具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明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。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例一

如图1-图3所示：本实施例提供了一种电磁悬浮条件下金属熔体表面张力测定系统100，包括依次电连接的光电探测器2、滤波器结构3、数据采集卡4及计算机信号处理系统5，光电探测器2用于采集悬浮感应加热装置1内的金属样品6的光强信号，具体地，光电探测器2包括光电传感器23，光电探测器2还包括激光瞄准器21或镜头，光电传感器2的光敏面与激光瞄准器21或镜头相对，激光瞄准器21用于瞄准金属样品6，镜头能够使金属样品6发出的光能够最大化的聚焦到光电传感器23的光敏面上，光电传感器23用于将采集到的金属样品6的光强信号转变为电压信号，光电探测器2距金属样品6约450～600mm，滤波器结构3包括依次电连接的隔直器31、低通滤波器32、运算放大器33，隔直器31与光电传感器23电连接，光电传感器23采集到的电压信号依次通过隔直器31、低通滤波器32和运算放大器33处理后得到模拟信号，模拟信号输送至数据采集卡4转变为数字信号，数字信号输送至计算机信号处理系统5进行处理和计算最终输出金属熔体表面的振荡频率。

本实施例中，光电探测器2还包括第一壳体22，光电传感器23的一端伸入第一壳体22的一端，光电传感器23与第一壳体22滑动连接；第一壳体22的另一端设置有激光瞄准器21或镜头，激光瞄准器21或镜头与第一壳体22能够拆卸地连接，具体地，激光瞄准器21或镜头通过螺纹固定在第一壳体22的前端；第一壳体22的侧壁设置有光学支杆接口22-3和观察窗22-4，观察窗22-4的作用是观察金属熔体在光电二极管23-3光敏面上的成像情况，观察窗22-4还可更换为盲板，光学支杆通过螺纹固定在光学支杆接口22-3上，数个光学支杆首尾相连，将光电探测器2固定在测量位置上，通过调节光学支杆数量和角度，可以改变光电探测器2的架设位置；第一壳体22包括第一电磁屏蔽罩22-2和第一外壳22-1，第一电磁屏蔽罩22-2设置在第一外壳22-1的内侧，第一外壳22-1采用铝合金制成，第一电磁屏蔽罩22-2采用纯铁或铁镍合金制成。

本实施例中，激光瞄准器21包括激光器21-1和夹具21-2，夹具21-2的一端与第一壳体22能够拆卸地连接，激光器21-1设置在夹具21-2的另一端，激光器21-1通过夹具21-2侧面的螺钉固定。

可选的，根据悬浮感应加热装置1参数的不同，镜头可以使用各种口径为1英寸的标准光学镜头，包括凸透镜片、各种镜头、光纤探头等，优选为焦距为350～500mm的透镜，进一步优选为焦距为350mm的平凸镜。

本实施例中，光电传感器23包括光电二极管23-3和驱动电路23-4，光电二极管23-3的光敏面与激光瞄准器21或镜头相对，驱动电路23-4分别与光电二极管23-3和滤波器结构3电连接，光电二极管23-3选择工作在320nm～1100nm可见光波段的可调增益Si光电二极管，噪音(RMS)小于195μV，响应度大于0.4A/W，响应良好且线性。

本实施例中，光电传感器23还包括第二壳体，光电二极管23-3和驱动电路23-4均通过胶粘剂固定在第二壳体的内部，第二壳体与第一壳体22滑动连接，滑动调节至光电二极管23-3的光敏面距激光瞄准器21底端距离2～40mm处，优选为5mm，调整到合适位置后通过第一外壳22-1侧面的螺钉将第一壳体22和第二壳体进行固定；第二壳体包括第二电磁屏蔽罩23-2和第二外壳23-1，第二电磁屏蔽罩23-2设置在第二外壳23-1的内侧，第二外壳23-1采用铝合金制成，第二电磁屏蔽罩23-2采用纯铁或铁镍合金制成。第二壳体的底部开孔，供电源线和信号输出线从其中穿出。

