CN112442732B - 多物理场耦合液桥毛细对流综合实验平台及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及多物理场耦合液桥毛细对流综合实验平台及方法，其包括液桥生成装置、丝杠导轨装置、电机转动装置、支架旋转装置、剪切气流施加装置、流动结构图像采集装置、温度信息采集及反馈控制装置；丝杠导轨装置包括导轨电机、直线模组滑轨及位移智能控制终端；在直线模组滑轨上设置有滑块；位移智能控制终端为传感器或行程开关；支架旋转装置包括滑轨支架、支撑轴、底座、支撑轴支架、上托架及下托架；滑轨支架在底座的右侧；支撑轴支架在底座的左侧；本发明设计合理、结构紧凑且使用方便，能够实现多物理场同时施加。

Description

多物理场耦合液桥毛细对流综合实验平台及方法
技术领域
本发明涉及多物理场耦合液桥毛细对流综合实验平台及方法。尤其涉及一种毛细对流综合实验平台，属于介尺度流体物理学技术领域，具体涉及一种带有全自动多物理场耦合施加功能的毛细对流综合实验平台。
背景技术
浮区法是一种广泛使用制备高质量半导体晶体材料的方法。物料棒受外界加热，熔区被支撑于两个固体物料端之间，并逐渐提拉受热熔区。在现有的实验研究阶段中，液桥则是用于模拟浮区法晶体生长过程而建立的一种理想的物理模型。
目前，已有的毛细对流实验研究结果表明施加外部物理场可以抑制液桥内部毛细对流的周期性振荡，通过外加物理场下毛细对流流动特性的研究有利于揭示晶体生长过程中杂质条纹的产生机理，开发适宜的抑制手段。目前，该领域研究中所涉及的外部物理场，包括：旋转运动场、倾角重力场、周围剪切气流、磁场、浓度场、温度场、光场和声场等。但是，现有关于外加物理场抑制振荡毛细对流的文献中所介绍的液桥实验系统大多为传统液桥实验平台(功能单一，只能承担单一物理场对液桥内部毛细对流影响的研究)，或是基于数值模拟方法实现的多物理场耦合下液桥毛细对流研究，尚未研制出能够同时施加多物理场耦合(旋转运动、重力倾角、周围剪切气流、浓度差、温度差)的液桥毛细对流综合实验平台.
发明内容
本发明所要解决的技术问题总的来说是提供一种多物理场耦合液桥毛细对流综合实验平台及方法。因此，本专利基于上述问题开发的能够实现旋转运动、重力倾角、周围剪切气流、浓度差和温度差多物理场功能同步耦合施加的液桥毛细对流综合实验平台。以此用于研究多物理场耦合对液桥内部周期性振荡毛细流动的抑制，通过该实验系统平台得到的实验结果可为高质量半导体晶体制备技术开发提供必要的理论依据。
为解决上述问题，本发明所采取的技术方案是：
一种多物理场耦合液桥毛细对流综合实验平台，包括液桥生成装置、丝杠导轨装置、电机转动装置、支架旋转装置、剪切气流施加装置、流动结构图像采集装置、温度信息采集及反馈控制装置；
丝杠导轨装置包括导轨电机、直线模组滑轨及位移智能控制终端；在直线模组滑轨上设置有滑块；位移智能控制终端为传感器或行程开关；
支架旋转装置包括滑轨支架、支撑轴、底座、支撑轴支架、上托架及下托架；滑轨支架在底座的右侧；支撑轴支架在底座的左侧；
其中，上托架安装在滑块上，下托架安装在直线模组滑轨上；直线模组滑轨与底座连接；支撑轴与滑轨支架连接；
液桥生成装置包括上托架、上盘、上座、下托架、下盘及下座；其中，上盘安装在上座下部，下盘安装在下座上部；
在上座上连接有轴承座，轴承座垂直固定于上托架上，下托架通过对应的螺钉将下座垂直固定，下托架固定在丝杠导轨装置的直线模组滑轨上，上盘与下盘同轴中心相对；
电机转动装置包括自转电机、电机套、电机托架、电机架及皮带；其中，自转电机卡在电机托架上，电机托架通过螺栓安装在电机架上，上座和电机套通过皮带相连接；
剪切气流施加装置包括流量计、节流阀、气体钢瓶、送气管及送气通道；其中，对应送气通道分别设置在上座和下座内部，通过送气进口与送气管相通；流量计、节流阀、气体钢瓶通过送气管连接；
流动结构图像采集装置包括影像智能控制终端、高速显微摄像机、背景灯及激光发射器；其中，在实验平台上，高速显微摄像机与背景灯在同一直线上，激光发射器与其呈90度夹角；
影像智能设备终端通过与高速显微摄像机连接，用于收集液桥内部毛细对流影像数据；
温度信息采集及反馈控制装置包括热电偶、温度智能控制终端、加热棒及继电器；其中，温度智能控制终端，将热电偶采集到的温度数据转化为数模信号控制继电器通断，完成加热棒的启停，实现对液桥上盘温度的控制。
作为上述技术方案的进一步改进：
在液桥生成装置中，上盘采用紫铜；下盘采用带有透明亚克力材质或紫铜材质。
