CN114460125A - 一种金属表面过冷液滴凝固的实验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及实验设备领域，具体是一种金属表面过冷液滴凝固的实验装置及方法。包括实验舱体和液冷板，液液冷板内设有橡胶软管，且橡胶软管的两端均与低温水浴机连接形成循环；液冷板上方设有待测样块；液冷板上还设有预制夹具；在实验舱体内还设有拍摄组件；待测样块上方设有热电偶，在液冷板的一侧还设有用于调节和精准放置热电偶结点的控制组件；在实验舱体的一侧壁还通过支架连接有套管，套管内设有可移动的注射器；注射器的输入端还连接有可远程智能控制注射器出液量的驱动结构；实验舱体下方还设有空气干燥结构。本发明解决了将液滴滴落在金属过冷表面进行实验的各种不便和测量不准确的问题，提高了该装置实验检测的实用性和高效性。

Description

一种金属表面过冷液滴凝固的实验装置及方法

技术领域

本发明涉及实验设备技术领域，具体涉及一种金属表面过冷液滴凝固的实验装置及方法。

背景技术

飞机、船舶、高压输电线路等金属表面在遇到严寒天气时，空气中水分会在金属表面吸附进而发生结冰现象，飞机外表面结冰主要在飞机前缘、发动机进气道前缘、天线、迎角传感器、空速管以及风挡玻璃等部位。当飞机机翼发生结冰时，飞机的操纵性和稳定性降低，导致飞机重心和焦点发生变化、飞机可操纵性变差；在飞机进行爬升、转弯以及升降过程中容易造成飞机机翼、平尾出现突然失速、失控现象，最终危及飞行安全。

对飞机关键部位合金进行必要的表面处理，可起到增加金属表面能达到的最大过冷度，减缓冰层生长速率，降低冰层与金属表面间附着力的作用，最终减少飞机表面结冰现象的发生。所以，过冷液滴在金属表面的凝固研究可为飞机表面防冰工作提供新的科学手段，具有良好的应用前景。

然而，通过前期实验发现，普通金属表面或是经简单处理的金属表面，在其表面液滴凝固时能够达到的最大过冷度比较有限，说明水滴在过冷表面凝固的影响因素未被完全发掘，限制了金属表面处理在防冻、防冰领域的应用。故需开展一系列的实验研究改善水滴在金属过冷表面的凝固特性。

进一步的，在现有技术的实验中，将液滴滴落在金属过冷表面，观测液滴内部固-液界面运动过程，并测量液滴内部及过冷表面温度，可以实现过冷表面凝固过程动力学和热力学参数的测量。但是，在开展实验过程中要准确控制液滴滴落的质量、速度、位置十分困难，这样就导致实验过程无法准确地确定变量，难以判断液滴大小是否会对凝固过程产生影响。获得小尺寸液滴(0.5-1mm)较为困难，大尺寸的液滴由于自身重力影响，使得液滴有明显的下趴趋势，导致浸润角的测量偏小，难以准确反应液滴在不同表面的润湿角。同时，测量液滴温度不便，导致液滴测量效率较低，不能获得液滴凝固过程中过冷度等重要参数。

由于实验过程需测量的参数较多，并且都为精细测量工作，开展实验时临时拼凑实验装置和环境各项参数，无法做到面面俱到。而现有技术很难解决将液滴滴落在金属过冷表面进行实验的各种不便和测量不准确的问题，故急需一种过冷金属表面液滴凝固的实验装置及其操作方法。

发明内容

本发明提供一种金属表面过冷液滴凝固的实验装置及方法，以解决上述存在的很难将热电偶结点准确置入液滴内、无法获取液滴内部凝固过程影像资料和观察到液滴固-液界面微观前缘形成状况、无法保证实验测量精准性的技术问题。

本发明的一种金属表面过冷液滴凝固的实验装置及方法采用如下技术方案：

一种金属表面过冷液滴凝固的实验装置，包括实验舱体和液冷板，所述液冷板通过支架设置在实验舱体底部中心处，所述液冷板内设有U型结构的橡胶软管以及与橡胶软管连接的低温水浴机，且所述橡胶软管的两端均与低温水浴机连接形成循环；所述液冷板上方设有待测样块以及设置在待测样块内且用于调节水平的调节装置；在所述待测样块的上方还设有用于展示液滴凝固过程内部变化的薄玻璃片，且所述薄玻璃片的外侧面设有疏水膜；所述液冷板上还设有用于实时调整薄玻璃片位置的预制夹具；在所述实验舱体内还设有拍摄组件，拍摄组件配置成可辅助补光照明地对液滴凝固时内部形态进行放大精准实时拍摄记录；

