领域，特别是涉及一种测量单泡声致发光中气泡形状的方法及装置。
背景技术
单泡声致发光是一种气泡在超声的作用下随着声周期不断地进行稳定地周期性膨胀塌缩的发光现象。单泡声致发光需要的外界驱动能量很低，一般在零点几瓦就可以使得微米级的气泡发出肉眼可见的光。目前，对单泡声致发光中气泡形状测量方法是利用高速摄像机结合长焦距显微镜直接对气泡的大小进行拍摄，再结合双路Mie散射装置实现对气泡形状的测量。
但是，目前这种方法有以下几点缺陷：(1)首先是由于高速摄像和长焦距显微镜的价格昂贵，导致测量成本很高；(2)由于测量设备光电倍增管(Photo Multiplier Tube，PMT)本身对光源敏感，单泡声致发光会对散射光强测量造成影响；(3)由于需要高速摄像和长焦距显微镜对气泡进行拍摄，所以需要另一个光源穿过气泡，导致拍摄气泡与Mie散射测量不能同时进行；(4)目前的测量方法操作太于复杂，拍摄气泡后还需要进行后续处理，非常麻烦。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种测量单泡声致发光中气泡形状的方法及装置，用于解决现有技术中气泡形状测量时存在的缺陷问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种测量单泡声致发光中气泡形状的方法，包括以下步骤：
向装满溶液介质且存在驻波场的目标容器注入气泡，并利用激光光源照射所述气泡；
利用至少两个光电倍增管检测所述激光光源穿过所述气泡后的散射光强；其中，所述至少两个光电倍增管在检测散射光强时，对应检测位置与所述激光光源的出射光方向存在不同角度；
根据每个光电倍增管检测到的散射光强，确定出所述气泡在所述目标容器内的形状。
可选地，根据每个光电倍增管检测到的散射光强，确定出所述气泡在所述目标容器内的形状的过程包括：
获取所述激光光源照射所述气泡时的入射光强，并根据所述入射光强和每个光电倍增管检测到的散射光强计算每个光电倍增管所对应的气泡半径；
判断所有光电倍增管所对应的气泡半径是否相同；
若相同，则判定所述气泡在所述目标容器内的形状为球形；若不相同，则判定所述气泡在所述目标容器内的形状为非球形。
可选地，获取所述激光光源照射所述气泡时的光强的过程包括：
将穿过镀膜平面玻璃的激光光源作为照射所述气泡的入射光源；其中，所述镀膜平面玻璃位于所述激光光源与所述目标容器之间，且所述镀膜平面玻璃与所述激光光源的出射光方向存在倾斜角度；
检测所述激光光源经过所述镀膜平面玻璃反射后再穿过预设衰减片后的光强，记为反射光强；
将所述反射光强转换为电压值，记为参考电压值；
根据所述参考电压值、所述镀膜平面玻璃的透射率、所述镀膜平面玻璃的反射率和所述预设衰减片的衰减系数计算出对应的电压值，并将计算出的电压值作为所述入射光源的入射光强。
可选地，所述方法还包括：利用聚焦透镜加大所述光电倍增管的接受张角；其中，所述聚焦透镜设置于所述目标容器与所述光电倍增管之间；
所述接受张角的计算公式是：
Figure GDA0004201614650000021
式中，α为接受张角的角度值，d为聚焦透镜的半径值，L为气泡到聚焦透镜中心的距离。
可选地，若所述入射光源的偏振方向为垂直偏振，则根据所述入射光强和每个光电倍增管检测到的散射光强计算每个光电倍增管所对应的气泡半径的过程包括：
获取散射光强计算式，有：
Figure GDA0004201614650000022
其中，Ii为入射光强，Is为散射光强；
l为光电倍增管的检测位置与气泡中心的距离；
k为波数，
Figure GDA0004201614650000023
λ为入射光源的波长；
S1为垂直偏振方向上的振幅函数，且
Figure GDA0004201614650000024
其中，an和bn为Mie系数，πn和τn为角分布函数，且，
Figure GDA0004201614650000025
Figure GDA0004201614650000026
Figure GDA0004201614650000027
Figure GDA0004201614650000031
Figure GDA0004201614650000032
式中，
Figure GDA0004201614650000033
为一阶连带勒让德函数；
θ为所述光电倍增管的散射角；
m＝m1/m2，m1为气泡内部的折射率，m2为气泡外部介质折射率；
jn(mx)为第一类贝塞尔函数；
Figure GDA0004201614650000034
为第二类汉克尔函数；
R为待计算的气泡半径。
可选地，若所述入射光源的偏振方向为水平偏振，则根据所述入射光强和每个光电倍增管检测到的散射光强计算每个光电倍增管所对应的气泡半径的过程包括：
获取散射光强计算式，有：
Figure GDA0004201614650000035
其中，Ii为入射光强，Is为散射光强；
l为光电倍增管的检测位置与气泡中心的距离；
k为波数，
Figure GDA0004201614650000036
λ为入射光源的波长；
S2为水平偏振方向上的振幅函数，且
Figure GDA0004201614650000037
其中，an和bn为Mie系数，πn和τn为角分布函数，且，
Figure GDA0004201614650000038
Figure GDA0004201614650000039
Figure GDA00042016146500000310
Figure GDA00042016146500000311
Figure GDA00042016146500000312
式中，
Figure GDA00042016146500000313
为一阶连带勒让德函数；
θ为所述光电倍增管的散射角；
m＝m1/m2，m1为气泡内部的折射率，m2为气泡外部介质折射率；
jn(mx)为第一类贝塞尔函数；
Figure GDA0004201614650000041
为第二类汉克尔函数；
R为待计算的气泡半径。
可选地，所述方法还包括：将每个光电倍增管与数字示波器连接，并将每个光电倍增管在所述数字示波器上的电压值作为对应的散射光强。
可选地，在向目标容器注入气泡前，所述方法还包括：
将信号发生器、功率放大器和带有磁芯的阻抗线圈进行依次连接；
在空载的目标容器上贴合压电陶瓷片，并将所述压电陶瓷片与所述带有磁芯的阻抗线圈的输出端连接；
向空载的目标容器中加入溶液介质，直至所述目标容器装满所述溶液介质；
开启所述信号发生器与所述功率放大器的电源，并将所述信号发生器调至预设频率、将所述功率放大器调至预设功率以及将所述阻抗线圈调至预设位置，通过所述压电陶瓷片对装满溶液介质的目标容器发射声波，在所述目标容器内生成驻波场。
可选地，所述方法还包括：在所述聚焦透镜与所述光电倍增管之间设置带通滤光片，所述带通滤光片的波长与所述激光光源的波长相同。
本发明还提供一种测量单泡声致发光中气泡形状的装置，包括有：
照射模块，用于向装满溶液介质且存在驻波场的目标容器注入气泡，并利用激光光源照射所述气泡；
散射光强模块，用于利用至少两个光电倍增管检测所述激光光源穿过所述气泡后的散射光强；其中，所述至少两个光电倍增管在检测散射光强时，对应检测位置与所述激光光源的出射光方向存在不同角度；
形状检测模块，用于根据每个光电倍增管检测到的散射光强，确定出所述气泡在所述目标容器内的形状。
如上所述，本发明提供一种测量单泡声致发光中气泡形状的方法及装置，具有以下有益效果：本发明首先向装满溶液介质且存在驻波场的目标容器注入气泡，然后利用激光光源照射气泡；再利用至少两个光电倍增管检测激光光源穿过气泡后的散射光强；其中，至少两个光电倍增管在检测散射光强时，对应检测位置与激光光源的出射光方向存在不同角度；最后根据每个光电倍增管检测到的散射光强，确定出气泡在目标容器内的形状。通过本发明不仅可以检测出气泡在目标容器内的形状，而且还能降低检测气泡形状时的测量成本，同时本发明也不需要进行后期的图像处理，处理过程较为简单。并且本发明中的测量设备操作简单，方便用户使用和调节。此外，本发明可以只采用一个光源进行测量，在减少能耗的同时还可以避免外界电源的干扰。而且在测量过程中，本发明还可以实时测量出气泡半径变化曲线，从而使得测量结果更加精准。