其中，在上盘液桥接触面分布有溶质的微细导液孔道，用于溶质输送；上盘和下盘侧面均有放置热电偶的电偶孔；上座和下座内部还分别有送气通道，用于剪切气流的通入；上盘和下盘为若干不同直径的柱盘；
导轨电机通过位移智能控制终端来控制导轨电机的上下移动；
自转电机通过自转智能控制终端来实现液桥轴向自转；
在支架旋转装置中，外置有与滑轨支架连接的摇柄，调整滑轨支架周向角度，滑轨支架固定到确定的倾斜角度；
流量计和节流阀控制流速、方向；
高速显微摄像装置与影像智能控制终端相连。
温度智能控制终端与继电器、加热棒、热电偶相连。
在实验平台的壳体为密闭内腔，其中还设置有加湿器；
在壳体底部设置有用于上顶下座的下顶支座；
在壳体中设置有用于感知上座下行的位移传感器；
在壳体中设置有用于辅助上顶上座下表面的反向气缸，下消除反向运动时的间隙误差；在反向气缸上端设置有用于抵接上座下表面的缓冲弹簧；在壳体中设置有机械手操控移动的辅助托盘，反向气缸下端及位移传感器设置在辅助托盘上表面；
在上座上设置有旋转电机，旋转电机的主轴上键连接有配重摆动臂的根部，旋转电机带动配重摆动臂摆动，配重摆动臂旋转产生振动消除液桥中存积的气泡和/或监控振动对液桥的影响；
在上盘与上座之间有铰接头，以保证上盘下表面与下盘上表面贴合；
在下盘与下座之间设置有压力传感器，以检测上盘的下压力。
在上盘的修磨工位一侧设置有修研双臂机械手，修研双臂机械手分别连接有修磨头、上色毛刷及金刚石笔；
上色毛刷，用于将蘸取染色剂并涂抹到上盘下表面，蘸取染色的上盘下表面与上盘下表面对研磨，修磨头根据对研磨情况，修磨头进行研磨；金刚石笔对修磨头进行修整。
在上盘的修磨工位一侧设置有一次磨粒收集部，在一次磨粒收集部中竖直设置有一次磨粒配磨转轴，在一次磨粒收集部中倾斜设置有一次磨粒上料搅龙，在一次磨粒收集部上方设置有一次磨粒配磨盘；
在一次磨粒上料搅龙上输出端设置有一次磨粒导流通道的输入端，一次磨粒导流通道下端位于一次磨粒配磨盘另一部分上方；
一次磨粒配磨盘一部分旋转与上盘下表面接触，其上的磨粒掉落到一次磨粒收集部中被收集；一次磨粒上料搅龙将一次磨粒收集部中磨粒上升收集并沿着一次磨粒导流通道送入到一次磨粒配磨盘上继续作为磨粒；
在上座上设置有二次磨粒固定架，在二次磨粒固定架下方通过二次磨粒复位弹簧连接有套装在上盘上且带有二次磨粒进入口的二次磨粒外护套；
在二次磨粒固定架下端设置有二次磨粒下压C型手，用于下压二次磨粒外护套；
在二次磨粒外护套上设置有二次磨粒栅板，用于插入到二次磨粒外护套中；
在下盘上设置有二次磨粒下料缺口，二次磨粒下料缺口对应有二次磨粒存积部；
二次磨粒下压C型手下压二次磨粒外护套，使得其套在上盘与下盘之间，二次磨粒通过二次磨粒下料缺口下落到二次磨粒存积部中。
借助于实验平台，具体步骤如下；
步骤一，液桥区搭建；
首先，通过微孔通道注入液桥介质，调节导轨电机使上托架上下移动获得实验所需的液桥高度，静止的液桥通过表面张力维持界面形状；
步骤二，多物理场施加；
施加方案一，研究自转运动对液桥内部毛细对流产生的影响，调节好电机托架高度，接通电源启动自转电机，进而迫使由皮带相连的液桥上盘匀速转动，施加的角速度方向与振荡毛细对流的流动方向相反；
施加方案二，研究界面形态对液桥内部毛细对流产生的影响，转动摇柄，在某一位置处通过螺栓固定滑轨支架周向角度，在某一周向倾斜角度下形成特定的液桥界面形态。
研究剪切气流对液桥内部毛细对流产生的影响，将惰性气体通过送气管通入上座或下座内的送气通道里，利用流量计和节流阀控制气流速度；
施加方案四，研究溶质浓度对液桥内部毛细对流产生的影响，将实验溶质通过注液微孔通道准确地注入已建立的液桥区，形成溶质毛细对流；
施加方案五，研究温度变化对液桥内部毛细对流产生的影响，通过温度智能控制终端调节加热棒温度，利用热电偶收集的上、盘温度数据控制继电器，调节加热棒的启停工作；
步骤三，影像拍摄及自由界面变化拾取；
首先，打开背景灯、激光发射器和高速显微摄像机，实时监控液桥内部振荡毛细对流的变化，其中高速显微摄像机将收集的液桥内部振荡毛细对流视频数据传输至影像智能控制终端；然后，通过影像智能控制终端识别流线及液桥自由界面变形。
数据输出与存储；
通过影像智能控制终端识别后的流线及液桥自由界面变形数据被进一步转化为图片、表格和数据信息，存储于计算机设备上以便研究使用。
步骤二还包括施加方案六，研究振动对液桥内部毛细对流产生的影响；旋转电机带动配重摆动臂摆动，配重摆动臂旋转产生振动消除液桥中存积的气泡和/或监控振动对液桥的影响。
