本发明属于静电悬浮液态金属物理参数的测量领域，涉及一种测定静电悬浮液态金属振荡频率和表面张力的方法。
背景技术：
1、液态金属振荡很大程度上取决于液滴的密度和表面张力等热物理性质，有着重要的基础研究意义和工程应用前景，一直是物理学、流体力学和材料科学与工程等领域重要的研究课题。传统冶金技术无法主动控制并测定液态金属振荡信息。在此基础上，静电悬浮技术逐渐成为研究液态金属振荡的重要手段。它能够实现液态金属在无接触和高真空条件下稳定振荡。在静电悬浮状态下，采集液态金属的振荡频率是提取表面张力等热物理性质的重要方法。然而，目前测定静电悬浮液态金属振荡信息仍然是当下的难题。
2、针对无法直接准确获取液态金属振荡频率和热物理性质的问题，ishikawa t. 等人公开了一种方法，见文献：“ishikawa, t., paradis, p. f., itami, t.,&yoda, s.(2005). non-contact thermophysical property measurements of refractory metalsusing an electrostatic levitator. measurement science and technology, 16(2),443-451.”所述。该所述方法采用具有竖直窄缝的光阑采集液态金属二阶振荡频率，充分测定了液态金属二阶振荡信息，进一步获得了液态金属的表面张力和粘度等热物理性质。但是，液态金属三阶及以上阶理想振荡形态具有三重及以上重的对称性，采用竖直窄缝不足以测定液态金属三阶及以上阶振荡。若采用竖直窄缝采集液态金属三阶及以上阶振荡频率，采集的振荡频率不仅是缺失的而且会误被作为二阶振荡频率处理。此外，悬浮的液态金属受到电场力、重力和表面张力共同作用。如果液态金属在振荡过程中变形、重心偏移，则振荡形态并不完全具有竖直对称性。采集的振幅会明显小于液态金属真实的振荡振幅，这造成了信号处理结果产生误差，也将对表面张力等热物理性质的计算结果造成误差。因此，竖直窄缝的光电探测方法测定液态金属三阶及以上阶的振荡是不适用的。
3、针对液态金属高阶振荡测定问题，本团队开发了高速cmos(complementarymetal-oxide semiconductor)相机摄取液态金属二阶及其以上阶振荡图像的方法。见文献：“li, m. x., wang, h. p., zheng, c. h., wang, q.,&wei, b. (2023). avideographic and numerical study of nonisothermal oscillation process forelectrostatically levitated liquid nb-si alloy. international journal ofthermal sciences, 187, 108197.”所述。通过所述录像方法能采集二阶至更高阶液态金属振荡图像，捕获液态金属瞬间的振荡形态。但是，高速摄像机每秒拍摄上千帧图像，液态金属单次振荡信息采集需要几分钟，可见，如果采用高速摄像机采集液态金属高阶振荡行为，获取的图像存储量十分庞大。并且，高速摄像机价格昂贵。因此，采用高速摄像机测定液态金属高阶振荡信息并不适用且成本高。不仅振荡频率难以直接精准测定而且振荡信息无法批量采集，表面张力等热物理性质无法被获取。
4、采用竖直窄缝的光电探测方法无法有效探测液态金属高阶振荡信息，并且基于静电悬浮系统的高速摄像机无法实时定量测定液态金属振荡信息。目前并没有能够实时、完整和准确的测定液态金属高阶振荡信息的方法，液态金属在高阶振荡下的表面张力等热物理性质无法获取。
技术实现思路
1、要解决的技术问题
2、为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种基于静电悬浮的液态金属高阶振荡探测装置及方法，克服了现有静电悬浮只能采用竖直窄缝的光电探测方法实时定量探测液态金属二阶振荡的问题，从而实现对液态金属高阶振荡行为的探测。
3、技术方案
4、一种测定静电悬浮液态金属振荡频率和表面张力的装置，其特征在于包括定位激光器、静电悬浮装置、光阑、光电探测器和处理器；定位激光器、静电悬浮装置、光阑和光电探测器位于同一光路，光电探测器与处理器为电连接，光电探测器探测的信号输入处理器中；所述光阑为n阶光阑，光阑的阶数n等于待测液态金属的振荡阶数，其中；所述n阶光阑中部的遮光板上设有n条宽度为hn的探测间隙，n条探测间隙以遮光板的中心为圆心，向外延伸长度为dn，相邻两条探测间隙的初始夹角度；所述探测间隙的长度dn和宽度hn通过待测液态金属的质量和密度确定。