附图说明
图1为一实施例提供的测量单泡声致光中气泡形状的方法的流程示意图；
图2为一实施例提供的测量单泡声致光中气泡形状的原理连接示意图；
图3为一实施例提供的接受张角与聚焦透镜的关系示意图；
图4为一实施例提供的散射角为80°以及入射光源为垂直偏振时，散射光强与气泡半径的关系示意图；
图5为一实施例提供的散射角为60°以及入射光源为垂直偏振时，散射光强与气泡半径的关系示意图；
图6为一实施例提供的散射角为80°以及入射光源为水平偏振时，散射光强与气泡半径的关系示意图；
图7为一实施例提供的散射角为60°以及入射光源为水平偏振时，散射光强与气泡半径的关系示意图；
图8为一实施例提供的散射角为80°、接受张角为5°以及入射光源为垂直偏振时，入射光强与气泡半径的关系示意图；
图9为一实施例提供的散射角为80°、接受张角为5°以及入射光源为水平偏振时，入射光强与气泡半径的关系示意图；
图10为一实施例提供的散射角为60°、接受张角为15°以及入射光源为垂直偏振时，入射光强与气泡半径的关系示意图；
图11为一实施例提供的散射角为60°、接受张角为15°以及入射光源为水平偏振时，入射光强与气泡半径的关系示意图；
图12为一实施例提供的测量单泡声致光中气泡形状的装置的硬件结构示意图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
随着对单泡声致发光进行不断的研究，目前有人推测在一个声周期内，气泡内部可能发生了一系列的复杂变化，比如气泡内外的物质发生了相变，物质交换，化学反应等。通过对单泡声致发光的光谱进行测量，并结合流体动力学Raleigh-Plesset(RP)理论方程及其变形构建了各自的理论模型，推测出气泡内部的温度与压强，然后根据推出的这些结果给出了各自对单泡声致发光机理的解释，但是目前这些有关单泡声致发光的机理的解释因为都不能完整的解释出气泡的发光现象从而被质疑。发明人发现，造成这种现象的根本原因是因为目前无法通过构建模型和发光光谱准确计算出气泡内部的能量密度能达到什么样的程度，而气泡内部的能量密度又主要与气泡的塌缩速度和气泡的塌缩形状有关，其中气泡的塌缩形状在气泡塌缩的过程中能否形成球形对称压缩，能否形成一个绝热系统，能否进一步对气泡内部的能量进行汇聚起了关键性的作用。所以清楚气泡塌缩时的形状是否为球形有助于清楚气泡内部的是否能形成一个绝热状态，有助于精确的推导计算出气泡内部的能量，从而有助于了解单泡发光的机理。
请参阅图1所示，本实施例提供一种测量单泡声致发光中气泡形状的方法，包括以下步骤：
S100，向装满溶液介质且存在驻波场的目标容器注入气泡，并利用激光光源照射所述气泡。作为示例，本实施例中的目标容器为单泡瓶。
S200，利用至少两个光电倍增管检测所述激光光源穿过所述气泡后的散射光强；其中，所述至少两个光电倍增管在检测散射光强时，对应检测位置与所述激光光源的出射光方向存在不同角度。作为示例，例如利用两个光电倍增管检测所述激光光源穿过所述气泡后的散射光强时，其中一个光电倍增管与激光光源的出射光方向的角度记为第一角度，另外一个光电倍增管与激光光源的出射光方向的角度记为第二角度，所述第一角度与第二角度的角度值不同。
S300，根据每个光电倍增管检测到的散射光强，确定出所述气泡在所述目标容器内的形状。作为示例，具体地，获取所述激光光源照射所述气泡时的入射光强，并根据所述入射光强和每个光电倍增管检测到的散射光强计算每个光电倍增管所对应的气泡半径；判断所有光电倍增管所对应的气泡半径是否相同；若相同，则判定所述气泡在所述目标容器内的形状为球形；若不相同，则判定所述气泡在所述目标容器内的形状为非球形。
本方法在测量气泡形状时的原理连接示意图如图2所示，在图2中，包括有信号发生器、功率放大器、带有磁芯的阻抗线圈、连续激光器、镀膜平面玻璃、单泡瓶(即目标容器)、衰减片、聚焦透镜、带通滤光片、光电倍增管(Photo Multiplier Tube，PMT)和数字示波器。其中，单泡瓶上贴合有一对压电陶瓷片，光电倍增管的数量为3个，分别为第一光电倍增管PMT1、第二光电倍增管PMT2和第三光电倍增管PMT3，且第一光电倍增管PMT1和第二光电倍增管PMT2用于检测激光光源穿过气泡后的散射光强，第三光电倍增管PMT3用于检测激光光源经过镀膜平面玻璃反射后再穿过衰减片后的光强，即第三光电倍增管PMT3用于检测反射光强。同时，根据图2记载可知，第三光电倍增管PMT3和镀膜平面玻璃之间设置有衰减片和带通滤光片，第一光电倍增管PMT1和单泡瓶之间设置有聚焦透镜和带通滤光片，第二光电倍增管PMT2和单泡瓶之间设置有聚焦透镜和带通滤光片。相当于本方法可以在聚焦透镜与光电倍增管之间设置带通滤光片，且带通滤光片的波长与激光光源的波长相同。
在本实施例中，可以将波长为532nm的连续氦-氖激光光源作为连续激光器，然后生成激光光源。信号发生器用于调制单泡瓶上的压电陶瓷片的频率，使得压电陶瓷片发出合适频率的声波。标准功率放大器为单泡瓶上的压电陶瓷片提供合适的功率，使得压电陶瓷片发出合适功率的声波。带有磁芯的阻抗线圈用于匹配贴有压电陶瓷片的单泡瓶的感性阻抗；结合信号发生器给定的合适的频率和功率放大器给定合适的功率，使得气泡能够在单泡瓶内稳定的振动并发光。单泡瓶为透明的球形玻璃制成，在该球形单泡瓶对称的两端贴合有压电陶瓷片，压电陶瓷片分别接有正负极，用作将电信号转换为振动的声波信号，两块压电陶瓷片向装满水中的单泡瓶中发射声波以形成驻波，来稳定单泡在气泡内的振动并使得气泡发光。三台同型号的光电倍增管主要分别用来测量双路散射光强和一路入射光强。镀膜的平面玻璃主要是用于将入射光分成两部分，该镀膜的平板玻璃的透射率为kt，对应数值为96％，反射率为kr，对应数值为4％。透射的入射光穿过气泡经第一光电倍增管PMT1和第二光电倍增管PMT2用于双路Mie散射光强的测量，反射的入射光强经此平面玻璃直接反射到第三光电倍增管PMT3用于入射光强的测量。衰减片(衰减系数为k)的作用主要是用于将反射光衰减至光电倍增管可接受的范围，从而对光电倍增管起一个保护作用。三个同型号的532nm的带通滤光片分别直接放置第一光电倍增管PMT1、第二光电倍增管PMT2和第三光电倍增管PMT3前，主要作用是只允许入射激光波段范围的光进入光电倍增管，消除单泡声致发光本身及其它无关光源对测量结果的影响。两个聚焦透镜主要是用来放在测量双路散射光强的第一光电倍增管PMT1和第二光电倍增管PMT2前面加大接受张角α，来满足Mie散射理论的散射光强与气泡半径有一个一一对应的关系，以便用于气泡的半径随时间变化曲线的演算，数字示波器主要是将第一光电倍增管PMT1和第二光电倍增管PMT2检测到的散射光强，以及第三光电倍增管PMT3检测到的入射光强转换为电压值并进行显示。在本实施例中，可以将每个光电倍增管与数字示波器连接，并将每个光电倍增管在所述数字示波器上的电压值作为对应的光强值。
其中，Mie散射是Gustav Mie通过求解匀质球形粒子在单色平行光的照射下的麦克斯韦方程组的解得到的一种散射理论，也被称作Mie理论。Mie散射理论适用于入射光波长与粒子大小的相近的光散射，而单泡声致发光中的气泡在零点几微米至几十微米之间，380-760nm范围的可见光作为入射光非常适用于Mie散射理论。Mie散射理论得到的是散射光强与气泡半径和散射角的函数表达式，所以本实施例可以通过确定散射角和极化角从而得到散射光强与气泡半径的关系，再经过与实验数据相拟合，即可得到气泡的半径随时间的演化曲线—R(t)曲线。而双路Mie散射则可以从两个不同的角度来分别表示气泡的半径变化情况，若这两个角度气泡半径变化情况一致，即说明气泡在膨胀塌缩的过程中始终保持一致，随着气泡塌缩速度变快，气泡内部会形成一个绝热系统，气泡内部中心的能量肯定会进一步提高；反之则表明气泡塌缩时的形状并不是一个球形，其内部的能量并没有想象中的那么高。