一种多物理场耦合液桥毛细对流综合实验方法，借助于实验平台，还包括在修磨工位执行修磨步骤；
步骤A，首先，上色毛刷将蘸取染色剂并涂抹到上盘下表面，蘸取染色的上盘下表面与上盘下表面对研磨，修磨头根据对研磨情况，修磨头进行研磨；然后，金刚石笔对修磨头进行修整；
步骤B，首先，一次磨粒配磨盘一部分旋转与上盘下表面接触，其上的磨粒掉落到一次磨粒收集部中被收集；然后，一次磨粒上料搅龙将一次磨粒收集部中磨粒上升收集并沿着一次磨粒导流通道送入到一次磨粒配磨盘上继续作为磨粒；
步骤C，二次磨粒下压C型手下压二次磨粒外护套，使得其套在上盘与下盘之间，二次磨粒通过二次磨粒下料缺口下落到二次磨粒存积部中。
本发明设计合理、成本低廉、结实耐用、安全可靠、操作简单、省时省力、节约资金、结构紧凑且使用方便。本发明毛细对流综合实验平台可以通过系统自动控制多物理场的施加强度和方向，进而研究多物理场对液桥内部周期性振荡毛细流动的影响。本发明专利的功能完备，与传统的液桥生成平台相比本液桥综合实验平台用于实验室研究多物理场(剪切气流、振荡、浓度差、温差等因素)耦合对液桥内部周期性振荡毛细流动的影响，其中丝杠导轨电机和轴向旋转电机能够完成液桥高度纵向高度调节，提拉，轴向自转。其中周向运动机构能够完成液桥周向不同角度的停留姿态，进而通过不同的停留角度营造重力场作用下不同的液桥界面形状。其中剪切气流施加装置能完成不同类型气流(不同速度大小，不同温度大小，不同粘性大小)对液桥自由界面的剪切作用；其中特设有亚克力下盘配件能够完成横截面影像的采集。本发明专利通过功能，既填补了带有多物理场施加功能的综合液桥实验平台的空白，又可同时耦合界面形状变化、剪切气流、温度差和浓度差等因素对周期性振荡毛细对流的影响。综合考虑多物理场在晶体生长过程中所产生的叠加作用，较现有液桥实验平台所获得的数据更为全面、稳定、可靠，对研究高质量晶体制备技术开发具有重要意义。
附图说明
图1是本发明的使用结构示意图。
图2是本发明的左视结构示意图。
图3是本发明的俯视结构示意图。
图4是本发明的部件结构示意图。
图5是本发明的改进使用结构示意图
其中：1、导轨电机；2、直线模组滑轨；3、滑轨支架；4、滑块；5、螺钉；6、弹垫；7、支撑轴；8、底座；9、支撑轴支架；10、螺栓螺母；11、下托架；12、自转电机；13、电机套；14、电机托架；15、电机架；16、上托架；17、轴承座；18、皮带；19、送气通道；20、上座；21、上盘；22、微细导液孔道；23、电偶孔；24、下盘；25、下座；26、加湿器；27、修研双臂机械手；28、修磨头；29、上色毛刷；30、金刚石笔；31、下顶支座；32、位移传感器；33、反向气缸；34、缓冲弹簧；35、修磨工位；36、辅助托盘；37、铰接头；38、旋转电机；39、配重摆动臂；40、压力传感器；41、一次磨粒配磨转轴；42、一次磨粒配磨盘；43、一次磨粒收集部；44、一次磨粒上料搅龙；45、一次磨粒导流通道；46、二次磨粒固定架；47、二次磨粒复位弹簧；48、二次磨粒下压C型手；49、二次磨粒外护套；50、二次磨粒进入口；51、二次磨粒栅板；52、二次磨粒下料缺口；53、二次磨粒存积部。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作详细说明，但本发明的保护范围不仅限于下述的实施例。
如图1-5一种带有全自动多物理场施加功能的毛细对流综合实验平台，如图1所示，综合实验平台包括液桥生成装置、丝杠导轨装置、电机转动装置、支架旋转装置、剪切气流施加装置、流动结构图像采集装置、温度信息采集及反馈控制装置。
图1-4提供了液桥生成装置结构图，包括上盘21、上座20、下盘24及下座25。其中，上盘21和下盘24都以卡槽分别安装在上座20和下座25中，上座20与轴承座17焊接相连，再通过对应的螺栓螺母10将两者垂直固定于上托架16，下托架11先用对应的螺钉5将下座25垂直固定，再由紧固件固定在直线模组滑轨2上，并保持上盘21和下盘24同轴中心相对。
如图1-4所示，丝杠导轨装置包括导轨电机1、支撑轴7、底座8及位移智能控制终端；滑块4套在直线模组滑轨2上，直线模组滑轨2与底座8之间通过螺栓固定；支撑轴7与滑轨支架3进行连接和固定。
如图1-4所示，电机转动装置包括自转电机12、电机套13、电机托架14、电机架15及皮带18；其中，自转电机12卡在电机托架14上，电机托架14通过螺栓安装在电机架15上，上座20和电机套13通过皮带18相连接。
