一种检测超声空化强度的装置及方法
【专利摘要】本发明涉及一种检测超声空化强度的装置及方法，该装置包括：光源发生器，用于产生光信号；分光器，用于将所述光信号分成相同的两路光信号，其中一路光信号传送给检测段光纤，另一路光信号传送给参考段光纤；所述参考段光纤，置于无空化区内；所述检测段光纤置于空化区内，由于空泡溃灭产生的冲击波和微射流对所述检测段光纤的冲击，使所述检测段光纤内的光信号发生变化；检测模块，用于通过检测和比较检测段光信号和参考段光信号获得空化区的超声空化强度信息。本发明实现了在对空化场影响很小的情况下获得空化强度的瞬态信息，并在定量评价超声清洗设备和声化学设备性能、测量空化场分布、监测空化场变化等方面具有应用价值。
【专利说明】一种检测超声空化强度的装置及方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及超声空化领域，尤其涉及一种检测超声空化强度的装置及方法。
【背景技术】
[0002] 超声清洗和声化学主要都是利用了超声波的空化效应，在机械、医药、电子、化工 等行业中应用十分广泛。空化是指当液体的压强下降到足够低时液体中空泡的生成及其后 续的动力学行为，其主要表现形式是液体中出现大量的不断涨缩的微小气泡，这些气泡按 照超声波的周期瞬间产生又瞬间溃灭，形成气泡的云雾。这些气泡溃灭的时候会产生冲击 波，在贴近壁面的时候会朝壁面运动并形成打向壁面的微射流。由于空化的这些特性使空 化场的测量非常困难。常用的方法有铝箔空蚀法、水听器法、碘释放法等，而这些方法都存 在明显的缺点。铝箔空蚀法利用铝箔的空蚀效果来评价空化场的强弱，但这种方法很不精 确，无法定量测量，可重复性很差，而且铝箔的存在会影响空化场，使测量偏离真实情况；水 听器法是利用测量声压间接反映空化强度，这种方法不是直接反映空化场的信息，在很多 情况下压力场与空化场并不等价，而且水听器探头直径较大，会对空化场产生影响，空化会 使水听器表面发生空蚀，使水听器损坏失效；碘释放法是利用空化的化学效应来间接反映 空化强度，这种化学法与所用的指示剂关系很大，且与空化强度并非线性相关，此外这种方 法无法反映空化场的分布特性。目前尚没有一种很好的评价空化效果的方法或指标，各个 超声清洗设备厂家往往自说自话，空化强度孰优孰劣无法比较，造成市场非常混论。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的是针对现有超声空化强度检测技术存在的不足，提供了一种检测超 声空化强度的装置及方法。
[0004] 为实现上述目的，一方面，本发明提供了一种检测超声空化强度的装置，该装置包 括：
[0005] 光源发生器，用于产生光信号；
[0006] 分光器，与光源发生器连接，用于将光源发生器产生的光信号分成相同的两路光 信号，其中一路光信号传送给检测段光纤，另一路光信号传送给参考段光纤；
[0007] 参考段光纤，置于无空化区内；
[0008] 检测段光纤，置于空化区内，由于空泡溃灭产生的冲击波和微射流对检测段光纤 的冲击，使检测段光纤内的光信号发生变化；
[0009] 检测模块，分别与参考段光纤和检测段光纤连接，用于通过检测和比较检测段光 信号和参考段光信号获得空化区的超声空化强度信息。
[0010] 另一方面，本发明提供了另一种检测超声空化强度的装置，该装置包括：
[0011] 光源发生器，用于产生光信号；
[0012] 第一光隔离器，用于将光信号单向传输至空化区检测段光纤；
[0013] 检测模块，根据光信号获取光栅中心透射波长信息或光栅中心反射波长信息，通 过光栅中心透射波长信息或光栅中心反射波长信息获得空化区超声空化强度信息。
[0014] 又一方面，本发明提供了一种检测超声空化强度的方法，该方法包括以下步骤：
[0015] 产生光信号；
