利用高速摄影机辅助拍摄超声波空化气泡的研究方法与流程

1.本发明属于超声波空化气泡的研究装置技术领域，涉及一种利用高速摄影机辅助拍摄超声波空化气泡的研究方法。


背景技术：

2.超声波清洗是利用超声波在液体中的空化作用、加速度作用及直进流作用对液体和污物直接、间接的作用，使污物层被分散、乳化、剥离而达到清洗目的。但是由于空化气泡直径小，溃灭速度快，目前并没有合适的研究装置能够观察到超声波中空化气泡的产生和溃灭。


技术实现要素：

3.针对现有技术存在的缺陷和不足，本发明的目的在于提供一种利用高速摄影机辅助拍摄超声波空化气泡的研究方法，可用于观察超声波空化气泡的过程，从而拓展超声波空化的应用领域。并通过试验证明了其可以实现磷酸铁锂电池回收中的空化气泡可视化。
4.其具体采用以下技术方案：一种利用高速摄影机辅助拍摄超声波空化气泡的研究方法，其特征在于：采用高速摄影机作为辅助拍摄装置，结合可视化超声波装置，用于拍摄超声波空化气泡的溃灭过程。
5.进一步地，将试样通过夹具固定在超声波换能器表面，将所述超声波换能器置于盛水的玻璃缸当中，诱导水中空化气泡产生，水面高度没过试样至少5cm；在空化过程中，采用高速摄影仪进行观察，确定空化气泡产生的最佳位置。
6.进一步地，所述超声波换能器包括在长方体不锈钢容器内设置的两个40khz，100w的喇叭式振子，用于将电信号转化为超声波；所述超声波换能器连接可调超声波发生器，用于控制超声波的频率和大小。
7.进一步地，所述高速摄影机采用ix cameras公司型号为i-speed7的高速摄影仪，搭配康佳微距镜头，通过三脚架调整高速摄影机高度，使之能以最合适的角度拍摄到空化泡对试样的脱落作用；采用闪光灯用于补光。
8.进一步地，包括以下步骤：步骤s1：将试样采用四周固定方式固定在换能器表面；步骤s2：将微距镜头安装至高速摄影仪上，安装完毕后，将高速摄影仪升至与换能器水平；步骤s3： 针对超声波空化过程进行摄像机焦距、像素、水平分辨率和背光补偿的调试试验；设置高速摄影仪单位时间的拍摄帧数为10000帧/秒；步骤s4：通过调整闪光灯设备位置，将闪光灯的光线聚集至换能器表面；步骤s5：启动超声波发生器，初步观察气泡的产生位置，微调高速摄影仪拍摄位置，开启拍摄；
步骤s6：导出拍摄数据。
9.进一步地，所述玻璃缸的尺寸为30*18*20cm，厚度为5mm。
10.相比于现有技术，本发明及其优选方案提供了能够观察超声波空化气泡的技术手段，为利用超声波溃灭产生的空化气泡进行清洗或回收的进一步试验提供了有效支撑，能够帮助优化和验证这些试验。
附图说明
11.下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步详细的说明：图1本发明实施例试验装置俯视示意图。
12.图2本发明实施例超声换能器结构示意图。
13.图3本发明实施例试验装置整体布局示意图。
14.图4本发明实施例设计的可透视玻璃缸示意图。
15.图中：1-可透视玻璃缸；2-磷酸铁锂试样；3-试样夹具；4-超声波换能器；5-闪光灯；6-高速摄影仪；7-超声波发生器。
具体实施方式
16.为让本专利的特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，作详细说明如下：本实施例提供的验证试验为，利用超声波溃灭产生的空化气泡对锂电池正极材料表面的涂层进行回收。期间，采用设计的利用高速摄影机辅助拍摄超声波空化气泡的研究方案进行观察，确定空化气泡产生的最佳位置。
17.1. 试验装置的建立（1）本实施例试验装置由声学设备和光学设备构成。试验装置整体布局图见图3.声学设备包括超声波换能器4、可调超声波发生器7、可透视玻璃缸1：超声波换能器4结构如图2所示。长方体不锈钢容器内安置两个40khz，100w的喇叭式振子，采用特质胶水进行粘结。采用不锈钢结构进行包覆，其上设有不锈钢管，用于换能器电源线连接。换能器能够将电信号转化为声信号。
18.可调超声波发生器7用于控制超声波的频率和大小。
19.如图4所示，本实施例设计的可透视玻璃缸1设计尺寸为30*18*20cm，厚度为5mm。
20.采用的光学设备包括高速摄像仪6，三脚架，闪光灯5，pc机等。
21.具体采用，英国ix cameras公司型号为i-speed7的高速摄影仪，搭配康佳微距镜头。每秒可拍摄百万帧。
