电磁悬浮条件下金属熔体表面张力测定系统与方法技术方案

本发明专利技术公开了电磁悬浮条件下金属熔体表面张力测定系统与方法，涉及材料热物理性质研究技术领域，包括依次电连接的光电探测器、滤波器构、数据采集卡及计算机信号处理系统，光电探测器用于采集悬浮感应加热装置内的金属样品的光强信号，光电探测器将光强信号转变为电压信号并经过滤波器结构处理后得到模拟信号，模拟信号经数据采集卡输送至计算机信号处理系统进行处理和计算，最终输出金属熔体表面的振荡频率。本发明专利技术解决了现有技术存在的信号微弱、使用不便以及处理过程复杂等问题，通过测定金属熔体表面振荡时发光强度的变化，精确获取其表面张力值。获取其表面张力值。获取其表面张力值。

【技术实现步骤摘要】
电磁悬浮条件下金属熔体表面张力测定系统与方法


[0001]本专利技术涉及材料热物理性质研究
，特别是涉及一种电磁悬浮条件下金属熔体表面张力测定系统与方法。

技术介绍

[0002]表面张力是金属熔体的重要参数，是研究液态金属微观结构和凝固过程中必不可少的热物理性质。目前测量金属熔体表面张力的方法有最大压力气泡法、毛细管上升法和悬滴法等。对于过冷态的金属熔体，由于其处于热力学亚稳态，任何接触式测定方法会使其发生凝固，因此上述方法无法适用。
[0003]在电磁悬浮条件下，金属熔体的形状在高频电磁场的作用下会发生周期变化。金属熔体的表面张力是其振荡频率的函数：
[0004][0005]其中，l为振荡阶数，ρ为熔体密度，a为熔体半径。将基本振荡模式l＝2和样品质量m代入后：
[0006][0007]其中ω为样品表面振荡频率。
[0008]通过准确测定其振荡频率ω，可计算出金属熔体的表面张力。且由于测量过程中金属熔体处于无容器状态，有利于长时间维持过冷，因此这种无接触式测量方法可适用于深过冷态金属熔体表面张力的测量。
[0009]目前有两种方法可以获得金属熔体振荡频率：一是使用高速摄像机对其跟踪成像，获取形状变化的影像信息，然后在计算机上进行图形处理，最终得到振荡频率。这种方法的缺点是设备昂贵且处理过程复杂；二是利用光电探测器将金属熔体表面振荡的光强信号转变为电压信号，然后经滤波及放大后进行快速傅立叶变化，最终得到振荡频率。这种方法的难点在于：金属熔体振荡导致的发光强度振荡比较微弱；在电磁悬浮线圈产生的大量电磁噪声下，电压信号的测量会受到强烈干扰。公开号为CN1074544C的中国专利公开了红外悬浮液滴表面张力测定仪，其提供了一种采用这种办法测量金属熔体表面张力的装置，然而这种装置的不足之处在于：测得的信号幅度较小、装置的体积和重量较大且结构固定难以调整。

