CN116481704A - 金属蒸汽压强检测装置及检测方法 - Google Patents

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CN116481704A CN202210048695.5A CN202210048695A CN116481704A CN 116481704 A CN116481704 A CN 116481704A CN 202210048695 A CN202210048695 A CN 202210048695A CN 116481704 A CN116481704 A CN 116481704A
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周月明
李山青
张春伟
熊斐
汪义如
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Abstract

本发明公开了一种金属蒸汽压强检测装置及检测方法，包括金属蒸发腔体以及设于金属蒸发腔体外侧的压强检测机构；金属蒸发腔体用于将金属融化、蒸发，形成金属蒸汽；强检测机构包括位移发生系统以及设于位移发生系统上的位移检测系统；位移发生系统包括位移滑块套筒、设于位移滑块套筒内的位移滑块以及与位移滑块连接的压力平衡弹簧，位移滑块套筒与金属蒸发腔体相连通，位移滑块在金属蒸汽的压力下沿位移滑块套筒滑动；压力平衡弹簧的另一端与位移检测系统连接；压强检测机构根据位移检测系统检测的位移滑块的坐标得出金属蒸汽的压强。发明能直接测得金属蒸汽的压强，为金属蒸汽的在线控制和调节提供依据。

Description

金属蒸汽压强检测装置及检测方法
技术领域
本发明属于金属蒸汽检测技术领域，尤其涉及一种金属蒸汽压强检测装置及检测方法。
背景技术
物理气相沉积技术是当前广泛应用的材料表面处理技术，在真空环境中将金属、合金或化合物进行蒸发，形成的金属蒸汽在基板上凝固沉积。采用该技术对材料表面进行镀膜，镀层具有较好的耐磨性、耐腐蚀性、硬度和干润性等，可显著提高材料性能和使用寿命；采用该技术进行镀膜处理，无“三废”产生，对环境无污染；该技术在机械、电子、五金、航空航天、化工等材料领域得到广泛应用，成为绿色制造的一项重要应用技术。
在物理气相沉积技术应用中，镀层材料有多种，如锌、铝、镁、铬等；镀膜速度一般较快，通常可达1～3m/s。为了得到较好的镀层表面质量和喷镀效果，要求喷镀过程的金属蒸汽流量和压力保持相对恒定。其中，金属蒸汽的压力对喷镀控制工艺具有至关重要的影响，是镀层与基板结合力的关键参数之一。
目前常见的压强检测装置主要适用于气体和水蒸汽；由于金属蒸汽是高温气流，在低温区域容易凝结，而且有些金属比较活泼，极易与其他金属发生反应，从而腐蚀其他金属结构；因此无法采用现有的压强检测装置直接测量金属蒸汽的压力。目前对于金属蒸汽的压强检测方法报道很少，且大多是采用间接的方法进行压力测量。
经文献调研和专利检索，目前尚无直接测量金属蒸汽压强的方法和装置；因此，需开发金属蒸汽压力的测量方法和装置，可直接测量金属蒸汽的压强，为金属蒸汽的在线控制和调节提供依据。
发明内容
针对现有技术中存在的上述缺陷，本发明的目的是提供一种金属蒸汽压强检测装置及检测方法，通过在金属蒸发腔体外侧设计一个位移发生系统和位移检测系统，根据实时检测位移滑块的位移量以及采用气体标定过的压强与位移量的关系曲线，从而直接测得金属蒸汽的压强，为金属蒸汽的在线控制和调节提供依据。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明第一方面提供了一种金属蒸汽压强检测装置，包括金属蒸发腔体以及设于所述金属蒸发腔体外侧的压强检测机构；
