[發(fā)明專利]一種測量氣泡大小的裝置和方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202210088804.6
• 申請日: 2022-01-25
• 公開（公告）號: CN114485436B
• 公開（公告）日: 2023-07-07
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 于揚新;黃雄奕;丁軒;林玲
• 申請（專利權(quán)）人: 重慶醫(yī)科大學(xué)
• 主分類號: G01B11/08
• 分類號: G01B11/08
• 代理公司: 北京權(quán)智天下知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 11638
• 代理人: 盧超

本申請公開了一種測量氣泡大小的裝置和方法，其中裝置包括：激光光源，提供入射光；單泡瓶，兩側(cè)對稱設(shè)置有壓電陶瓷片將電信號轉(zhuǎn)換為振動的聲波信號；信號發(fā)生器，與壓電陶瓷片連接，提供電信號；平板玻璃，設(shè)置在激光光源與單泡瓶之間；將入射光分為透射光和反射光；透射光射向單泡瓶中的氣泡并形成散射光；第一光電倍增管，接收反射光；衰減濾光片，設(shè)置在平板玻璃與第一光電倍增管之間的光路上；第二光電倍增管，接收散射光；聚焦透鏡，設(shè)置在單泡瓶與第二光電倍增管之間的光路上；示波器，分別與第一光電倍增管和第二光電倍增管連接。本申請不需要兩個激光光源，Mie散射實驗得到的結(jié)果更精確。

技術(shù)領(lǐng)域

本申請屬于光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，具體地說，涉及一種測量氣泡大小的裝置和方法。

背景技術(shù)

水中的單個氣泡在聲波形成的駐波作用下，被穩(wěn)定在波腹處，并不斷地在此處進(jìn)行膨脹塌縮，最后產(chǎn)生的發(fā)光現(xiàn)象被稱為單泡聲致發(fā)光現(xiàn)象。單泡聲致發(fā)光自1990年被Gaitan及其導(dǎo)師Crum等人發(fā)現(xiàn)后，由于單個氣泡發(fā)光的穩(wěn)定性和與聲驅(qū)動周期高度吻合的周期性，就引起了人們極大的研究興趣。從一個微米級的氣泡的發(fā)光現(xiàn)象中，人們認(rèn)識到從氣泡周期性的膨脹塌縮中氣泡內(nèi)部會產(chǎn)生不可思議的能量密度。隨著人們對單泡聲致發(fā)光的不斷研究，人們發(fā)現(xiàn)在每一個聲周期內(nèi)，氣泡內(nèi)部會發(fā)生一系列的復(fù)雜反應(yīng)，比如化學(xué)反應(yīng)，能量交換等。人們通過對單泡聲致發(fā)光的強度以及對發(fā)光光譜的測量，結(jié)合Raleigh-Plesset理論方程構(gòu)建的模型，對氣泡內(nèi)部的能量有個大致的估計，其中經(jīng)理論計算氣泡內(nèi)部的能量能夠達(dá)到10000K以上的高溫，能夠達(dá)到氫核聚變的條件。目前人們正在試圖用實驗數(shù)據(jù)去計算氣泡內(nèi)部的能量與壓強，看其內(nèi)部的能量與壓強到底能達(dá)到什么樣程度，從而推測出單泡聲致發(fā)光的機理以及確定單泡內(nèi)部的能量是否能達(dá)到聲致聚變的條件。

要想知道單泡的發(fā)光機理，我們就必須清楚單泡內(nèi)部的能量達(dá)到了什么樣的程度；而單泡內(nèi)部的能量大小取決于氣泡的半徑變化速度，即氣泡的膨脹、塌縮速度；而要想知道氣泡的膨脹、塌縮的速度，就必須得知道氣泡的半徑隨時間變化的曲線—R(t)曲線。而目前測量單泡聲致發(fā)光的R(t)曲線最有效的方法就是Mie散射。Mie散射是Gustav?Mie通過求解勻質(zhì)球形粒子在單色平行光的照射下的麥克斯韋方程組的解得到的一種散射理論，也稱作Mie理論。Mie散射理論適用于入射光波長與粒子大小的相近的光散射，而我們的單泡在零點幾微米至幾十微米之間，可見光作為入射光非常適用于Mie散射理論。Mie理論得到的是散射光強與氣泡半徑、散射角以及極化角之間的函數(shù)表達(dá)式，所以我們可以通過確定散射角和極化角從而得到散射光強與氣泡半徑的關(guān)系。目前采用Mie散射光強測量氣泡大小的方法是通過一束單色的平行可見光波長范圍內(nèi)的激光穿過氣泡，然后在固定的散射角使用光電探測器來接收散射光強，然后同時使用另一束單色激光穿過氣泡，并經(jīng)過凹凸透鏡組成的放大光路裝置，最后使用高速攝像來拍攝放大后的氣泡，用拍攝得到的氣泡最大半徑去校準(zhǔn)Mie散射理論，從而得到氣泡的R(t)曲線。此方法測量氣泡的大小首先需要昂貴的高速攝像，還需要搭建額外的放大光路去拍攝氣泡，并且另一束激光對Mie散射的結(jié)果也會有很大的影響，很難在測量氣泡的散射光強的同時去對氣泡的大小進(jìn)行拍攝操作，此方法真正應(yīng)用于實時測量氣泡大小比較困難。

發(fā)明內(nèi)容

本申請的一個目的是提供一種測量氣泡大小的裝置的新技術(shù)方案。

根據(jù)本申請的一方面，本申請?zhí)峁┮环N測量氣泡大小的裝置，包括

激光光源，被配置為提供入射光；

單泡瓶，兩側(cè)對稱設(shè)置有壓電陶瓷片，所述壓電陶瓷片分別連接正負(fù)極且被配置為將電信號轉(zhuǎn)換為振動的聲波信號；

信號發(fā)生器，與所述壓電陶瓷片連接，被配置為提供電信號；

平板玻璃，設(shè)置在所述激光光源與所述單泡瓶之間；被配置為將所述入射光分為透射光和反射光；所述透射光被配置為射向所述單泡瓶中的氣泡并通過所述單泡瓶中的氣泡形成散射光；

第一光電倍增管，被配置為接收所述反射光；