根据上述记载，在一示例性实施例中，本方法在向目标容器注入气泡前，还包括：将信号发生器、功率放大器和带有磁芯的阻抗线圈进行依次连接；在空载的目标容器上贴合压电陶瓷片，并将所述压电陶瓷片与所述带有磁芯的阻抗线圈的输出端连接；向空载的目标容器中加入溶液介质，直至所述目标容器装满所述溶液介质；开启所述信号发生器与所述功率放大器的电源，并将所述信号发生器调至预设频率、将所述功率放大器调至预设功率以及将所述阻抗线圈调至预设位置，通过所述压电陶瓷片对装满溶液介质的目标容器发射声波，在所述目标容器内生成驻波场。
根据上述记载，在一示例性实施例中，本方法获取所述激光光源照射所述气泡时的光强的过程包括：将穿过镀膜平面玻璃的激光光源作为照射所述气泡的入射光源；检测所述激光光源经过所述镀膜平面玻璃反射后再穿过预设衰减片后的光强，记为反射光强；将所述反射光强转换为电压值，记为参考电压值；根据所述参考电压值、所述镀膜平面玻璃的透射率、所述镀膜平面玻璃的反射率和所述预设衰减片的衰减系数计算出对应的电压值，并将计算出的电压值作为所述入射光源的入射光强。其中，所述镀膜平面玻璃位于所述激光光源与所述目标容器之间，且所述镀膜平面玻璃与所述激光光源的出射光方向存在倾斜角度。具体地，本实施例将反射光强对应的电压幅值V0作为参考值，再根据公式计算出入射光强对应的电压值Vi，即Vi＝V0*透射率kt÷反射率kr÷衰减系数k。通过此公式即可得到Mie散射的入射光强所对应的示波器的幅值Vi，从而用此幅值代替入射光强Ii，再结合Mie理论计算公式得到绝对的散射光强，即得到与示波器显示类似的电压值。其中，本实施例中的镀膜平面玻璃与激光光源的出射光方向的倾斜角度为45°。
根据上述记载，如图3所示，本方法在利用聚焦透镜加大所述光电倍增管的接受张角时；所述接受张角的计算公式是：
Figure GDA0004201614650000091
式中，α为接受张角的角度值，d为聚焦透镜的半径值，L为气泡到聚焦透镜中心的距离。其中，所述聚焦透镜设置于所述目标容器与所述光电倍增管之间。
根据上述记载，在一示例性实施例中，若所述入射光源的偏振方向为垂直偏振，则根据所述入射光强和每个光电倍增管检测到的散射光强计算每个光电倍增管所对应的气泡半径的过程包括：
获取散射光强计算式，有：
Figure GDA0004201614650000092
其中，Ii为入射光强，Is为散射光强；l为光电倍增管的检测位置与气泡中心的距离；k为波数，
Figure GDA0004201614650000093
λ为入射光源的波长；S1为垂直偏振方向上的振幅函数，且：
Figure GDA0004201614650000094
其中，an和bn为Mie系数，与气泡的半径R有关；πn和τn为角分布函数，与散射角θ有关；且，
Figure GDA0004201614650000095
Figure GDA0004201614650000096
Figure GDA0004201614650000097
Figure GDA0004201614650000098
Figure GDA0004201614650000099
式中，
Figure GDA00042016146500000910
为一阶连带勒让德函数；θ为所述光电倍增管的散射角；m＝m1/m2，m1为气泡内部的折射率，m2为气泡外部介质折射率；jn(mx)为第一类贝塞尔函数；/>
Figure GDA00042016146500000911
为第二类汉克尔函数；R为待计算的气泡半径。
具体地，在一示例中，当入射光源的偏振方向为垂直偏振，同时第一光电倍增管PMT1的散射角为80°时，散射光强(任意单位)与气泡半径(单位um)的关系示意图如图4所示。在另一示例中，当入射光源的偏振方向为垂直偏振，同时第一光电倍增管PMT1的散射角为60°时，散射光强(任意单位)与气泡半径(单位um)的关系示意图如图5所示。
根据上述记载，在另一示例性实施例中，若所述入射光源的偏振方向为水平偏振，则根据所述入射光强和每个光电倍增管检测到的散射光强计算每个光电倍增管所对应的气泡半径的过程包括：
获取散射光强计算式，有：
Figure GDA0004201614650000101
其中，Ii为入射光强，Is为散射光强；l为光电倍增管的检测位置与气泡中心的距离；k为波数，
Figure GDA0004201614650000102
λ为入射光源的波长；S2为水平偏振方向上的振幅函数，且：
Figure GDA0004201614650000103
其中，an和bn为Mie系数，与气泡的半径R有关；πn和τn为角分布函数，与散射角θ有关；且，
Figure GDA0004201614650000104
Figure GDA0004201614650000105
Figure GDA0004201614650000106
Figure GDA0004201614650000107
Figure GDA0004201614650000108
式中，
Figure GDA0004201614650000109
为一阶连带勒让德函数；θ为所述光电倍增管的散射角；m＝m1/m2，m1为气泡内部的折射率，m2为气泡外部介质折射率；jn(mx)为第一类贝塞尔函数；/>
Figure GDA00042016146500001010
为第二类汉克尔函数；R为待计算的气泡半径。
具体地，在一示例中，当入射光源的偏振方向为垂直偏振，同时第二光电倍增管PMT2的散射角为80°时，散射光强(任意单位)与气泡半径(单位um)的关系示意图如图6所示。在另一示例中，当入射光源的偏振方向为垂直偏振，同时第二光电倍增管PMT2的散射角为60°时，散射光强(任意单位)与气泡半径(单位um)的关系示意图如图7所示。
根据上述记载，在一示例性实施例中，散射光强经接受张角积分后的公式如下所示：
水平偏振方向，
Figure GDA0004201614650000111
垂直偏振方向，
Figure GDA0004201614650000112
具体地，在一示例中，当散射角为80°、接受张角为5°以及入射光源为垂直偏振时，入射光强与气泡半径的关系示意图如图8所示。在另一示例中，当散射角为80°、接受张角为5°以及入射光源为水平偏振时，入射光强与气泡半径的关系示意图如图9所示。在又一示例中，当散射角为60°、接受张角为15°以及入射光源为垂直偏振时，入射光强与气泡半径的关系示意图如图10所示。在另一示例中，当散射角为60°、接受张角为15°以及入射光源为水平偏振时，入射光强与气泡半径的关系示意图如图11所示。
在另一具体实施例中，提供了一种测量单泡声致发光中气泡形状的方法，包括以下步骤：
首先是将信号发生器，标准功率放大器和带有磁芯的阻抗线圈用同轴电缆连接起来，然后再将带有磁芯的阻抗线圈的输出与单泡瓶上的压电陶瓷片连接上。
然后向单泡瓶里注满水，开启信号发生器，功率放大器的电源。并将信号发生器的信号调至合适的频率，功率放大器调至合适的功率，且将带磁芯的线圈阻抗的磁芯调至合适的位置，使得气泡能稳定的存在于单泡瓶里，并稳定的进行周期性的发光。
然后打开激光光源(水平偏振或者垂直偏振都可以)，使得其穿过发光的气泡。
将平面玻璃放置与激光的入射光方向呈45°放置。
将PMT的位置方向与激光的出射光方向呈现一个合适的前向散射角θ。经Mie理论公式：
对于入射激光是水平偏振方向，散射光强Is的表达式：
Figure GDA0004201614650000113
对于入射激光是垂直偏振方向，散射光强Is的表达式：
