專利名稱：高頻調(diào)幅磁場懸浮液滴物性參數(shù)測量裝置的制作方法
技術領域：
高頻調(diào)幅磁場懸浮液滴物性參數(shù)測量裝置技術領域[0001]本實用新型涉及一種高頻調(diào)幅磁場懸浮液滴物性參數(shù)測量裝置，屬材料及冶金領域，具體為利用高頻調(diào)幅磁場，測量液態(tài)金屬、合金或其他液態(tài)時的導體或半導體表面張力進而計算出其他物性參數(shù)的裝置。
背景技術：
[0002]表面張力等物性參數(shù)是液態(tài)物質(zhì)重要的物理性質(zhì)參數(shù)，在材料科學、冶金工程、表面與膠體化學、生物學等多個學科都有重要的影響是各種化學反應和生物反應的關鍵因素之一。然而表面張力無法直接通過熱力學微分關系式從狀態(tài)方程導出，只能通過精密測量得到精確可靠的表面張力實驗數(shù)據(jù)。[0003]目前，液體表面張力可以通過座滴法、懸滴法和最大氣泡壓力法等成熟的技術來測定。但這些方法均需要與液體接觸，對于處于熱力學亞穩(wěn)態(tài)的深過冷熔體及高溫熔體等不再適用。上世紀七十年代懸浮液滴振蕩法測金屬熔體的表面張力的出現(xiàn)，在一定程度上解決了這個問題。然而四十年來，雖然通過修正Rayleigh方程使測量精度有了很大的提高，在懸浮設備的應用上卻沒有突破性的改變。[0004]本實用新型采用一種新型的磁場施加方式即高頻磁場外加低頻周期調(diào)制信號的方法產(chǎn)生高頻調(diào)幅磁場，對液滴邊沿產(chǎn)生周期性磁場力的作用，使液滴發(fā)生多模態(tài)的振蕩， 再結合相應的數(shù)學計算，得到液態(tài)物質(zhì)的表面張力，再通過現(xiàn)有經(jīng)驗模型的計算即可得到黏度等其他物性參數(shù)。本實用新型是對現(xiàn)有技術——懸浮液滴振蕩法測金屬熔體表面張力的一個重大改進，使測量結果更加精準，具有非常重要的科學和應用價值。實用新型內(nèi)容[0005]針對現(xiàn)有技術中的不足，本實用新型的目的在于提供一種高頻調(diào)幅磁場懸浮液滴物性參數(shù)測量裝置，借助高頻調(diào)幅磁場發(fā)生器，激發(fā)出相應的調(diào)幅磁場，使液滴表現(xiàn)出相應的振蕩模態(tài)，進而研究出一種與液態(tài)物質(zhì)非接觸條件下，對液態(tài)金屬、合金或其他導體或半導體的物性參數(shù)測量裝置?！0006]為達到上述目的，本實用新型采用如下技術方案[0007]—種高頻調(diào)幅磁場懸浮液滴物性參數(shù)測量裝置，包括一個真空室、一個真空泵、 一個惰性氣體供氣裝置、一個高速攝像機和一臺計算機，其特征在于所述真空室內(nèi)設有一個懸浮線圈，在真空室外有一個低頻調(diào)制信號發(fā)生裝置和一個高頻交流電源電連接所述懸浮線圈，所述真空泵和惰性氣體供氣裝置分別通過各路接通真空室，所述高速攝像機鏡頭通過真空室上的透明窗口對準懸浮線圈，高速攝像機輸出連接到計算機，還有一個紅外溫度計也通過透明窗口對準懸浮線圈。[0008]上述高頻交變電源的頻率范圍為I(T1^)5KHz ;低頻調(diào)制信號發(fā)生裝置的低頻調(diào)制信號實時調(diào)節(jié)頻率范圍為O. f 100Hz，精度為O. 1Hz，能夠產(chǎn)生正弦波、方波和三角波波形。[0009]上述懸浮線圈是圓錐形或圓柱形，其線圈是金屬銅制成的。