一种空间材料实验固液界面检测系统的制作方法

本发明涉及空间材料领域，具体地涉及一种空间材料实验固液界面检测系统。

背景技术：

在空间材料实验中，对材料的定向融化和凝固是获得新型材料的一种常用方法，要在不可视条件下获得实验材料的状态，对材料开展进一步的研究，对实验过程中的金属固液界面位置的检测就显得尤为重要。

目前已有的几种非破坏性的方法可以对材料的固液界面进行在线监测，包括温度传感器测量方法，电流测量方法(热电流和电阻率)，以及利用射线成像方法和超声波检测方法。其中温度传感器测量方法是通过温度传感器来获取固液界面区域中的温度分布，但会因为过冷现象而导致的固液界面的明显偏移而不敏感。电流法对电子学的测量要求很高，而且金属样品在区熔状态下的电阻变化率很小，难以检测。x射线成像方法，需要屏蔽，以防x泄露对宇航员造成伤害，所需要的条件极为苛刻，在空间环境下难以实现。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术缺陷，提出了一种空间材料实验固液界面检测系统。

为了实现上述目的，本发明提出了一种空间材料实验固液界面检测系统，其特征在于，所述系统包括：加热炉、温度控制模块、超声检测模块、样品移动控制模块、水循环制冷模块、数据处理模块和控制模块；

所述加热炉，用于固定并加热置于石英安瓿内的待测样品，接收温度控制模块发出的温度控制指令，为待测样品提供熔化所需要的温区；所述石英安瓿延伸出加热炉的一端开口，待测样品从石英安瓿开口端伸出的端面为测量端；待测样品的固液界面位于加热炉内；

所述温度控制模块，用于采集加热炉的温度信息，并发送至控制模块；还用于接收控制模块发送的温度控制指令，由此控制加热炉的工作温度；

所述超声检测模块，用于对待测样品发射超声波脉冲信号，然后接收超声波回波信号，对超声波回波信号进行处理得到固液界面位置信息，并发送至数据处理模块；

所述水循环制冷模块，用于采集水温信息，并发送至控制模块；还用于接收控制模块发送的水冷控制指令，通过水循环降低测量端的温度；

所述样品移动控制模块，用于采集石英安瓿相对于加热炉口的位置信息，并发送至控制模块；还用于接收控制模块发送的移动控制指令，由此控制石英安瓿在加热炉中的移动，完成样品的生长过程；

所述数据处理模块，用于接收超声检测模块发送的固液界面位置信息，经计算得到固液界面位置变化和固液界面推移速度；

所述控制模块，用于接收温度控制模块发送的加热炉温度信息，生成温度控制指令,并发送至温度控制模块；用于接收水循环制冷模块发送的水温信息，生成水冷控制指令，并发送至水循环制冷模块，还用于接收样品移动控制模块发送的位置信息，生成移动控制指令，并发送至样品移动控制模块。

作为上述系统的一种改进，所述加热炉为中空圆柱体，所述石英安瓿为中空圆柱体，两者的轴向平行。

作为上述系统的一种改进，所述温度控制模块包括温度传感器和温度控制器；其中，

所述温度传感器，用于采集加热炉的温度信息，并发送至控制模块；

所述温度控制器，用于接收控制模块发送的温度控制指令，由此控制加热炉工作。

作为上述系统的一种改进，所述超声检测模块为由超声波传感器、信号调理电路、信号采集电路和回波信号处理器串联组成的电路；其中，

所述超声波传感器，通过耦合剂紧贴待测样品测量端，用于向待测样品内部发射超声脉冲波信号，还用于接收经待测样品固液界面反射的超声波回波信号；

所述信号调理电路，用于对收到的超声波回波信号进行滤波和放大处理；

所述信号采集电路，用于采集经信号调理电路处理后的超声波回波信号；

所述回波信号处理器，用于对采集的超声波回波信号进行处理，得到固液界面位置信息并分别发送至数据处理模块。

作为上述系统的一种改进，所述水循环制冷模块包括：水温传感器、水泵控制器、水冷铜管环、水泵、水箱和输水管；其中，水温传感器设置在水箱壁上，水泵控制器通过导线与水泵连接，水箱连接两根输水管，一根输水管直接与水冷铜管环连通，另一根输水管经水泵与水冷铜管环连通，水冷铜管环缠绕在加热炉和超声传感器之间的待测样品上；

