CN106968012B - 一种自动进液式液桥生成系统及方法 - Google Patents
一种自动进液式液桥生成系统及方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供一种自动进液式液桥生成系统及方法，所述系统包括液桥生成器，所述液桥生成器包括上桥柱和下桥柱，所述上桥柱由上送气套管和上盘焊接组装，所述下桥柱由下送气套管和下盘焊接组装；所述液桥生成系统还包括进液装置和智能控制终端，所述进液装置位于所述液桥生成器上方，所述进液装置包括储液腔，所述储液腔上设有推进杆，所述推进杆和所述储液腔分别与第一步进电机和第二步进电机连接，所述第一步进电机和所述第二步进电机分别通过第一步进电机驱动器和第二步进电机驱动器与所述智能控制终端相连；所述储液腔下端连接直针管，所述上盘中心设有通孔，所述直针管插入所述通孔中随所述储液腔作上下移动。
Description
技术领域
本发明涉及一种液桥生成系统及方法，属于流体物理学技术领域，具体涉及一种自动进液式液桥生成系统及方法。
背景技术
Keek 和Golay 于1953 年创立了浮区法晶体生长技术，浮区法技术是一种生长高质量、高熔点晶体材料的无容器法，同时其具有无污染生长的优点，被认为是空间生长单晶的主要方法之一，现如今20%工业应用的高质量硅单晶都是通过浮区法生长的。目前在实验室内用于模拟浮区法晶体生长过程的物理模型称为液桥，在对液桥进行实验研究的过程中，发现周围剪切气流、温差和液桥体积比是影响液桥界面形状的主要因素。但传统的液桥生成器由于功能单一，很少能综合考虑这三方面因素，近期中国专利CN 105839174 A公开了一种多功能温度可控式液桥生成器，该液桥生成器在周围剪切气流和温差方面做得比较完善，但在液桥体积比方面仅仅是通过调节上下桥柱之间的距离来控制体积比，且在进液方面完全依靠手动进液，进液量难免有误差，因此其得到的液桥体积比较为片面，所得到的数据可靠性也较差。针对现有液桥生成装置存在的操作过程不精确、数据稳定性差、需手动进样等弊端，亟需开发一种结构简单、功能齐全的自动进液式液桥生成系统。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供一种自动进液式液桥生成系统及方法，所述系统采用智能终端自动控制进液过程，可控制合适的液桥体积比，数据稳定可靠。本发明的技术方案为：
一种自动进液式液桥生成系统，包括液桥生成器，所述液桥生成器包括上桥柱和下桥柱，所述上桥柱和所述下桥柱垂直相对安装在支架的上下两侧，所述上桥柱和所述支架的安装处设有用于调节所述上桥柱高度的紧固螺钉；所述上桥柱由上送气套管和上盘焊接组装，所述下桥柱由下送气套管和下盘焊接组装；所述液桥生成系统还包括进液装置和智能控制终端，所述进液装置位于所述液桥生成器上方，所述进液装置包括储液腔，所述储液腔上设有推进杆，所述推进杆和所述储液腔分别与第一步进电机和第二步进电机连接，所述第一步进电机和所述第二步进电机分别通过第一步进电机驱动器和第二步进电机驱动器与所述智能控制终端相连；所述储液腔下端连接直针管，所述上盘中心设有通孔，所述直针管插入所述通孔中随所述储液腔作上下移动。
进一步地，所述上送气套管的侧部设有进气支管，所述进气支管连接给气系统。
进一步地，所述直针管下方设有缓冲薄盘，所述缓冲薄盘上均匀布置小孔。
进一步地，所述上盘通孔的下方设有凹槽，所述凹槽的尺寸与所述缓冲薄盘的尺寸相同。
进一步地，所述进液装置还包括Z型针管，所述Z型针管用于储液腔吸取液体。
进一步地，所述进液装置还包括导轨，所述第一步进电机固定安装于所述导轨上方，所述第二步进电机穿过所述导轨并沿所述导轨上下运动。
