用于高温熔融材料静电悬浮无容器实验装置的控制系统.pdf

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1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 202010054115.4 (22)申请日 2020.01.17 (71)申请人 中国科学院国家空间科学中心 地址 100190 北京市海淀区中关村南二条1 号 (72)发明人 于强翟光杰孙志斌郑福 陆潇晓 (74)专利代理机构 北京方安思达知识产权代理 有限公司 11472 代理人 杨青陈琳琳 (51)Int.Cl. G01N 21/84(2006.01) G01B 11/24(2006.01) (54)发明名称 一种用于高温熔融材料静电悬浮无容器实 验装置的控制系统 (57。

2、)摘要 本发明公开了一种用于高温熔融材料静电 悬浮无容器实验装置的控制系统， 该控制系统控 制熔融罐内的悬浮加热样品； 所述控制系统包 括： 静电悬浮真空度控制子系统、 静电悬浮位置 控制子系统、 静电悬浮温度控制子系统和高速成 像子系统； 这些子系统布设在熔融罐的周围； 所 述静电悬浮真空度控制子系统用于控制静电悬 浮熔融罐内的真空度； 所述静电悬浮位置控制子 系统用于控制样品的位置及速度， 使样品稳定悬 浮； 还用于采集样品的位置数据并进行上传； 所 述静电悬浮温度控制子系统用于控制加热激光 器的功率， 使样品温度值达到预期值， 还用于采 集样品的温度数据并进行上传； 所述高速成像子 系统。

3、用于采集静电悬浮样品的表面瞬态， 并进行 成像。 权利要求书2页 说明书5页 附图3页 CN 111257314 A 2020.06.09 CN 111257314 A 1.一种用于高温熔融材料静电悬浮无容器实验装置的控制系统， 该控制系统控制熔融 罐内的悬浮加热样品， 完成无容器高温熔体实验； 所述控制系统包括： 静电悬浮真空度控制 子系统、 静电悬浮位置控制子系统、 静电悬浮温度控制子系统和高速成像子系统； 这些子系 统布设在熔融罐的周围； 所述静电悬浮真空度控制子系统， 用于控制静电悬浮熔融罐内的真空度， 使实验在无 干扰无扰动的环境中进行； 所述静电悬浮位置控制子系统， 用于控制样品的。

4、位置及速度， 使样品稳定悬浮； 还用于 采集样品的位置数据并进行上传； 所述静电悬浮温度控制子系统， 用于控制加热激光器的功率， 使样品温度值达到预期 值， 还用于采集样品的温度数据并进行上传； 所述高速成像子系统， 用于采集静电悬浮样品的表面瞬态， 并进行成像。 2.根据权利要求1所述的用于高温熔融材料静电悬浮无容器实验装置的控制系统， 其 特征在于： 所述静电悬浮位置控制子系统包括： 电极、 PSD平行光源、 PSD传感器、 电压采集电 路、 位置控制器、 高压电源、 偏置电源和紫外补光灯； 所述电极是由上电极、 下电极和辅助电极构成的， 用于产生向上且左右约束力足够的 电场， 让带电样品。

5、能稳定地悬浮在上电极和下电极之间； 所述PSD平行光源用于产生PSD可监测的特定波长的平行光束， 该平行光束照射在样品 上； 所述PSD传感器用于将样品的位置转换为模拟电压信号， 然后发送电压采集电路至； 所述电压采集电路用于将模拟电压信号二次放大并转换为数字信号， 所述电压采集电 路包括二次放大电路和AD转换电路； 所述位置控制器是由单片机构成的控制器， 用于从所述电压采集电路读取样品位置数 据， 用于向高压电源输出电压控制信号； 所述高压电源用于将位置控制器提供的控制信号输出直流高压至上电极； 所述偏置电源， 用于当悬浮样品难起跳时， 给下电极一个偏置电压， 增强上电极和下电 极间的电场强。

6、度， 使样品起跳； 所述紫外补光灯用于照射样品的表面， 给样品补充表面电荷。 3.根据权利要求2所述的用于高温熔融材料静电悬浮无容器实验装置的控制系统， 其 特征在于： 所述位置控制器还包括串口通信模块， 用于完成位置控制器与上位机之间的数 据通信， 该数据包含： 位置PID参数、 设定位置值信息和实际位置信息。 4.根据权利要求3所述的用于高温熔融材料静电悬浮无容器实验装置的控制系统， 其 特征在于： 所述静电悬浮温度控制子系统包括双波长红外测温仪、 红外加热激光和温度控 制器； 所述双波长红外测温仪是由高温段测温仪和低温段测温仪构成的， 用于采集材料样品 的温度， 并将温度值转为数字信号发。