所述水温传感器，用于采集水温信息，并发送至控制模块；

所述水泵控制器，用于接收控制模块发送的水冷控制指令，由此控制水泵工作；

所述水泵，用于在水泵控制器的控制下，带动水循环；

所述水箱，用于提供热沉。

作为上述系统的一种改进，所述样品移动控制模块包括：电机控制器、步进电机、减速器、丝杠、机械手、滑轨和样品位置传感器；其中，

所述电机控制器，用于接收控制模块发送的移动控制指令，由此控制步进电机工作；

所述减速器，用于带动丝杠转动；

所述丝杠，用于带动机械手移动；

所述机械手，用于抓住石英安瓿；

所述滑轨，用于使机械手带动石英安瓿沿直线移动；

所述样品位置传感器，用于测量石英安瓿相对于加热炉口的位置信息。

作为上述系统的一种改进，所述数据处理模块的具体实现过程为：

接收超声检测模块的固液界面位置信息：

t1时刻固液界面的位置为x1，t2时刻固液界面的位置为x2，

计算得到固液界面位置变化δx为：

δx＝x2-x1

计算得到固液界面推移速度v为：

v＝δx/(t2-t1)。

作为上述系统的一种改进，所述控制模块包括：温度控制单元、制冷控制单元和移动控制单元；其中，

所述温度控制单元，用于接收温度传感器采集的加热炉温度信息，根据预设温度和测量温度的差值，生成温度控制指令，并发送至温度控制器，该温度控制指令包括加热炉启动指令和加热炉停止工作指令；

所述制冷控制单元，用于接收水温传感器采集的水温信息，生成水冷控制指令，并发送至水泵控制器，该水冷控制指令包括水泵启动指令和水泵停止工作指令；

所述移动控制单元，用于接收样品位置传感器采集的位置信息，生成移动控制指令，并发送至电机控制器，该移动控制指令包括电机启动指令、电机停止工作指令、电机转速设置指令和电机转动方向设置指令。

与现有技术相比，本发明的优势在于：

在空间材料实验过程中，对固液界面实时检测，并实时记录固液界面的位置信息，后续可根据所述固液界面信息对材料状态进行分析，为未来开展空间科学实验打下基础。

附图说明

图1是本发明实施例1的一种空间材料实验固液界面检测系统原理框图；

图2是本发明实施例1的超声波检测模块组成框图；

图3是本发明实施例1的加热炉组成框图；

图4是本发明实施例1的水循环制冷模块组成框图；

图5是本发明实施例1的样品移动模块组成框图。

具体实施方式

本发明提供一种用于空间材料定向凝固实验过程中固液界面的检测方法，用于检测空间材料金属融化定向凝固实验过程中固液界面的位置和推移速度，所述此检测系统包括超声检测模块、水循环制冷模块、加热炉、样品移动模块、数据处理模块和控制指令控制模块。

超声检测模块，利用收发一体的超声波传感器，用于发射超声波脉冲信号和接收超声波回波信号，进行超声波信号的检测采集。超声检测子模块包括超声波传感器、耦合剂、超声波发射电路和超声波接收电路，所述超声波传感器在所测物品一侧，利用耦合剂使其紧贴材料，所述超声波传感器发射的超声脉冲波经所述耦合剂进入材料内部遇到界面后返回的反射波被同一个传感器接收。超声接收探头与发射探头为同一探头，当有固液界面位于被测样品中且所述固液界面位于超声波传感器测量范围内，使得到达该区域的超声波能够几乎全部返回，所述超声传感器能够接收和记录几乎全部的超声波信息。传感器紧贴所测样品，超声传感器发射脉冲超声波，脉冲波遇到界面即返回，超声传感器会接收到回波信号，金属融化过程中固液界面在不断地推移，所以超声脉冲回波信号也在不断地变化，超声检测装置能够采集并记录固液界面位置的变化信息。

水循环制冷模块用于降低样品测量端的温度，用于将样品与超声传感器接触端降温，以保证超声波传感器能够正常工作。水循环制冷模块包括制冷铜管、输水管、水泵、水箱、水温传感器和水泵控制器。水泵运转的时候形成水循环制冷模块，保证样品测量端的温度低于100℃。在所测样品的一侧环绕铜管，使冷水循环，用于降低超声传感器所测接触面的温度，保证耦合剂不至挥发，并且超声波传感器不受高温干扰。水温传感器设置在水箱壁，测量水温。水泵控制器控制水泵工作。

加热炉加热棒状样品，使之局部熔化。它由热电偶、陶瓷炉管、加热丝、保温层组成。

温度控制模块包括温度传感器和温度控制器。加热丝加电的时候炉温升高，根据热电偶的反馈信号，温度控制器控制炉子的温度，达到样品熔化所需要的温度。

样品移动机构带动样品在炉膛中移动，使样品的固液界面沿样品轴向移动，完成样品的生长过程。它包括电机、减速器、模组、限位开关和电机控制器。它由电机、减速器、带丝杠的机构、以及电机控制器组成。样品熔化之后，电机控制器控制电机通过丝杠带动样品在炉子内部移动，使固液界面随之移动，从而实现样品的生长过程。