光电探测器2通过光学支杆架设在悬浮感应加热装置1的窗口附近，悬浮感应加热装置1的窗口设置在悬浮感应加热装置1的顶部或侧面。

本实施例中，光电探测器2输出的电压信号经屏蔽线输入滤波器结构3进行处理。滤波器结构3还包括直流稳压电源34，直流稳压电源34为低通滤波器32和运算放大器33供电。

本实施例中的电连接为电信号连接。

隔直器31使用同轴式无源隔直器，工作频率为DC-6GHz，插入损耗小于1dB，隔直器31直接连接在两节信号线之间，其作用是过滤电压信号中的直流分量，只保留代表光强变化的交流分量。低通滤波器32截止频率不低于100Hz，其插入损耗小于2dB，带内不平度小于2dB，F0/2抑制可达-30dB，阶数选择4阶或6阶，阻带抑制度超过-20dB，其作用是去除原始电压信号中可能存在的高频电磁干扰。运算放大器33放大倍数不小于10倍，带宽覆盖DC～100Hz范围，具体地，选用增益为26dB的超低噪声宽带运算放大器33，频率范围为DC～1MHz，带内不平度小于0.5dB，噪声小于0.9nV/√Hz，运算放大器33的作用是对微弱的电压信号进行放大。直流稳压电源34可提供两路5～15V供电电压。

本实施例中，滤波器结构3还包括屏蔽盒35，隔直器31、低通滤波器32、运算放大器33和直流稳压电源34均通过螺钉设置在屏蔽盒35内，直流稳压电源34与隔直器31、低通滤波器32、运算放大器33通过隔板隔开。屏蔽盒35的材质选择纯铁或铁镍合金，厚度至少1mm。

本实施例中，数据采集卡4连接在滤波器结构3的信号输出端，具体地，电压信号经过滤波器结构3滤波放大后，使用屏蔽线连接至数据采集卡4，数据采集卡4将模拟信号转变成数字信号上传至计算机的。数据采集卡4的采样率不低于1000Hz。计算机信号处理系统5安装在计算机上，数据采集卡4输出的数字信号储存后读入计算机信号处理系统5，进行处理和计算，最终输出金属熔体表面振荡频率。计算机信号处理系统5为基于MATLAB编写的便捷通用数字信号处理系统，可进行快速傅里叶变换、加窗、降噪等操作。

本实施例中，悬浮感应加热装置1为现有技术，悬浮感应加热装置1的结构可参考公开号为CN111230130B的中国专利公开的微重力条件下悬浮大尺寸金属液滴的快速凝固系统与方法和公开号为CN111272509A的中国专利公开的电磁悬浮耦合自由落体的金属材料凝固成型装置和方法。

采用本实施例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。本实施例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。

本实施例的光电探测器2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6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23-3的光敏面的距离可调，便于调整测量位置；配备激光瞄准器21，可以方便快速地瞄准待测样品，避免在光电探测器2内使用分光镜，对光强大小造成影响。

本实施例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23-3、滤波器结构3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。

本实施例通过在滤波器结构3中设计并使用隔直器31，从原始信号中滤去代表光强平均值的直流分量，只保留包含表面振荡信息的交流分量。在后续放大处理中可以使其接近数据采集卡4满量程，从而减小相对误差、提高测量精度。

本实施例大量应用轻质铝合金材料，光电探测器2整体体积小、重量轻，容易进行安装和调整。本实施例中的计算机信号处理系统5为现有技术，可一键式进行数据处理和计算，操作简单、使用方便。