进一步地，所述第一步进电机优选两相步进电机，所述第二步进电机优选五相步进电机。
进一步地，所述液桥生成系统还包括温控装置和高速摄像机。
进一步地，所述温控装置包括PI膜加热片、热电偶片、温度控制器和继电器，所述PI膜加热片和所述热电偶片缠绕在所述上送气套管上，并且所述PI膜加热片位于所述热电偶片上方5mm处，所述PI膜加热片、所述温度控制器、所述继电器与电源形成加热回路。
进一步地，所述高速摄像机与所述智能控制终端连接。
一种自动进液式液桥生成方法，是采用上述系统，包括以下步骤：
（1）调整上下液桥柱距离以达到设定液桥体积比；
（2）将进液装置的储液腔中进液，启动第一步进电机带动推进杆向下运动，液体从直针管中溢出，在下盘上形成基础液体；
（3）启动第二步进电机带动储液腔向上运动，液体填充在上盘和下盘之间形成液桥。
进一步地，所述液桥生成方法还包括通气过程，所述通气过程包括待液桥形成以后，向上桥柱送气套管输入气体从上往下外掠液桥。
本发明的有益效果是：与传统的液桥生成装置相比，本发明的液桥生成系统除保留原有的液桥生成装置可研究周围剪切气流、温差这些因素对液桥界面形状的影响外，还通过智能控制终端和进液装置完成自动进液过程，有效地解决了传统液桥生成器手动进液的弊端，既可以摒除人为因素的干扰，又可以保证适宜的体积比，还能快速稳定的生成液桥，节省实验的时间。此外，本发明的液桥生成系统设计巧妙、结构简单合理，便于研究由定常流向振荡流过渡的整个过程，综合考虑各因素对晶体生长过程的影响，较现有液桥生成器所获得的数据更为全面、稳定、可靠，对研究浮区晶体生长过程具有重要意义。
附图说明
图1是本发明的自动进液式液桥生成系统的一种结构示意图；
图2是图1的液桥生成器的结构示意图；
图3是图2的上桥柱的结构示意图，其中图3a是上桥柱的平面结构示意图，图3b是上桥柱的等轴测图，图3c是上桥柱的剖面图；
图4为图2的下桥柱的结构示意图，其中图4a为下桥柱的等轴测图，图4b是下桥柱的剖面图；
图5是图1的进液装置的结构示意图，其中图5a是进液装置的等轴测图，图5b是进液装置的剖面图；
图1~5中,1-氮气瓶，2-第一步进电机驱动器，3-变压器，4-第二步进电机驱动器，5-智能控制终端，6-高速摄像机，7-玻璃套管，8-下盘，9-上盘，10-热电偶片，11-PI膜加热片，12-第二步进电机，13-储液腔，14-第一步进电机，15-进气支管，16-温度控制器，17-继电器，18-推进杆，19-直针管，20-缓冲薄盘，21-下桥柱，22-托盘，23-上桥柱，24-Z型针管，25-上盘凹槽 ，26-气体流量计，27-上盘通孔，28-液桥生成器，29-进液装置，30-上送气套管，31-下送气套管，32-支架，33-导轨，34-紧固螺钉。
具体实施方式
本发明实施例采用的高速摄像机型号为：WX-50。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语‘中心’、‘上’、‘下’等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
另外，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语‘安装’、‘相连’、‘连接’应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，还可以是两个元件内部的连通，可以是无线连接，也可以是有线连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面结合附图和具体的实施例对本发明做进一步详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