[0010]上述真空泵抽取的真空度不小于10_5Pa ;所述惰性氣體是氬氣或氦氣。[0011]上述高速攝像機采用以每秒大于或等于20幀的速率的攝像機。[0012]低頻周期調(diào)制信號發(fā)生裝置和高頻交變電源共同作用到懸浮線圈上可產(chǎn)生所謂的高頻調(diào)幅交變磁場，用真空泵對真空室抽真空，樣品放入懸浮線圈內(nèi)的合適位置，并使用或不使用氣體保護供氣裝置進行惰性氣體保護，樣品的水平和豎直方向上都有高速攝像機鏡頭實時拍攝，高速攝像機與計算機相連，紅外溫度計用來監(jiān)控樣品溫度。[0013]高頻磁場的頻率為1(Γ105ΚΗζ的范圍內(nèi)任選一個頻率作為工作頻率，低頻周期調(diào)制信號頻率調(diào)節(jié)范圍為flOOHz，精度為O. 1Hz，調(diào)制發(fā)生裝置，能夠產(chǎn)生正弦波、方波、三角波等多種波形。[0014]高速攝像機以每秒不小于20幀的速率記錄液滴的振蕩過程。[0015]本實用新型與現(xiàn)有技術相比較，具有如下顯而易見的實質(zhì)性特點和進步[0016]本實用新型利用不同頻率調(diào)幅磁場下，液滴產(chǎn)生不同的振蕩模態(tài)，可以實現(xiàn)與液體非接觸，亦可用在深過冷、高溫等條件下對液態(tài)物質(zhì)物性參數(shù)的測量。該裝置是對現(xiàn)有液滴振蕩法測表面張力的一個重大改進，測量精度高，基本沒有增加成本，應用范圍廣泛，測試樣品可以是常溫下為固態(tài)的純金屬、合金、半導體也可以是常溫下為液態(tài)的低熔點金屬、 電解質(zhì)等所有導體或半導體的熔體或液體，具有非常重要的科學和應用價值。


圖1是本實用新型裝置示意圖；[0018]圖2是本實用新型調(diào)幅磁場耦合示意圖，其中調(diào)幅磁場為方波低頻調(diào)制信號；[0019]圖3是本實用新型調(diào)幅磁場耦合示意圖，其中調(diào)幅磁場為三角波低頻調(diào)制信號；[0020]圖4是本實用新型調(diào)幅磁場耦合示意圖，其中調(diào)幅磁場為正弦波低頻調(diào)制信號。
具體實施方式
[0021]
以下結合附圖對本實用新型的實施例作進一步詳細描述，[0022]參見圖1，本高頻調(diào)幅磁場懸浮液滴物性參數(shù)測量裝置，包括一個真空室3、一個真空泵4、一個惰性氣體供氣裝置8、一個高速攝像機7和一臺計算機9，其特征在于所述真空室3內(nèi)設有一個懸浮線圈5，在真空室3外有一個低頻調(diào)制信號發(fā)生裝置I和一個高頻交流電源2電連接所述懸浮線圈5，所述真空泵4和惰性氣體供氣裝置8分別通過各路接通真空室3，所述高速攝像機7鏡頭通過真空室3上的透明窗口對準懸浮線圈5，高速攝像機 7輸出連接到計算機9，還有一個紅外溫度計10也通過透明窗口對準懸浮線圈5。[0023]所述高頻交變電源2的頻率范圍為I(T1^)5KHz ;低頻調(diào)制信號發(fā)生裝置的低頻調(diào)制信號實時調(diào)節(jié)頻率范圍為O. f 100Hz，精度為O. 1Hz，能夠產(chǎn)生正弦波、方波和三角波波形。[0024]所述懸浮線圈5是圓錐形或圓柱形，其線圈是金屬銅制成的。[0025]所述真空泵抽取的真空度不小于10_5Pa ;所述惰性氣體是氬氣或氦氣。[0026]所述高速攝像機7采用以每秒大于或等于20幀的速率的攝像機。