实施例二

本实施例提供了一种采用实施例一的电磁悬浮条件下金属熔体表面张力测定系统100的金属熔体表面张力测定方法，包括以下步骤：

步骤一：准备金属样品6，金属样品6的质量为0.5～5g，使用电弧炉或其他设备将金属样品6熔炼为近球形；将金属样品6放入悬浮感应加热装置1中，然后对悬浮感应加热装置1抽真空至10-3～10-5Pa，随后充入惰性气体，重复充气和充气2～6次，对悬浮感应加热装置1提供实验所需气氛；

步骤二：架设并调整光电探测器2；

步骤二中，使用光学支杆将光电探测器2对准悬浮感应加热装置1的窗口，与金属样品6距离450～500mm；打开激光瞄准器21，调整光电探测器2位置使激光瞄准器21发射的激光照射在金属样品6正中心，光电二极管23-3的光敏面距激光瞄准器21底端5mm处，随后取下激光瞄准器21，根据测量需求换上合适镜头；

步骤三：打开滤波器结构3、数据采集卡4及计算机信号处理系统5，设置实验参数，设置采样率为1000～10000Hz、采样数为100～1000，确定端口、文件路径等；

步骤四：控制金属样品6温度；

步骤四中，打开悬浮感应加热装置1中的悬浮感应线圈，将金属样品6加热熔化后持续加热，使金属样品6处于过热态，保持1～3min；随后向金属样品6缓慢吹入冷却气体，使金属样品6的温度下降至待测温度，并保持10～20s。

步骤五：采集金属样品6表面的电压信号；

步骤五中，在金属样品6保持待测温度的同时，启动计算机上计算机信号处理系统5的采集程序，采集时长8～15s；采集完毕后加大冷却气体气流量使金属样品6凝固，金属样品6凝固后关闭冷却气体；

随后重复步骤四和五，采集多个不同温度下的数据；

步骤六：对采集的电压信号导入计算机信号处理系统5进行快速傅里叶变换及加窗降噪处理，获取金属样品6表面的振荡频率，将振荡频率代入公式计算待测温度下的金属样品6表面张力值。

应用例1

本应用例采用实施例一的的电磁悬浮条件下金属熔体表面张力测定系统100以及实施例二的金属熔体表面张力测定方法，具体包括以下步骤：

步骤一：使用电弧炉熔炼待测金属Ni，质量为1.0383g；使用机械泵和分子泵对悬浮感应加热装置1抽真空至6×10-4Pa，随后充入Ar气；重复抽气和充气3次；

步骤二：将光电探测器2架设在悬浮感应加热装置1的窗口上方450mm处，打开激光器21-1，调整光电探测器2位置使光电探测器2对准待测样品；随后取下激光瞄准器21，换上平凸镜；

步骤三：数据采集卡4的采样率设置为10000、采样数设置为1000；新建文件夹记录实验数据；

步骤四：打开悬浮感应加热装置1中的悬浮感应线圈开关，使待测样品熔化并过热，保持1min；随后对待测样品缓慢吹入10％H₂-He混合气，使其温度下降至待测温度；控制气流量使待测样品温度稳定在待测温度；

步骤五：打开采集开关，采集时长约10s；采集完毕后加大气流量使待测样品凝固；待测样品凝固后关闭气流；随后重复步骤四和步骤五，采集多个不同温度下的数据；

步骤六：在计算机上，将采集到的信号导入计算机信号处理系统5进行处理，得到待测样品的表面振荡频率，根据公式，即可得到待测温度下的表面张力值。

图4是采用实施例二的方法测得的金属Ni在1414～2161K(最大过冷度312K，最大过热度435K)范围内的表面张力值，实心圆点为实验测得的表面张力数值，实线为根据实验数值所做的拟合曲线，空心方点为Egry等人的测量结果，引自：Egry I,Lohoefer G,JacobsG.Surface tension of liquid metals:Results from measurements on ground and inspace[J].Physical Review Letters,1995,75(22):4043.

应用例2～8为采用实施例二的方法测得的不同纯金属和合金熔体的表面张力值，见表1。

表1不同纯金属和合金熔体的表面张力值

本说明书中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。