支架旋转装置包括支撑轴7、底座8、支撑轴支架9、螺栓螺母10、摇柄、上托架16和下托架11；其中，上托架16和下托架11通过螺栓分别安装于滑块4和直线模组滑轨2上。
剪切气流施加装置包括流量计、节流阀、气体钢瓶、送气管、送气通道19；其中，对应送气通道19分别设置在上座20和下座25内部，通过送气进口与送气管相通。
流动结构图像采集装置包括影像智能控制终端、高速显微摄像机、背景灯及激光发射器；其中，在市实验平台上，高速显微摄像机与背景灯在同一直线上，激光发射器与其呈90度夹角；
影像智能设备终端通过与高速显微摄像机连接，用于收集液桥内部毛细对流影像数据。
温度信息采集及反馈控制装置包括热电偶、温度智能控制终端、加热棒、继电器；其中，温度智能控制终端，将热电偶采集到的温度数据转化为数模信号控制继电器通断，完成加热棒的启停，实现对液桥上盘温度的控制。
液桥生成装置中，上盘和下盘采用导热性能良好且耐高温的材质，优先选择紫铜，而下盘为兼顾拍摄的需要部分盘体选择亚克力材质(4mm、6mm、8mm、10mm)；其中上盘液桥接触面均有溶质微细导液孔道，用于溶质输送。紫铜上盘和下盘侧面均有放置热电偶的微小细孔(2mm)；上座和下座内部还分别设计有送气通道，用于剪切气流的通入；上盘和下盘为若干不同直径的柱盘，柱盘直径分别为3mm、4mm、5mm、6mm、7mm、8mm、9mm、10mm(可拆卸更换，用于不同的高径比液桥研究)；
在丝杠导轨装置中，导轨电机通过位移智能控制终端来控制导轨电机的上下移动，用于研究不同高度对液桥内部热毛细运动产生的影响。
在电机转动装置中，电机通过自转智能控制终端来实现液桥轴向自转，用于研究旋转运动对液桥内部振荡毛细运动产生的抑制。
在支架旋转装置中，支架旋转装置是先通过摇柄调整滑轨支架周向角度，在用螺栓将滑轨支架固定到确定的倾斜角度。
在剪切气流施加装置中，剪切气流施加装置通过流量计和节流阀控制流速、方向，用于研究剪切气流对液桥内部毛细运动产生的影响。
流动结构图像采集装置，高速显微摄像装置与影像智能控制终端相连。
温度信息采集及反馈控制装置，温度智能控制终端与继电器、加热棒、热电偶相连。
下述实施例中，高速显微摄像装置型号为FASTCAM Mini AX(黑白ISO 40000/彩色ISO 16000，1024×1024像素下4000帧/秒，640×480像素下12500帧/秒)；自转电机参数：数字步进电机DM542，24-50V；丝杠滑轨装置参数：海杰CL-01A直线模组滑轨，直流24V；O型皮带参数：带轮直径范围在50mm～71mm时为34度；在71mm～90mm时为36度，＞90mm时为38度；激光发射器参数：532nm，使用距离50cm处，线长10cm，线宽0.5mm，电源0～500mW可调；热电偶参数：①K型铂热电阻温度传感器探头，直径1mm，热电偶级0～400℃，误差限0℃以上1.5℃；②T型铜镍热电阻温度传感器探头，直径0.18mm，热电偶级-20C～120C，误差限0℃以上1.0℃或1.5％。
实施例1
一种带有多物理场施加功能的毛细对流综合实验平台的实验过程，包括以下步骤：
(1)液桥区搭建
首先，通过微孔通道注入液桥介质，调节导轨电机使上托架上下移动获得实验所需的液桥高度，静止的液桥通过表面张力维持界面形状。
(2)多物理场施加
研究自转运动对液桥内部毛细对流产生的影响，调节好电机托架高度，接通电源启动自转电机，进而迫使由皮带相连的液桥上盘匀速转动，施加的角速度方向与振荡毛细对流的流动方向相反。
研究界面形态对液桥内部毛细对流产生的影响，转动摇柄，在某一位置处通过螺栓固定滑轨支架周向角度，在某一周向倾斜角度下形成特定的液桥界面形态。
研究剪切气流对液桥内部毛细对流产生的影响，将惰性气体通过送气管通入上座或下座内的送气通道里，利用流量计和节流阀控制气流速度。
研究溶质浓度对液桥内部毛细对流产生的影响，将实验溶质通过注液微孔通道准确地注入已建立的液桥区，形成溶质毛细对流。
研究温度变化对液桥内部毛细对流产生的影响，通过温度智能控制终端调节加热棒温度，利用热电偶收集的上、盘温度数据控制继电器，调节加热棒的启停工作。
(3)影像拍摄及自由界面变化拾取
打开背景灯、激光发射器和高速显微摄像机，实时监控液桥内部振荡毛细对流的变化，其中高速显微摄像机将收集的液桥内部振荡毛细对流视频数据传输至影像智能控制终端，通过影像智能控制终端识别流线及液桥自由界面变形。
(4)数据输出与存储