[0027]低頻周期調(diào)制信號發(fā)生裝置I和高頻交變電源2共同作用到懸浮線圈5上可產(chǎn)生所謂的高頻調(diào)幅交變磁場，用真空泵4對真空室3抽真空，樣品6放入懸浮線圈5內(nèi)的合適位置，并使用或不使用氣體保護供氣裝置8進行惰性氣體保護，樣品的水平和豎直方向上都有高速攝像機7鏡頭實時拍攝，高速攝像機7與計算機9相連，紅外溫度計10用來監(jiān)控樣品溫度。裝置具體測量，包括如下步驟[0028]a高頻交變電源外加低頻周期調(diào)制信號，從而使懸浮線圈內(nèi)產(chǎn)生高頻調(diào)幅磁場。[0029]b將金屬試樣和懸浮線圈置于真空室內(nèi)，抽取真空，通或者不通惰性氣體保護。[0030]c 對于常溫下的固態(tài)試樣在高頻調(diào)幅磁場作用下，試樣熔化至液態(tài)，調(diào)節(jié)低頻周期調(diào)制信號的頻率使液滴發(fā)生不同振蕩模態(tài)人[0031]d 上高速攝像機拍攝液滴水平振蕩模態(tài)，側(cè)高速攝像機拍攝液滴垂直方向液滴振蕩模態(tài)。[0032]e 根據(jù)高速攝像機拍攝的大量圖片可獲得液滴振蕩頻率，根據(jù)公式 f = f即可計算出在某一溫度下液體表面張力σ，式中/；為液滴振蕩頻率，οJn 、j為表面張力，7為振蕩模態(tài)，》為液態(tài)物質(zhì)質(zhì)量。[0033]f根據(jù)經(jīng)驗模型可以由表面張力計算出液體的黏度、擴散系數(shù)等物性參數(shù)。具體關系式為黏度擴散系數(shù)D1丄，式中分別是合金熔15 V Τ5Λ Tf ^ M σ體的黏度、擴散系數(shù)#是絕對原子質(zhì)量;r是溶質(zhì)原子的半徑,取值1. 86nm;々是Bolzmann 常數(shù)；r為熱力學溫度。[0034]本實施例中，用來測定常溫下是固態(tài)，加熱到高溫狀態(tài)下樣品熔化為液態(tài)的各個物性參數(shù)，本實用新型裝 置中低頻調(diào)制發(fā)生裝置，能夠產(chǎn)生正弦波、方波、三角波等多種波形，調(diào)制信號與高頻磁場耦合得到高頻調(diào)幅磁場，參見圖2、圖3和圖4，懸浮線圈5在初始階段對固態(tài)金屬感應加熱到某一溫度使其熔化成為液態(tài)，在調(diào)幅磁場周期性力的作用下， 液態(tài)金屬發(fā)生多模態(tài)的振蕩行為，進而根據(jù)上述公式計算出在該溫度下，金屬液的表面張力，進而計算出黏度、擴散系數(shù)等其他物性參數(shù)。[0035]實施例2[0036]本實施例與實施例1的技術方案基本相同，不同之處在于[0037]在本實施例中，本實用新型高頻調(diào)幅磁場懸浮液滴物性參數(shù)測量裝置同樣可以用于合金熔體高溫下物性參數(shù)的測定。同樣，將一定質(zhì)量的合金置于線圈合適位置，抽真空并通氣保護，樣品懸浮并感應加熱至熔化。高頻調(diào)幅磁場下合金液滴發(fā)生振蕩，調(diào)節(jié)調(diào)制信號發(fā)生裝置的頻率值，用高速攝像機記錄水銀液滴在不同調(diào)制頻率下的振蕩過程。通過數(shù)字圖像分析，得到液滴在不同振動模態(tài)下的振動頻率，根據(jù)上述的計算方程，得到液滴的表面張力，進而計算出黏度、擴散系數(shù)等其他物性參數(shù)。[0038]上面結合附圖對本實用新型實施例進行了說明，但本實用新型不限于上述實施例，還可以根據(jù)本實用新型的發(fā)明創(chuàng)造的目的做出多種變化，凡依據(jù)本實用新型技術方案的精神實質(zhì)和原理下做的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應為等效的置換方式，只要符合本實用新型的目的，只要不背離本實用新型的技術原理和構思，都屬于本實用新型的保護范圍。