技术实现思路

[0010]本专利技术的目的是提供一种电磁悬浮条件下金属熔体表面张力测定系统与方法，旨在解决现有技术存在的信号微弱、使用不便以及处理过程复杂等问题，通过测定金属熔体表面振荡时发光强度的变化，精确获取其表面张力值。
[0011]为实现上述目的，本专利技术提供了如下方案：
[0012]本专利技术提供了一种电磁悬浮条件下金属熔体表面张力测定系统，包括依次电连接的光电探测器、滤波器结构、数据采集卡及计算机信号处理系统，所述光电探测器包括光电传感器，所述光电探测器还包括激光瞄准器或镜头，所述光电传感器的光敏面与所述激光瞄准器或所述镜头相对，所述激光瞄准器用于瞄准金属样品，所述镜头能够使金属样品发出的光聚焦到所述光电传感器的光敏面上，所述光电传感器用于将采集到的金属样品的光强信号转变为电压信号，所述滤波器结构包括隔直器、低通滤波器和运算放大器，所述隔直器与所述光电传感器电连接，所述光电传感器得到的电压信号依次通过所述隔直器、所述低通滤波器和所述运算放大器处理后得到模拟信号，所述模拟信号输送至所述数据采集卡转变为数字信号，所述数字信号输送至所述计算机信号处理系统进行处理和计算最终输出金属熔体表面的振荡频率。
[0013]优选地，所述光电探测器还包括第一壳体，所述光电传感器的一端伸入所述第一壳体的一端，所述光电传感器与所述第一壳体滑动连接；
[0014]所述第一壳体的另一端设置有所述激光瞄准器或所述镜头，所述激光瞄准器或所述镜头与所述第一壳体能够拆卸地连接；
[0015]所述第一壳体的侧壁设置有光学支杆接口和观察窗；
[0016]所述第一壳体包括第一电磁屏蔽罩和第一外壳，所述第一电磁屏蔽罩设置在所述第一外壳的内侧。
[0017]优选地，所述光电传感器包括光电二极管和驱动电路，所述光电二极管的光敏面与所述激光瞄准器或所述镜头相对，所述驱动电路分别与所述光电二极管和所述滤波器结构电连接。
[0018]优选地，所述光电传感器还包括第二壳体，所述光电二极管和所述驱动电路均设置在所述第二壳体的内部，所述第二壳体与所述第一壳体滑动连接；
[0019]所述第二壳体包括第二电磁屏蔽罩和第二外壳，所述第二电磁屏蔽罩设置在所述第二外壳的内侧。
[0020]优选地，所述滤波器结构还包括直流稳压电源，所述直流稳压电源为所述低通滤波器和所述运算放大器供电。
[0021]优选地，所述滤波器结构还包括屏蔽盒，所述隔直器、所述低通滤波器、所述运算放大器和所述直流稳压电源均设置在所述屏蔽盒内，所述直流稳压电源与所述隔直器、所述低通滤波器、所述运算放大器通过隔板隔开。
[0022]本专利技术还提供了一种采用所述电磁悬浮条件下金属熔体表面张力测定系统的金属熔体表面张力测定方法，包括以下步骤：
[0023]步骤一：准备金属样品，将金属样品放入悬浮感应加热装置中，对悬浮感应加热装置提供实验所需气氛；
[0024]步骤二：架设并调整光电探测器；
[0025]步骤三：打开滤波器结构、数据采集卡及计算机信号处理系统，设置实验参数；
[0026]步骤四：控制金属样品温度；
[0027]步骤五：采集金属样品表面的电压信号；
[0028]步骤六：对采集的电压信号进行处理，获取金属样品表面的振荡频率，计算待测温度下的金属样品表面张力值。
[0029]优选地，所述步骤二中，将光电探测器对准悬浮感应加热装置的窗口，打开激光瞄准器，调整光电探测器位置使激光瞄准器发射的激光照射在金属样品正中心，随后取下激光瞄准器，根据测量需求换上合适镜头。
[0030]优选地，所述步骤四中，打开悬浮感应加热装置中的悬浮感应线圈，将金属样品加热熔化后持续加热，使金属样品处于过热态，保持1～3min；随后向金属样品缓慢吹入冷却气体，使金属样品的温度下降至待测温度，并保持10～20s。
[0031]优选地，所述步骤五中，在金属样品保持待测温度的同时，启动计算机信号处理系统的采集程序；采集完毕后加大冷却气体气流量使金属样品凝固，金属样品凝固后关闭冷却气体。
[0032]本专利技术相对于现有技术取得了以下技术效果：
[0033]采用本专利技术获取的金属熔体表面振荡的电压信号，振荡幅度大，灵敏度高。本专利技术获得的原始电压信号平均值为0.2～0.5V，振荡幅度约为20～80mVpp。相比现有的装置，测量灵敏度提高1～2个数量级。
[0034]本专利技术的光电探测器的结构和组件可灵活调整。镜头可使用各种标准光学镜片、镜头组和光纤探头，根据金属样品体积、性质、悬浮位置的不同灵活选择，可以提升测量效果；镜头到光电二极管的光敏面的距离可调，便于调整测量位置；配备激光瞄准器，可以方便快速地瞄准待测样品，避免在光电探测器内使用分光镜，对光强大小造成影响。
[0035]本专利技术通过使用各种屏蔽措施，可有效降低高频电磁场干扰。使用电磁屏蔽罩保护光电二极管、滤波器结构等电子器件，各屏蔽罩保证良好接地，各连接线均使用带铝箔网的屏蔽线。
[0036]本专利技术通过在滤波器结构中设计并使用隔直器，从本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.电磁悬浮条件下金属熔体表面张力测定系统，其特征在于：包括依次电连接的光电探测器、滤波器结构、数据采集卡及计算机信号处理系统，所述光电探测器包括光电传感器，所述光电探测器还包括激光瞄准器或镜头，所述光电传感器的光敏面与所述激光瞄准器或所述镜头相对，所述激光瞄准器用于瞄准金属样品，所述镜头能够使金属样品发出的光聚焦到所述光电传感器的光敏面上，所述光电传感器用于将采集到的金属样品的光强信号转变为电压信号，所述滤波器结构包括隔直器、低通滤波器和运算放大器，所述隔直器与所述光电传感器电连接，所述光电传感器得到的电压信号依次通过所述隔直器、所述低通滤波器和所述运算放大器处理后得到模拟信号，所述模拟信号输送至所述数据采集卡转变为数字信号，所述数字信号输送至所述计算机信号处理系统进行处理和计算最终输出金属熔体表面的振荡频率。2.根据权利要求1所述的电磁悬浮条件下金属熔体表面张力测定系统，其特征在于：所述光电探测器还包括第一壳体，所述光电传感器的一端伸入所述第一壳体的一端，所述光电传感器与所述第一壳体滑动连接；所述第一壳体的另一端设置有所述激光瞄准器或所述镜头，所述激光瞄准器或所述镜头与所述第一壳体能够拆卸地连接；所述第一壳体的侧壁设置有光学支杆接口和观察窗；所述第一壳体包括第一电磁屏蔽罩和第一外壳，所述第一电磁屏蔽罩设置在所述第一外壳的内侧。3.根据权利要求2所述的电磁悬浮条件下金属熔体表面张力测定系统，其特征在于：所述光电传感器包括光电二极管和驱动电路，所述光电二极管的光敏面与所述激光瞄准器或所述镜头相对，所述驱动电路分别与所述光电二极管和所述滤波器结构电连接。4.根据权利要求3所述的电磁悬浮条件下金属熔体表面张力测定系统，其特征在于：所述光电传感器还包括第二壳体，所述光电二极管和所述驱动电路均设置在所述第二壳体的内部，所述第二壳体与所述第一壳体滑动连接；所述第二壳体包括第二电磁屏蔽罩和第二外壳，所述第二电磁屏蔽罩设置在所述第二外壳的内侧。5.根据权利要...

【专利技术属性】
技术研发人员：阮莹，刘克伦，常健，胡亮，魏炳波，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：