所述金属蒸发腔体用于将金属融化、蒸发，形成金属蒸汽；
所述压强检测机构包括位移发生系统以及设于所述位移发生系统上的位移检测系统；所述位移发生系统包括位移滑块套筒、设于所述位移滑块套筒内的位移滑块以及与所述位移滑块连接的压力平衡弹簧，所述位移滑块套筒与所述金属蒸发腔体相连通，所述位移滑块在金属蒸汽的压力下沿所述位移滑块套筒滑动；所述压力平衡弹簧的另一端与所述位移检测系统连接；所述压强检测机构根据位移检测系统检测的位移滑块的坐标得出金属蒸汽的压强。
优选地，所述位移检测系统包括固定支架和位移传感器；所述固定支架上设有与所述压力平衡弹簧连接的弹簧限位块、套设于所述位移滑块套筒上的固定环以及安装所述位移传感器的传感器固定块；所述弹簧限位块设于所述固定环与所述传感器固定块之间，该弹簧限位块上开设有与位移传感器相对应的所述透光孔。
优选地，所述位移发生系统还包括设于所述位移滑块套筒内的加热器。
优选地，所述压力平衡弹簧由1～10个弹簧组成，所述弹簧的线径为0.1～6mm。
优选地，所述位移传感器的中心与所述透光孔的中心、所述压力平衡弹簧的中心处于相同轴线上。
优选地，所述压强检测机构还包括智能处理模块；所述智能处理模块用于接收所述位移传感器检测的位移滑块的坐标，计算所述位移滑块的位移量，并根据标定过的位移量与压强的关系，得出金属蒸汽的压强。
本发明第二方面提供了一种金属蒸汽压强检测方法，采用如本发明第一方面所述的金属蒸汽压强检测装置进行检测；所述金属蒸汽压强检测方法包括以下步骤：
S1，向金属蒸汽压强检测装置的金属蒸发腔体内通入不同压强的气体进行重复标定，获取稳定的压强与位移滑块的位移量的关系曲线；
S2，将金属熔化、蒸发，在所述金属蒸发腔体内形成金属蒸汽，所述位移滑块在金属蒸汽的压力下沿位移滑块套筒滑动，压力平衡弹簧在所述位移滑块的挤压下逐渐缩短，直至所述位移滑块达到受力平衡停止运动，位移检测系统实时检测位移滑块的坐标，得到所述位移滑块的位移量；
S3，根据所述步骤S1得到的压强与位移滑块的位移量的关系曲线得到金属蒸汽的压强。
优选地，所述步骤S1中，所述气体的压强为1×103～1×105Pa。
优选地，所述步骤S2中，所述位移滑块的位移量ΔS为：
ΔS＝|St-S0|
式中，ΔS为所述位移滑块的位移量，单位为mm；
St为所述位移滑块发生位移后，达到受力平衡时的坐标，单位为mm；
S0为所述位移滑块零位的坐标，单位为mm。
优选地，所述步骤S2中，所述位移滑块移动过程中，采用加热器对所述位移滑块套筒加热，控制加热温度为20～1000℃。
本发明所提供的金属蒸汽压强检测装置及检测方法，具有以下几点有益效果：
1、本发明的金属蒸汽压强检测装置及检测方法，通过在金属蒸发腔体外侧设计一个位移发生系统和位移检测系统，根据实时检测位移滑块的位移量以及采用气体标定过的压强与位移量的关系曲线，从而直接测得金属蒸汽的压强，为金属蒸汽的在线控制和调节提供依据；
2、本发明的金属蒸汽压强检测装置及检测方法，可实时监测温度范围为常温至1000℃的金属蒸汽压强，为金属蒸发控制提供稳定检测和调节控制依据；
3、本发明的金属蒸汽压强检测装置及检测方法，适用于多种金属蒸汽的压强的直接测量，具有较好的结构适应性和工艺兼容性；
4、本发明的金属蒸汽压强检测装置，结构简单，适用于多种工况和环境，实施成本低，易于操作和维护，便于实现自动连锁控制。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明的金属蒸汽压强检测装置的结构示意图；
