申请/专利权人：四川大学

申请日：2018-10-31

公开（公告）日：2020-05-15

公开（公告）号：CN109270050B

主分类号：G01N21/71(20060101)

分类号：G01N21/71(20060101);G01N21/01(20060101)

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2020.05.15#授权;2019.02.26#实质审查的生效;2019.01.25#公开

摘要：本发明提供一种液体光致击穿诱发空化泡与空气泡的同步实验装置，包括光电开关、液体光致击穿诱发空化泡控制组件、空气泡释放控制组件、水槽、高速摄像机、计算机，所述光电开关由激光模组和光敏电阻传感器组成，所述液体光致击穿诱发空化泡控制组件由激光器，扩束镜，反射镜，聚焦透镜组成，所述空气泡发生组件由空气注射泵、与空气注射泵的输出端连接的软管、连接在软管末端的针头组成。该实验装置可用于空化泡与空气泡的系统性同步研究，为细观层面掺气减蚀机理的研究提供了新的方便有效的实验装置和方法。

主权项：1.液体光致击穿诱发空化泡与空气泡的同步实验装置，其特征在于包括光电开关、液体光致击穿诱发空化泡控制组件、空气泡释放控制组件、水槽（14）、高速摄像机（12）、计算机（13），所述光电开关由激光模组（8）和光敏电阻传感器（7）组成，所述液体光致击穿诱发空化泡控制组件由激光器（1），扩束镜（2），反射镜（3），聚焦透镜（4）组成，所述空气泡发生组件由空气注射泵（11）、与空气注射泵的输出端连接的软管（10）、连接在软管末端的针头（9）组成；所述光电开关的光敏电阻传感器同时与激光器和高速摄像机电连接，同时控制激光器和高速摄像机的工作电路连通，所述激光模组安装在与光敏电阻传感器的信号接收端相对的位置，且激光模组和光敏电阻传感器位于水槽外两侧，使得激光模组发出的激光射线穿过水槽水体入射到光敏电阻传感器上；液体光致击穿诱发空化泡控制组件中，所述扩束镜位于激光器的出射光路上，将激光器发出的脉冲激光扩束为激光束，所述反射镜位于激光束光路上，使激光束的向下垂直于水槽中水面传播，并经过聚焦透镜聚焦至水体中设定的液体光致击穿位置，产生空化泡；所述空气泡发生组件的针头固定于水槽底部，其安装位置使得逸出的空气泡在水体中上升并穿过激光模组发出的激光射线，使光敏电阻传感器接收到的光强发生变化，从而同时触发高速摄像机和激光器的工作通电工作，激光模组的激光射线出射点、光敏电阻传感器信号接收端、针头的针孔三点共铅垂面，所述激光模组发出的激光射线与光敏电阻传感器的信号接收端位于同一水平直线上；所述高速摄像机与计算机连接，实时获取高速摄像机的拍摄影像。