所述待测样块上方设有热电偶，在所述液冷板的一侧还设有控制组件；所述控制组件包括精密微动十字移动平台、设置在所述精密微动十字移动平台上方的齿轮变速箱以及与所述齿轮变速箱相连的连杆；所述连杆的一端与热电偶相连；使得通过转动齿轮变速箱带动连杆实现热电偶XYZ三个方向的位置点调整和精准放置热电偶结点；

在所述实验舱体的一侧壁还通过支架连接有套管，所述套管内设有可移动的注射器，使得通过控制注射器输出端在套管中的位置，可获得0-1.4m/s的液滴滴落速度；注射器的输出端还连接有软管以及设置在软管输出端的针头；且所述软管和针头通过设置在实验舱体侧壁上的机械手臂连接，使得针头始终对准待测样块；所述注射器的输入端还连接有可远程智能控制注射器出液量的驱动结构；

所述实验舱体下方还设有用于对实验舱体内部进行循环风流烘干的空气干燥结构。

优选的，所述空气干燥结构包括干燥箱、涡轮风机、进风口、进风导流鳍片、出风口和出风导流鳍片；所述干燥箱通过连接结构与实验舱体底部滑动连接；且干燥箱侧壁上设有过滤孔；所述涡轮风机设置于干燥箱内；所述进风口设置于实验舱体和干燥箱的后侧，且与涡轮风机的输出端之间设有进风管；所述出风口设置于进风口的反向一端；所述进风导流鳍片设置在进风口处且位于实验舱体内，所述出风导流鳍片设置在出风口处且位于实验舱体内，使风流从进风口进入后紧贴实验舱体内壁面进行流动，并在实验舱体前壁面进入除湿段从出风口排出完成循环。

进一步优选的，所述进风导流鳍片包括第一鳍片和第二鳍片；第一鳍片为梯形结构，且小端一侧安装在实验舱体底部、梯形斜面一侧朝向进风口；第二鳍片为三角形结构，且斜面一侧也朝向进风口；第一鳍片与第二鳍片之间形成进风通道；所述出风导流鳍片为三角形结构，且竖直面一侧朝向出风口。

进一步优选的，所述连接结构包括设置在干燥箱上端壁上的滑块、设置在实验舱体底部外侧面的滑槽，且所述滑块与滑槽匹配安装。

优选的，所述预制夹具包括结构相同且相对设置的两组夹具组件，所述夹具组件包括夹板、固紧杆和弹簧；所述夹板内侧壁上设有适配薄玻璃片外形的卡槽，使得在实验状态下，两个对称设置的卡槽固紧竖直放置的所述薄玻璃片；且所述卡槽与薄玻璃片为间隔分布的两组；所述夹板上设有沿上下方向贯通的螺纹孔；所述固紧杆与螺纹孔匹配安装；所述弹簧套设安装在固紧杆上且一端与夹板连接固定；在所述液冷板上还设有滑动槽，所述固紧杆下部可滑动地与滑动槽匹配安装，使得预制夹具对两个薄玻璃片进行固定，同时使竖直的薄玻璃片的下端面靠近待测样块。

优选的，所述驱动结构包括20ml注射器型微量注射泵和控制终端，所述控制终端与微量注射泵采用蓝牙协议实现通信控制。

优选的，所述驱动结构包括伺服电机、丝杠套、丝杠和压块以及控制终端；所述伺服电机设置于实验舱体的侧壁；所述丝杠套与所述伺服电机的输出轴连接实现同步转动；所述丝杠与丝杠套转动连接；所述压块一端与注射器的活塞保持接触、另一端与丝杠通过轴承连接；使得伺服电机启动带动丝杠转动并带动压块移动进行控制注射器的出液量；所述控制终端与伺服电机通过蓝牙协议实现通信控制。

进一步优选的，所述注射器采用量程为100ml的微量进液器；所述控制终端为手机、平板电脑的任一种。

优选的，所述拍摄组件包括工业相机、显微变焦镜头和显微增倍镜以及光照装置；所述工业相机设置在实验舱体前侧且正对待测样块；所述显微变焦镜头设置在工业相机的前端；所述显微增倍镜设置在显微变焦镜头的前端；所述光照装置设置于实验舱体的后侧且正对工业相机；且所述光照装置为光纤同轴照明灯或LED补光灯。