權利要求1.一種高頻調(diào)幅磁場懸浮液滴物性參數(shù)測量裝置，包括一個真空室(3)、一個真空泵(4)、一個惰性氣體供氣裝置(8)、一個高速攝像機(7)和一臺計算機(9)，其特征在于所述真空室(3)內(nèi)設有一個懸浮線圈(5)，在真空室(3)外有一個低頻調(diào)制信號發(fā)生裝置(I)和一個高頻交流電源(2 )電連接所述懸浮線圈(5 )，所述真空泵(4 )和惰性氣體供氣裝置(8 ) 分別通過各路接通真空室(3 )，所述高速攝像機(7 )鏡頭通過真空室(3 )上的透明窗口對準懸浮線圈(5)，高速攝像機(7)輸出連接到計算機(9)，還有一個紅外溫度計(10)也通過透明窗口對準懸浮線圈(5)。
2.根據(jù)權利要求1所述的高頻調(diào)幅磁場懸浮液滴物性參數(shù)測量裝置，其特征在于所述高頻交變電源(2)的頻率范圍為I(T1K)5KHz ;低頻調(diào)制信號發(fā)生裝置的低頻調(diào)制信號實時調(diào)節(jié)頻率范圍為O. f 100Hz，精度為O. 1Hz，能夠產(chǎn)生正弦波、方波和三角波波形。
3.根據(jù)權利要求1所述的高頻調(diào)幅磁場懸浮液滴物性參數(shù)測量裝置，其特征在于所述懸浮線圈(5)是圓錐形或圓柱形，其線圈是金屬銅制成的。
4.根據(jù)權利要求1所述的高頻調(diào)幅磁場懸浮液滴物性參數(shù)測量裝置，其特征在于所述真空泵抽取的真空度不小于10_5Pa ;所述惰性氣體是氬氣或氦氣。
5.根據(jù)權利要求1所述的高頻調(diào)幅磁場懸浮液滴物性參數(shù)測量裝置，其特征在于所述 1 速攝像機(7)米用以每秒大于或等于20巾貞的速率的攝像機。
專利摘要本實用新型涉及一種高頻調(diào)幅磁場懸浮液滴物性參數(shù)測量裝置。它包括一個真空室、一個真空泵、一個惰性氣體供氣裝置、一個高速攝像機和一臺計算機，所述真空室內(nèi)設有一個懸浮線圈，在真空室外有一個低頻調(diào)制信號發(fā)生裝置和一個高頻交流電源電連接所述懸浮線圈，所述真空泵和惰性氣體供氣裝置分別通過各路接通真空室，所述高速攝像機鏡頭通過真空室上的透明窗口對準懸浮線圈，高速攝像機輸出連接到計算機，還有一個紅外溫度計也通過透明窗口對準懸浮線圈。該裝置是對現(xiàn)有液滴振蕩法測表面張力的一個重大改進，測量精度高，基本沒有增加成本，應用范圍廣泛，測試樣品可以是常溫下為固態(tài)的純金屬、合金、半導體也可以是常溫下為液態(tài)的低熔點金屬、電解質(zhì)等所有導體或半導體的熔體或液體，具有非常重要的科學和應用價值。
文檔編號G01N13/02GK202854011SQ201220287348
公開日2013年4月3日 申請日期2012年6月19日 優(yōu)先權日2012年6月19日
發(fā)明者雷作勝, 金效興, 張利杰, 陳超越, 陽小華, 任忠鳴 申請人:上海大學