图2a中本发明的压强检测机构的结构示意图；
图2b为图2a的A-A向剖面图；
图3a本发明的压强检测机构在金属蒸汽压力作用下，位移滑块发生位移的示意图；
图3b为图3a的B-B向剖面图；
图4为本发明的固定支架的结构示意图；
图5a为本发明的滑块套筒的结构示意图；
图5b为图5a的C-C向剖面图；
图6为多个不同规格的弹簧组成的压力平衡弹簧的机构示意图。
具体实施方式
为了能更好地理解本发明的上述技术方案，下面结合实施例进一步说明本发明的技术方案。
结合图1所示，本发明所提供的一种金属蒸汽压强检测装置，包括金属蒸发腔体1以及设于金属蒸发腔体1外侧的压强检测机构3；其中金属蒸发腔体1，其内为金属蒸发区域2，用于将金属融化、蒸发，形成金属蒸汽；结合图2a、图2b所示，压强检测机构3包括位移发生系统以及设于位移发生系统上的位移检测系统；位移发生系统包括位移滑块套筒5(参见图5a、图5b所示)、设于位移滑块套筒5内的位移滑块4以及与位移滑块4连接的压力平衡弹簧6，位移滑块套筒5与金属蒸发腔体1相连通，位移滑块4在金属蒸汽的压力下沿位移滑块套筒5滑动；压力平衡弹簧6的另一端与位移检测系统连接；压强检测机构3根据位移检测系统检测的位移滑块4的坐标，计算出位移滑块4的位移量，并得出金属蒸汽的压强。
结合图1、图2a、图2b所示，在具体的实施例中，位移检测系统包括固定支架7和位移传感器8；结合图4所示，固定支架7上设有与压力平衡弹簧6连接的弹簧限位块7-1、套设于位移滑块套筒5上的固定环7-3以及安装位移传感器8的传感器固定块7-2，其中为了较好的安装固定支架，固定环7-3设置2个；弹簧限位块7-1设于固定环7-3与传感器固定块7-2之间，该弹簧限位块7-1上开设有与位移传感器8相对应的透光孔。其中固定支架7有三个功能：一是通过弹簧限位块7-1对压力平衡弹簧6变形时固定侧的位置进行限定，在弹簧限位块7-1上设计与位移传感器8相对应的透光孔，便于位移传感器8对位移滑块4的坐标进行实时测量；二是在传感器固定块7-2上安装位移传感器8，可测量在金属蒸汽作用下位移滑块4发生的位移；三是通过固定环7-3将固定支架7安装在位移滑块套筒5上，是连接位移发生系统和位移检测系统的重要部件；
在具体的实施例中，其中位移传感器8的中心与压力平衡弹簧6的中心以及透光孔的中心基本处于相同轴心，确保位移传感器8在测量过程中无其他构件的遮挡与干涉。
结合图2a、2b所示，在具体的实施例中，为了防止金属蒸汽在位移滑块4和位移滑块套筒5之间以及位移滑块4运动路径的位移滑块套筒5的内壁上凝结，影响金属蒸汽的压强检测效果，位移发生系统还包括设于位移滑块套筒5内的加热器9，可将位移滑块套筒5的温度加热至金属蒸汽温度以上；在具体的实施例中，加热器9和采用电阻加热或感应加热，其中加热的温度范围为20～1000℃。
结合图6所示，在具体的实施例中，可根据不同的压强范围设计合理的压力平衡弹簧6，金属蒸汽压强检测范围为1×103～105Pa，压力平衡弹簧6可由单个弹簧组成，也可由多个弹簧组合而成，从而实现较宽范围的金属蒸汽压强测量；其中压力平衡弹簧6由1～10个弹簧组成，当采用多个弹簧组合对金属蒸汽压力测量时，多个弹簧采用串联形式连接成压力平衡弹簧6，比如图6中采用三个弹簧6-1、6-2、6-3串联组合形成压力平衡弹簧6；压力平衡弹簧6中，弹簧的线径可根据具体压力范围优化设计，弹簧的线径可在0.1～6mm之间选择。
在具体的实施例中，压强检测机构3还包括智能处理模块；在金属蒸发过程中，智能处理模块接收位移传感器8实时测量的位移滑块4的坐标，计算位移滑块4的位移量ΔS，并根据标定过的压强与位移滑块4的位移量ΔS的关系曲线，查出金属蒸汽的压强，从而实现金属蒸汽压强的实时直接测量。