一种金属表面过冷液滴凝固实验装置的实验方法，包括如下步骤：

步骤一：取两片洁净透明的薄玻璃片，并使带有疏水膜的一侧面朝外；然后将两片薄玻璃片平行安置于预制夹具中；

步骤二：将待测样块放置在液冷板上，调节预制夹具位置，使预制夹具既可以固定住薄玻璃片，又可以使竖直放置的薄玻璃片的下端面距离待测块的间隙尽可能小；

步骤三：检查干燥箱内装药是否充足，药品是否变质；若不存在问题，则进行下一步；若存在问题，需更换药品，药品采用高效氯化钙干燥剂，在更换过程完成后，需对步骤二再次确认无误，方可进行下一步；

步骤四：通过空气干燥结构对实验舱体内进行除湿程序；实验舱体内通过温湿度传感器进行监测温度和湿度，当空气温湿度小于百分之30时，开启低温水浴机；

步骤五：开启驱动结构、机械手臂，同时注射器内充注纯净水(不应超过注射器活塞总行程的百分之七十五)，并安装在对应的套管内，调节适当位置固定；在驱动结构驱动力的作用下，将软管内充满液体，并排出空气，同时确保机械手臂为夹紧状态；

步骤六：通过智能控制调整机械手臂，将针头伸入两个薄玻璃片的中间空隙，并对准待测试块上方，保持针头端部与待测样块间距为3-5mm进行液滴滴入，等待滴液完成后，使用智能控制将机械手臂抬起；同时通过转动齿轮变速箱带动连杆，实现热电偶XYZ三个方向位置点的调整和精准放置热电偶结点进入液滴内；

步骤七：开启拍摄系统，将拍摄组件的画面中心位置对准到液滴的位置，调整好合适的倍率，完成对焦；

步骤八：待低温水浴机温度降至预设温度时，开启低温水浴机内的循环水泵，对待测样块通过液冷板进行降温；并通过热电偶监测液冷板温度达到预设实验要求时，进行下一步骤；

步骤九：拍摄组件开始记录，待液滴凝固过程结束后，拍摄组件停止记录，保存影像资料；同时关闭低温水浴机的循环水泵，最终完成过冷液滴凝固实验过程的图像采集与温度数据记录工作。

本发明的有益效果是：本发明通过利用注射器与套管相对位置的配合结构，使得通过控制注射器输出端在套管中的位置，可获得0-1.4m/s的液滴滴落速度；并通过可远程智能控制注射器出液量的驱动结构，与实验舱体外部的操作员的终端相连接，可有效减少实验舱体的开孔，保持其内部稳态，实现了对液滴注射量的精准控制和远程操控的便捷性；

本发明还通过预制夹具的移动和卡合，实现调节预制夹具的位置固紧，使预制夹具可以稳定的固定住薄玻璃片；同时还通过预制夹具的固紧杆的转动下移，又可以使竖直放置的薄玻璃片的下端面距离待测块的间隙尽可能小；保证后续的液滴滴落和凝固温度的检测；通过拍摄组件，可辅助补光照明地对液滴凝固时内部形态进行放大精准实时的拍摄和记录；

本发明还通过智能远程控制调整机械手臂，将针头伸入两个薄玻璃片的中间空隙，并对准待测试块上方，保持针头端部与待测样块间距为3-5mm进行液滴滴入，通过驱动结构实现远程终端的驱动和液量控制，等待滴液完成后，使用智能控制将机械手臂抬起；同时为防止滴液时出现渗漏情况，本试验装置采用两种预防措施：其一是采用机械手臂连接的机械爪的夹紧功能，在滴液完成抬升后，关闭机械爪限制住软管内流体的流动；其二是利用针头的局部阻力等，限制住软管残留流体的流动；

本发明还利用手动齿轮变速箱及精密微动十字移动平台的配合，可将热电偶的结节点精准置入液滴内部；提高了该装置测量液滴温度的便捷性，利用镀疏水膜的薄玻璃片进行液滴凝固过程内部变化的展示，并通过实验舱体风道及涡轮风机保持舱体和维持薄玻璃片表面的干燥，避免空气中水分在玻璃片表面冷凝干扰拍摄，解决了微液滴的精准获得，以及过冷液滴在冷表面上的凝固过程的实验数据采集难题，提高了该装置的进行实验的便捷性和测量准确度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为图1中的A部结构放大图；