Figure GDA0004201614650000114
其中，Ii为入射光强，Is为散射光强；l为光电倍增管的检测位置与气泡中心的距离；k为波数，
Figure GDA0004201614650000115
λ为入射光源的波长；S1和S2分别为垂直偏振方向和水平偏振方向上的振幅函数。
Figure GDA0004201614650000116
Figure GDA0004201614650000121
其中，an和bn为Mie系数，与气泡的半径R有关；πn和τn为角分布函数，与散射角θ有关；
Figure GDA0004201614650000122
Figure GDA0004201614650000123
Figure GDA0004201614650000124
Figure GDA0004201614650000125
Figure GDA0004201614650000126
式中，
Figure GDA0004201614650000127
为一阶连带勒让德函数；θ为所述光电倍增管的散射角；m＝m1/m2，m1为气泡内部的折射率，m2为气泡外部介质折射率；jn(mx)为第一类贝塞尔函数；/>
Figure GDA0004201614650000128
为第二类汉克尔函数；R为待计算的气泡半径。
第一光电倍增管PMT1的散射角的角度θ1可选择80°，此时的接受张角可以选择接受张角为α1≥5°，即满足散射光强与气泡半径一一对应。第二光电倍增管PMT2的散射角的角度θ2可选择60°，此时的接受张角可以选择接受张角为α2≥15°，即满足散射光强与气泡半径一一对应。散射角θ1和θ2为分别为80°和60°时，散射光强(任意单位)与气泡半径(单位um)的关系分别如图4至图7所示。散射角θ1为80°，接受张角α1为5°时的垂直入射光和水平入射光的相对光强与气泡半径的关系如图8、图9所示。散射角θ2为60°，接受张角α2为15°时的垂直入射光和水平入射光的相对光强与气泡半径的关系如图10、图11所示。
其中，散射光强经接受张角积分后的公式如下所示：
水平偏振方向，
Figure GDA0004201614650000129
垂直偏振方向，
Figure GDA00042016146500001210
此外，在本实施例中，还可以将反射光强对应的电压幅值V0作为参考值，再根据公式计算出入射光强对应的电压值Vi，即Vi＝V0*透射率kt÷反射率kr÷衰减系数k。通过此公式即可得到Mie散射的入射光强所对应的示波器的幅值Vi，从而用此幅值代替入射光强Ii，再结合Mie理论计算公式得到绝对的散射光强，即得到与示波器显示类似的电压值。再通过对散射光强的公式进行拟合，得到气泡散射光强与气泡半径大小的公式，形如：I＝aRb，a和b为常数，再通过对实验数据运用此拟合公式进行反演，即可得到气泡的R(t)曲线，即得到气泡的半径随时间的变化曲线，最后通过这两个不同角度得到的R(t)曲线进行比较，看其半径变化曲线是否一致。若两者的R(t)曲线变化一致，则说明气泡在膨胀塌缩时都保持一个球形；若不一致，则说明气泡子在膨胀塌缩过程中并不能始终保持球形。
综上所述，本发明提供一种测量单泡声致发光中气泡形状的方法，首先向装满溶液介质且存在驻波场的目标容器注入气泡，然后利用激光光源照射气泡；再利用至少两个光电倍增管检测激光光源穿过气泡后的散射光强；其中，至少两个光电倍增管在检测散射光强时，对应检测位置与激光光源的出射光方向存在不同角度；最后根据每个光电倍增管检测到的散射光强，确定出气泡在目标容器内的形状。通过本方法不仅可以检测出气泡在目标容器内的形状，而且还能降低检测气泡形状时的测量成本，同时本方法也不需要进行后期的图像处理，处理过程较为简单。并且本方法中的测量设备操作简单，方便用户使用和调节。此外，本方法可以只采用一个光源进行测量，在减少能耗的同时还可以避免外界电源的干扰。而且在测量过程中，本方法还可以实时测量出气泡半径变化曲线，从而使得测量结果更加精准。
如图12所示，本发明还提供一种测量单泡声致发光中气泡形状的装置，包括有：
照射模块M10，用于向装满溶液介质且存在驻波场的目标容器注入气泡，并利用激光光源照射所述气泡。作为示例，本实施例中的目标容器为单泡瓶。
散射光强模块M20，用于利用至少两个光电倍增管检测所述激光光源穿过所述气泡后的散射光强；其中，所述至少两个光电倍增管在检测散射光强时，对应检测位置与所述激光光源的出射光方向存在不同角度。作为示例，例如利用两个光电倍增管检测所述激光光源穿过所述气泡后的散射光强时，其中一个光电倍增管与激光光源的出射光方向的角度记为第一角度，另外一个光电倍增管与激光光源的出射光方向的角度记为第二角度，所述第一角度与第二角度的角度值不同。
形状检测模块M30，用于根据每个光电倍增管检测到的散射光强，确定出所述气泡在所述目标容器内的形状。作为示例，具体地，获取所述激光光源照射所述气泡时的入射光强，并根据所述入射光强和每个光电倍增管检测到的散射光强计算每个光电倍增管所对应的气泡半径；判断所有光电倍增管所对应的气泡半径是否相同；若相同，则判定所述气泡在所述目标容器内的形状为球形；若不相同，则判定所述气泡在所述目标容器内的形状为非球形。
本装置在测量气泡形状时的原理连接示意图如图2所示，在图2中，包括有信号发生器、功率放大器、带有磁芯的阻抗线圈、连续激光器、镀膜平面玻璃、单泡瓶(即目标容器)、衰减片、聚焦透镜、带通滤光片、光电倍增管(Photo Multiplier Tube，PMT)和数字示波器。其中，单泡瓶上贴合有一对压电陶瓷片，光电倍增管的数量为3个，分别为第一光电倍增管PMT1、第二光电倍增管PMT2和第三光电倍增管PMT3，且第一光电倍增管PMT1和第二光电倍增管PMT2用于检测激光光源穿过气泡后的散射光强，第三光电倍增管PMT3用于检测激光光源经过镀膜平面玻璃反射后再穿过衰减片后的光强，即第三光电倍增管PMT3用于检测反射光强。同时，根据图2记载可知，第三光电倍增管PMT3和镀膜平面玻璃之间设置有衰减片和带通滤光片，第一光电倍增管PMT1和单泡瓶之间设置有聚焦透镜和带通滤光片，第二光电倍增管PMT2和单泡瓶之间设置有聚焦透镜和带通滤光片。相当于本装置可以在聚焦透镜与光电倍增管之间设置带通滤光片，且带通滤光片的波长与激光光源的波长相同。
在本实施例中，可以将波长为532nm的连续氦-氖激光光源作为连续激光器，然后生成激光光源。信号发生器用于调制单泡瓶上的压电陶瓷片的频率，使得压电陶瓷片发出合适频率的声波。标准功率放大器为单泡瓶上的压电陶瓷片提供合适的功率，使得压电陶瓷片发出合适功率的声波。带有磁芯的阻抗线圈用于匹配贴有压电陶瓷片的单泡瓶的感性阻抗；结合信号发生器给定的合适的频率和功率放大器给定合适的功率，使得气泡能够在单泡瓶内稳定的振动并发光。单泡瓶为透明的球形玻璃制成，在该球形单泡瓶对称的两端贴合有压电陶瓷片，压电陶瓷片分别接有正负极，用作将电信号转换为振动的声波信号，两块压电陶瓷片向装满水中的单泡瓶中发射声波以形成驻波，来稳定单泡在气泡内的振动并使得气泡发光。三台同型号的光电倍增管主要分别用来测量双路散射光强和一路入射光强。镀膜的平面玻璃主要是用于将入射光分成两部分，该镀膜的平板玻璃的透射率为kt，对应数值为96％，反射率为kr，对应数值为4％。透射的入射光穿过气泡经第一光电倍增管PMT1和第二光电倍增管PMT2用于双路Mie散射光强的测量，反射的入射光强经此平面玻璃直接反射到第三光电倍增管PMT3用于入射光强的测量。衰减片(衰减系数为k)的作用主要是用于将反射光衰减至光电倍增管可接受的范围，从而对光电倍增管起一个保护作用。三个同型号的532nm的带通滤光片分别直接放置第一光电倍增管PMT1、第二光电倍增管PMT2和第三光电倍增管PMT3前，主要作用是只允许入射激光波段范围的光进入光电倍增管，消除单泡声致发光本身及其它无关光源对测量结果的影响。两个聚焦透镜主要是用来放在测量双路散射光强的第一光电倍增管PMT1和第二光电倍增管PMT2前面加大接受张角α，来满足Mie散射理论的散射光强与气泡半径有一个一一对应的关系，以便用于气泡的半径随时间变化曲线的演算，数字示波器主要是将第一光电倍增管PMT1和第二光电倍增管PMT2检测到的散射光强，以及第三光电倍增管PMT3检测到的入射光强转换为电压值并进行显示。在本实施例中，可以将每个光电倍增管与数字示波器连接，并将每个光电倍增管在所述数字示波器上的电压值作为对应的光强值。