[0016] 将光信号分成相同的两路光信号，其中一路光信号传送给检测段光纤，另一路光 信号传送给参考段光纤；所述参考段光纤置于无空化区内，所述检测段光纤置于空化区 内；
[0017] 通过检测和比较检测段光信号和参考段光信号获得空化区的超声空化强度信息。
[0018] 本发明提供的检测超声空化强度的装置及方法实现了在对空化场影响很小的情 况下获得空化强度的瞬态信息，并在定量评价超声清洗设备和声化学设备性能、测量空化 场分布、监测空化场变化等方面具有应用价值。
【专利附图】
【附图说明】
[0019] 图1 (a)为本发明实施例提供的检测超声空化强度的装置空化场的应用场景示意 图；
[0020] 图1 (b)为本发明实施例提供的检测超声空化强度的装置在水利行业的应用场景 示意图；
[0021] 图2为本发明实施例提供的一种检测超声空化强度的装置结构示意图；
[0022] 图3为本发明实施例提供的另一种检测超声空化强度的装置结构示意图；
[0023] 图4为本发明实施例提供的又一种检测超声空化强度的装置结构示意图；
[0024] 图5为本发明实施例提供的一种检测超声空化强度的装置结构示意图；
[0025] 图5(a)为本发明实施例提供的另一种检测超声空化强度的装置结构示意图；
[0026] 图5(b)为本发明实施例提供的又一种检测超声空化强度的装置结构示意图；
[0027] 图6为本发明实施例提供的一种检测超声空化强度的方法流程示意图；
[0028] 图7为本发明实施例中实现空化强度点测量的示意图；
[0029] 图8为本发明实施例中实现空化强度线测量的示意图；
[0030] 图9为本发明实施例中实现空化强度面测量的示意图；
[0031] 图10为本发明实施例中实现空化强度体测量的示意图。
【具体实施方式】
[0032] 通过以下结合附图以举例方式对本发明的实施方式进行详细描述后，本发明的其 他特征、特点和优点将会更加明显。
[0033] 图1 (a)为本发明实施例提供的检测超声空化强度的装置在空化场的应用场景示 意图。如图1(a)所示，光源发生器产生的光信号被分成相同的两路光信号，其中一路光信 号传送给检测段光纤，另一路光信号传送给参考段光纤。参考段光纤被置于无空化区内，检 测段光纤被置于空化区内，空化区内的空泡由超声换能器产生的超声波振动而形成。由于 空化区内的空泡溃灭产生的冲击波和微射流对检测段光纤的冲击，使检测段光纤内的光信 号发生变化。最后再通过检测和比较检测段光信号和参考段光信号获得空化区的超声空化 强度信息。
[0034] 图1 (b)为本发明实施例提供的检测超声空化强度的装置在水利行业的应用场景 示意图。大坝和泄洪洞由于流体流动的速度很高，在某些区域形成低压区，易于发生空化， 从而造成大坝和泄洪洞的空蚀破坏。空蚀的发生，直接影响水工建筑物的寿命，甚至造成整 个建筑物的失事。本发明实施例可用于监测水工建筑物的空蚀破坏，在不影响运行的前提 下及时准确的确定空蚀的位置和程度。如图1(b)所示，图中是泄洪洞的示意图，在泄洪洞 的反弧段末端和下游易于发生空蚀破坏（小黑点表示空化区），在此区域的表层及水工建 筑物内部（修建泄洪洞时预先布设在建筑物内部）按不同深度分层布设光纤网，可以实时 或定期的检测每一根光纤的信号。如果某一区域发生空蚀破坏，水工建筑物产生空蚀坑，使 光纤裸露在空蚀区，光纤信号异常，则通过检测光纤信号就能判断是哪个经纬区域发生了 空蚀，空蚀坑已经发展多深等等信息。从而及时发现隐患，减少停机人为检查。图1(b)是 侧面剖视图，反弧段下面的点划线表示光纤层，而每一层光纤层是网状分布（参见图1 (b) 左下角）。