图3为本发明的预制夹具的结构图；

图4为本发明的控制组件的结构示意图；

图5为本发明的连接结构的示意图；

图6为本发明的实施例1的驱动结构的示意图；

图7为本发明的实施例2的驱动结构的示意图；

图8为本发明的实验舱体内部风速模拟图；

图9为本发明实验舱体内部湿度模拟图。

图中：1-实验舱体，2-液冷板，3-橡胶软管，4-低温水浴机，5-待测样块，6-调节装置，7-薄玻璃片，71-疏水膜，8-预制夹具，81-夹板，82-固紧杆，83-弹簧，84-卡槽，85-螺纹孔，86-滑动槽，9-拍摄组件，91-工业相机，92-显微变焦镜头，93-显微增倍镜，94-光照装置，10-热电偶，11-控制组件，111-精密微动十字移动平台，112-齿轮变速箱，113-连杆，12-套管，13-注射器，131-软管，132-针头，14-机械手臂，15-驱动结构，151-微量注射泵，152-控制终端，153-伺服电机，154-丝杠套，155-丝杠，156-压块，16-空气干燥结构，161-干燥箱，162-涡轮风机，163-进风口，164-进风导流鳍片，1641-第一鳍片，1642-第二鳍片，165-出风口，166-出风导流鳍片，167-进风管，17-连接结构，171-滑块，172-滑槽。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1：

本发明的一种金属表面过冷液滴凝固的实验装置的实施例，如图1至图6以及图8和图9所示：

一种金属表面过冷液滴凝固的实验装置，包括实验舱体1和液冷板2，实验舱体的一侧面开设有可转动开合的透明观察窗。液冷板2通过支架设置在实验舱体1内，液冷板2内设有U型结构的橡胶软管3以及与橡胶软管3连接的低温水浴机4，低温水浴机4采用恒温型，且内设有循环水泵。且橡胶软管3的两端均与低温水浴机4连接形成循环；进而实现通过低温水浴机的控制使得液冷板降温作业，最终完成对液滴凝固形态变化的监测和记录。

液冷板2上方设有待测样块5以及设置在待测样块5内且用于调节水平的调节装置6；调节装置采用小型水平仪，进而在水平仪的调节作用下，保持待测样块始终保持水平。在待测样块5的上方还设有用于展示液滴凝固过程内部变化的薄玻璃片7，且薄玻璃片7的外侧面设有疏水膜71；如此设置，保证后续的滴液操作和工业相机能够清晰地记录液滴凝固过程变化。

液冷板2上还设有用于实时调整薄玻璃片7位置的预制夹具8；本发明还通过预制夹具8的移动和卡合，实现调节预制夹具8的位置固紧，使预制夹具8可以稳定的固定住薄玻璃片7；同时还通过预制夹具8的固紧杆82的转动下移，又可以使竖直放置的薄玻璃片7的下端面距离待测块的间隙尽可能小；保证后续的液滴滴落和凝固温度的检测。在实验舱体1内还设有拍摄组件9，拍摄组件9配置成可辅助补光照明地对液滴凝固时内部形态进行放大精准实时拍摄记录；通过拍摄组件9，可辅助补光照明地对液滴凝固时内部形态进行放大精准实时的拍摄和记录。

待测样块5上方设有热电偶10，在液冷板2的一侧还设有控制组件11；控制组件11包括精密微动十字移动平台111、设置在精密微动十字移动平台111上方的齿轮变速箱112以及与齿轮变速箱112相连的连杆113；连杆113的一端与热电偶10相连，提供支撑；齿轮变速箱112采用多级齿轮传动，并设有转动把手通过齿轮传动效果，在精密微动十字移动平台111上进行移动，具体是使得通过手动转动齿轮变速箱112带动连杆113在三维空间内移动，实现热电偶10的XYZ三个方向的位置点调整，提高了放置热电偶结点的精准性。

在实验舱体1的一侧壁还通过支架连接有套管12，套管12内设有可移动的注射器13，套管12总长10cm，使得通过控制注射器13输出端在套管12中的位置，可获得0-1.4m/s的液滴滴落速度；注射器13的输出端还连接有软管131以及设置在软管131输出端的针头132；所述针头采用长注射针头(规格拟定为25G；0.5*60mm)。且软管131和针头132通过设置在实验舱体1侧壁上的机械手臂14连接，使得针头132始终对准待测样块5；其中机械手臂14为多级传动臂连接结构，且端部连接机械爪，用于固紧和夹持软管131。且机械手臂14的动力源采用220V直流电源。注射器13的输入端还连接有可远程智能控制注射器13出液量的驱动结构15；注射器进行滴液也可以采用手动作业的方式。