22.三脚架用于调整高速摄影机高度，使之能以最合适的角度拍摄到空化泡对试样上磷酸铁锂的脱落作用。
23.闪光灯用于补光，因为磷酸铁锂粉末为黑色，进入水中极难拍摄，需要强光辅助才能拍摄。
24.pc机，内有支持高速摄影仪的控制软件，用于完成图像采集控制和处理分析。
25.2. 试验步骤如图1所示，本实施例提供的完整设计方案包括：1.将磷酸铁锂试样2采用四周固定方式通过试样夹具3固定在超声波换能器4表
面。
26.2. 将康佳微距镜头安装至高速摄影仪6上，安装完毕后，将高速摄影仪6升至与换能器水平。
27.3. 针对超声波空化过程进行摄像机焦距、像素、水平分辨率和背光补偿等的调试试验。设置高速摄影仪单位时间的拍摄帧数为10000帧/秒。
28.4.通过调整闪光灯5的设备位置，将闪光灯的光线聚集至换能器表面。
29.5.启动超声波发生器7，初步观察气泡的产生位置，微调高速摄影仪拍摄位置，开启拍摄。
30.6.导出拍摄数据。
31.基于以上利用高速摄影机辅助拍摄超声波空化气泡的研究研究设计，可以完成利用超声波溃灭产生的空化气泡对锂电池正极材料表面的涂层进行回收的试验。
32.（1）预处理：试样预处理方式分为四种，分别是100℃水浴加热称量，700℃马弗炉分步高温处理，有机溶剂甲醇处理（2）将试样固定在换能器表面。
33.超声波换能器4置于可透视玻璃缸1中，在正前方布置闪光灯和高速摄影仪观察空化气泡的产生以及对涂层的脱除作用。
34.将磷酸铁锂试样2采用试样夹具3固定在换能器表面产生空化气泡较多的位置。
35.（3）在容器中加入清水，水面高度没过试样5cm。
36.（4）针对超声波空化过程进行摄像机焦距、像素、水平分辨率和背光补偿等的调试试验，将超声波功率设置为80w，开启超声波发生器。观察空化气泡产生的位置。
37.（5）采用pc机设置高速摄影仪单位时间的拍摄帧数为10000帧/秒。
38.（6）开启超声波发生器。每间隔五分钟后将试样进行正反翻面，使试样两面的涂层都能够得到均匀脱除，避免空化气泡对同一位置进行溃灭作用，从而破坏试样本身结构。
39.（7）15分钟后，观察到试样表面涂层脱落完全。
40.（8）取出试样，进行真空恒温干燥，干燥温度为60℃，干燥时间为0.5h。
41.（9）称量涂层脱除后试样的质量，计算脱除效率。
42.高速摄影在本实施例中作为一种辅助手段是用来关注空化气泡的产生，从而确定试样的最佳摆放位置，通过找寻到最佳位置，从而提高了涂层的脱除效率。这个方案的创新点体现在：（1）通过空化技术实现锂离子电池涂层回收。（2）采用高速摄影作为辅助手段提高了回收效率。
43.高速摄影设备调整参数如下：1.通过粗调旋钮，调整三角架上的水平旋钮和上下位移旋钮，使得高速摄影仪的镜头与可视玻璃容器内换能器的表面水平。
44.2.通过细调旋钮，调整摄像机焦距，使镜头聚焦至试样边缘侧面。
45.3.开启agc（自动增益控制）4.设置快门速度为10000帧/秒5.设置分辨率为1280 x 800。
46.6.增大感光度。
47.现有技术中之所以空化气泡难拍摄，是因为其溃灭速度快，且空化泡产生位置难以捕捉。且为了用于回收磷酸铁锂电池正极材料，它本身为黑色，黑色物质混于水中更难拍摄，现有文献与专利中找不到可以用来观察和研究的设备。本实施例通过超声波诱导空化气泡的产生，并设计了独立式换能器装置（传统超声波清洗仪装置换能器与清洗槽是一体的，且清洗槽是不锈钢材质，由于不透光，根本无法拍摄到气泡。）而本实施例将换能器与清洗槽设计分开，实现了可视化。该技术的难点还在于并不是任何功率与频率都能诱导超声波空化气泡的产生，本实施例研究出的参数100w，40khz是最合适的。
48.3. 试验结果采用该研究装置拍摄到试样气泡产生后迅速膨胀，当直径发展至
∅
1mm时，在换能器表面发生由外向内的溃灭，使得磷酸铁锂粉末从铝箔上脱落下来。实现了磷酸铁锂的回收。同时，根据高速摄影拍摄结果可知气泡从生成到溃灭的时间为9/10000秒。
49.最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。
50.本专利不局限于上述最佳实施方式，任何人在本专利的启示下都可以得出其它各种形式的利用高速摄影机辅助拍摄超声波空化气泡的研究方法，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本专利的涵盖范围。