全文数据：液体光致击穿诱发空化泡与空气泡的同步实验装置技术领域本发明属于空泡动力学领域，具体涉及一种空化泡与空气泡的同步实验装置。背景技术空化作为一种水动力学现象广泛存在于水利、船舶、医疗等行业，对空化泡的研究起源于工程中的空蚀现象。国内外大量的水利水电工程的高、中水头泄水建筑物中的一些部位，经常会发生材料剥蚀破坏的现象，这种现象称为空蚀。水利行业中，为减免空蚀的危害，多采用掺气措施，国内外的研究设计和实践都已表明，该措施经济有效，且工程形式简单、减蚀效果明显。虽然掺气措施被广泛应用，但是，关于掺气减蚀机理目前大多停留在假想层面，缺乏细观层面的实验数据支撑。而空化泡的全生命低压电火花空泡的生命周期约为1～3ms过程伴随着自身的膨胀、收缩、溃灭、回弹震荡等力学行为，如微射流和冲击波。研究掺气过程中空化泡与空气泡间的相互作用对更有效的掺气减蚀具有重要意义。目前空化泡的产生方法，主要有水下高电压放电、水下低电压放电、液体光致击穿等方法。液体光致击穿是利用激光的液体光致击穿效应产生空化泡。强激光束的能量密度超过液体的击穿阀值时，液体会被“光学击穿”，在击穿区域的水电离形成高温高压的等离子体，等离子体吸收后续激光能量向外膨胀形成超音速的等离子冲击波，同时由于高温致使液体汽化产生空化泡。该方法由于具有球对称性好、易于控制且无机械形变的优点，成为研究空泡动力学的有效手段。由于掺气减蚀涉及多个研究领域，而且对实验设备要求苛刻，比如，空化泡溃灭时间的量级约为10-4s，研究该过程就需要采用频率达105帧秒或更高的高速摄影设备；空气泡与空化泡产生的相对时刻与相对位置难以控制，实验研究难度较大。仅有的少量文献采用涂抹石蜡的绳子上预先粘附气泡再在气泡旁产生空化泡，这种方法对空化泡与空气泡的演变形态以及力学行为有很大的干扰。因此目前对掺气减蚀微观机理的研究仍然处于初步探索阶段，缺少切实可靠的的实验装置和数据。发明内容本发明的目的在于提供一种液体光致击穿诱发空化泡与空气泡的同步实验装置，用于空化泡与空气泡的系统性研究，为细观层面掺气减蚀机理的研究提供了新的方便有效的实验装置和方法。针对以上发明目的，本发明提供一种液体光致击穿诱发空化泡与空气泡的同步实验装置，包括光电开关、液体光致击穿诱发空化泡控制组件、空气泡释放控制组件、水槽、高速摄像机、计算机，所述光电开关由激光模组和光敏电阻传感器组成，所述液体光致击穿诱发空化泡控制组件由激光器，扩束镜，反射镜，聚焦透镜，所述空气泡发生组件由空气注射泵、与空气注射泵的输出端连接的软管、连接在软管末端的针头组成；所述光电开关的光敏电阻传感器同时与激光器和高速摄像机电连接，同时控制激光器和高速摄像机的工作电路连通，所述激光模组安装在与光敏电阻传感器的信号接收端相对的位置，且激光模组和光敏电阻传感器位于水槽外两侧，使得激光模组发出的激光射线穿过水槽水体入射到光敏电阻传感器上；所述液体光致击穿诱发空化泡控制组件中，所述扩束镜位于激光器的出射光路上，将激光器发出的脉冲激光扩束为激光束，所述反射镜位于激光束光路上，使激光束的向下垂直于水槽中水面传播，并经过聚焦透镜聚焦至水体中设定的液体光致击穿位置，产生空化泡；所述空气泡发生组件的针头固定于水槽底部，其安装位置使得逸出的空气泡在水体中上升并穿过激光模组发出的激光射线，使光敏电阻传感器接收到的光强发生变化，从而同时触发高速摄像机和激光器通电工作；所述高速摄像机与计算机连接，实时获取高速摄像机的拍摄影像。进一步地，激光模组的激光射线出射点、光敏电阻传感器信号接收端、针头的针孔三点共铅垂面。进一步地，所述激光模组发出的激光射线与光敏电阻传感器的信号接收端位于同一水平直线上。进一步地，高速摄像机和激光聚焦点分别位于激光模组的激光射线出射点、光敏电阻传感器信号接收端、针头的针孔三点所在铅垂面的两侧，以避免激光射线的移动影响高速摄像机的拍摄视野。进一步地，光敏电阻传感器、激光模组的位置可调；激光聚焦点、针孔的水平相对位置和铅直相对位置均可调节，目的是使空气泡穿过激光模组发出的激光射线的相对位置可调，获得空化泡和空气泡不同相对位置的图片，即不同水平距离和不同竖直距离的空化泡与空气泡。