如图1所示，一种自动进液式液桥生成系统，包括智能控制终端5、一台高速摄像机6、液桥生成器28、进液装置29和温控装置，所述智能控制终端5为嵌入式计算机控制系统；所述高速摄像机6与所述智能控制终端5连接，所述液桥生成器28上方为进液装置29，所述温控装置通过变压器3连接电源，所述液桥生成器28通过气体管道连接氮气瓶1，所述气体管道上还设有气体流量计26。
如图2~4所示的液桥生成器结构，所述液桥生成器28包括上桥柱23和下桥柱21，所述上桥柱23和所述下桥柱21中心在同一铅垂线上，并且所述上桥柱23和所述下桥柱21垂直相对安装在支架32的上下两侧，所述上桥柱23和所述支架32的安装处设有用于调节所述上桥柱高度的紧固螺钉34，所述下桥柱21通过托盘22固定在支架32上；所述上桥柱23由上送气套管30和上盘9焊接组装，所述上盘9中心设有通孔27；所述下桥柱21由下送气套管31和下盘8焊接组装；所述上送气套管30与上盘9的连接处和所述下送气套管31与下盘8的连接处均设有气孔；所述上送气套管30的管内经为11mm，外径为12mm，长80mm，所述下送气套管31的管内经为11mm，外径为12mm，长60mm；所述上送气套管30的侧部设有进气支管15，所述进气支管 15连接氮气瓶1。所述上桥柱23和所述下桥柱21之间安装有玻璃套管7。所述上盘通孔27的下方设有凹槽25，用于存放缓冲薄盘20，所述凹槽直径3mm，深1.2mm。
如图5所示的进液装置结构，所述进液装置29位于所述液桥生成器28上方，所述进液装置29包括储液腔13，储液腔尺寸为：内经6.8mm，外径8mm，高50mm，其上标有刻度，为玻璃材质；所述储液腔13上设有推进杆18，所述推进杆18和所述储液腔13分别与第一步进电机14和第二步进电机12连接，所述第一步进电机14和所述第二步进电机12分别通过第一步进电机驱动器2和第二步进电机驱动器4与所述智能控制终端5相连，优选地，所述第一步进电机14为两相步进电机，所述第二步进电机12为五相步进电机；所述储液腔13下端连接直针管19，所述上盘9中心设有通孔27，所述直针管19插入所述通孔27中随所述储液腔13作上下移动。所述直针管19下方设有缓冲薄盘20，所述缓冲薄盘20上均匀布置小孔，缓冲薄盘可有效防止液体流速过大冲击液桥而导致液桥生成失败。所述缓冲薄盘20的尺寸为：厚1mm，直径2.8mm。所述进液装置还包括Z型针管24，所述Z型针管24用于储液腔吸取液体。所述进液装置还包括导轨33，所述第一步进电机14固定安装于所述导轨33上方，所述第二步进电机12穿过所述导轨33并沿所述导轨33上下运动。
所述温控装置包括PI膜加热片11、热电偶片10、温度控制器16和继电器17，所述PI膜加热片11和所述热电偶片10缠绕在所述上送气套管30上，并且所述PI膜加热片11位于所述热电偶片10上方5mm处，所述PI膜加热片11、所述温度控制器16、所述继电器17与电源形成加热回路。操作原理为：热电偶片测量端的温度反馈给温度控制器，温度控制器得以控制继电器的开关来实现PI膜加热片的自动加热。
采用本发明自动生成液桥进行实验的过程如下：