7、送给温度控制器； 所述温度控制器是由单片机和外围电路构成的， 用于读取高温段测温仪和低温段测温 仪发送的材料温度数据、 实现温度控制、 向红外加热激光发出控制信号； 所述红外加热激光是由三台互呈120 的加热激光器构成的， 用于根据温度控制器发出 的控制信号调制输出激光的功率， 使样品温度达到预设值。 权利要求书 1/2 页 2 CN 111257314 A 2 5.根据权利要求4所述的用于高温熔融材料静电悬浮无容器实验装置的控制系统， 其 特征在于： 所述温度控制器还包括串口通信模块， 用于完成温度控制器与上位机之间的数 据通信。 6.根据权利要求5所述的用于高温熔融材料静电悬浮无容器实验装。

8、置的控制系统， 其 特征在于： 所述静电悬浮真空度控制子系统包括： 真空规管、 干泵、 分子泵和闸板阀； 所述真空规管用于监测熔融罐内的真空度， 并将真空度转化为数字信号传给上位机； 所述干泵， 用于将熔融罐内从常压抽至10Pa以下， 使分子泵正常启动； 分子泵由分子泵体和分子泵驱动控制器构成的， 分子泵驱动控制器接收并执行上位机 发送的指令， 驱动分子泵体将熔融罐内抽至极限真空； 闸板阀用于将熔融罐至分子泵体的真空管路分成两部分， 待熔融罐罐的真空环境达到 分子泵体工作条件后开通。 7.根据权利要求2所述的用于高温熔融材料静电悬浮无容器实验装置的控制系统， 其 特征在于： 所述高速成像子系统。

9、包括滤波片、 高速CCD和高速存储设备； 其中， 滤波片和高速 CCD与静电悬浮位置控制子系统中的紫外补光灯处于同一直线上； 所述滤波片是透紫外滤波片， 用于将红外线滤除得到清晰的样品轮廓； 所述高速CCD用于放大并快速获取悬浮样品表面图像； 包括长焦镜头和CCD相机； 所述高速存储设备用于存储高速CCD采集到的图像信息， 包括高速存储卡和处理电路。 权利要求书 2/2 页 3 CN 111257314 A 3 一种用于高温熔融材料静电悬浮无容器实验装置的控制系统 技术领域 0001 本发明涉及智能仪器领域， 具体地涉及一种用于高温熔融材料静电悬浮无容器实 验装置的控制系统。 背景技术 000。

10、2 在材料研究中， 采用无容器技术开展材料科学实验的研究是获得先进材料的重要 方式， 它可以使材料在无器壁无干扰的状态下进行实验。 因为没有容器壁引入杂质所造成 的非均质形核， 实验材料可以在比熔点低很多的温度下依然保持液态， 此状态称作材料的 深过冷状态。 材料在深过冷状态下凝固， 晶体的生长速度会随着过冷度的增加而提高， 所得 到的新材料往往具有常规材料所不具备的特殊理化性能。 0003 目前， 进行无容器材料实验的主要方法有三种： 空间法、 落管法和悬浮法。 空间法， 即利用地球轨道空间提供的微重力环境实现材料无容器实验； 落管法， 即让熔融材料在落 管中做自由落体运动时完成凝固； 悬浮。

11、法， 即采用电磁、 静电、 气体、 声波等外场方式实现材 料悬浮。 空间法是比较理想的实现无容器材料实验的方法， 但其存在实验成本高昂、 实验机 会稀少、 难以反复实验等不足， 难以满足大量的材料科学实验需求。 落管法虽然操作简单， 可以排除重力引起的干扰， 但是它在控制材料的降温速率、 观察材料快速凝固过程方面无 法实现。 至此， 悬浮法成为了人们在地面上广泛使用的实现无容器实验的方法， 它的利用外 力与重力保持平衡， 让材料在悬浮无接触的状态下进行实验。 0004 至今， 进行无容器材料实验的悬浮法有： 气悬浮、 声悬浮、 电磁悬浮和静电悬浮。 气 悬浮通过喷射高速气流来使样品悬浮， 可以。