本发明的金属蒸汽压强检测装置，既可用于常压下金属蒸汽压强的测量，也可用于真空下金属蒸汽压强的测量，可适用于多种工况下金属蒸汽压强的测量；该金属蒸汽压强检测装置进而可直接测量金属蒸汽的压强，受其他因素影响较小，且具有较高的抗干扰能力，压强测量相对稳定。
本发明的金属蒸汽压强检测装置在使用时，当无金属蒸汽时位移滑块4在压力平衡弹簧6的压应力的作用下抵住金属蒸发腔体1，形成受力平衡，该位置即为位移滑块4未滑动时的坐标，记作零位S0；结合图3a、3b所示，当金属蒸发腔体1内产生金属蒸汽(或通入其他气体)时，蒸发腔体内的金属蒸汽压力不断增大，当金属蒸汽压力大于压力平衡弹簧6的初始压应力时，位移滑块4的合外力的方向向外(即远离金属蒸发腔体1的方向)，位移滑块4沿位移滑块套筒5向远离金属蒸发腔体1方向移动，压力平衡弹簧6在位移滑块4的挤压下逐渐缩短，同时其对位移滑块4的压应力逐渐增大，当压力平衡弹簧6的压应力与金属蒸汽的压力大小相等时，位移滑块4达到受力平衡，位移滑块4停止运动；在金属蒸发过程中，金属蒸发腔体1内产生的金属蒸汽的压力减小，当金属蒸汽的压力小于压力平衡弹簧6的压应力时，位移滑块4的合外力向内(即金属蒸发腔体1的方向)，位移滑块4向金属蒸发腔体1的方向运动，压力平衡弹簧6对位移滑块4的压应力逐渐减小，直到压力平衡弹簧6对位移滑块4的压应力与金属蒸汽压力大小相等，位移滑块4停止运动；当金属蒸发即将结束时，金属蒸汽压力越来越小，则此时位移滑块4在压力平衡弹簧6的内应力作用下向金属蒸发腔体1移动，直至位移滑块4抵住金属蒸发腔体1，则金属蒸汽压力低于金属蒸汽压强检测装置的最低检测压力。在位移传感器8从远离金属蒸发腔体1到达到受力平衡停止滑动，位移传感器8实时测量位移滑块4的坐标，并传递给智能处理模块，智能处理模块可实时计算位移滑块4的位移量ΔS，然后根据采用气体标定好的压强与位移量的关系，得出金属蒸汽的压强。
采用上述的金属蒸汽压强检测装置对金属蒸汽的压强进行检测，其中检测方法如下：
S1，向金属蒸汽压强检测装置的金属蒸发腔体内通入不同压强的气体进行重复标定，获取稳定的压强与位移滑块的位移量的关系曲线；
具体过程为：在测量金属蒸汽压强前，首先对金属蒸汽压强检测装置的压强与位移滑块的位移量进行标定：向金属蒸发腔体通入已知压强的气体，位移滑块在气体的作用下远离金属蒸发腔体，平衡压力弹簧在位移滑块的挤压下逐渐缩短，同时平衡压力弹簧对位移滑块产生向内的压应力，直至位移滑块达到受理平衡后停止运动，位移检测系统实时测量位移滑块的坐标；其中未通入气体时，位移滑块在压力平衡弹簧的向内的压应力作用下，抵住金属蒸发腔体外壁的台阶限位处，形成受力平衡，此时位移滑块的位置记为零位S0，从而得出压强与此时的滑块位移量的关系，为保证数据的准确性，还需进行多次重复标定，除此之外还需升高或降低气体的压力对压强和位移量进行多次重复标定，以获得稳定的压强与位移滑块位移量的关系曲线；其中气体的压强为1×103～1×105Pa。
S2，将金属熔化、蒸发，在所述金属蒸发腔体内形成金属蒸汽，所述位移滑块在金属蒸汽的压力下沿位移滑块套筒滑动，压力平衡弹簧在所述位移滑块的挤压下逐渐缩短，直至所述位移滑块达到受力平衡停止运动，位移检测系统实时检测位移滑块的坐标，得到所述位移滑块的位移量；
具体过程为：将金属熔化、蒸发，在金属蒸发腔体内形成金属蒸汽，当金属蒸汽的压力大于压力平衡弹簧的初始内应力时，位移滑块在金属蒸汽的压力下沿位移滑块套筒滑动，压力平衡弹簧在所述位移滑块的挤压下逐渐缩短，当压力平衡弹簧对位移滑块的内应力与金属蒸汽的压力大小相等时，位移滑块停止运动，位移检测系统实时检测此时位移滑块的坐标St，并发送给压强检测系统，得到位移滑块的位移量ΔS：
