一种超声波辅助冷冻过程原位观测装置及方法，该装置包括超声波发生器、超声波换能器、变幅杆、样品台、冷台、循环水系统、液氮储罐和控制器；超声波发生器通过电路连接超声波换能器，变幅杆设置于超声波换能器和样品台之间，样品台上设有样品盛放腔；样品台安装于冷台上，冷台包括循环水进口、循环水出口、液氮进口、液氮出口和温度传感器，温度传感器用于检测样品台的温度。超声波辅助冷冻过程原位观测方法采用上述装置，可以实现超声波辅助冷冻过程的原位观测，方便对冷冻过程中样品体系内冰晶的尺寸分布和形态变化进行图像采集，为超声波辅助冷冻技术的理论研究提供技术支持，属于超声波辅助冷冻技术领域。超声波辅助冷冻技术领域。超声波辅助冷冻技术领域。
【技术实现步骤摘要】
一种超声波辅助冷冻过程原位观测装置及方法
[0001]本专利技术涉及超声波辅助冷冻
，具体涉及一种超声波辅助冷冻过程原位观测装置及方法。
技术介绍
[0002]冷冻是一种非常有效且应用广泛的食品保藏方法，为了实现冷冻食品的高品质以及冷冻过程的低能耗，一批新型食品冷冻技术正在不断涌现，其中超声波辅助冷冻技术已被证实具有相较传统食品冷冻技术更优异的冷冻效果。
[0003]随着超声波辅助冷冻技术在食品领域的研究日益增多，研究人员发现其作用机制主要与冷冻过程中食品体系内冰晶的形核和生长相关。超声波辅助冷冻技术利用空化效应、微射流效应和机械效应，促进晶核的形成，在提高传热效率的同时，在食品体系中生成大量细小且均匀分布的冰晶，从而实现了冷冻产品品质的进一步提升。因此，探究超声波对食品冷冻过程中冰晶的作用机理至关重要。然而，由于冷冻过程中冰晶的形核与生长属于微观尺度，现有设备难以实现对超声波辅助冷冻过程中冰晶变化的原位观测，从而限制了超声波辅助冷冻技术的理论研究和工业化发展。
[0004]目前超声波辅助冷冻设备主要可分为探头式超声和水浴式超声，前者需要将超声探头直接伸入样品内部，导致其无法外接其它装置进行测试；后者虽不需要超声探头与样品直接接触，但样品需要浸没在冷媒介质中，二者皆无法实现超声波辅助冷冻过程的原位观测，仅能通过解冻后样品的宏观特征验证超声波技术对冷冻食品的作用，无法实现微观尺度的机制验证。
[0005]公布号为CN113721357A的专利技术专利申请公开了一种用于超声波植冰显微观察的装置及系统，该装置在制冷工作台的凹槽内安装了超声波换能器和变幅杆，其中变幅杆布置在冷台的周向外壁，通过传导件与冷台的周向外部接触，从而对冷台上的样品进行植冰。然而，其超声波换能器安装在制冷工作台内部时，其压电陶瓷晶片难以在极寒条件下保持稳定，电路保护成本大，导致换能器容易发生故障，影响设备的正常操作；此外，该装置采用的安装方式还会使制冷工作台的纵向距离过大，难以匹配显微镜的工作距离，从而导致可使用的目镜倍数较低，无法实现冷冻过程中样品体系内冰晶的观测。
[0006]因此，现有超声波辅助冷冻设备均具有一定的局限性，开发一种能够用于超声波辅助冷冻过程原位观测的装置及方法对未来该技术的深入研究和扩大应用均具有重要意义。
技术实现思路
[0007]针对现有技术中存在的技术问题，本专利技术的目的是：提供一种可对超声波辅助冷冻过程中样品体系内冰晶的尺寸分布和形态变化进行图像采集的超声波辅助冷冻过程原位观测装置及方法。
[0008]为了达到上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种超声波辅助冷冻过程原位观
测装置，包括超声波发生器、超声波换能器、变幅杆、样品台、冷台、循环水系统、液氮储罐和控制器；超声波发生器通过电路连接超声波换能器，变幅杆设置于超声波换能器和样品台之间，样品台上设有样品盛放腔；样品台安装于冷台上，冷台包括循环水进口、循环水出口、液氮进口、液氮出口和温度传感器，液氮进口和液氮出口用于连接液氮储罐从而为样品台降温，循环水进口和循环水出口连接循环水系统，循环水系统用于控制降温速率，温度传感器用于检测样品台的温度，温度传感器通过电路连接控制器。
[0009]采用这种结构，可以实现超声波辅助冷冻过程的原位观测，方便对冷冻过程中样品体系内冰晶的尺寸分布和形态变化进行图像采集，为超声波辅助冷冻技术的理论研究提供技术支持。
[0010]作为一种优选，样品台开有凹槽，样品盛放腔由凹槽的内部形成，凹槽的底部开有透光孔，透光孔贯穿至冷台的底端。
[0011]作为一种优选，样品台包括正方体状的样品台主体和安装座，安装座与样品台主体的连接处设有倒圆角，安装座开有用于连接变幅杆的螺纹孔。
[0012]作为一种优选，样品台主体的尺寸为10mm