12、悬浮任何材料的样品， 但是材料依然会与气体 接触， 气流也会给材料带来扰动， 对于材料位置的精确控制很难做到。 声悬浮利用声场中的 高能驻波使样品悬浮在最小声压节点上。 因为声音传播需要空气介质， 声悬浮方法中样品 会暴露在气体中， 依旧会使样品引入杂质， 同时声波造成的扰动也不能忽视。 电磁悬浮通过 交变磁场悬浮和加热样品， 此方法可以在真空或者保护气体中完成实验， 有效地避免了样 品引入杂质的问题。 但是， 电磁悬浮方法只能适用于金属材料， 而且其加热与悬浮存在耦 合， 因此该方法在无容器材料实验中依然存在不足。 静电悬浮法通过一对平行电极板产生 向上的电场， 使表面带电荷的样品受到向上的。

13、电场力来平衡重力。 静电悬浮法具有材料范 围广、 扰动小、 可控制性、 悬浮与加热独立等优点， 是目前最理想的无容器材料实验方法。 发明内容 0005 本发明的目的在于克服现有的技术在无容器材料实验中的不足， 从而研制设计了 一种用于高温熔融材料静电悬浮无容器实验装置的控制系统， 适用于多数材料、 无扰动、 可 控制性的无容器材料实验。 0006 为实现上述目的， 本发明提出了一种用于高温熔融材料静电悬浮无容器实验装置 的控制系统， 该控制系统控制熔融罐内的悬浮加热样品， 完成无容器高温熔体实验； 所述控 制系统包括： 静电悬浮真空度控制子系统、 静电悬浮位置控制子系统、 静电悬浮温度控制子 。

14、说明书 1/5 页 4 CN 111257314 A 4 系统和高速成像子系统； 这些子系统布设在熔融罐的周围； 0007 所述静电悬浮真空度控制子系统， 用于控制静电悬浮熔融罐内的真空度， 使实验 在无干扰无扰动的环境中进行； 0008 所述静电悬浮位置控制子系统， 用于控制样品的位置及速度， 使样品稳定悬浮； 还 用于采集样品的位置数据并进行上传； 0009 所述静电悬浮温度控制子系统， 用于控制加热激光器的功率， 使样品温度值达到 预期值， 还用于采集样品的温度数据并进行上传； 0010 所述高速成像子系统， 用于采集静电悬浮样品的表面瞬态， 并进行成像。 0011 作为上述系统的一种改。

15、进， 所述静电悬浮位置控制子系统包括： 电极、 PSD平行光 源、 PSD传感器、 电压采集电路、 位置控制器、 高压电源、 偏置电源和紫外补光灯； 0012 所述电极是由上电极、 下电极和辅助电极构成的， 用于产生向上且左右约束力足 够的电场， 让带电样品能稳定地悬浮在上电极和下电极之间； 0013 所述PSD平行光源用于产生PSD可监测的特定波长的平行光束， 该平行光束照射在 样品上； 0014 所述PSD传感器用于将样品的位置转换为模拟电压信号， 然后发送电压采集电路 至； 0015 所述电压采集电路用于将模拟电压信号二次放大并转换为数字信号， 所述电压采 集电路包括二次放大电路和AD转。

16、换电路； 0016 所述位置控制器是由单片机构成的控制器， 用于从所述电压采集电路读取样品位 置数据， 用于向高压电源输出电压控制信号； 0017 所述高压电源用于将位置控制器提供的控制信号输出直流高压至上电极； 0018 所述偏置电源， 用于当悬浮样品难起跳时， 给下电极一个偏置电压， 增强上电极和 下电极间的电场强度， 使样品起跳； 0019 所述紫外补光灯用于照射样品的表面， 给样品补充表面电荷。 0020 作为上述系统的一种改进， 所述位置控制器还包括串口通信模块， 用于完成位置 控制器与上位机之间的数据通信， 该数据包含： 位置PID参数、 设定位置值信息和实际位置 信息。 0021。

17、 作为上述系统的一种改进， 所述静电悬浮温度控制子系统包括双波长红外测温 仪、 红外加热激光和温度控制器； 0022 所述双波长红外测温仪是由高温段测温仪和低温段测温仪构成的， 用于采集材料 样品的温度， 并将温度值转为数字信号发送给温度控制器； 0023 所述温度控制器是由单片机和外围电路构成的， 用于读取高温段测温仪和低温段 测温仪发送的材料温度数据、 实现温度控制、 向红外加热激光发出控制信号； 0024 所述红外加热激光是由三台互呈120 的加热激光器构成的， 用于根据温度控制器 发出的控制信号调制输出激光的功率， 使样品温度达到预设值。 0025 作为上述系统的一种改进， 所述温度控。