[0035] 图2为本发明实施例提供的一种检测超声空化强度的装置结构示意图。如图2所 示，该装置包括光源发生器100、分光器200、检测模块300、检测段光纤和参考段光纤，其中 光源发生器100用于产生光信号；分光器200用于将光源发生器100产生的光信号分成相 同的两路光信号，其中一路光信号传送给检测段光纤，另一路光信号传送给参考段光纤，上 述参考段光纤置于无空化区内，检测段光纤置于空化区内；空化区内空泡溃灭产生的冲击 波和微射流对检测段光纤的冲击，使检测段光纤内的光信号发生变化。检测模块300分别 与参考段光纤和检测段光纤连接，通过检测和比较检测段光信号和参考段光信号获得空化 区的超声空化强度信息。
[0036] 需要说明的是，为了强化检测效应和测试效果，可以在参考段光纤和检测段光纤 上打上微孔或刻以凹槽，使空泡易于驻留在微孔或凹槽内；同时在参考段光纤和检测段光 纤上设置护套，以避免光纤免受空化影响，控制测试段范围。
[0037] 本发明实施例不仅仅适用于超声空化的检测，也适用于水力空化或其他空化的检 测。本发明实施例提供的检测超声空化强度的装置及方法实现了在对空化场影响很小的情 况下在线获得空化强度的瞬态信息，并在定量评价超声清洗设备和声化学设备性能、测量 空化场分布、监测空化场变化等方面具有应用价值。
[0038] 图3为本发明实施例提供的另一种检测超声空化强度的装置结构示意图。如图3 所示，其与图2所示的检测超声空化强度的装置的区别在于：检测模块300包括第一光电转 换器310、第二光电转换器311和分析单兀312,第一光电转换器310与检测段光纤连接，第 二光电转换器311与参考段光纤连接，分析单兀312分别与第一光电转换器310和第二光 电转换器311连接。
[0039] 图3所示的检测超声空化强度的装置的工作过程如下：
[0040] 光源发生器100产生光信号，分光器200将光源发生器100产生的光信号分成相 同的两路光信号，其中一路光信号传送给检测段光纤，另一路光信号传送给参考段光纤，参 考段光纤置于无空化区内，检测段光纤置于空化区内。第一光电转换器310和第二光电转 换器311分别将接收的光信号转化为电信号。由于大量空泡在检测段光纤附件溃灭时所产 生的冲击波和微射流会打在光纤表面，使光纤产生瞬时微小的弯曲，光纤微弯损耗会导致 光功率变化，因此通过分析单元312分析检测段光信号转换后的电信号振幅和参考段光信 号转换后的电信号振幅来确定空化区的超声空化强度信息。
[0041] 需要说明的是，分析单元312同样可以通过比较空化发生前检测段光信号转换后 的电信号振幅与空化发生后检测段光信号转换后的电信号振幅来确定空化区的超声空化 强度信息。
[0042] 图4为本发明实施例提供的又一种检测超声空化强度的装置结构示意图。如图 4所示，其与图2所示的检测超声空化强度的装置的区别在于：检测模块300包括耦合器 320、光电转换器321和分析单元322,其中耦合器320输入端分别与参考段光纤和检测段光 纤连接，其输出端与光电转换器321的输出入端连接，光电转换器321的输出端与分析单元 322连接。
[0043] 图4所示的检测超声空化强度的装置的工作过程如下：
[0044] 光源发生器100产生光信号，分光器200将光源发生器100产生的光信号分成相 同的两路光信号，其中一路光信号传送给检测段光纤，另一路光信号传送给参考段光纤。耦 合器320将检测段光信号和参考段光信号合成一路光信号，光电转换器321将合成一路后 的光信号转化为电信号，由于大量空泡在检测段光纤附件溃灭时所产生的冲击波和微射流 会打在光纤表面，会在光纤内部产生光弹效应，使光信号的相位发生变化，因此通过分析单 元322分析转化后的电信号的相位来确定空化区的超声空化强度信息。
[0045] 图5为本发明实施例提供的一种检测超声空化强度的装置结构示意图。如图5所 示，该装置包括光源发生器100、光隔离器400、检测模块500,其中，光源发生器100用于产 生光信号，光隔离器400将光信号单向传输至空化区所在的检测段光纤，检测模块500采集 并分析空化前和空化后光信号获得空化区超声空化强度信息。