通过影像智能控制终端识别后的流线及液桥自由界面变形数据被进一步转化为图片、表格和数据信息，存储于计算机设备上以便研究使用。
如图1所示，本实施例的多物理场耦合液桥毛细对流综合实验平台，包括液桥生成装置、丝杠导轨装置、电机转动装置、支架旋转装置、剪切气流施加装置、流动结构图像采集装置、温度信息采集及反馈控制装置；
丝杠导轨装置包括导轨电机1、直线模组滑轨2及位移智能控制终端；在直线模组滑轨2上设置有滑块4；位移智能控制终端为传感器或行程开关；
支架旋转装置包括滑轨支架3、支撑轴7、底座8、支撑轴支架9、上托架16及下托架11；滑轨支架3在底座8的右侧；支撑轴支架9在底座8的左侧；
其中，上托架16安装在滑块4上，下托架11安装在直线模组滑轨2上；直线模组滑轨2与底座8连接；支撑轴7与滑轨支架3连接；
液桥生成装置包括上托架16、上盘21、上座20、下托架11、下盘24及下座25；其中，上盘21安装在上座20下部，下盘24安装在下座25上部；
在上座20上连接有轴承座17，轴承座17垂直固定于上托架16上，下托架11通过对应的螺钉5将下座25垂直固定，下托架11固定在丝杠导轨装置的直线模组滑轨2上，上盘21与下盘24同轴中心相对；
电机转动装置包括自转电机12、电机套13、电机托架14、电机架15及皮带18；其中，自转电机12卡在电机托架14上，电机托架14通过螺栓安装在电机架15上，上座20和电机套13通过皮带18相连接；
剪切气流施加装置包括流量计、节流阀、气体钢瓶、送气管及送气通道19；其中，对应送气通道19分别设置在上座20和下座25内部，通过送气进口与送气管相通；流量计、节流阀、气体钢瓶通过送气管连接；
流动结构图像采集装置包括影像智能控制终端、高速显微摄像机、背景灯及激光发射器；其中，在实验平台上高速显微摄像机、背景灯及激光发射器的中心处于同一条直线上；
影像智能设备终端通过与高速显微摄像机连接，用于收集液桥内部毛细对流影像数据；
温度信息采集及反馈控制装置包括热电偶、温度智能控制终端、加热棒及继电器；其中，温度智能控制终端，将热电偶采集到的温度数据转化为数模信号控制继电器通断，完成加热棒的启停，实现对液桥上盘21温度的控制。
在液桥生成装置中，上盘21采用紫铜下盘采用带有透明亚克力材质或紫铜材质；
其中，在上盘21液桥接触面分布有溶质的微细导液孔道22，用于溶质输送；上盘21和下盘24侧面均有放置热电偶的电偶孔23；上座和下座内部还分别有送气通道19，用于剪切气流的通入；上盘21和下盘24为若干不同直径的柱盘；
导轨电机1通过位移智能控制终端来控制导轨电机的上下移动；
自转电机12通过自转智能控制终端来实现液桥轴向自转；
在支架旋转装置中，外置有与滑轨支架3连接的摇柄，调整滑轨支架周向角度，滑轨支架3固定到确定的倾斜角度；
流量计和节流阀控制流速、方向；
高速显微摄像装置与影像智能控制终端相连。
温度智能控制终端与继电器、加热棒、热电偶相连。
在实验平台的壳体为密闭内腔，其中还设置有加湿器26；
在壳体底部设置有用于上顶下座25的下顶支座31；
在壳体中设置有用于感知上座20下行的位移传感器32；
在壳体中设置有用于辅助上顶上座20下表面的反向气缸33，下消除反向运动时的间隙误差；在反向气缸33上端设置有用于抵接上座20下表面的缓冲弹簧34；在壳体中设置有机械手操控移动的辅助托盘36，反向气缸33下端及位移传感器32设置在辅助托盘36上表面；
在上座20上设置有旋转电机38，旋转电机38的主轴上键连接有配重摆动臂39的根部，旋转电机38带动配重摆动臂39摆动，配重摆动臂39旋转产生振动消除液桥中存积的气泡和/或监控振动对液桥的影响；
在上盘21与上座20之间有铰接头37，以保证上盘21下表面与下盘24上表面贴合；
在下盘24与下座25之间设置有压力传感器40，以检测上盘21的下压力。
在上盘21的修磨工位35一侧设置有修研双臂机械手27，修研双臂机械手27分别连接有修磨头28、上色毛刷29及金刚石笔30；
上色毛刷29，用于将蘸取染色剂并涂抹到上盘21下表面，蘸取染色的上盘21下表面与上盘21下表面对研磨，修磨头28根据对研磨情况，修磨头28进行研磨；金刚石笔30对修磨头28进行修整。
在上盘21的修磨工位35一侧设置有一次磨粒收集部43，在一次磨粒收集部43中竖直设置有一次磨粒配磨转轴41，在一次磨粒收集部43中倾斜设置有一次磨粒上料搅龙44，在一次磨粒收集部43上方设置有一次磨粒配磨盘42；
在一次磨粒上料搅龙44上输出端设置有一次磨粒导流通道45的输入端，一次磨粒导流通道45下端位于一次磨粒配磨盘42另一部分上方；