ΔS＝|St-S0|
式中，ΔS为所述位移滑块的位移量，单位为mm；
St为所述位移滑块发生位移后，达到受力平衡时的坐标，单位为mm；
S0为所述位移滑块零位的坐标，单位为mm。
当金属蒸汽的压力发生变化时，可重新根据位移检测系统检测位移滑块再次达到受力平衡后的坐标，并计算此时的位移量。
在上述过程中，为了防止金属蒸汽在位移滑块和位移滑块套筒之间以及滑块运动路径的位移滑块套筒内壁产生凝结，影响金属蒸汽压强检测效果，采用加热器对所述位移滑块套筒加热，控制加热温度为20～1000℃。
S3，根据所述步骤S1得到的压强与位移滑块的位移量的关系曲线得到金属蒸汽的压强。
具体过程为，根据步骤S1得到的压强与位移滑块的位移量的关系曲线，以及步骤S2检测的位移量，可实时测量金属蒸汽的压强。
下面结合具体的例子对本发明的金属蒸汽压强检测装置及检测方法进一步介绍；
实施例1
本实施例中，待测金属蒸汽压强范围为5×103～1×105Pa时，压力平衡弹簧4的线径可选择4～6mm，选择单根弹簧即可。实施步骤如下：
首先，对金属蒸汽压强检测装置进行标定。
在初始状态下，记录位移滑块4的初始零位S0的坐标，并发送至智能处理模块；
向金属蒸发腔体内通入氮气，随着金属蒸发腔体内氮气压强的增大，位移滑块4在向外合外力作用下，向外发生运动，可通过压强计测量腔体内氮气压强，并通过位移传感器实时检测位移滑块4的位移量，得到气体压强增大过程中位移量与压强关系；
当金属蒸发腔体内氮气压强达到1×105Pa时，逐渐降低金属蒸发腔体内氮气压强，直至氮气压力为5×103Pa，在该测试过程中，作用在位移滑块4的推力减小，合外力方向为向内，测量位移滑块4在合外力作用下的实时位移量，得到气体压强降低过程的位移量与压强关系；
整个标定测量过程中，位移滑块4的位移量和对应金属蒸发腔体内压强值实时发送至智能处理模块，通过多次重复测量，得到位移量与压强的关系曲线。
然后，利用上述已标定的位移量和压强曲线，测量金属蒸发腔体内金属蒸汽压强。
在金属熔化蒸发的初始状态，记录位移滑块初始零位，发送至智能处理模块；
在金属蒸发腔体1内，对金属进行加热，实现熔化和蒸发，对金属熔化和蒸发区域的温度实时测量，发送至智能处理模块；
智能处理模块将实时温度发送至加热器9，加热器9将位移滑块套筒5加热至目标温度，从而避免金属蒸汽在压强检测装置上凝结；
位移传感器实时检测位移模块4发生的位移量，通过查询已标定的位移量和压强的关系曲线，可得到金属蒸发腔体1内金属蒸汽的实时压强。
利用上述方法，可稳定测量压强范围为5×103～1×105Pa的金属蒸汽。
实施例2
本实施例中，待测金属蒸汽压强范围为1×103～5×103Pa，压力平衡弹簧4的线径可在2～5mm范围选择，采用单根弹簧即可。具体实施方法和步骤与实施例1相同，在此不再赘述。
实施例3
本实施例中，待测金属蒸汽压强范围为1×103～5×103Pa，压力平衡弹簧4的线径也可在0.1～5mm范围选择，采用2根或者多根弹簧串联组合而成，实现高精度金属蒸汽压力检测。
综上所述，本发明通过在金属蒸发腔体外侧设计一个位移发生系统和位移检测系统，根据实时检测位移滑块的位移量以及采用气体标定过的压强与位移量的关系曲线，从而直接测得金属蒸汽的压强，为金属蒸汽的在线控制和调节提供依据；该金属蒸汽压强检测装置及检测方法，可实时监测温度范围为常温至1000℃的金属蒸汽压强，为金属蒸发控制提供稳定检测和调节控制依据；该金属蒸汽压强检测装置及检测方法，适用于多种金属蒸汽的压强的直接测量，具有较好的结构适应性和工艺兼容性；该金属蒸汽压强检测装置，结构简单，适用于多种工况和环境，尤其适用于真空下金属蒸汽压力检测，实施成本低，易于操作和维护，便于实现自动连锁控制。
本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求书范围内。

Claims (10)

1.一种金属蒸汽压强检测装置，其特征在于，包括金属蒸发腔体以及设于所述金属蒸发腔体外侧的压强检测机构；
所述金属蒸发腔体用于将金属融化、蒸发，形成金属蒸汽；
所述压强检测机构包括位移发生系统以及设于所述位移发生系统上的位移检测系统；所述位移发生系统包括位移滑块套筒、设于所述位移滑块套筒内的位移滑块以及与所述位移滑块连接的压力平衡弹簧，所述位移滑块套筒与所述金属蒸发腔体相连通，所述位移滑块在金属蒸汽的压力下沿所述位移滑块套筒滑动；所述压力平衡弹簧的另一端与所述位移检测系统连接；所述压强检测机构根据位移检测系统检测的位移滑块的坐标得出金属蒸汽的压强。
2.根据权利要求1所述的金属蒸汽压强检测装置，其特征在于，所述位移检测系统包括固定支架和位移传感器；所述固定支架上设有与所述压力平衡弹簧连接的弹簧限位块、套设于所述位移滑块套筒上的固定环以及安装所述位移传感器的传感器固定块；所述弹簧限位块设于所述固定环与所述传感器固定块之间，该弹簧限位块上开设有与位移传感器相对应的透光孔。
3.根据权利要求1所述的金属蒸汽压强检测装置，其特征在于，所述位移发生系统还包括设于所述位移滑块套筒内的加热器。
4.根据权利要求1所述的金属蒸汽压强检测装置，其特征在于，所述压力平衡弹簧由1～10个弹簧组成，所述弹簧的线径为0.1～6mm。
5.根据权利要求2所述的金属蒸汽压强检测装置，其特征在于，所述位移传感器的中心与所述透光孔的中心、所述压力平衡弹簧的中心处于相同轴线上。
6.根据权利要求1所述的金属蒸汽压强检测装置，其特征在于，所述压强检测机构还包括智能处理模块；所述智能处理模块用于接收所述位移传感器检测的位移滑块的坐标，计算所述位移滑块的位移量，并根据标定过的位移量与压强的关系，得出金属蒸汽的压强。
7.一种金属蒸汽压强检测方法，其特征在于，采用如权利要求1-6任一项所述的金属蒸汽压强检测装置进行检测；所述金属蒸汽压强检测方法包括以下步骤：
S1，向金属蒸汽压强检测装置的金属蒸发腔体内通入不同压强的气体进行重复标定，获取稳定的压强与位移滑块的位移量的关系曲线；
S2，将金属熔化、蒸发，在所述金属蒸发腔体内形成金属蒸汽，所述位移滑块在金属蒸汽的压力下沿位移滑块套筒滑动，压力平衡弹簧在所述位移滑块的挤压下逐渐缩短，直至所述位移滑块达到受力平衡停止运动，位移检测系统实时检测位移滑块的坐标，得到所述位移滑块的位移量；
S3，根据所述步骤S1得到的压强与位移滑块的位移量的关系曲线得到金属蒸汽的压强。
8.根据权利要求7所述的金属蒸汽压强检测方法，其特征在于，所述步骤S1中，所述气体的压强为1×103～1×105Pa。
9.根据权利要求7所述的金属蒸汽压强检测方法，其特征在于，所述步骤S2中，所述位移滑块的位移量ΔS为：
ΔS＝|St-S0|
式中，ΔS为所述位移滑块的位移量，单位为mm；
St为所述位移滑块发生位移后，达到受力平衡时的坐标，单位为mm；
S0为所述位移滑块零位的坐标，单位为mm。
10.根据权利要求7所述的金属蒸汽压强检测方法，其特征在于，所述步骤S2中，所述位移滑块移动过程中，采用加热器对所述位移滑块套筒加热，控制加热温度为20～1000℃。
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