18、制器还包括串口通信模块， 用于完成温度 控制器与上位机之间的数据通信。 0026 作为上述系统的一种改进， 所述静电悬浮真空度控制子系统包括： 真空规管、 熔融 罐、 干泵、 分子泵和闸板阀； 说明书 2/5 页 5 CN 111257314 A 5 0027 所述真空规管用于监测熔融罐内的真空度， 并将真空度转化为数字信号传给上位 机； 0028 所述熔融罐， 用于创造真空环境， 确保无容器材料实验的完成； 0029 所述干泵， 用于将熔融罐内从常压抽至10Pa以下， 使分子泵正常启动； 0030 分子泵由分子泵体和分子泵驱动控制器构成的， 分子泵驱动控制器接收并执行上 位机发送的指令， 驱。

19、动分子泵体将熔融罐内抽至极限真空； 0031 闸板阀用于将熔融罐至分子泵体的真空管路分成两部分， 待熔融罐的真空环境达 到分子泵体工作条件后开通。 0032 作为上述系统的一种改进， 所述高速成像子系统包括滤波片、 高速CCD和高速存储 设备； 0033 其中， 滤波片和高速CCD与静电悬浮位置控制子系统中的紫外补光灯处于同一直 线上； 0034 所述滤波片是透紫外滤波片， 用于将红外线滤除得到清晰的样品轮廓； 0035 所述高速CCD用于放大并快速获取悬浮样品表面图像； 包括长焦镜头和CCD相机； 0036 所述高速存储设备用于存储高速CCD采集到的图像信息， 包括高速存储卡和处理 电路。 。

20、0037 本发明的优点在于： 0038 本发明的控制系统适用于金属、 半导体、 有机物及绝缘体等所有能在表面保持足 够实现悬浮静电荷的材料， 可以长时间精确稳定地将材料悬浮在目标位置， 无机械扰动地 将材料加热至目标温度并按照工艺曲线冷却， 样品最高加热温度可到达3000， 即本发明 可以成功完成多种材料的高温熔融深过冷实验， 为未来在地基开展空间材料科学的研究打 下基础。 附图说明 0039 图1是本发明的高温熔融材料静电悬浮无容器实验装置的控制系统的组成框图； 0040 图2是本发明的静电悬浮位置控制子系统组成框图； 0041 图3是本发明的静电悬浮温度控制子系统组成框图； 0042 图4。

21、是本发明的静电悬浮真空度控制子系统组成框图； 0043 图5是本发明的静电悬浮成像子系统组成框图。 具体实施方式 0044 下面结合附图和实施例对本发明进行进一步说明。 0045 如图1所示， 本发明提供了一种用于高温熔融材料静电悬浮无容器实验装置的控 制系统， 该控制系统可以可靠稳定地悬浮加热熔融罐内的样品， 完成无容器高温熔体实验。 该系统由四个部分组成， 分别是： 静电悬浮位置控制子系统、 静电悬浮温度控制子系统、 静 电悬浮真空度控制子系统和高速成像子系统。 这些子系统布设在熔融罐的周围。 0046 静电悬浮位置控制子系统是由高压电源、 偏置电源、 PSD平行光源、 PSD传感器、 电。

22、 压采集电路、 位置控制器、 电极和紫外补光灯构成， 它的功能是发射PSD平行光束、 采集材料 位置数据、 完成位置控制算法、 输出高压、 给材料补充电荷、 与上位机通讯； 静电悬浮温度控 说明书 3/5 页 6 CN 111257314 A 6 制子系统是由双波长红外测温仪、 红外加热激光和温度控制器构成的控制系统， 它的功能 是采集材料的温度值、 完成温度控制算法、 控制加热激光器功率、 与上位机通讯； 静电悬浮 真空度控制子系统是由真空规管、 干泵、 分子泵和闸板阀构成的控制系统， 它的功能是使熔 融罐内处于极限真空的状态， 防止电极之间电击穿， 保证静电悬浮无容器实验在干净的环 境中进。

23、行， 与上位机通讯数据； 高速成像子系统是由滤波片、 高速CCD和高速存储设备构成 的系统， 它的功能是静电悬浮无容器实验过程中获取悬浮材料表面的情况并存储， 用于实 验后分析处理。 0047 如图2所示， 该图为本发明的静电悬浮位置控制系统的组成图。 它由高压电源、 偏 置电源、 PSD平行光源、 PSD传感器、 电压采集电路、 位置控制器、 电极和紫外补光灯组成。 0048 所述电极是由上电极、 下电极和辅助电极构成的， 用于产生向上且左右约束力足 够的电场， 让带电样品能稳定地悬浮在上电极和下电极之间。 0049 所述PSD平行光源是由半导体激光器和扩束准直镜头构成的， 用于产生PSD可。