一次磨粒配磨盘42一部分旋转与上盘21下表面接触，其上的磨粒掉落到一次磨粒收集部43中被收集；一次磨粒上料搅龙44将一次磨粒收集部43中磨粒上升收集并沿着一次磨粒导流通道45送入到一次磨粒配磨盘42上继续作为磨粒；
在上座20上设置有二次磨粒固定架46，在二次磨粒固定架46下方通过二次磨粒复位弹簧47连接有套装在上盘21上且带有二次磨粒进入口50的二次磨粒外护套49；
在二次磨粒固定架46下端设置有二次磨粒下压C型手48，用于下压二次磨粒外护套49；
在二次磨粒外护套49上设置有二次磨粒栅板51，用于插入到二次磨粒外护套49中；
在下盘24上设置有二次磨粒下料缺口52，二次磨粒下料缺口52对应有二次磨粒存积部53；
二次磨粒下压C型手48下压二次磨粒外护套49，使得其套在上盘21与下盘24之间，二次磨粒通过二次磨粒下料缺口52下落到二次磨粒存积部53中。
借助于实验平台，具体步骤如下；
步骤一，液桥区搭建；
首先，通过微孔通道注入液桥介质，调节导轨电机使上托架上下移动获得实验所需的液桥高度，静止的液桥通过表面张力维持界面形状；
步骤二，多物理场施加；
施加方案一，研究自转运动对液桥内部毛细对流产生的影响，调节好电机托架高度，接通电源启动自转电机，进而迫使由皮带相连的液桥上盘匀速转动，施加的角速度方向与振荡毛细对流的流动方向相反；
施加方案二，研究界面形态对液桥内部毛细对流产生的影响，转动摇柄，在某一位置处通过螺栓固定滑轨支架周向角度，在某一周向倾斜角度下形成特定的液桥界面形态。
研究剪切气流对液桥内部毛细对流产生的影响，将惰性气体通过送气管通入上座或下座内的送气通道里，利用流量计和节流阀控制气流速度；
施加方案四，研究溶质浓度对液桥内部毛细对流产生的影响，将实验溶质通过注液微孔通道准确地注入已建立的液桥区，形成溶质毛细对流；
施加方案五，研究温度变化对液桥内部毛细对流产生的影响，通过温度智能控制终端调节加热棒温度，利用热电偶收集的上、盘温度数据控制继电器，调节加热棒的启停工作；
步骤三，影像拍摄及自由界面变化拾取；
首先，打开背景灯、激光发射器和高速显微摄像机，实时监控液桥内部振荡毛细对流的变化，其中高速显微摄像机将收集的液桥内部振荡毛细对流视频数据传输至影像智能控制终端；然后，通过影像智能控制终端识别流线及液桥自由界面变形。
数据输出与存储；
通过影像智能控制终端识别后的流线及液桥自由界面变形数据被进一步转化为图片、表格和数据信息，存储于计算机设备上以便研究使用。
步骤二还包括施加方案六，研究振动对液桥内部毛细对流产生的影响；旋转电机38带动配重摆动臂39摆动，配重摆动臂39旋转产生振动消除液桥中存积的气泡和/或监控振动对液桥的影响。
本实施例的多物理场耦合液桥毛细对流综合实验方法，借助于实验平台，还包括在修磨工位35执行修磨步骤；
步骤A，首先，上色毛刷29将蘸取染色剂并涂抹到上盘21下表面，蘸取染色的上盘21下表面与上盘21下表面对研磨，修磨头28根据对研磨情况，修磨头28进行研磨；然后，金刚石笔30对修磨头28进行修整；
步骤B，首先，一次磨粒配磨盘42一部分旋转与上盘21下表面接触，其上的磨粒掉落到一次磨粒收集部43中被收集；然后，一次磨粒上料搅龙44将一次磨粒收集部43中磨粒上升收集并沿着一次磨粒导流通道45送入到一次磨粒配磨盘42上继续作为磨粒；
步骤C，二次磨粒下压C型手48下压二次磨粒外护套49，使得其套在上盘21与下盘24之间，二次磨粒通过二次磨粒下料缺口52下落到二次磨粒存积部53中。
本发明充分描述是为了更加清楚的公开，而对于现有技术就不再一一列举。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；作为本领域技术人员对本发明的多个技术方案进行组合是显而易见的。而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围。

Claims (5)

1.一种多物理场耦合液桥毛细对流综合实验平台，其特征在于：包括液桥生成装置、丝杠导轨装置、电机转动装置、支架旋转装置、剪切气流施加装置、流动结构图像采集装置、温度信息采集及反馈控制装置；
丝杠导轨装置包括导轨电机(1)、直线模组滑轨(2)及位移智能控制终端；在直线模组滑轨(2)上设置有滑块(4)；位移智能控制终端为传感器或行程开关；
支架旋转装置包括滑轨支架(3)、支撑轴(7)、底座(8)、支撑轴支架(9)、上托架(16)及下托架(11)；滑轨支架(3)在底座(8)的右侧；支撑轴支架(9)在底座(8)的左侧；