×
10mm
×
2mm。
[0013]作为一种优选，样品台的材质为钛合金。
[0014]作为一种优选，温度传感器为PT100。
[0015]一种超声波辅助冷冻过程原位观测方法，采用上述的一种超声波辅助冷冻过程原位观测装置，其特征在于：包括如下步骤，
[0016]S1，将样品平整放置在两片盖玻片之间，然后将盖玻片放置在样品盛放腔中；
[0017]S2，将冷台放置在光学显微镜的载物台上，选用目镜并调整视野和焦距，直至获得清晰的显微图像；
[0018]S3，依次打开循环水系统和控制器，开始对样品进行冷冻，冷冻过程中温度传感器实时监测样品台的温度变化；
[0019]S4，设置超声波发生器的功率、占空比和作用时间参数，在样品台的温度降至指定温度时开启超声波发生器，超声波发生器开启前和开启后，采集样品的光学显微图像；
[0020]S5，当超声波施加时间结束，继续冷冻样品至预设冷冻温度；
[0021]S6，对所采集到的光学显微图像进行边缘检测、灰度处理、背景校正和二值化处理，定义并计算冰晶的当量直径和面积，对所记录的温度数据进行处理并计算冷冻时间。
[0022]总的说来，本专利技术具有如下优点：
[0023](1)本专利技术利用钛合金样品台作为低温冷源和超声波能量的传递介质，配合冷台和超声波振动系统，构建了一个微型超声波辅助冷冻原位平台，同时借助光学显微镜采集冷冻过程中样品的图像，实现了超声波辅助冷冻过程的原位观测。
[0024](2)与现有的超声波辅助冷冻原位装置相比，本专利技术提供的钛合金样品台具有双重功能，其耐超低温的同时还可与超声波振动系统保持谐振频率，实现了超声波在低温条件下(
‑
196～30℃)的有效传递，克服了现有技术中声能损失大的难题。
[0025](3)与现有的超声波辅助冷冻原位装置相比，本专利技术提供的冷台和超声波振动系统之间的搭载方式，能将冷台的高度控制在20mm，可适配显微镜的高倍物镜，从而实现冷冻过程中样品体系内冰晶的观测。
附图说明
[0026]图1为一种超声波辅助冷冻过程原位观测装置的示意图。
[0027]图2为冷台、样品台和变幅杆连接的示意图。
[0028]其中，1为超声波发生器，2为超声波换能器，3为变幅杆，4为冷台，5为循环水系统，6为液氮储罐，7为控制器。
[0029]21为中心螺杆，22为后盖板，23为压电陶瓷晶片，24为前盖板，41为样品台，411为凹槽，412为透光孔，42为循环水进口，43为循环水出口，44为气体进口，45为气体出口，46为液氮进口，47为液氮出口，48为温控接口，49为温度传感器。
具体实施方式
[0030]下面将结合附图和具体实施方式来对本专利技术做进一步详细的说明。
[0031]实施例一
[0032]如图1～图2所示，一种超声波辅助冷冻过程原位观测装置，包括超声波发生器、超声波换能器、变幅杆、样品台、冷台、循环水系统、液氮储罐和控制器；超声波发生器通过电路连接超声波换能器，变幅杆设置于超声波换能器和样品台之间，样本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种超声波辅助冷冻过程原位观测装置，其特征在于：包括超声波发生器、超声波换能器、变幅杆、样品台、冷台、循环水系统、液氮储罐和控制器；超声波发生器通过电路连接超声波换能器，变幅杆设置于超声波换能器和样品台之间，样品台上设有样品盛放腔；样品台安装于冷台上，冷台包括循环水进口、循环水出口、液氮进口、液氮出口和温度传感器，液氮进口和液氮出口用于连接液氮储罐从而为样品台降温，循环水进口和循环水出口连接循环水系统，循环水系统用于控制降温速率，温度传感器用于检测样品台的温度，温度传感器通过电路连接控制器。2.按照权利要求1所述的一种超声波辅助冷冻过程原位观测装置，其特征在于：样品台开有凹槽，样品盛放腔由凹槽的内部形成，凹槽的底部开有透光孔，透光孔贯穿至冷台的底端。3.按照权利要求1所述的一种超声波辅助冷冻过程原位观测装置，其特征在于：样品台包括正方体状的样品台主体和安装座，安装座与样品台主体的连接处设有倒圆角，安装座开有用于连接变幅杆的螺纹孔。4.按照权利要求3所述的一种超声波辅助冷冻过程原位观测装置，其特征在于：样品台主体的尺寸为10mm
×
10mm
×<...
【专利技术属性】
技术研发人员：朱志伟，张书媞，孙大文，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：
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