[0046] 图5(a)为本发明实施例提供的另一种检测超声空化强度的装置结构示意图。如 图5(a)所示，其与图5所示的检测超声空化强度的装置的区别在于：检测模块500包括耦 合器510、光栅520、第二光隔离器530、光电转换器540和分析单兀550,其中，稱合器510 的输入端与空化区的检测段光纤连接，其输出端与光栅520的输入端连接；第二光隔离器 530的输入端与光栅520的输出端连接，其输出端与光电转换器540的输入端连接；分析单 元550的输入端与光电转换器540的输出端连接。
[0047] 图5 (a)所示的检测超声空化强度的装置的工作过程如下：
[0048] 光源发生器100产生光信号，光隔离器400将光源发生器100产生的光信号单向 传输至空化区所在的检测段光纤，光信号经过稱合器510传输至光栅520,通过光栅520获 取光信号的光栅中心透射波长信息，第二光隔离器530将光信号的光栅中心透射波长信息 单向传输至光电转换器540,由于大量空泡在检测段光纤附件溃灭时所产生的冲击波和微 射流会打在光纤表面，使光纤纤芯有效折射发生变化，进而使光栅中心透射波长发生变化， 因此通过分析单元550分析空化前和空化后光信号的光栅中心透射波长信息获得空化区 超声空化强度信息。
[0049] 图5(b)为本发明实施例提供的又一种检测超声空化强度的装置结构示意图。如 图5(b)所示，其与图5所示的检测超声空化强度的装置的区别在于：检测模块500包括耦 合器510、光栅520、第二光隔离器530、光电转换器540和分析单兀550,其中稱合器510的 输入端分别与检测段光纤、光栅520输出端连接，其输出端分别与光栅520的输入端、第二 光隔离器530的输入端连接；第二光隔离器530的输出端与光电转换器540的输入端连接； 分析单元550的输入端与光电转换器540的输出端连接。
[0050] 图5 (b)所示的检测超声空化强度的装置的工作过程如下：
[0051] 光源发生器100产生光信号，光隔离器400将光源发生器100产生的光信号单向 传输至空化区所在的检测段光纤，光信号经过稱合器510传输至光栅520,光栅520反射光 后再经过耦合器510传输到第二光隔离器530,第二光隔离器530将光栅中心反射波长信息 单向传输至光电转换器540,经光电转换器540转换成电信号后，由分析单兀550通过分析 空化前和空化后的光栅中心反射波长信息获得空化强度信息。
[0052] 本发明实施例提供的检测超声空化强度的装置实现了在对空化场影响很小的情 况下获得空化强度的瞬态信息，并在定量评价超声清洗设备和声化学设备性能、测量空化 场分布、监测空化场变化等方面具有应用价值。
[0053] 图6为本发明实施例提供的一种检测超声空化强度的方法流程示意图。如图6所 示，该方法包括步骤601-603 :
[0054] 步骤601，产生光信号。
[0055] 具体地，由检测超声空化强度的装置的光源产生光信号，光源可以是激光、偏振 光、气体放电光源或发光二极管等。
[0056] 步骤602,将光信号分成相同的两路光信号，其中一路光信号传送给检测段光纤， 另一路光信号传送给参考段光纤；参考段光纤置于无空化区内，检测段光纤置于空化区内。
[0057] 具体地的，检测超声空化强度的装置将光源产生的光信号分成相同的两光信号， 其中一路光信号传送给检测段光纤，另一路光信号传送给参考段光纤，检测段光纤和参考 段光纤分别设置护套、微孔和凹槽中的一种或多种。参考段光纤置于无空化区内；检测段光 纤置于空化区内，其排布可以根据具体情况进行设置，检测段光纤直径根据情况从几微米 到几百微米，很细，对声场影响很小。
[0058] 步骤603,通过检测和比较检测段光信号和参考段光信号获得空化区的空化强度 信息。
[0059] 具体地，检测超声空化强度的装置通过检测和比较检测段光信号和参考段光信号 获得空化区的空化强度信息。