由于注射器13与连接软管131内都有流体，为防止滴液时出现渗漏情况，本试验装置采用两种预防措施：其一是采用机械手臂14连接的机械爪的夹紧功能，在滴液完成抬升后，关闭机械爪限制住软管131内流体的流动；其二是利用针头132的局部阻力等，限制住软管131残留流体的流动。

在本实施例中，实验舱体1下方还设有用于对实验舱体1内部进行循环风流烘干的空气干燥结构16。空气干燥结构16包括干燥箱161、涡轮风机162、进风口163、进风导流鳍片164、出风口165和出风导流鳍片166；干燥箱161通过连接结构17与实验舱体1底部滑动连接；且干燥箱161侧壁上设有过滤孔；涡轮风机162设置于干燥箱161内；进风口163设置于实验舱体1和干燥箱161的后侧，且与涡轮风机162的输出端之间设有进风管167；出风口165设置于进风口163的反向一端；进风导流鳍片164设置在进风口163处且位于实验舱体1内，出风导流鳍片166设置在出风口165处且位于实验舱体1内。使风流从进风口163进入后紧贴实验舱体1内壁面进行流动，并在实验舱体1前壁面进入除湿段从出风口165排出完成循环。

实验舱体1内空气循环的动力源自于涡轮风机162，其中涡轮风机162采用离心式涡轮风机，其优点是；离心式涡轮风机体积小，且风机的压头大，有利于气流的集束成型。涡轮风机162出口处朝向实验舱体1后方，并通过进风管167将气流导向进风口，紧贴实验舱体1内壁面进行流动，并在实验舱体1由后向前流动，在前壁面进入除湿段完成干燥循环过程，进而从出风口165导出。

进风导流鳍片164包括第一鳍片1641和第二鳍片1642；第一鳍片1641为梯形结构，且小端一侧安装在实验舱体1底部、梯形斜面一侧朝向进风口163；第二鳍片1642为三角形结构，且斜面一侧也朝向进风口163；第一鳍片1641与第二鳍片1642之间形成进风通道；出风导流鳍片166为三角形结构，且竖直面一侧朝向出风口165。连接结构17包括设置在干燥箱161上端壁上的滑块171、设置在实验舱体1底部外侧面的滑槽172，且滑块171与滑槽172匹配安装。设置连接结构17，便于安装和拆卸。

通过设置特殊结构的进风导流鳍片164实现引风和导流，使得进入实验舱体1内的风流保持贴壁流通，进而在特殊结构配合的出风导流鳍片166的作用下实现引流排出，进而实现干燥风流的循环。有效降低气流循环路径上的沿程阻力与局部阻力；有效的引导了舱体内气流的流动范围，使处于舱体中部的液冷板2表面的风速不大于0.03m/s，舱体内部湿度可得到有效控制，为拍摄观测液滴内部凝固过程创造了有利条件。

在本实施例中，预制夹具8包括结构相同且相对设置的两组夹具组件，夹具组件包括夹板81、固紧杆82和弹簧83；夹板81内侧壁上设有适配薄玻璃片7外形的卡槽84，使得在实验状态下，两个对称设置的卡槽84固紧竖直放置的薄玻璃片7；且卡槽84与薄玻璃片7为间隔分布的两组；夹板81上设有沿上下方向贯通的螺纹孔85；固紧杆82与螺纹孔85匹配安装；弹簧83套设安装在固紧杆82上且一端与夹板81连接固定；在液冷板2上还设有滑动槽86，固紧杆82下部可滑动地与滑动槽86匹配安装，使得预制夹具8对两个薄玻璃片7进行固定，同时使竖直的薄玻璃片7的下端面靠近待测样块5。通过移动相对设置的两个夹板81，拉开间距。每个夹板81的内侧均设有两个间隔分布的卡槽84，然后将薄玻璃片7放入到对应的卡槽84位置，然后移动夹板81，实际上移动夹板81是固紧杆82下部沿着滑动槽86进行移动。当两侧对称设置的卡槽84对薄玻璃片7进行接触后，转动固紧杆82下移，并压缩弹簧83，实现固紧杆82底端与液冷板2的固紧。