根据上述记载，在一示例性实施例中，本装置在向目标容器注入气泡前，还包括：将信号发生器、功率放大器和带有磁芯的阻抗线圈进行依次连接；在空载的目标容器上贴合压电陶瓷片，并将所述压电陶瓷片与所述带有磁芯的阻抗线圈的输出端连接；向空载的目标容器中加入溶液介质，直至所述目标容器装满所述溶液介质；开启所述信号发生器与所述功率放大器的电源，并将所述信号发生器调至预设频率、将所述功率放大器调至预设功率以及将所述阻抗线圈调至预设位置，通过所述压电陶瓷片对装满溶液介质的目标容器发射声波，在所述目标容器内生成驻波场。
根据上述记载，在一示例性实施例中，本装置获取所述激光光源照射所述气泡时的光强的过程包括：将穿过镀膜平面玻璃的激光光源作为照射所述气泡的入射光源；检测所述激光光源经过所述镀膜平面玻璃反射后再穿过预设衰减片后的光强，记为反射光强；将所述反射光强转换为电压值，记为参考电压值；根据所述参考电压值、所述镀膜平面玻璃的透射率、所述镀膜平面玻璃的反射率和所述预设衰减片的衰减系数计算出对应的电压值，并将计算出的电压值作为所述入射光源的入射光强。其中，所述镀膜平面玻璃位于所述激光光源与所述目标容器之间，且所述镀膜平面玻璃与所述激光光源的出射光方向存在倾斜角度。具体地，本实施例将反射光强对应的电压幅值V0作为参考值，再根据公式计算出入射光强对应的电压值Vi，即Vi＝V0*透射率kt÷反射率kr÷衰减系数k。通过此公式即可得到Mie散射的入射光强所对应的示波器的幅值Vi，从而用此幅值代替入射光强Ii，再结合Mie理论计算公式得到绝对的散射光强，即得到与示波器显示类似的电压值。其中，本实施例中的镀膜平面玻璃与激光光源的出射光方向的倾斜角度为45°。
根据上述记载，如图3所示，本装置在利用聚焦透镜加大所述光电倍增管的接受张角时；所述接受张角的计算公式是：
Figure GDA0004201614650000151
式中，α为接受张角的角度值，d为聚焦透镜的半径值。其中，所述聚焦透镜设置于所述目标容器与所述光电倍增管之间。
根据上述记载，在一示例性实施例中，若所述入射光源的偏振方向为垂直偏振，则根据所述入射光强和每个光电倍增管检测到的散射光强计算每个光电倍增管所对应的气泡半径的过程包括：
获取散射光强计算式，有：
Figure GDA0004201614650000152
其中，Ii为入射光强，Is为散射光强；l为光电倍增管的检测位置与气泡中心的距离；k为波数，
Figure GDA0004201614650000161
λ为入射光源的波长；S1为垂直偏振方向上的振幅函数，且：
Figure GDA0004201614650000162
其中，an和bn为Mie系数，与气泡的半径R有关；πn和τn为角分布函数，与散射角θ有关；且，
Figure GDA0004201614650000163
/>
Figure GDA0004201614650000164
Figure GDA0004201614650000165
Figure GDA0004201614650000166
Figure GDA0004201614650000167
式中，
Figure GDA0004201614650000168
为一阶连带勒让德函数；θ为所述光电倍增管的散射角；m＝m1/m2，m1为气泡内部的折射率，m2为气泡外部介质折射率；jn(mx)为第一类贝塞尔函数；/>
Figure GDA0004201614650000169
为第二类汉克尔函数；R为待计算的气泡半径。
具体地，在一示例中，当入射光源的偏振方向为垂直偏振，同时第一光电倍增管PMT1的散射角为80°时，散射光强(任意单位)与气泡半径(单位um)的关系示意图如图4所示。在另一示例中，当入射光源的偏振方向为垂直偏振，同时第一光电倍增管PMT1的散射角为60°时，散射光强(任意单位)与气泡半径(单位um)的关系示意图如图5所示。
根据上述记载，在另一示例性实施例中，若所述入射光源的偏振方向为水平偏振，则根据所述入射光强和每个光电倍增管检测到的散射光强计算每个光电倍增管所对应的气泡半径的过程包括：
获取散射光强计算式，有：
Figure GDA00042016146500001610
其中，Ii为入射光强，Is为散射光强；l为光电倍增管的检测位置与气泡中心的距离；k为波数，
Figure GDA00042016146500001611
λ为入射光源的波长；S2为水平偏振方向上的振幅函数，且：
Figure GDA00042016146500001612
其中，an和bn为Mie系数，与气泡的半径R有关；πn和τn为角分布函数，与散射角θ有关；且，
Figure GDA0004201614650000171
Figure GDA0004201614650000172
/>
Figure GDA0004201614650000173
式中，
Figure GDA0004201614650000174
为一阶连带勒让德函数；θ为所述光电倍增管的散射角；m＝m1/m2，m1为气泡内部的折射率，m2为气泡外部介质折射率；jn(mx)为第一类贝塞尔函数；/>
Figure GDA0004201614650000175
为第二类汉克尔函数；R为待计算的气泡半径。
具体地，在一示例中，当入射光源的偏振方向为垂直偏振，同时第二光电倍增管PMT2的散射角为80°时，散射光强(任意单位)与气泡半径(单位um)的关系示意图如图6所示。在另一示例中，当入射光源的偏振方向为垂直偏振，同时第二光电倍增管PMT2的散射角为60°时，散射光强(任意单位)与气泡半径(单位um)的关系示意图如图7所示。
根据上述记载，在一示例性实施例中，散射光强经接受张角积分后的公式如下所示：
水平偏振方向，
Figure GDA0004201614650000176
垂直偏振方向，
Figure GDA0004201614650000177
具体地，在一示例中，当散射角为80°、接受张角为5°以及入射光源为垂直偏振时，入射光强与气泡半径的关系示意图如图8所示。在另一示例中，当散射角为80°、接受张角为5°以及入射光源为水平偏振时，入射光强与气泡半径的关系示意图如图9所示。在又一示例中，当散射角为60°、接受张角为15°以及入射光源为垂直偏振时，入射光强与气泡半径的关系示意图如图10所示。在另一示例中，当散射角为60°、接受张角为15°以及入射光源为水平偏振时，入射光强与气泡半径的关系示意图如图11所示。
在另一具体实施例中，提供了一种测量单泡声致发光中气泡形状的装置，包括以下步骤：
首先是将信号发生器，标准功率放大器和带有磁芯的阻抗线圈用同轴电缆连接起来，然后再将带有磁芯的阻抗线圈的输出与单泡瓶上的压电陶瓷片连接上。
然后向单泡瓶里注满水，开启信号发生器，功率放大器的电源。并将信号发生器的信号调至合适的频率，功率放大器调至合适的功率，且将带磁芯的线圈阻抗的磁芯调至合适的位置，使得气泡能稳定的存在于单泡瓶里，并稳定的进行周期性的发光。
然后打开激光光源(水平偏振或者垂直偏振都可以)，使得其穿过发光的气泡。
将平面玻璃放置与激光的入射光方向呈45°放置。
将PMT的位置方向与激光的出射光方向呈现一个合适的前向散射角θ。经Mie理论公式：
对于入射激光是水平偏振方向，散射光强Is的表达式：
Figure GDA0004201614650000181
对于入射激光是垂直偏振方向，散射光强Is的表达式：