[0060] 在一个实施例中，检测超声空化强度的装置将检测段光信号和所述参考段光信号 分别转化为电信号；通过分析检测段光信号转换后的电信号振幅和参考段光信号转换后的 电信号振幅来确定空化区的空化强度信息。本实施例的原理在于空化区内的大量空泡在在 光纤测试段附近溃灭时所产生的冲击波和微射流会打在光纤表面，使光纤产生瞬时微小的 弯曲，光纤微弯损耗会导致光功率变化，通过分析采集的光信号的振幅来获得空化强度的 信息。
[0061] 在另一个实施例中，检测超声空化强度的装置将检测段光信号和所述参考段光信 号合成一路光信号；将合成一路后的光信号转化为电信号；通过分析转化后的电信号的相 位来确定空化区的空化强度信息。本实施例的原理在于空化区内的大量空泡在光纤测试段 附近溃灭时所产生的冲击波和微射流会打在光纤表面，会在光纤内部产生光弹效应，使光 信号的相位发生变化，通过分析采集的光信号的相位来获得空化强度的信息。
[0062] 在又一个实施例中，检测超声空化强度的装置将检测段光信号和参考段光信号合 成一路光信号；根据合成一路后的光信号获取光栅中心透射波长信息；通过分析光栅中心 透射波长信息来确定空化区的空化强度信息。本实施例的原理在于空化区内的大量空泡在 检测段光纤附近溃灭时所产生的冲击波和微射流会打在检测段光纤表面，使检测段光纤纤 芯有效折射率发生变化，进而使光栅中心透射波长发生变化，通过分析采集的光信号的光 栅中心透射波长来获得空化强度的信息。
[0063] 本发明实施例提供的检测超声空化强度的方法可以通过光纤实现空化强度的点 测量（示意图如图7所示）、空化强度的线测量（示意图所图8所示）、空化强度的面测量 (示意图如图9所示）和空化强度的体测量（示意图如图10所示）。当通光纤进行线测量、 面测量和体测量时，获得的结果将是线上、面上、体上的空化强度空间均值的评价。
[0064] 本发明实施例提供的检测超声空化强度的方法实现了在对空化场影响很小的情 况下在线获得空化强度的瞬态信息，并在定量评价超声清洗设备和声化学设备性能、测量 空化场分布、监测空化场变化等方面具有应用价值。
[0065] 显而易见，在不偏离本发明的真实精神和范围的前提下，在此描述的本发明可以 有许多变化。因此，所有对于本领域技术人员来说显而易见的改变，都应包括在本权利要求 书所涵盖的范围之内。本发明所要求保护的范围仅由所述的权利要求书进行限定。
【权利要求】
1. 一种检测超声空化强度的装置，其特征在于，包括： 光源发生器，用于产生光信号； 分光器，用于将所述光信号分成相同的两路光信号，其中一路光信号传送给检测段光 纤，另一路光信号传送给参考段光纤； 参考段光纤，置于无空化区内； 检测段光纤，置于空化区内，由于空泡溃灭产生的冲击波和微射流对所述检测段光纤 的冲击，使所述检测段光纤内的光信号发生变化； 检测模块，分别与所述参考段光纤和所述检测段光纤连接，用于通过检测和比较检测 段光信号和参考段光信号获得空化区的超声空化强度信息。
2. 根据权利要求1所述的检测超声空化强度的装置，其特征在于，所述检测模块包括 第一光电转换器、第二光电转换器和分析单元，所述第一光电转换器与所述检测段光纤连 接，用于将所述检测段光信号转换成电信号；所述第二光电转换器与所述参考段光纤连接， 用于将所述参考段光信号转换成电信号；所述分析单元与所述第一光电转换器和所述第二 光电转换器连接，用于通过分析所述检测段光信号转换后的电信号振幅和所述参考段光信 号转换后的电信号振幅来确定空化区的超声空化强度信息。
3. 根据权利要求1所述的检测超声空化强度的装置，其特征在于，所述检测模块包括 耦合器、光电转换器和分析单元，所述耦合器一端分别与所述参考段光纤和所述检测段光 纤连接，用于将所述检测段光信号和所述参考段光信号合成一路光信号；所述光电转换器 一端与所述耦合器另一端连接，用以将所述耦合器输出的光信号转换成电信号；所述光电 转换器另一端与所述分析单元连接，所述分析单元用于通过分析转化后的电信号的相位来 确定空化区的超声空化强度信息。