在本实施例中，驱动结构15包括20ml注射器型微量注射泵151和控制终端152，控制终端152与微量注射泵151采用蓝牙协议实现通信控制。微量注射泵151是一种新型泵力仪器，将少量药液精确、微量、均匀、持续地泵入体内，操作便捷、定时、定量。注射器13采用量程为100ml的微量进液器；控制终端152为手机、平板电脑的任一种。如此设置，可通过控制终端在实验罐体1外进行驱动控制，减少了实验罐体1的开孔结构，提高了实验罐体1的密封效果。

在本实施例中，拍摄组件9包括工业相机91、显微变焦镜头92和显微增倍镜93以及光照装置94；工业相机91设置在实验舱体1前侧且正对待测样块5；显微变焦镜头92设置在工业相机91的前端；显微增倍镜93设置在显微变焦镜头92的前端；光照装置94设置于实验舱体1的后侧且正对工业相机91；且光照装置94为光纤同轴照明灯或LED补光灯。通过拍摄组件9进行实时拍摄和记录液滴变化。具体的是在光照装置94对液滴的辅助补光照明下，将液滴凝固时的内部形态，在工业相机中进行放大，然后精准实时的拍摄和记录，便于后续的实验检测分析和推论。

一种金属表面过冷液滴凝固实验装置的实验方法，包括如下步骤：

步骤一：取两片洁净透明的薄玻璃片7，并使带有疏水膜71的一侧面朝外；然后将两片薄玻璃片7平行安置于预制夹具8中的卡槽中；

步骤二：将待测样块5放置在液冷板2上，通过固紧杆82的移动，调节预制夹具8位置，并通过固紧杆82的转动下移实现固紧，使预制夹具8既可以固定住薄玻璃片7，又可以使竖直放置的薄玻璃片7的下端面距离待测块的间隙尽可能小；

步骤三：检查干燥箱161内装药是否充足，药品是否变质；若不存在问题，则进行下一步；若存在问题，需更换药品，药品采用高效氯化钙干燥剂，在更换过程完成后，需对步骤二再次确认无误，方可进行下一步；

步骤四：通过空气干燥结构16对实验舱体1内进行除湿程序；实验舱体1内通过温湿度传感器进行监测温度和湿度，当空气温湿度小于百分之三十时，开启低温水浴机4；

步骤五：开启驱动结构15、机械手臂14，同时注射器13内充注纯净水(不应超过注射器13活塞总行程的百分之七十五)，并安装在对应的套管12内，调节适当位置固定；在驱动结构15驱动力的作用下，推动注射器的活塞向前挤压液体，进而将软管131内充满液体，并排出空气，同时确保机械手臂14前端的机械爪与软管为夹紧状态；

步骤六：通过控制终端(手机或平板电脑)进行智能控制调整机械手臂14的位置，将针头132伸入两个薄玻璃片7的中间空隙，并对准待测样块5上方，保持针头132端部与待测样块5间距为3-5mm进行液滴滴入，等待滴液完成后，使用智能控制将机械手臂14抬起；同时手动通过转动齿轮变速箱112实现连杆113的位置移动，进而实现了热电偶10的XYZ三个方向位置点的调整和精准放置热电偶结点进入液滴内；

步骤七：开启拍摄系统，将拍摄组件9的工业相机的画面中心位置对准到液滴的位置，调整好合适的倍率，并完成对焦；

步骤八：待低温水浴机4温度降至预设温度时，开启低温水浴机4内的循环水泵，对待测样块5和液滴通过液冷板2进行降温；并通过热电偶10监测液冷板2温度达到预设实验要求时，进行下一步骤；

步骤九：拍摄组件9开始记录，待液滴凝固过程结束后，拍摄组件9的工业相机停止记录，保存影像资料；同时关闭低温水浴机4的循环水泵，最终完成过冷液滴凝固实验过程的图像采集与温度数据记录工作

实施例2：

本发明的一种金属表面过冷液滴凝固的实验装置的实施例，如图1-图5以及图7-图9所示：

一种金属表面过冷液滴凝固的实验装置，本实施例与实施例1的技术方案内容大体相似，且不同之处在于：如图6所示：驱动结构15包括伺服电机153、丝杠套154、丝杠155和压块156以及控制终端152；伺服电机153设置于实验舱体1的侧壁；丝杠套154与伺服电机153的输出轴连接实现同步转动；丝杠155与丝杠套154转动连接；压块156一端与注射器13的活塞保持接触、另一端与丝杠155通过轴承连接；使得伺服电机153启动带动丝杠155转动并带动压块156移动进行控制注射器13的出液量；控制终端152与伺服电机153通过蓝牙协议实现通信控制。注射器13采用量程为100ml的微量进液器；控制终端152为手机、平板电脑的任一种。