其中，上托架(16)安装在滑块(4)上，下托架(11)安装在直线模组滑轨(2)上；直线模组滑轨(2)与底座(8)连接；支撑轴(7)与滑轨支架(3)连接；
液桥生成装置包括上托架(16)、上盘(21)、上座(20)、下托架(11)、下盘(24)及下座(25)；其中，上盘(21)安装在上座(20)下部，下盘(24)安装在下座(25)上部；
在上座(20)上连接有轴承座(17)，轴承座(17)垂直固定于上托架(16)上，下托架(11)通过对应的螺钉(5)将下座(25)垂直固定，下托架(11)固定在丝杠导轨装置的直线模组滑轨(2)上，上盘(21)与下盘(24)同轴中心相对；
电机转动装置包括自转电机(12)、电机套(13)、电机托架(14)、电机架(15)及皮带(18)；其中，自转电机(12)卡在电机托架(14)上，电机托架(14)通过螺栓安装在电机架(15)上，上座(20)和电机套(13)通过皮带(18)相连接；
剪切气流施加装置包括流量计、节流阀、气体钢瓶、送气管及送气通道(19)；其中，对应送气通道(19)分别设置在上座(20)和下座(25)内部，通过送气进口与送气管相通；流量计、节流阀、气体钢瓶通过送气管连接；
流动结构图像采集装置包括影像智能控制终端、高速显微摄像机、背景灯及激光发射器；其中，在实验平台上，高速显微摄像机与背景灯在同一直线上，激光发射器与其呈90度夹角；
影像智能设备终端通过与高速显微摄像机连接，用于收集液桥内部毛细对流影像数据；
温度信息采集及反馈控制装置包括热电偶、温度智能控制终端、加热棒及继电器；其中，温度智能控制终端，将热电偶采集到的温度数据转化为数模信号控制继电器通断，完成加热棒的启停，实现对液桥上盘(21)温度的控制。
2.根据权利要求1所述的多物理场耦合液桥毛细对流综合实验平台，其特征在于：在液桥生成装置中，上盘(21)采用紫铜；下盘(24)采用带有透明亚克力材质或紫铜材质；
其中，在上盘(21)液桥接触面分布有溶质的微细导液孔道(22)，用于溶质输送；上盘(21)和下盘(24)侧面均有放置热电偶的电偶孔(23)；上座和下座内部还分别有送气通道(19)，用于剪切气流的通入；上盘(21)和下盘(24)为若干不同直径的柱盘；
导轨电机(1)通过位移智能控制终端来控制导轨电机的上下移动；
自转电机(12)通过自转智能控制终端来实现液桥轴向自转；
在支架旋转装置中，外置有与滑轨支架(3)连接的摇柄，调整滑轨支架周向角度，滑轨支架(3)固定到确定的倾斜角度；
流量计和节流阀控制剪切气流流速、方向；
高速显微摄像装置与影像智能控制终端相连；
温度智能控制终端与继电器、加热棒、热电偶相连。
3.根据权利要求1所述的多物理场耦合液桥毛细对流综合实验平台，其特征在于：在实验平台的壳体为密闭内腔，其中还设置有加湿器(26)；
在壳体底部设置有用于上顶下座(25)的下顶支座(31)；
在壳体中设置有用于感知上座(20)下行的位移传感器(32)；
在壳体中设置有用于辅助上顶上座(20)下表面的反向气缸(33)，以消除反向运动时的间隙误差；在反向气缸(33)上端设置有用于抵接上座(20)下表面的缓冲弹簧(34)；在壳体中设置有机械手操控移动的辅助托盘(36)，反向气缸(33)下端及位移传感器(32)设置在辅助托盘(36)上表面；
在上座(20)上设置有旋转电机(38)，旋转电机(38)的主轴上键连接有配重摆动臂(39)的根部，旋转电机(38)带动配重摆动臂(39)摆动，配重摆动臂(39)旋转产生振动消除液桥中存积的气泡和/或监控振动对液桥的影响；
在上盘(21)与上座(20)之间有铰接头(37)，以保证上盘(21)下表面与下盘(24)上表面贴合；
在下盘(24)与下座(25)之间设置有压力传感器(40)，以检测上盘(21)的下压力。
4.根据权利要求1所述的多物理场耦合液桥毛细对流综合实验平台，其特征在于：在上盘(21)的修磨工位(35)一侧设置有修研双臂机械手(27)，修研双臂机械手(27)分别连接有修磨头(28)、上色毛刷(29)及金刚石笔(30)；
上色毛刷(29)，用于将蘸取染色剂并涂抹到上盘(21)下表面，蘸取染色的上盘(21)下表面与上盘(21)下表面对研磨，修磨头(28)根据对研磨情况，修磨头(28)进行研磨；金刚石笔(30)对修磨头(28)进行修整。