5、所述光阑包括n个扇形遮光板，探测间隙位于每个扇形遮光板对称中线上。
6、所述n个扇形遮光板相邻之间通过固定板连接，固定板固定在圆型外框上。
7、所述圆型外框上设有0至360度刻度线，刻度线间隔0.5度。
8、所述扇形遮光板相对于圆型外框，以圆心为轴旋转0度至90/n度；通过旋转扇形遮光板调整相邻两条探测间隙的夹角。
9、所述扇形遮光板包括两块对称的扇形板和硬质材料板，两块对称的扇形板之间设有一块硬质材料板，硬质材料板至扇形板的圆心为探测间隙。
10、所述定位激光器与静电悬浮装置之间的距离为5至50厘米；所述光阑与静电悬浮装置之间的距离为5至20厘米；所述光阑与光电探测器之间的距离为5至10厘米。
11、所述探测间隙的长度dn和探测间隙的宽度hn的设计步骤为：
12、步骤1：求解待测液态金属未发生振荡时的半径r0，单位是厘米，求解公式：
13、
14、其中：m为所待测液态金属的质量、为密度；质量的单位是克，密度的单位是克每立方厘米；
15、步骤2：通过r0求出圆的面积，将面积分为2n份，则每份的面积为s0：
16、
17、其中：s0为未发生振荡时每份待测液态金属二维面积，单位是平方厘米；n为振荡阶数，等于光阑上探测间隙的个数；r0为未发生振荡时待测液态金属半径，单位是厘米；r为积分半径变量，单位是厘米；为积分角度变量，单位是度；
18、步骤3：由于高阶振荡的待测液态金属二维图像面积s1与未发生振荡时待测液态金属的面积s0相等，振荡待测液态金属二维图像的面积：
19、
20、其中，d为待测液态金属轮廓所构成的封闭区域；x，y为以待测液态金属二维图像的中心建立直角坐标系，对二维图像做积分的积分变量；
21、设n阶振荡的待测液态金属二维图像面积被以原点为中心按轮廓形状分成2n份，每份面积s2相等，则：
22、
23、
24、其中，a近似s2区域中最小边长，b近似s2区域中最大边长，与振荡阶数有关，计算公式为=180/n度；
25、步骤4：b设定等于2a，根据s2=s0，求解时的b值bn；
26、步骤5：根据b值推导出光阑上探测间隙的尺寸，探测间隙的长度dn：
27、
28、其中，n为振荡阶数，dn为n阶探测间隙的长度，bn为推导出n阶振荡液滴s2区域的最大边长，为探测间隙长度的误差增量，数值为0.05至0.1厘米；
29、步骤6：确定每个分支探测间隙宽度，公式如下：
30、
31、受液滴形态的影响，范围为0度至15度，为探测间隙宽度的误差增量，数值为0.001至0.003厘米。
32、一种测定静电悬浮液态金属振荡频率和表面张力的方法，其特征在于：包括利用所述的装置对静电悬浮液态金属振荡频率和表面张力进行测定，测定步骤为：
33、步骤1：在静电悬浮装置中稳定悬浮并熔化金属，悬浮质量为m克的待测液态金属；调节加热功率使液态金属达到指定温度t1，单位为开尔文；加热功率为q：
34、
35、其中：m为待测液态金属的质量、m为待测液态金属的相对原子质量、c为待测液态金属的定压比热、为待测液态金属的辐射率；te为环境温度、为圆周率、为斯特藩-玻尔兹曼常数瓦特每平方米每开尔文四次方；t1为待测液态金属的温度、t为从te升温到t1的时间、dt/dt为变温速率；
36、步骤2：在待测液态金属稳定悬浮后，向待测液态金属施加一个正弦振荡频率，使待测液态金属发生共振，振荡频率为f；施加信号的振幅为0.1至10 vpp；
37、步骤3：当待测液态金属稳定振荡后，启动定位激光器，发射的激光打在静电悬浮装置中的振荡待测液态金属上，通过光阑后的光信号被光电探测器接收采集；
38、所述采集频率设置为每秒钟500-10000个数据点；
39、本步骤中，依次更换光阑，从三阶光阑至更高阶光阑，采集振荡信号，直至采集到周期性变化、振幅恒定且完整的振荡信号，以此时光阑的探测阶数为待测液态金属的振荡阶数n；
40、步骤4：当确定待测液态金属的振荡阶数n后，旋转调节扇形遮光板上探测间隙的位置，改变探测间隙之间的夹角，使采集的振荡信号最佳；
41、步骤5：根据振荡阶数、密度、振荡频率和半径推导待测液态金属的表面张力，单位牛每米，公式如下；
42、
43、其中，n为振荡阶数，f为振荡频率，为温度为t1时液态金属的密度，单位千克每立方米。
44、当确定待测液态金属的高阶振荡信号为n阶后，旋转光阑上的n个扇形遮光板，调节出最佳的探测间隙位置；进一步准确探测待测液态金属高阶振荡频率，并根据振荡频率得到表面张力。
45、有益效果