24、监测 的特定波长的平行光束， 该平行光束照射在样品上。 0050 所述PSD传感器是由滤光片、 二维PSD传感器和放大电路构成的， 用于将样品的位 置转换为电信号。 0051 所述电压采集电路是由二次放大电路和AD转换电路构成的， 用于将模拟电压信号 二次放大并转换为数字信号。 0052 所述位置控制器是由单片机构成的控制器， 用于读取样品位置数据、 完成位置控 制算法、 向高压电源输出电压控制信号、 与上位机进行信息交换。 串口通信模块， 该模块具 体由串口芯片构成， 用于完成所述位置控制器与PC上位机之间的数据通信， 该数据信息具 体包含： 位置PID参数、 设定位置值信息和实际位置信息。。

25、 0053 所述高压电源是由隔离器和高速响应高压电源构成的， 用于根据位置控制器给的 控制信号输出直流高压至上电极。 0054 所述紫外补光灯是由透紫外滤光片和汞灯紫外灯构成的， 用于照射样品的表面补 充样品的表面电荷。 0055 所述偏置电源由隔离器和高压电源构成， 用于悬浮难起跳的样品时给下电极一个 偏置电压， 增强上电极和下电极间的电场强度， 使样品起跳。 0056 如图3所示， 该图为本发明的静电悬浮温度控制子系统的组成图。 静电悬浮温度控 制子系统由双波长红外测温仪、 红外加热激光和温度控制器组成。 0057 所述双波长红外测温仪是由高温段测温仪和低温段测温仪构成的， 用于采集材料 。

26、样品的温度， 并将温度值转为数字信号发送给温度控制器。 0058 温度控制器是由单片机和外围电路构成的， 用于读取材料温度数据、 完成温度控 制算法、 向加热激光器发出控制信号、 与上位机进行信息交换。 0059 所述红外加热激光是由三台互呈120 的加热激光器构成的， 用于根据温度控制器 发出的控制信号调制输出激光的功率， 使样品温度达到预设值。 0060 如图4所示， 该图为本发明的静电悬浮真空度控制子系统的组成图。 静电悬浮真空 度控制子系统由真空规管、 干泵、 分子泵和闸板阀组成。 0061 所述真空规管是由电离规和电阻规构成的， 用于监测熔融罐内的真空度， 并将真 空度转化为数字信号。

27、传给上位机。 说明书 4/5 页 7 CN 111257314 A 7 0062 所述熔融罐为真空罐， 由真空罐体和石英玻璃窗及手动进气阀构成的， 用于创造 真空环境， 确保无容器材料实验的完成。 0063 干泵是由涡旋干式真空泵和干泵驱动器构成的， 用于将熔融罐内从常压抽至10Pa 以下， 使分子泵体可以正常启动。 0064 分子泵是由分子泵体和分子泵驱动控制器构成的， 分子泵驱动控制器接收并执行 上位机发送的指令， 驱动分子泵体将熔融罐内抽至极限真空(10-5Pa)。 0065 闸板阀是由手轮、 弹簧、 阀瓣和阀体构成的， 用于将真空管路上下部分隔离， 待真 空环境达到分子泵体工作条件后再。

28、开通。 0066 如图5所示， 高速成像子系统由滤波片、 高速CCD和高速存储设备组成， 其中滤波片 和高速CCD与静电悬浮位置控制子系统中的紫外补光灯处于同一直线上。 0067 滤波片是透紫外滤波片， 用于将红外线滤除得到清晰的样品轮廓。 0068 高速CCD是由长焦镜头和CCD相机构成的， CCD像素480*240， 采样率100Kfps， 用于 放大并快速获取悬浮材料表面的情况。 0069 高速存储设备是由高速存储卡和处理电路构成的， 用于存储高速CCD采集到的图 像信息， 便于实验后的数据处理。 0070 最后所应说明的是， 以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。 尽管参 照实施例对本发明进行了详细说明， 本领域的普通技术人员应当理解， 对本发明的技术方 案进行修改或者等同替换， 都不脱离本发明技术方案的精神和范围， 其均应涵盖在本发明 的权利要求范围当中。 说明书 5/5 页 8 CN 111257314 A 8 图1 图2 说明书附图 1/3 页 9 CN 111257314 A 9 图3 说明书附图 2/3 页 10 CN 111257314 A 10 图4 图5 说明书附图 3/3 页 11 CN 111257314 A 11 。