[发明专利]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

权利要求书

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。

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。