如此设置，通过控制终端152进行远程操控，提高了该装置实验操作的便捷性和智能化程度。进一步的，控制终端152启动伺服电机153转动，进而使得丝杠套154和丝杠155发生相对转动，由于丝杠套154只转动不移动，因此丝杠155带动底端的压块156会转动下移，同时丝杠155与压块156之间通过设置轴承，保证压块156只移动不转动。进而对注射器13的活塞进行推动，实现液滴滴落作业。伺服电机153的输出端还连接有减速器，防止速度过大造成注射器液流过大。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种金属表面过冷液滴凝固的实验装置，其特征在于：包括实验舱体和液冷板，所述液冷板通过支架设置在实验舱体内，所述液冷板内设有U型结构的橡胶软管以及与橡胶软管连接的低温水浴机，且所述橡胶软管的两端均与低温水浴机连接形成循环；所述液冷板上方设有待测样块以及设置在待测样块内且用于调节水平的调节装置；在所述待测样块的上方还设有用于展示液滴凝固过程内部变化的薄玻璃片，且所述薄玻璃片的外侧面设有疏水膜；所述液冷板上还设有用于实时调整薄玻璃片位置的预制夹具；在所述实验舱体内还设有拍摄组件，拍摄组件配置成可辅助补光照明地对液滴凝固时内部形态进行放大精准实时拍摄记录；

所述待测样块上方设有热电偶，在所述液冷板的一侧还设有控制组件；所述控制组件包括精密微动十字移动平台、设置在所述精密微动十字移动平台上方的齿轮变速箱以及与所述齿轮变速箱相连的连杆；所述连杆的一端与热电偶相连；使得通过转动齿轮变速箱带动连杆实现热电偶XYZ三个方向的位置点调整和精准放置热电偶结点；

在所述实验舱体的一侧壁还通过支架连接有套管，所述套管内设有可移动的注射器，使得通过控制注射器输出端在套管中的位置，可获得0-1.4m/s的液滴滴落速度；注射器的输出端还连接有软管以及设置在软管输出端的针头；且所述软管和针头通过设置在实验舱体侧壁上的机械手臂连接，使得针头始终对准待测样块；所述注射器的输入端还连接有可远程智能控制注射器出液量的驱动结构；

所述实验舱体下方还设有用于对实验舱体内部进行循环风流烘干的空气干燥结构。

2.根据权利要求1所述的一种金属表面过冷液滴凝固的实验装置，其特征在于：所述空气干燥结构包括干燥箱、涡轮风机、进风口、进风导流鳍片、出风口和出风导流鳍片；所述干燥箱通过连接结构与实验舱体底部滑动连接；且干燥箱侧壁上设有过滤孔；所述涡轮风机设置于干燥箱内；所述进风口设置于实验舱体和干燥箱的后侧，且与涡轮风机的输出端之间设有进风管；所述出风口设置于进风口的反向一端；所述进风导流鳍片设置在进风口处且位于实验舱体内，所述出风导流鳍片设置在出风口处且位于实验舱体内，使风流从进风口进入后紧贴实验舱体内壁面进行流动，并在实验舱体前壁面进入除湿段从出风口排出完成循环。

3.根据权利要求2所述的一种金属表面过冷液滴凝固的实验装置，其特征在于：所述进风导流鳍片包括第一鳍片和第二鳍片；第一鳍片为梯形结构，且小端一侧安装在实验舱体底部、梯形斜面一侧朝向进风口；第二鳍片为三角形结构，且斜面一侧也朝向进风口；第一鳍片与第二鳍片之间形成进风通道；所述出风导流鳍片为三角形结构，且竖直面一侧朝向出风口。

4.根据权利要求3所述的一种金属表面过冷液滴凝固的实验装置，其特征在于：所述连接结构包括设置在干燥箱上端壁上的滑块、设置在实验舱体底部外侧面的滑槽，且所述滑块与滑槽匹配安装。