Figure GDA0004201614650000182
其中，Ii为入射光强，Is为散射光强；l为光电倍增管的检测位置与气泡中心的距离；k为波数，
Figure GDA0004201614650000183
λ为入射光源的波长；S1和S2分别为垂直偏振方向和水平偏振方向上的振幅函数。
Figure GDA0004201614650000184
Figure GDA0004201614650000185
其中，an和bn为Mie系数，与气泡的半径R有关；πn和τn为角分布函数，与散射角θ有关；
Figure GDA0004201614650000186
Figure GDA0004201614650000187
Figure GDA0004201614650000188
Figure GDA0004201614650000189
Figure GDA00042016146500001810
式中，
Figure GDA00042016146500001811
为一阶连带勒让德函数；θ为所述光电倍增管的散射角；m＝m1/m2，m1为气泡内部的折射率，m2为气泡外部介质折射率；jn(mx)为第一类贝塞尔函数；/>
Figure GDA00042016146500001812
为第二类汉克尔函数；R为待计算的气泡半径。
第一光电倍增管PMT1的散射角的角度θ1可选择80°，此时的接受张角可以选择接受张角为α1≥5°，即满足散射光强与气泡半径一一对应。第二光电倍增管PMT2的散射角的角度θ2可选择60°，此时的接受张角可以选择接受张角为α2≥15°，即满足散射光强与气泡半径一一对应。散射角θ1和θ2为分别为80°和60°时，散射光强(任意单位)与气泡半径(单位um)的关系分别如图4至图7所示。散射角θ1为80°，接受张角α1为5°时的垂直入射光和水平入射光的相对光强与气泡半径的关系如图8、图9所示。散射角θ2为60°，接受张角α2为15°时的垂直入射光和水平入射光的相对光强与气泡半径的关系如图10、图11所示。
其中，散射光强经接受张角积分后的公式如下所示：
水平偏振方向，
Figure GDA0004201614650000191
垂直偏振方向，
Figure GDA0004201614650000192
此外，在本实施例中，还可以将反射光强对应的电压幅值V0作为参考值，再根据公式计算出入射光强对应的电压值Vi，即Vi＝V0*透射率kt÷反射率kr÷衰减系数k。通过此公式即可得到Mie散射的入射光强所对应的示波器的幅值Vi，从而用此幅值代替入射光强Ii，再结合Mie理论计算公式得到绝对的散射光强，即得到与示波器显示类似的电压值。再通过对散射光强的公式进行拟合，得到气泡散射光强与气泡半径大小的公式，形如：I＝aRb，a和b为常数，再通过对实验数据运用此拟合公式进行反演，即可得到气泡的R(t)曲线，即得到气泡的半径随时间的变化曲线，最后通过这两个不同角度得到的R(t)曲线进行比较，看其半径变化曲线是否一致。若两者的R(t)曲线变化一致，则说明气泡在膨胀塌缩时都保持一个球形；若不一致，则说明气泡子在膨胀塌缩过程中并不能始终保持球形。
综上所述，本发明提供一种测量单泡声致发光中气泡形状的装置，首先向装满溶液介质且存在驻波场的目标容器注入气泡，然后利用激光光源照射气泡；再利用至少两个光电倍增管检测激光光源穿过气泡后的散射光强；其中，至少两个光电倍增管在检测散射光强时，对应检测位置与激光光源的出射光方向存在不同角度；最后根据每个光电倍增管检测到的散射光强，确定出气泡在目标容器内的形状。通过本装置不仅可以检测出气泡在目标容器内的形状，而且还能降低检测气泡形状时的测量成本，同时本装置也不需要进行后期的图像处理，处理过程较为简单。并且本装置中的测量设备操作简单，方便用户使用和调节。此外，本装置可以只采用一个光源进行测量，在减少能耗的同时还可以避免外界电源的干扰。而且在测量过程中，本装置还可以实时测量出气泡半径变化曲线，从而使得测量结果更加精准。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
本说明书中附图所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本实用新型可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本实用新型所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本实用新型所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本实用新型可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本实用新型可实施的范畴。
应当理解的是，尽管在本发明实施例中可能采用术语第一、第二、第三等来描述预设范围等，但这些预设范围不应限于这些术语。这些术语仅用来将预设范围彼此区分开。例如，在不脱离本发明实施例范围的情况下，第一预设范围也可以被称为第二预设范围，类似地，第二预设范围也可以被称为第一预设范围。

Claims (8)

1.一种测量单泡声致发光中气泡形状的方法，其特征在于，包括以下步骤：
向装满溶液介质且存在驻波场的目标容器注入气泡，并利用激光光源照射所述气泡；
利用至少两个光电倍增管检测所述激光光源穿过所述气泡后的散射光强；其中，所述至少两个光电倍增管在检测散射光强时，对应检测位置与所述激光光源的出射光方向存在不同角度；
根据每个光电倍增管检测到的散射光强，确定出所述气泡在所述目标容器内的形状；
获取所述激光光源照射所述气泡时的入射光强，并将穿过镀膜平面玻璃的激光光源作为照射所述气泡的入射光源；其中，所述镀膜平面玻璃位于所述激光光源与所述目标容器之间，且所述镀膜平面玻璃与所述激光光源的出射光方向存在倾斜角度；
若所述入射光源的偏振方向为垂直偏振，则根据所述入射光强和每个光电倍增管检测到的散射光强，计算每个光电倍增管所对应的气泡半径的过程包括：
获取散射光强计算式，有：
Figure QLYQS_1
其中，Ii为入射光强，Is为散射光强；l为光电倍增管的检测位置与气泡中心的距离；k为波数，/>
Figure QLYQS_2
λ为入射光源的波长；S1为垂直偏振方向上的振幅函数，且/>
Figure QLYQS_3
其中，an和bn为Mie系数，πn和τn为角分布函数，且，
Figure QLYQS_4
Figure QLYQS_5
Figure QLYQS_6
Figure QLYQS_7
Figure QLYQS_8
式中，
Figure QLYQS_9
为一阶连带勒让德函数；θ为所述光电倍增管的散射角；m＝m1/m2，m1为气泡内部的折射率，m2为气泡外部介质折射率；jn(mx)为第一类贝塞尔函数；/>
Figure QLYQS_10
为第二类汉克尔函数；R为待计算的气泡半径；
若所述入射光源的偏振方向为水平偏振，则根据所述入射光强和每个光电倍增管检测到的散射光强，计算每个光电倍增管所对应的气泡半径的过程包括：
获取散射光强计算式，有：
Figure QLYQS_11
其中，Ii为入射光强，Is为散射光强；l为光电倍增管的检测位置与气泡中心的距离；k为波数，/>
Figure QLYQS_12
λ为入射光源的波长；S2为水平偏振方向上的振幅函数，且/>
Figure QLYQS_13
其中，an和bn为Mie系数，πn和τn为角分布函数，且，
Figure QLYQS_14
Figure QLYQS_15
Figure QLYQS_16
Figure QLYQS_17
Figure QLYQS_18
式中，
Figure QLYQS_19
为一阶连带勒让德函数；θ为所述光电倍增管的散射角；m＝m1/m2，m1为气泡内部的折射率，m2为气泡外部介质折射率；jn(mx)为第一类贝塞尔函数；/>