5.根据权利要求1所述的多物理场耦合液桥毛细对流综合实验平台，其特征在于：在上盘(21)的修磨工位(35)一侧设置有一次磨粒收集部(43)，在一次磨粒收集部(43)中竖直设置有一次磨粒配磨转轴(41)，在一次磨粒收集部(43)中倾斜设置有一次磨粒上料搅龙(44)，在一次磨粒收集部(43)上方设置有一次磨粒配磨盘(42)；
在一次磨粒上料搅龙(44)上输出端设置有一次磨粒导流通道(45)的输入端，一次磨粒导流通道(45)下端位于一次磨粒配磨盘(42)另一部分上方；
一次磨粒配磨盘(42)一部分旋转与上盘(21)下表面接触，其上的磨粒掉落到一次磨粒收集部(43)中被收集；一次磨粒上料搅龙(44)将一次磨粒收集部(43)中磨粒上升收集并沿着一次磨粒导流通道(45)送入到一次磨粒配磨盘(42)上继续作为磨粒；
在上座(20)上设置有二次磨粒固定架(46)，在二次磨粒固定架(46)下方通过二次磨粒复位弹簧(47)连接有套装在上盘(21)上且带有二次磨粒进入口(50)的二次磨粒外护套(49)；
在二次磨粒固定架(46)下端设置有二次磨粒下压C型手(48)，用于下压二次磨粒外护套(49)；
在二次磨粒外护套(49)上设置有二次磨粒栅板(51)，用于插入到二次磨粒外护套(49)中；
在下盘(24)上设置有二次磨粒下料缺口(52)，二次磨粒下料缺口(52)对应有二次磨粒存积部(53)；
二次磨粒下压C型手(48)下压二次磨粒外护套(49)，使得其套在上盘(21)与下盘(24)之间，二次磨粒通过二次磨粒下料缺口(52)下落到二次磨粒存积部(53)中。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109972207B (zh) * 2019-05-16 2024-03-08 沈阳工程学院 一种磁场可控式液桥生成器

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1865917A (zh) * 2006-05-18 2006-11-22 宋四海 基于高速图像处理的液体表界面动态特性测量分析仪
JP2007331062A (ja) * 2006-06-15 2007-12-27 Toyota Motor Corp 研削加工装置および研削加工システム
CN105839174A (zh) * 2016-06-08 2016-08-10 东北大学 一种多功能温度可控式液桥生成器
CN105908253A (zh) * 2016-06-08 2016-08-31 东北大学 一种上液桥柱可旋转式液桥生成器
CN109972207A (zh) * 2019-05-16 2019-07-05 沈阳工程学院 一种磁场可控式液桥生成器
CN111485281A (zh) * 2020-04-29 2020-08-04 哈尔滨工业大学 一种旋转式非等温液桥生成器及其应用

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1865917A (zh) * 2006-05-18 2006-11-22 宋四海 基于高速图像处理的液体表界面动态特性测量分析仪
JP2007331062A (ja) * 2006-06-15 2007-12-27 Toyota Motor Corp 研削加工装置および研削加工システム
CN105839174A (zh) * 2016-06-08 2016-08-10 东北大学 一种多功能温度可控式液桥生成器
CN105908253A (zh) * 2016-06-08 2016-08-31 东北大学 一种上液桥柱可旋转式液桥生成器
CN109972207A (zh) * 2019-05-16 2019-07-05 沈阳工程学院 一种磁场可控式液桥生成器
CN111485281A (zh) * 2020-04-29 2020-08-04 哈尔滨工业大学 一种旋转式非等温液桥生成器及其应用

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Stability of liquid bridges subject to an eccentric rotation;Lapuerta, V.;ADVANCES IN SPACE RESEARCH;第41卷(第12期);2137-2144 *
滴状模式下液桥形成及断裂的电流体动力学特性研究;霍元平;力学学报;第51卷(第2期);425-431 *

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