4. 根据权利要求1至3中任一权利要求所述的检测超声空化强度的装置，其特征在于， 所述检测段光纤和所述参考段光纤分别设置有护套、微孔和凹槽中的一种或多种。
5. -种检测超声空化强度的装置，其特征在于，包括： 光源发生器，用于产生光信号； 第一光隔离器，用于将所述光信号单向传输至空化区的检测段光纤； 检测模块，根据所述光信号获取光栅中心透射波长信息或光栅中心反射波长信息，通 过所述光栅中心透射波长信息或光栅中心反射波长信息获得空化区超声空化强度信息。
6. 根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述检测模块包括耦合器、光栅、第二光 隔离器、光电转换器和分析单元；所述耦合器的输入端与所述检测段光纤连接，其输出端与 所述光栅的输入端连接；所述第二光隔离器的输入端与所述光栅的输出端连接，其输出端 与所述光电转换器的输入端连接；所述分析单元的输入端与所述光电转换器的输出端连 接，所述分析单元通过分析所述光信号的光栅中心透射波长信息获得空化区超声空化强度 信息。
7. 根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述检测模块包括耦合器、光栅、第二光 隔离器、光电转换器和分析单元；所述耦合器的输入端分别与所述检测段光纤和所述光栅 输出端连接，其输出端分别与所述光栅的输入端和所述第二光隔离器的输入端连接；所述 第二光隔离器的输出端与所述光电转换器的输入端连接；所述分析单元的输入端与所述光 电转换器的输出端连接，所述分析单元通过分析所述光信号的光栅中心反射波长信息获得 空化区超声空化强度信息。
8. 根据权利要求5至7中的任一权利要求所述的检测超声空化强度的装置，其特征在 于，所述检测段光纤设置有护套、微孔和凹槽中的一种或多种。
9. 一种检测超声空化强度的方法，其特征在于，该方法包括： 产生光信号； 将所述光信号分成相同的两路光信号，其中一路光信号传送给检测段光纤，另一路光 信号传送给参考段光纤；所述参考段光纤置于无空化区内，所述检测段光纤置于空化区 内； 通过检测和比较检测段光信号和参考段光信号获得空化区的超声空化强度信息。
10. 根据权利要求9所述的检测超声空化强度的方法，其特征在于，所述通过检测和比 较检测段光信号和参考段光信号获得空化区的空化强度信息步骤包括： 将所述检测段光信号和所述参考段光信号分别转化为电信号； 通过分析所述检测段光信号转换后的电信号振幅和所述参考段光信号转换后的电信 号振幅来确定空化区的超声空化强度信息。
11. 根据权利要求9所述的检测超声空化强度的方法，其特征在于，所述通过检测和比 较检测段光信号和参考段光信号获得空化区的空化强度信息步骤包括： 将所述检测段光信号和所述参考段光信号合成一路光信号； 将所述合成一路后的光信号转化为电信号； 通过分析所述转化后的电信号的相位来确定超声空化区的超声空化强度信息。
12. 根据权利要求9所述的检测超声空化强度的方法，其特征在于，所述通过检测和比 较检测段光信号和参考段光信号获得空化区的空化强度信息步骤包括： 将所述检测段光信号和所述参考段光信号合成一路光信号； 根据所述检测段光信号和所述参考段光信号合成一路后的光信号获取光栅中心透射 波长信息； 通过分析所述光栅中心透射波长信息来确定空化区的超声空化强度信息。
【文档编号】G01N21/17GK104215581SQ201410370217
【公开日】2014年12月17日 申请日期:2014年7月30日 优先权日:2014年7月30日
【发明者】白立新, 邓京军, 李超, 徐德龙, 林伟军, 白立春, 高艳东, 陶志勇, 白丽荣 申请人:中国科学院声学研究所, 辽宁工程技术大学