Figure QLYQS_20
为第二类汉克尔函数；R为待计算的气泡半径。
2.根据权利要求1所述的测量单泡声致发光中气泡形状的方法，其特征在于，根据每个光电倍增管检测到的散射光强，确定出所述气泡在所述目标容器内的形状的过程包括：
获取所述激光光源照射所述气泡时的入射光强，并根据所述入射光强和每个光电倍增管检测到的散射光强计算每个光电倍增管所对应的气泡半径；
判断所有光电倍增管所对应的气泡半径是否相同；
若相同，则判定所述气泡在所述目标容器内的形状为球形；若不相同，则判定所述气泡在所述目标容器内的形状为非球形。
3.根据权利要求2所述的测量单泡声致发光中气泡形状的方法，其特征在于，获取所述激光光源照射所述气泡时的光强的过程包括：
将穿过镀膜平面玻璃的激光光源作为照射所述气泡的入射光源；其中，所述镀膜平面玻璃位于所述激光光源与所述目标容器之间，且所述镀膜平面玻璃与所述激光光源的出射光方向存在倾斜角度；
检测所述激光光源经过所述镀膜平面玻璃反射后再穿过预设衰减片后的光强，记为反射光强；
将所述反射光强转换为电压值，记为参考电压值；
根据所述参考电压值、所述镀膜平面玻璃的透射率、所述镀膜平面玻璃的反射率和所述预设衰减片的衰减系数计算出对应的电压值，并将计算出的电压值作为所述入射光源的入射光强。
4.根据权利要求2或3所述的测量单泡声致发光中气泡形状的方法，其特征在于，所述方法还包括：利用聚焦透镜加大所述光电倍增管的接受张角；其中，所述聚焦透镜设置于所述目标容器与所述光电倍增管之间；
所述接受张角的计算公式是：
Figure QLYQS_21
式中，α为接受张角的角度值，d为聚焦透镜的半径值，L为气泡到聚焦透镜中心的距离。
5.根据权利要求2或3所述的测量单泡声致发光中气泡形状的方法，其特征在于，所述方法还包括：将每个光电倍增管与数字示波器连接，并将每个光电倍增管在所述数字示波器上的电压值作为对应的散射光强。
6.根据权利要求1所述的测量单泡声致发光中气泡形状的方法，其特征在于，在向目标容器注入气泡前，所述方法还包括：
将信号发生器、功率放大器和带有磁芯的阻抗线圈进行依次连接；
在空载的目标容器上贴合压电陶瓷片，并将所述压电陶瓷片与所述带有磁芯的阻抗线圈的输出端连接；
向空载的目标容器中加入溶液介质，直至所述目标容器装满所述溶液介质；
开启所述信号发生器与所述功率放大器的电源，并将所述信号发生器调至预设频率、将所述功率放大器调至预设功率以及将所述阻抗线圈调至预设位置，通过所述压电陶瓷片对装满溶液介质的目标容器发射声波，在所述目标容器内生成驻波场。
7.根据权利要求4所述的测量单泡声致发光中气泡形状的方法，其特征在于，所述方法还包括：在所述聚焦透镜与所述光电倍增管之间设置带通滤光片，所述带通滤光片的波长与所述激光光源的波长相同。
8.一种测量单泡声致发光中气泡形状的装置，其特征在于，包括有：
照射模块，用于向装满溶液介质且存在驻波场的目标容器注入气泡，并利用激光光源照射所述气泡；
散射光强模块，用于利用至少两个光电倍增管检测所述激光光源穿过所述气泡后的散射光强；其中，所述至少两个光电倍增管在检测散射光强时，对应检测位置与所述激光光源的出射光方向存在不同角度；
形状检测模块，用于根据每个光电倍增管检测到的散射光强，确定出所述气泡在所述目标容器内的形状；
获取所述激光光源照射所述气泡时的入射光强，并将穿过镀膜平面玻璃的激光光源作为照射所述气泡的入射光源；其中，所述镀膜平面玻璃位于所述激光光源与所述目标容器之间，且所述镀膜平面玻璃与所述激光光源的出射光方向存在倾斜角度；
若所述入射光源的偏振方向为垂直偏振，则根据所述入射光强和每个光电倍增管检测到的散射光强，计算每个光电倍增管所对应的气泡半径的过程包括：
获取散射光强计算式，有：
Figure QLYQS_22
其中，Ii为入射光强，Is为散射光强；l为光电倍增管的检测位置与气泡中心的距离；k为波数，/>
Figure QLYQS_23
λ为入射光源的波长；S1为垂直偏振方向上的振幅函数，且/>
Figure QLYQS_24
其中，an和bn为Mie系数，πn和τn为角分布函数，且，
Figure QLYQS_25
Figure QLYQS_26
Figure QLYQS_27
Figure QLYQS_28
Figure QLYQS_29
式中，
Figure QLYQS_30
为一阶连带勒让德函数；θ为所述光电倍增管的散射角；m＝m1/m2，m1为气泡内部的折射率，m2为气泡外部介质折射率；jn(mx)为第一类贝塞尔函数；/>
Figure QLYQS_31
为第二类汉克尔函数；R为待计算的气泡半径；
若所述入射光源的偏振方向为水平偏振，则根据所述入射光强和每个光电倍增管检测到的散射光强，计算每个光电倍增管所对应的气泡半径的过程包括：
获取散射光强计算式，有：
Figure QLYQS_32
其中，Ii为入射光强，Is为散射光强；l为光电倍增管的检测位置与气泡中心的距离；k为波数，/>
Figure QLYQS_33
λ为入射光源的波长；S2为水平偏振方向上的振幅函数，且/>
Figure QLYQS_34
其中，an和bn为Mie系数，πn和τn为角分布函数，且，
Figure QLYQS_35
Figure QLYQS_36
Figure QLYQS_37
Figure QLYQS_38
Figure QLYQS_39
式中，
Figure QLYQS_40
为一阶连带勒让德函数；θ为所述光电倍增管的散射角；m＝m1/m2，m1为气泡内部的折射率，m2为气泡外部介质折射率；jn(mx)为第一类贝塞尔函数；/>
Figure QLYQS_41
为第二类汉克尔函数；R为待计算的气泡半径。
CN202210031796.1A 2022-01-12 2022-01-12 一种测量单泡声致发光中气泡形状的方法及装置 Active CN114295074B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210031796.1A CN114295074B (zh) 2022-01-12 2022-01-12 一种测量单泡声致发光中气泡形状的方法及装置

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210031796.1A CN114295074B (zh) 2022-01-12 2022-01-12 一种测量单泡声致发光中气泡形状的方法及装置

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN114295074A CN114295074A (zh) 2022-04-08
CN114295074B true CN114295074B (zh) 2023-06-27

Family

ID=80976688

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202210031796.1A Active CN114295074B (zh) 2022-01-12 2022-01-12 一种测量单泡声致发光中气泡形状的方法及装置

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN114295074B (zh)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2003057164A (ja) * 2001-08-16 2003-02-26 National Institute Of Advanced Industrial & Technology キャビテーション気泡観察装置およびキャビテーション気泡観察方法