进一步地，所述激光模组、高速摄像机的安装位置满足使从针头逸出的空气泡穿过激光射线及以后的动态在高速摄像机的拍摄视野中。进一步地，液体光致击穿诱发空化泡控制组件的激光聚焦点位于高速摄像机的拍摄视野中。进一步地，所述针头设置为针孔孔径不同的多种规格。进一步地，所述针头垂直安装在水槽底壁上，使针孔垂直向上。进一步地，所述激光模组发出的激光射线与针头所在直线垂直。以上技术方案中，所述光电开关包括激光模组和光敏电阻传感器。光敏电阻传感器的信号接收端负责接收激光模组发出的激光射线。光敏电阻传感器带有继电器模块，配电位器调节灵敏度，通过调节电位器，设定启动继电器阀值，当亮于此阀值时，继电器模块断开，暗于此阀值时，继电器接通。阈值根据空气泡穿过激光模组发出的激光射线时，光敏电阻传感器的信号接收端接收的激光光强变化来设定。以上技术方案中，空气泡穿过激光模组发出的激光射线时，光敏电阻传感器将同时触发高速摄像机与激光器电路接通一定时间，否则电路断电。以上技术方案中，空化泡的大小可以通过激光器输出的能量大小来调节，空化泡的位置可以通过反射镜与聚焦透镜来调节。以上技术方案中，空气泡的大小可以通过针头的孔径大小来调节，空气泡的位置可以通过光敏电阻传感器和激光模组共同调节的位置来调节。表一示出空气流速为0.1cmms时，不同孔径的针头对应不同直径大小的空气泡。表一：孔径mm0.110.200.300.400.500.60气泡直径mm0.711.221.672.082.472.84使用本发明所述实验装置进行实验研究时工作流程和原理：激光模组向光敏电阻传感器发出激光射线，操控空气注射泵放出空气，空气逸出针头，在水槽内形成空气泡，当空气泡上浮至一定高度时穿过激光模组发出的激光射线，致使光敏电阻传感器接收的光强减弱，达到设定的光强值时光敏电阻传感器立即触发高速摄像机与激光器的工作电路通电。进一步，激光器发出脉冲激光，经扩束镜扩束为激光束，再经反射镜激光束由平行传播转变为垂直传播，变向后的激光束最后经聚焦透镜在水槽的预定位置产生空化泡。同时，高速摄像机通电后同步拍摄空气泡与空化泡相互作用画面，计算机读取高速摄像机的录制影像。与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：1.本发明所述实验装置利用光电开关将空气泡上浮至一定位置与高速摄像机的拍摄、空化泡的产生进行同步，实现空化泡与空气泡相互作用的动态信息获取和研究，为细观层面掺气减蚀机理的研究提供了新的便利的实验方法。2使用本发明所述实验装置，空化泡的大小、位置与空气泡的大小、位置均能精确控制。3.空化泡的形态更接近球形，其他干扰因素少，实验效果好。附图说明图1为本发明所述液体光致击穿诱发空化泡与空气泡的同步实验装置结构示意图；图2为本发明所述实验装置中水槽、光敏电阻传感器、激光模组的相对位置布置俯视图平面布置图；图3为实施例中高速摄像机拍摄到液体光致击穿诱发空化泡与空气泡相互作用的图片；图中0时刻图片左侧为直径2.2mm的扁球形空气泡，右侧为液体光致击穿诱发空化泡产生的初始时刻；图中100μs时刻图片右侧为膨胀至最大直径为2.2mm的空化泡。图中，1激光器，2扩束镜，3反射镜，4聚焦透镜，5空化泡，6空气泡，7光敏电阻传感器，8激光模组，9针头，10软管，11空气注射泵，12高速摄像机，13计算机，14水槽。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本发明技术方案进行详细说明。以下所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明保护范围内。