数据处理模块用于根据超声波传感器的数据，计算得到固液界面位置变化和推移速度。

控制模块用于接收加热炉温度数据、水循环制冷模块的水温数据和样品移动模块的位置数据，控制样品生长的过程。包括加热炉温度控制、水循环制冷控制与样品移动控制，向温度控制模块的温度控制器、水循环制冷模块的水泵控制器和样品移动控制模块的电机控制器发出控制指令。

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案进行详细的说明。

实施例1

如图1所示，本发明的实施例1提供了一种空间材料实验固液界面检测系统。所述空间材料实验固液界面的检测系统，包括加超声检测模块、加热炉、温度控制模块、水循环制冷模块、样品移动模块、以及数据处理与控制模块。该系统可以可靠稳定地加热样品，使样品融化和凝固，完成实验过程中超声信号采集处理，以此推断出固液界面的位置信息和推移速度。

如图2所示为超声检测模块，由超声波传感器、信号调理、信号采集、回波信号处理器和通信接口组成。超声波传感器在置于样品的一端，利用耦合剂使其紧贴样品，超声波传感器发射的超声脉冲波经耦合剂进入材料内部，遇到界面后返回的反射波被同一个传感器接收。超声接收探头与发射探头为同一探头，到达固液界面的超声波能够几乎全部返回，超声波传感器能够接收和记录几乎全部的超声波信息。超声波的反射信号被传感器接收之后，经过信号调理电路和信号采集电路，被回波信号处理器获取，在回波信号处理器中对所采集信号进行运算，得到固液界面的位置信息，将该信息通过通信接口传输出去。

如图3所示为加热炉，提供加热样品所需要的温区。加热炉系统由加热器、热电偶、保温层、石英安瓿组成。

温度控制模块包括温度传感器和温度控制器。温度传感器向控制指令控制模块发送采集的加热炉内的温度；温度控制器，接收控制指令控制模块发送的温度控制指令，根据温度控制指令控制加热炉工作能够将炉膛内的温度控制在样品熔化所需温度，在炉膛内部形成样品熔化时的固液界面。

如图4所示为水循环制冷模块，由水温传感器、水泵控制器、水冷铜管环、水泵、水箱和输水管组成。水温传感器设置在水箱壁上，水泵控制器通过导线与水泵连接，水冷铜管环包裹着样品的一端，使之温度低于100℃。水泵带动水的循环，水箱提供热沉。整个系统形成一套制冷器，保证样品测量端的温度在可接受的范围之内，使耦合剂不因高温挥发，并且使超声波传感器处于较低温的环境中，以便准确地测量超声波数据。

如图5所示为样品移动模块，由步进电机、减速器、丝杠、滑轨、机械手、位置信息传感器以及电机控制器组成。电机控制器控制电机，通过减速器带动丝杠转动，从而带动机械手移动。机械手抓住样品安瓿，以此带动样品安瓿在炉膛中移动，从而形成了移动的固液界面。滑轨的作用是保证样品能够沿直线移动。位置信息传感器采集安瓿伸出炉膛的位置信息发送至控制模块。

数据处理模块与控制模块是一台计算机。数据处理模块接收超声波的测量数据，并计算得到固液界面位置变化和推移速度。具体过程为：

接收超声检测模块的固液界面位置信息：

t1时刻固液界面的位置为x1，t2时刻固液界面的位置为x2，

计算得到固液界面位置变化δx为：

δx＝x2-x1

计算得到固液界面推移速度v为：

v＝δx/(t2-t1)

控制模块接收温度传感器采集的加热炉温度，通过温度控制器控制加热炉的温度；接收水温传感器采集的水温，通过水泵控制器控制水泵工作，以水循环方式降低测量端的温度；接收位置传感器采集位置信息，通过电机控制器控制样品移动的速度和方向，从而实现一个完成的样品生长过程。具体而言，控制指令控制模块包括温度控制单元、制冷控制单元和移动控制单元；其中，

温度控制单元，接收温度控制模块采集的加热炉内的温度，根据预设温度和测量温度的差值，向温度控制模块发送温度控制指令，该温度控制指令包括加热炉启动指令和加热炉停止工作指令；

制冷控制单元，接收水循环制冷模块采集的水温，向水循环制冷模块发送水冷控制指令，该水冷控制指令包括水泵启动指令和水泵停止工作指令；

移动控制单元，接收样品位置传感器信息，向样品移动控制模块发送移动控制指令，该移动控制指令包括电机启动指令、电机停止工作指令，电机转速设置指令和电机转动方向设置指令，后两个指令可以控制样品移动速度和样品的移动方向。

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。