46、本发明涉及一种测定静电悬浮液态金属振荡频率和表面张力的装置及方法，属于静电悬浮液态金属物理参数的测量领域。装置包括定位激光器、静电悬浮装置、光阑、光电探测器和处理器。所述光阑为n阶光阑，结构为在光阑中部的遮光板上设有n条探测间隙。频率和表面张力的测量方法为：当悬浮的液态金属稳定振荡后，依次替换三阶、四阶或者五阶等光阑，探测液态金属的振荡信号；得到振荡信号频率，继而得到待测液态金属的表面张力。本发明能够实时、完整和准确的测定待测液态金属高阶振荡信息，获得测定待测液态金属在高阶振荡下的振荡频率以及表面张力等热物理性质。
47、有益效果具体为以下几点：
48、1、本发明提出了一种测定静电悬浮液态金属振荡频率和表面张力的方法。弥补了竖直窄缝不利于测定液态金属高阶振荡的遗憾，解决了当前液态金属高阶振荡信号无法被准确测定的问题。
49、2、该方法创新性地提出了测定液态金属高阶振荡的装置和技术步骤。采用设计的光阑实时测定和采集液态金属高阶振荡信号。
50、3、本发明创新设计了一种带有探测间隙的扇形遮光板。组成“y”型和“”型等形状的探测间隙，分别用于测定液态金属三和四阶等的高阶振荡行为。探测间隙形状与液态金属振荡形态贴合。振荡信号反映了液态金属真实的振荡行为，这使得采集的振荡信号丰富和可靠。
51、4、在液态金属振荡过程中，形态受电场力、重力和表面张力的共同作用。如果液态金属发生振荡，重心偏移，则振荡形态并不完全具有竖直对称性。针对该问题，探测阶数n的可旋转扇形遮光板被设计。调整扇形遮光板上探测间隙角度可使采集的振荡信号强度最大。
52、5、本发明提出了一种探测液态金属高阶振荡阶数n的策略。根据液态金属的尺寸设计扇形遮光板中探测间隙尺寸，这有益于精准捕捉液态金属的振荡形态，获得液态金属更加完整的振荡信号。
53、6、光阑的圆型外框上画有刻度线，这有利于精准旋转扇形遮光板的角度，使采集的振荡信号最佳，且旋转角度可重复。
54、7、该方法能够采集液态金属的振荡阶数n和振荡频率f，进一步计算液态金属在高阶振荡下的表面张力。
55、8、本发明设计操作便捷，测试效率高，仅通过对探测间隙的结构和尺寸设计探测液态金属高阶振荡信息，推导液态金属表面张力。
1.一种测定静电悬浮液态金属振荡频率和表面张力的装置，其特征在于包括定位激光器、静电悬浮装置、光阑、光电探测器和处理器；定位激光器、静电悬浮装置、光阑和光电探测器位于同一光路，光电探测器与处理器为电连接，光电探测器探测的信号输入处理器中；所述光阑为n阶光阑，光阑的阶数n等于待测液态金属的振荡阶数，其中；所述n阶光阑中部的遮光板上设有n条宽度为hn的探测间隙，n条探测间隙以遮光板的中心为圆心，向外延伸长度为dn，相邻两条探测间隙的初始夹角度；所述探测间隙的长度dn和宽度hn通过待测液态金属的质量和密度确定。
2.根据权利要求1所述一种测定静电悬浮液态金属振荡频率和表面张力的装置，其特征在于：所述光阑包括n个扇形遮光板，探测间隙位于每个扇形遮光板的对称中线上。
3.根据权利要求2所述一种测定静电悬浮液态金属振荡频率和表面张力的装置，其特征在于：所述n个扇形遮光板相邻之间通过固定板连接，固定板固定在圆型外框上。
4.根据权利要求3所述一种测定静电悬浮液态金属振荡频率和表面张力的装置，其特征在于：所述圆型外框上设有0至360度刻度线，刻度线间隔0.5度。
5.根据权利要求4所述一种测定静电悬浮液态金属振荡频率和表面张力的装置，其特征在于：所述扇形遮光板相对于圆型外框，以圆心为轴旋转0度至90/n度；通过旋转扇形遮光板调整相邻两条探测间隙的夹角。
6.根据权利要求5所述一种测定静电悬浮液态金属振荡频率和表面张力的装置，其特征在于：所述扇形遮光板包括两块对称的扇形板和硬质材料板，两块对称的扇形板之间设有一块硬质材料板，硬质材料板至扇形板的圆心为探测间隙。
7.根据权利要求6所述一种测定静电悬浮液态金属振荡频率和表面张力的装置，其特征在于：所述定位激光器与静电悬浮装置之间的距离为5至50厘米；所述光阑与静电悬浮装置之间的距离为5至20厘米；所述光阑与光电探测器之间的距离为5至10厘米。
8.根据权利要求7所述一种测定静电悬浮液态金属振荡频率和表面张力的装置，其特征在于：所述探测间隙的长度dn和探测间隙的宽度hn的设计步骤为：
9.一种测定静电悬浮液态金属振荡频率和表面张力的方法，其特征在于：利用权利要求8所述的装置对静电悬浮液态金属振荡频率和表面张力进行测定，测定步骤为：
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于：当确定待测液态金属的高阶振荡信号为n阶后，旋转光阑上的n个扇形遮光板，调节出最佳的探测间隙位置；进一步准确探测待测液态金属高阶振荡频率，并根据振荡频率得到表面张力。