DE102012002174A1 (de) * 2012-02-07 2013-08-08 Schott Ag Vorrichtung und Verfahren zum Erkennen von Fehlstellen innerhalb des Volumens einer transparenten Scheibe und Verwendung der Vorrichtung
CN104568990A (zh) * 2015-01-10 2015-04-29 浙江大学 一种基于Mie散射检测玻璃内部气泡缺陷的方法
WO2019221191A1 (ja) * 2018-05-17 2019-11-21 株式会社Sumco 石英ルツボの透過率測定方法及び装置
CN112485261A (zh) * 2020-12-07 2021-03-12 江苏汇鼎光学眼镜有限公司 一种眼镜镜片中微小气泡的检测装置及其检测方法

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2003057164A (ja) * 2001-08-16 2003-02-26 National Institute Of Advanced Industrial & Technology キャビテーション気泡観察装置およびキャビテーション気泡観察方法
DE102012002174A1 (de) * 2012-02-07 2013-08-08 Schott Ag Vorrichtung und Verfahren zum Erkennen von Fehlstellen innerhalb des Volumens einer transparenten Scheibe und Verwendung der Vorrichtung
CN104568990A (zh) * 2015-01-10 2015-04-29 浙江大学 一种基于Mie散射检测玻璃内部气泡缺陷的方法
WO2019221191A1 (ja) * 2018-05-17 2019-11-21 株式会社Sumco 石英ルツボの透過率測定方法及び装置
CN112485261A (zh) * 2020-12-07 2021-03-12 江苏汇鼎光学眼镜有限公司 一种眼镜镜片中微小气泡的检测装置及其检测方法

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
单泡声致发光现象―气泡运动的Mie散射测量;钱梦,安兆亮,葛曹燕;声学技术(第04期);全文 *
声致发光单泡的Mie散射测量参数的理论计算;葛曹燕,钱梦,李同保;应用声学(第05期);全文 *
气泡激光散射信号处理方法;苏丽萍 等;《中国激光》;全文 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN114295074A (zh) 2022-04-08

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN107132029B (zh) 一种同时测量高反射/高透射光学元件的反射率、透过率、散射损耗和吸收损耗的方法
CN102854142A (zh) 基于光束扫描的光学分辨式光声显微镜
CN108801439A (zh) 一种声场测量装置及测量方法
CN106970157B (zh) 同时观测透明流体和透明固体内部声场的光学装置和方法
Davydov et al. A contactless method for testing inner walls of pipelines
Quinto-Su et al. Nucleating bubble clouds with a pair of laser-induced shocks and bubbles
Desai et al. Comparison of bubble size distributions inferred from acoustic, optical visualisation, and laser diffraction
CN107356320A (zh) 一种脉冲超声声场检测装置与方法
CN114295074B (zh) 一种测量单泡声致发光中气泡形状的方法及装置
RU2346261C1 (ru) Способ определения параметров дисперсных частиц
Tallon et al. Energy velocity of multiply scattered waves in strongly scattering media
Huang et al. The evolution of the cavitation bubble driven by different sound pressure
CN108871211B (zh) 一种圆管内气液两相环状流液膜厚度的测量及修正方法
Maksymov et al. Acoustically tunable optical transmission through a subwavelength hole with a bubble
CN114485436B (zh) 一种测量气泡大小的装置和方法
CN212780368U (zh) 一种超声悬浮式液体粘度的测量装置
CN106768264B (zh) 基于焦域轴向最大振速的聚焦超声功率测量系统及方法
Li et al. Convergence of illuminating beams suffering from scattering during the individual measurement of suspended particles
Gogoi et al. Detector array incorporated optical scattering instrument for nephelometric measurements on small particles
CN113340850A (zh) 一种近180度水体三维体积散射函数测量系统
Örtegren et al. An oscillating bubble device for direct measurement of molecular exchange processes at the air–liquid interface in the medium frequency range
Weise et al. Examination of the two-dimensional pupil function in coherent scanning microscopes using spherical particles
Mikitchuk et al. Current state of the research on optoacoustic fiber-optic ultrasonic transducers based on thermoelastic effect and fiber-optic interferometric receivers
Dyatlov et al. The scanning flow cytometer modified for measurement of two-dimensional light-scattering pattern of individual particles
Abitan et al. Development of optical techniques for large volume PTV measurements

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant