[發明專利]一種用于高溫熔融材料靜電懸浮無容器實驗裝置的控制系統

在審

• 申請號: 202010054115.4
• 申請日: 2020-01-17
• 公開（公告）號: CN111257314A
• 公開（公告）日: 2020-06-09
• 發明（設計）人: 于強;翟光杰;孫志斌;鄭福;陸瀟曉
• 申請（專利權）人: 中國科學院國家空間科學中心
• 主分類號: G01N21/84
• 分類號: G01N21/84;G01B11/24
• 代理公司: 北京方安思達知識產權代理有限公司 11472
• 代理人: 楊青;陳琳琳

1.一種用于高溫熔融材料靜電懸浮無容器實驗裝置的控制系統，該控制系統控制熔融罐內的懸浮加熱樣品，完成無容器高溫熔體實驗；所述控制系統包括：靜電懸浮真空度控制子系統、靜電懸浮位置控制子系統、靜電懸浮溫度控制子系統和高速成像子系統；這些子系統布設在熔融罐的周圍；

所述靜電懸浮真空度控制子系統，用于控制靜電懸浮熔融罐內的真空度，使實驗在無干擾無擾動的環境中進行；

所述靜電懸浮位置控制子系統，用于控制樣品的位置及速度，使樣品穩定懸浮；還用于采集樣品的位置數據并進行上傳；

所述靜電懸浮溫度控制子系統，用于控制加熱激光器的功率，使樣品溫度值達到預期值，還用于采集樣品的溫度數據并進行上傳；

所述高速成像子系統，用于采集靜電懸浮樣品的表面瞬態，并進行成像。

2.根據權利要求1所述的用于高溫熔融材料靜電懸浮無容器實驗裝置的控制系統，其特征在于：所述靜電懸浮位置控制子系統包括：電極、PSD平行光源、PSD傳感器、電壓采集電路、位置控制器、高壓電源、偏置電源和紫外補光燈；

所述電極是由上電極、下電極和輔助電極構成的，用于產生向上且左右約束力足夠的電場，讓帶電樣品能穩定地懸浮在上電極和下電極之間；

所述PSD平行光源用于產生PSD可監測的特定波長的平行光束，該平行光束照射在樣品上；

所述PSD傳感器用于將樣品的位置轉換為模擬電壓信號，然后發送電壓采集電路至；

所述電壓采集電路用于將模擬電壓信號二次放大并轉換為數字信號，所述電壓采集電路包括二次放大電路和AD轉換電路；

所述位置控制器是由單片機構成的控制器，用于從所述電壓采集電路讀取樣品位置數據，用于向高壓電源輸出電壓控制信號；

所述高壓電源用于將位置控制器提供的控制信號輸出直流高壓至上電極；

所述偏置電源，用于當懸浮樣品難起跳時，給下電極一個偏置電壓，增強上電極和下電極間的電場強度，使樣品起跳；

所述紫外補光燈用于照射樣品的表面，給樣品補充表面電荷。

3.根據權利要求2所述的用于高溫熔融材料靜電懸浮無容器實驗裝置的控制系統，其特征在于：所述位置控制器還包括串口通信模塊，用于完成位置控制器與上位機之間的數據通信，該數據包含：位置PID參數、設定位置值信息和實際位置信息。

4.根據權利要求3所述的用于高溫熔融材料靜電懸浮無容器實驗裝置的控制系統，其特征在于：所述靜電懸浮溫度控制子系統包括雙波長紅外測溫儀、紅外加熱激光和溫度控制器；

所述雙波長紅外測溫儀是由高溫段測溫儀和低溫段測溫儀構成的，用于采集材料樣品的溫度，并將溫度值轉為數字信號發送給溫度控制器；

所述溫度控制器是由單片機和外圍電路構成的，用于讀取高溫段測溫儀和低溫段測溫儀發送的材料溫度數據、實現溫度控制、向紅外加熱激光發出控制信號；

所述紅外加熱激光是由三臺互呈120°的加熱激光器構成的，用于根據溫度控制器發出的控制信號調制輸出激光的功率，使樣品溫度達到預設值。

5.根據權利要求4所述的用于高溫熔融材料靜電懸浮無容器實驗裝置的控制系統，其特征在于：所述溫度控制器還包括串口通信模塊，用于完成溫度控制器與上位機之間的數據通信。

6.根據權利要求5所述的用于高溫熔融材料靜電懸浮無容器實驗裝置的控制系統，其特征在于：所述靜電懸浮真空度控制子系統包括：真空規管、干泵、分子泵和閘板閥；

所述真空規管用于監測熔融罐內的真空度，并將真空度轉化為數字信號傳給上位機；

所述干泵，用于將熔融罐內從常壓抽至10Pa以下，使分子泵正常啟動；

分子泵由分子泵體和分子泵驅動控制器構成的，分子泵驅動控制器接收并執行上位機發送的指令，驅動分子泵體將熔融罐內抽至極限真空；

閘板閥用于將熔融罐至分子泵體的真空管路分成兩部分，待熔融罐罐的真空環境達到分子泵體工作條件后開通。

7.根據權利要求2所述的用于高溫熔融材料靜電懸浮無容器實驗裝置的控制系統，其特征在于：所述高速成像子系統包括濾波片、高速CCD和高速存儲設備；其中，濾波片和高速CCD與靜電懸浮位置控制子系統中的紫外補光燈處于同一直線上；

所述濾波片是透紫外濾波片，用于將紅外線濾除得到清晰的樣品輪廓；

所述高速CCD用于放大并快速獲取懸浮樣品表面圖像；包括長焦鏡頭和CCD相機；

所述高速存儲設備用于存儲高速CCD采集到的圖像信息，包括高速存儲卡和處理電路。