实施例液体光致击穿诱发空化泡与空气泡的同步实验装置，如图1所示，包括光电开关、液体光致击穿诱发空化泡控制组件、空气泡释放控制组件、水槽14、高速摄像机12、计算机13，所述光电开关由激光模组8和光敏电阻传感器7组成，所述液体光致击穿诱发空化泡控制组件由激光器1，扩束镜2，反射镜3，聚焦透镜4，所述空气泡发生组件由空气注射泵11、与空气注射泵的输出端连接的软管10、连接在软管末端的针头9组成；所述光电开关的光敏电阻传感器同时与激光器和高速摄像机电连接，同时控制激光器和高速摄像机的工作电路连通，所述激光模组安装在与光敏电阻传感器的信号接收端相对的位置，且激光模组和光敏电阻传感器位于水槽外两侧，使得激光模组发出的激光射线穿过水槽水体入射到光敏电阻传感器上；所述液体光致击穿诱发空化泡控制组件中，所述扩束镜位于激光器的出射光路上，将激光器发出的脉冲激光扩束为激光束，所述反射镜位于激光束光路上，使激光束的向下垂直于水槽中水面传播，并经过聚焦透镜聚焦至水体中设定的液体光致击穿位置，产生空化泡；所述空气泡发生组件的针头垂直固定于水槽底部，且针孔垂直向上，其安装位置使得逸出的空气泡在水体中上升并穿过激光模组发出的激光射线，使光敏电阻传感器接收到的光强发生变化，从而同时触发高速摄像机和激光器的工作通电工作；所述高速摄像机与计算机连接，实时获取高速摄像机的拍摄影像。本实施例进行以下优化：激光模组的激光射线出射点、光敏电阻传感器信号接收端、针头的针孔三点共铅垂面，并且激光模组发出的激光射线与光敏电阻传感器的信号接收端位于同一水平直线上。高速摄像机和激光聚焦点分别位于激光模组的激光射线出射点、光敏电阻传感器信号接收端、针头的针孔三点所在铅垂面的两侧，以避免激光射线的移动影响高速摄像机的拍摄视野。所述光敏电阻传感器和激光模组的水平位置与铅直位置均可调节，以便于调节激光射线适应空气泡的位置，使空气泡穿过激光射线。所述激光模组、高速摄像机的安装位置满足使从针头逸出的空气泡穿过激光射线及以后的动态在高速摄像机的拍摄视野中，液体光致击穿诱发空化泡控制组件的激光聚焦点位于高速摄像机的拍摄视野中，且最好激光聚焦点与高速摄像机的镜头中心在同一水平线上。所述针头设置为针孔孔径不同的多种规格，以满足实验条件需要。本实例中，所有电器均采用民用220v交流电供电。空气注射泵采用LSP01-1B抽取灌注型注射泵市售；Nd：YAG脉冲激光器输出波长1064nm、激光能量为200mJ、脉宽8ns的单模脉冲激光，型号：SPITLIGHTCompact200，厂家INNOLAS，脉冲频率：10Hz，光束发散：1.5mrad。激光模组采用市售波长650nm的红外激光模组，功率为5mW，激光射线直径1-2mm；光敏电阻传感器市售采用5V光敏电阻传感器继电器模块。高速摄像机选择最大达2400000帧秒的高速摄像机，镜头采用微距放大镜头；计算机预装高速摄像机控制及图像处理软件。进行实验时，向水槽内缓慢加入去离子水，使液面高出液体光致击穿的位置5倍的空化泡最大半径空化泡最大半径根据实验量测。首先，将光敏电阻传感器，激光模组、空气注射泵和计算机通电工作。其次，操控空气注射泵放出空气，空气逸出针头，在水槽内形成空气泡，当空气泡上浮至一定高度时穿过激光模组发出的激光射线，致使光敏电阻传感器接收的光强减弱，达到设定的光强值时光敏电阻传感器立即触发高速摄像机与激光器的工作电路通电。进一步，激光器发出脉冲激光，经扩束镜扩束为激光束，再经反射镜激光束由平行传播转变为垂直传播，变向后的激光束最后经聚焦透镜在水槽的预定位置产生空化泡。同时，高速摄像机通电后同步拍摄空气泡与空化泡相互作用画面，计算机通过高速摄像机配套软件实时读取高速摄像机的录制影像。最后，图像处理时，空化泡与空气泡的尺寸根据各自所占图片的像素点数进行量测。高速摄像机拍摄到的空气泡相互作用的图片见图3。图中0时刻，空气泡穿过激光模组发出的激光射线，触发光敏电阻传感器将高速摄像机与激光器的工作电路通电，高速摄像机拍摄的图片左侧为直径2.2mm的扁球形空气泡，右侧为空化泡产生的初始时刻；之后，空化泡发出耀眼光芒并开始膨胀，在100μs时刻图片右侧为膨胀至最大直径为2.2mm的空化泡，随后空化泡经历收缩、溃灭、再膨胀、再收缩溃灭等过程；在空化泡的全生命周期中，空气泡受空化泡的影响形态发生剧烈变化，且对空化泡的溃灭方向、溃灭强度有影响。实验装置准确的拍摄到空气泡与空化泡相互作用的画面。使用一种基于液体光致击穿效应的空化泡与空气泡的同步装置，将空气泡的上浮至预定位置与高速摄像机的拍摄、空化泡的生成进行同步，空化泡与空气泡产生的相对时刻、相对位置相比以往实验手段更加精准，实验的可控性大大提高，为掺气减蚀微观机理的研究提供了新的实验手段。

权利要求：1.液体光致击穿诱发空化泡与空气泡的同步实验装置，其特征在于包括光电开关、液体光致击穿诱发空化泡控制组件、空气泡释放控制组件、水槽14、高速摄像机12、计算机13，所述光电开关由激光模组8和光敏电阻传感器7组成，所述液体光致击穿诱发空化泡控制组件由激光器1，扩束镜2，反射镜3，聚焦透镜4组成，所述空气泡发生组件由空气注射泵11、与空气注射泵的输出端连接的软管10、连接在软管末端的针头9组成；所述光电开关的光敏电阻传感器同时与激光器和高速摄像机电连接，同时控制激光器和高速摄像机的工作电路连通，所述激光模组安装在与光敏电阻传感器的信号接收端相对的位置，且激光模组和光敏电阻传感器位于水槽外两侧，使得激光模组发出的激光射线穿过水槽水体入射到光敏电阻传感器上；液体光致击穿诱发空化泡控制组件中，所述扩束镜位于激光器的出射光路上，将激光器发出的脉冲激光扩束为激光束，所述反射镜位于激光束光路上，使激光束的向下垂直于水槽中水面传播，并经过聚焦透镜聚焦至水体中设定的液体光致击穿位置，产生空化泡；所述空气泡发生组件的针头固定于水槽底部，其安装位置使得逸出的空气泡在水体中上升并穿过激光模组发出的激光射线，使光敏电阻传感器接收到的光强发生变化，从而同时触发高速摄像机和激光器的工作通电工作；所述高速摄像机与计算机连接，实时获取高速摄像机的拍摄影像。2.根据权利要求1所述液体光致击穿诱发空化泡与空气泡的同步实验装置，其特征在于激光模组的激光射线出射点、光敏电阻传感器信号接收端、针头的针孔三点共铅垂面。3.根据权利要求2所述液体光致击穿诱发空化泡与空气泡的同步实验装置，其特征在于所述激光模组发出的激光射线与光敏电阻传感器的信号接收端位于同一水平直线上。4.根据权利要求2所述液体光致击穿诱发空化泡与空气泡的同步实验装置，其特征在于高速摄像机和激光聚焦点分别位于激光模组的激光射线出射点、光敏电阻传感器信号接收端、针头的针孔三点所在铅垂面的两侧。5.根据权利要求1～3中任一权利要求所述水下低电压放电诱发的空化泡与空气泡的同步实验装置，其特征在于光敏电阻传感器、激光模组的位置可调；激光聚焦点、针孔相对位置可调。6.根据权利要求1所述液体光致击穿诱发空化泡与空气泡的同步实验装置，其特征在于所述激光模组、高速摄像机的安装位置满足使从针头逸出的空气泡穿过激光射线及以后的动态在高速摄像机的拍摄视野中。7.根据权利要求5所述液体光致击穿诱发空化泡与空气泡的同步实验装置，其特征在于液体光致击穿诱发空化泡控制组件的激光聚焦点位于高速摄像机的拍摄视野中。8.根据权利要求1所述液体光致击穿诱发空化泡与空气泡的同步实验装置，其特征在于所述针头设置为针孔孔径不同的多种规格。9.根据权利要求1所述液体光致击穿诱发空化泡与空气泡的同步实验装置，其特征在于所述针头垂直安装在水槽底壁上，使针孔垂直向上。10.根据权利要求7所述液体光致击穿诱发空化泡与空气泡的同步实验装置，其特征在于所述激光模组发出的激光射线与针头所在直线垂直。

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