首先调整紧固螺钉34，使上下桥柱保持适当的距离以保证实验所需要的液桥高度，接着将Z形针管24安装在进液装置29上，通过嵌入式计算机控制系统5给第一步进电机驱动器2一系列脉冲信号，使第一步进电机14带动推进杆18往上移动，通过Z形针管24吸收液体并储存在储液缸13内完成进液工作。进液工作完成以后将Z形针管24换成直针管19，接着通过嵌入式计算机控制系统5重新给第一步进电机驱动器2一系列新的脉冲信号，使第一步进电机14往下推动推进杆18，在下盘8上形成基础液滴，基础液滴形成以后，计算机控制系统自动改变第一步进电机驱动器2所接收的脉冲信号，第一步进电机14减速，同时嵌入式计算机控制系统5给第二步进电机驱动器4一系列脉冲信号，第二步进电机12带动进液装置往上移动，此时直针管19在往上移动的过程中不停的往下注射液体，液体在缓冲薄盘20的缓冲下流速减小，同时液体在缓冲薄盘20的表面张力带动下填充在上盘9和下盘8之间，当缓冲薄盘20进位到上盘凹槽25里面后，嵌入式计算机控制系统5断开第一步进电机14和第二步进电机驱动器4的脉冲信号，第一步进电机14和第二步进电机12保持不动，此时形成实验所需的标准体积比的液桥，接着调整高速摄像机6和液桥之间的焦距，直到计算机屏幕上能观察到清晰、大小适合的图像为止，然后缓慢打开氮气阀门，开启加热装置，待液桥震荡稳定后开始拍摄液桥数字图像。
最后应该说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本权利要求范围当中。
Claims (8)
1.一种自动进液式液桥生成系统，包括液桥生成器，所述液桥生成器包括上桥柱和下桥柱，所述上桥柱和所述下桥柱垂直相对安装在支架的上下两侧，所述上桥柱和所述支架的安装处设有用于调节所述上桥柱高度的紧固螺钉；所述上桥柱由上送气套管和上盘焊接组装，所述下桥柱由下送气套管和下盘焊接组装；其特征在于所述液桥生成系统还包括进液装置和智能控制终端，所述进液装置位于所述液桥生成器上方，所述进液装置包括储液腔，所述储液腔上设有推进杆，所述推进杆和所述储液腔分别与第一步进电机和第二步进电机连接，所述第一步进电机和所述第二步进电机分别通过第一步进电机驱动器和第二步进电机驱动器与所述智能控制终端相连；所述储液腔下端连接直针管，所述上盘中心设有通孔，所述直针管插入所述通孔中随所述储液腔作上下移动；
所述液桥生成系统还包括温控装置和高速摄像机，所述温控装置包括PI膜加热片、热电偶片、温度控制器和继电器，所述PI膜加热片和所述热电偶片缠绕在所述上送气套管上，并且所述PI膜加热片位于所述热电偶片上方5mm处，所述PI膜加热片、所述温度控制器、所述继电器与电源形成加热回路；所述高速摄像机与所述智能控制终端连接。
2.根据权利要求1所述的一种自动进液式液桥生成系统，其特征在于所述直针管下方设有缓冲薄盘，所述缓冲薄盘上均匀布置小孔。
3.根据权利要求2所述的一种自动进液式液桥生成系统，其特征在于所述上盘通孔的下方设有凹槽，所述凹槽的尺寸与所述缓冲薄盘的尺寸相同。
4.根据权利要求1所述的一种自动进液式液桥生成系统，其特征在于所述进液装置还包括Z型针管，所述Z型针管用于储液腔吸取液体。
5.根据权利要求1所述的一种自动进液式液桥生成系统，其特征在于所述进液装置还包括导轨，所述第一步进电机固定安装于所述导轨上方，所述第二步进电机穿过所述导轨并沿所述导轨上下运动。
6.根据权利要求5所述的一种自动进液式液桥生成系统，其特征在于所述第一步进电机为两相步进电机，所述第二步进电机为五相步进电机。
7.一种自动进液式液桥生成方法，是采用权利要求1所述的系统，其特征在于包括以下步骤：
（1）调整上下液桥柱距离以达到设定液桥体积比；
（2）将进液装置的储液腔中进液，启动第一步进电机带动推进杆向下运动，液体从直针管中溢出，在下盘上形成基础液体；
（3）启动第二步进电机带动储液腔向上运动，液体填充在上盘和下盘之间形成液桥。
8.根据权利要求7所述的一种自动进液式液桥生成方法，其特征在于所述方法还包括通气过程，所述通气过程包括待液桥形成以后，向上桥柱送气套管输入气体从上往下外掠液桥。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |