專利名稱：：一種超聲波空化壓強(qiáng)的測量裝置及其測量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種測量液體中微泡空化壓強(qiáng)的裝置及其方法，尤其是一種用于動態(tài)液體中微泡在超聲波作用下空化壓強(qiáng)的測量裝置及其測量方法。
背景技術(shù)：
：超聲波空化是指存在于液體中的微氣核空化泡在聲波的作用下振動，當(dāng)聲壓達(dá)到一定值時發(fā)生的生長和崩潰的動力學(xué)過程?？栈饔靡话惆?個階段空化泡的形成、長大和劇烈的崩潰。在液體中通入超聲波后，由于液體振動而產(chǎn)生數(shù)以萬計的微小氣泡，即空化泡。這些氣泡在超聲波縱向傳播形成的負(fù)壓區(qū)生長，而在正壓區(qū)迅速閉合，從而在交替正負(fù)壓強(qiáng)下受到壓縮和拉伸。在氣泡被壓縮直至崩潰的一瞬間，會產(chǎn)生巨大的瞬時壓力，一般可高達(dá)幾十兆帕至上百兆帕。超聲空化效應(yīng)在溶液內(nèi)部使得液體產(chǎn)生高頻變化的機(jī)械運動，其加速度可達(dá)重力加速度的1500倍。高頻條件下液體局部的瞬時壓力發(fā)生很大的變化，在不同的時間和空間其空化強(qiáng)度也不同。近年來，隨著計算工具、測量技術(shù)的進(jìn)步，人們對超聲作用下液體中空化泡的運動開展了大量的基礎(chǔ)研究，建立了不同的模型，對影響空化泡運動狀態(tài)以及空化泡內(nèi)的壓力、傳遞特性等因素進(jìn)行了模擬求解，從理論上獲得了一些重要的結(jié)論。但是由于實際中空化泡運動過程的復(fù)雜性和實驗條件的限制，人們對它的認(rèn)識仍不完善，其模擬結(jié)果偏差較大，難以反映過程的真實情況。尤其在空化強(qiáng)度的實驗表征方面，由于測量儀器和傳感器等選擇方面的原因，只能測量到誤差較大的平均值。對于空化產(chǎn)生的較為精確的瞬時壓力值，到目前為止仍然未有行之有效的測量手段。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供一種超聲波空化壓強(qiáng)的測量裝置及其測量方法，以解決定量測量超聲波瞬時空化壓強(qiáng)的問題。本發(fā)明實現(xiàn)上述目的和解決上述問題的技術(shù)方案包含有計算機(jī)數(shù)據(jù)采集裝置、電荷放大器、超聲波發(fā)生儀、壓電石英力傳感器以及支架。該測量裝置是將壓電石英力傳感器設(shè)置在支架上，使其測量面正對超聲波發(fā)生儀的探頭，再將傳感器的信號線接入放大器的輸入端，放大器的輸出端連接到計算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。本發(fā)明用于超聲波空化壓強(qiáng)的測量裝置的測量方法，其方法按下列步驟進(jìn)行(l)將傳感器置入水中，使傳感器的測量面正對浸入水中的探頭底部，后通過支架上的旋扭調(diào)節(jié)其測量面與探頭的距離。(2)調(diào)節(jié)電荷放大器的靈敏度，選定增益量程，設(shè)定上下限頻率，由計算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集電荷放大器輸出的電信號。(3)開啟超聲波發(fā)生儀進(jìn)行測量，記錄并存儲電腦所顯示的電壓數(shù)據(jù)，調(diào)整超聲波發(fā)生儀的探頭到壓電石英力傳感器的距離，進(jìn)行測量，得到電壓和時間的數(shù)據(jù)曲線。(4)根據(jù)電壓和時間的數(shù)據(jù)曲線進(jìn)行壓力和電壓換算，即得到超聲波空化壓強(qiáng)值。本發(fā)明超聲波空化壓強(qiáng)的測量裝置及其測量方法，通過壓電石英力傳感器，采用計算機(jī)快速進(jìn)行多點采集數(shù)據(jù)，探索出一種傳感器及其輔助數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，對超聲波在水中產(chǎn)生的空化強(qiáng)度進(jìn)行全程實時監(jiān)控，得到全部實時動態(tài)變化曲線，結(jié)合設(shè)備的物理力學(xué)性質(zhì)，從而測量出真實的空化壓力。這對于從根本上解決聲化學(xué)以及水電設(shè)備的空化腐蝕問題提供了真實的第一手基礎(chǔ)性數(shù)據(jù)。本發(fā)明突破了傳統(tǒng)監(jiān)測方法的局限性，擴(kuò)大了測試范圍，由原來的空化強(qiáng)度的平均值監(jiān)測拓展為瞬時、長時、實時、動態(tài)監(jiān)測，既可以測定瞬時值又可以獲得平均值，提高了測試儀器的適用范圍，保證了測量的準(zhǔn)確度。本發(fā)明超聲波空化壓強(qiáng)的測量裝置具有結(jié)構(gòu)剛度大、體積小、重量輕、固有頻率高(通常在幾十千赫以上)等特點。本發(fā)明用于超聲波空化壓強(qiáng)的測量裝置的測量方法，簡單便捷、可靠準(zhǔn)確，適用于聲化學(xué)反應(yīng)、設(shè)備空化腐蝕以及水中微小氣泡潰滅所引起液體的物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)的變化研究。圖1是本發(fā)明的監(jiān)測裝置結(jié)構(gòu)示意圖圖2是本發(fā)明的傳感器結(jié)構(gòu)示意圖圖3是本發(fā)明壓電石英力傳感器輸出電壓與采集點數(shù)的曲線圖圖4是本發(fā)明壓電石英力傳感器峰值輸出電壓的曲線圖圖5是本發(fā)明空化壓力和壓電石英力傳感器距離的曲線圖圖中1:電荷放大器2:計算機(jī)數(shù)據(jù)采集裝置3:超聲波發(fā)生儀4:壓電石英力傳感器5:支架6:旋扭7:容器8:探頭9:信號線具體實施例方式下面通過具體實施例能夠?qū)Ρ景l(fā)明的具體實施方式作出進(jìn)一步的詳細(xì)說明，本專業(yè)的普通技術(shù)人員在閱讀了本發(fā)明的具體實施例后，能夠理解和實施本發(fā)明。實施例1本發(fā)明為一種超聲波空化壓強(qiáng)的測量裝置，包括超聲波發(fā)生儀、壓電石英力傳感器、電荷放大器、計算機(jī)數(shù)據(jù)采集裝置、以及可調(diào)節(jié)精確高度的支架。該裝置是將壓電石英力傳感器設(shè)置在支架上，使其測量面正對超聲波發(fā)生儀的探頭，再將傳感器的信號線接入放大器的輸入端，放大器的輸出端連接到計算機(jī)數(shù)據(jù)采集裝置。本發(fā)明的主要原理是用壓電石英力傳感器來測定超聲波在水中的壓強(qiáng)。壓電傳感器是一種機(jī)電換能器，其特點是結(jié)構(gòu)簡單、堅固、安裝方便、尺寸小、重量輕和壽命長；頻率響應(yīng)范圍寬，穩(wěn)定性好。利用壓電石英壓電效應(yīng)，當(dāng)傳感器受到力作用時，根據(jù)壓電效應(yīng)原理，在壓電元件的兩面就產(chǎn)生一個與這個力成正比的電荷。通過電荷放大器，將該電荷放大并轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘枺缓髮㈦妷盒盘栞斎胗嬎銠C(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，用電腦監(jiān)測和記錄電壓數(shù)據(jù)，進(jìn)而將電壓換算成精確的力數(shù)據(jù)即壓力。實施例2本發(fā)明用于測量裝置的測量方法，具體步驟如下-(一)測量步驟1.傳感器的結(jié)構(gòu)見圖2，測量之前應(yīng)該將傳感器的信號插座和信號線接好，并且用環(huán)氧樹脂將信號線接插處密封，達(dá)到絕對防水作用，涼干24小時后使用。2.將傳感器固定在可以上下移動的金屬支架上，移動的距離可通過支架上的刻度度量，如圖1所示。3.將傳感器放入水中，傳感器測量面正對超聲波探頭的低部，調(diào)節(jié)測量面與探頭的距離。4.將超聲波探頭浸入水平面下5mm，把傳感器的信號線引出和電荷放大器輸入端連接，電荷放大器輸出端接到計算機(jī)A/D轉(zhuǎn)換采集卡輸入端記錄試驗數(shù)據(jù)。5.調(diào)節(jié)電荷放大器的靈敏度電位器到3.67PCAmit，選定增益量程為XIO下限頻率為100Hz;上限頻率為100kHz。用計算機(jī)采集傳感器輸出的電信號。6.丌啟超聲波發(fā)生儀進(jìn)行測量，記錄并存儲電腦所顯示的電壓數(shù)據(jù)。調(diào)整不同的超聲波源和傳感器的距離分別進(jìn)行同樣的測量，所得的電壓和時間的數(shù)據(jù)曲線(超聲波源和傳感器的距離為5厘米)見圖3和圖4(二)空化強(qiáng)度測量結(jié)果分析傳感器處在超聲波探頭之下5cm處所測量的電壓輸出隨時間的變化的數(shù)據(jù)見圖7-6。圖中橫坐標(biāo)為采集時間的點數(shù)，縱坐標(biāo)為傳感器經(jīng)放大器放大10倍后的電壓值。從圖3可以看出，在離超聲波源5cm處，傳感器的輸出電壓幅度變化比較平穩(wěn)，整體電壓幅度的平均值為0.082V。最大峰值輸出電壓為0.173V。因為最關(guān)心的是最大壓力，所以進(jìn)行壓力和電壓換算時所選電位的大小統(tǒng)一取每組測量的最大峰值電壓。最大峰值輸出電壓與時間的關(guān)系見圖4，圖4的橫坐標(biāo)已經(jīng)換算成時間，單位為微妙。具體換算的步驟是由超聲波的振動頻率20kHz可以求出超聲波的振動周期為5X10—5秒，由圖4可以看出，每個周期內(nèi)的采集點數(shù)為25個，然后求得每個采集點的時間為2X10—6秒，即數(shù)據(jù)采集卡每2微妙采集一個點，或者每秒采集5X105個點，以保障瞬時壓力的準(zhǔn)確度。通過對以上測得的電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行換算處理，得出壓電石英力傳感器在距離超聲波波源不同位置時所受到的壓力，所得結(jié)果列在表l中表l傳感器輸出電壓和所受壓力的換算結(jié)果<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>壓電石英力傳感器在距離超聲波波源不同位置時所受到的壓力曲線見圖5，傳感器所受到的壓力,和超聲波波源的的距離"的關(guān)系見圖5。由圖可以看出隨著傳感器和超聲波波源的的距離的增大，傳感器所受到的壓力逐漸衰減。在靠近超聲波變幅桿探頭低端O.lcm處最大壓力為162X10Spa，平均壓力為51X105Pa。本發(fā)明在上述實施例中，壓電石英力傳感器測量表明在水介質(zhì)中，超聲波頻率為20kHz，功率為1000W的超聲波作用下，傳感器所受到的壓力和超聲波波源的的距離有關(guān)。隨著傳感器和超聲波波源的的距離的增大，傳感器所受到的壓力很快衰減，該方法既可以測量瞬時壓力，也可以測出平均壓力。權(quán)利要求1.一種超聲波空化壓強(qiáng)的測量裝置，其含有計算機(jī)數(shù)據(jù)采集裝置(2)、電荷放大器(1)、超聲波發(fā)生儀(3)、壓電石英力傳感器(4)以及支架(5)，特征在于將壓電石英力傳感器(4)設(shè)置在支架(5)上，使其測量面正對超聲波發(fā)生儀(3)的探頭，再將傳感器(4)的信號線接入放大器(1)的輸入端，放大器(1)的輸出端連接到計算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(2)。2.—種用于超聲波空化壓強(qiáng)的測量裝置的測量方法，其方法按下列步驟進(jìn)行(1)將傳感器(4)置入水中，使傳感器(4)的測量面正對浸入水中的探頭底部，后通過支架(5)上的旋扭(6)調(diào)節(jié)其測量面與探頭的距離；(2)調(diào)節(jié)電荷放大器(1)的靈敏度，選定增益量程，設(shè)定上下限頻率，由計算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(2)采集電荷放大器(1)輸出的電信號；(3)開啟超聲波發(fā)生儀(3)進(jìn)行測量，記錄并存儲電腦所顯示的電壓數(shù)據(jù)，調(diào)整超聲波發(fā)生儀(3)的探頭到壓電石英力傳感器(4)的距離，進(jìn)行測量，得到電壓和時間的數(shù)據(jù)曲線；(4)根據(jù)電壓和時間的數(shù)據(jù)曲線進(jìn)行壓力和電壓換算，即得到超聲波空化壓強(qiáng)值。全文摘要本發(fā)明公開了一種超聲波空化壓強(qiáng)的測量裝置及其測量方法，該裝置是將傳感器置于支架上，測量面應(yīng)對超聲波發(fā)生儀探頭，信號線接入放大器輸入端，輸出端接入數(shù)據(jù)采集裝置；該方法是將傳感器置入水中調(diào)節(jié)探頭距離和電荷放大器的靈敏度，選定增益量程，采集電荷放大器輸出的電信號，開啟超聲波發(fā)生儀測量，記錄存儲電壓數(shù)據(jù)，得到電壓和時間的數(shù)據(jù)曲線進(jìn)行換算，即得超聲波空化壓強(qiáng)值。本發(fā)明方法多點、快速、瞬時、長時、實時、動態(tài)監(jiān)測采集數(shù)據(jù)，突破了傳統(tǒng)監(jiān)測方法的局限性，可測定瞬時值或平均值；本發(fā)明裝置結(jié)構(gòu)剛度大而簡單便捷，固有頻率高，可靠準(zhǔn)確。適用于聲化學(xué)反應(yīng)、設(shè)備空化腐蝕等液體的物理和化學(xué)性質(zhì)的變化研究.文檔編號G01L11/06GK101419108SQ20081007999公開日2009年4月29日申請日期2008年11月29日優(yōu)先權(quán)日2008年11月29日發(fā)明者張瑞珍,王保成申請人:太原理工大學(xué)