5.根据权利要求1所述的一种金属表面过冷液滴凝固的实验装置，其特征在于：所述预制夹具包括结构相同且相对设置的两组夹具组件，所述夹具组件包括夹板、固紧杆和弹簧；所述夹板内侧壁上设有适配薄玻璃片外形的卡槽，使得在实验状态下，两个对称设置的卡槽固紧竖直放置的所述薄玻璃片；且所述卡槽与薄玻璃片为间隔分布的两组；所述夹板上设有沿上下方向贯通的螺纹孔；所述固紧杆与螺纹孔匹配安装；所述弹簧套设安装在固紧杆上且一端与夹板连接固定；在所述液冷板上还设有滑动槽，所述固紧杆下部可滑动地与滑动槽匹配安装，使得预制夹具对两个薄玻璃片进行固定，同时使竖直的薄玻璃片的下端面靠近待测样块。

6.根据权利要求1所述的一种金属表面过冷液滴凝固的实验装置，其特征在于：所述驱动结构包括20ml注射器型微量注射泵和控制终端，所述控制终端与微量注射泵采用蓝牙协议实现通信控制。

7.根据权利要求1所述的一种金属表面过冷液滴凝固的实验装置，其特征在于：所述驱动结构包括伺服电机、丝杠套、丝杠和压块以及控制终端；所述伺服电机设置于实验舱体的侧壁；所述丝杠套与所述伺服电机的输出轴连接实现同步转动；所述丝杠与丝杠套转动连接；所述压块一端与注射器的活塞保持接触、另一端与丝杠通过轴承连接；使得伺服电机启动带动丝杠转动并带动压块移动进行控制注射器的出液量；所述控制终端与伺服电机通过蓝牙协议实现通信控制。

8.根据权利要求6或7所述的一种金属表面过冷液滴凝固的实验装置，其特征在于：所述注射器采用量程为100ml的微量进液器；所述控制终端为手机、平板电脑的任一种。

9.根据权利要求1所述的一种金属表面过冷液滴凝固的实验装置，其特征在于：所述拍摄组件包括工业相机、显微变焦镜头和显微增倍镜以及光照装置；所述工业相机设置在实验舱体前侧且正对待测样块；所述显微变焦镜头设置在工业相机的前端；所述显微增倍镜设置在显微变焦镜头的前端；所述光照装置设置于实验舱体的后侧且正对工业相机；且所述光照装置为光纤同轴照明灯或LED补光灯。

10.根据权利要求1-9任一项所述的一种金属表面过冷液滴凝固的实验装置的实验方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤一：取两片洁净透明的薄玻璃片，并使带有疏水膜的一侧面朝外；然后将两片薄玻璃片平行安置于预制夹具中；

步骤二：将待测样块放置在液冷板上，调节预制夹具位置，使预制夹具既可以固定住薄玻璃片，又可以使竖直放置的薄玻璃片的下端面距离待测样块的间隙尽可能小；

步骤三：检查干燥箱内装药是否充足，药品是否变质；若不存在问题，则进行下一步；若存在问题，需更换药品，药品采用高效氯化钙干燥剂，在更换过程完成后，需对步骤二再次确认无误，方可进行下一步；

步骤四：通过空气干燥结构对实验舱体内进行除湿程序；实验舱体内通过温湿度传感器进行监测温度和湿度，当空气温湿度小于百分之三十时，开启低温水浴机；

步骤五：开启驱动结构、机械手臂，同时注射器内充注纯净水(不应超过注射器活塞总行程的百分之七十五)，并安装在对应的套管内，调节适当位置固定；在驱动结构驱动力的作用下，将软管内充满液体，并排出空气，同时确保机械手臂为夹紧状态；

步骤六：通过智能控制调整机械手臂，将针头伸入两个薄玻璃片的中间空隙，并对准待测样块上方，保持针头端部与待测样块间距为3-5mm进行液滴滴入，等待滴液完成后，使用智能控制将机械手臂抬起；同时通过转动齿轮变速箱带动连杆，实现热电偶XYZ三个方向位置点的调整和精准放置热电偶结点进入液滴内；

步骤七：开启拍摄系统，将拍摄组件的画面中心位置对准到液滴的位置，调整好合适的倍率，完成对焦；

步骤八：待低温水浴机温度降至预设温度时，开启低温水浴机内的循环水泵，对待测样块通过液冷板进行降温；并通过热电偶监测液冷板温度达到预设实验要求时，进行下一步骤；

步骤九：拍摄组件开始记录，待液滴凝固过程结束后，拍摄组件停止记录，保存影像资料；同时关闭低温水浴机的循环水泵，最终完成过冷液滴凝固实验过程的图像采集与温度数据记录工作。

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