振动条件下金属材料动态凝固声场检测装置及方法与流程

本发明属于测量技术领域，具体涉及一种振动条件下金属材料动态凝固声场检测装置及方法。

背景技术：

振动凝固是对凝固过程中的金属液施加振动，使铸件结晶组织因受振动而细化，铸件残余应力降低并均匀化，力学性能提高；振动在金属凝固领域中的应用研究引起了人们的广泛重视。sokolov在1935年第一次采用高频装置对纯金属凝固过程施加振动。同一时期，loomis等人分别研究了在金属和有机物的凝固过程中施加超声振动的规律，eskin等人对超声场中金属凝固规律进行了探索。

因为超声波具有很高的频率，同时具有很高的能量，会在金属熔体中发生空化和声流等一系列非线性效应，对细化合金组织有良好的作用。但是，在传统的金属和合金凝固过程中，人们只是凭经验对待凝固的金属和合金溶液施加一定的超声振动，进而影响其凝固过程。由于金属熔体的温度很高，超出了声场检测传感器的工作温度范围，所以对于所施加的超声振动在合金熔体中的分布以及声压跟金属或合金的凝固过程之间的关系缺乏定量的分析和表征，严重制约了振动凝固技术的发展。

定向凝固是材料凝固过程控制一种重要方式，通过控制传热的方向，使得固相沿着某一方向生长，即凝固界面定向推移。最终凝固组织的特性主要由液固界面的演化过程决定。因此，在施加超声振动的凝固过程中，对界面前沿液相中的超声场进行检测对于优化超声处理工艺和阐明超声场下的凝固组织形成机制具有重要意义。工业生产中的定向凝固，多采用浇铸模具一端冷却法，其固液界面也不断推移。为了能持续的对高温固液界面的声场分布进行测定，不仅需要能够适用于高温环境中的声场检测系统，还要声场检测系统能够稳定可靠地工作，现有技术中，还缺乏能够稳定可靠地应用于高温环境中进行振动条件下金属材料动态凝固声场检测的系统及方法。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种振动条件下金属材料动态凝固声场检测装置及方法，其结构简单，设计新颖合理，带有温度保护功能，能够稳定可靠地应用于振动条件下金属材料动态凝固声场检测，实用性强，使用效果好，便于推广使用。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种振动条件下金属材料动态凝固声场检测装置，包括高温声场检测传感器、三轴电位移平台、控制器和信号采集处理器，所述高温声场检测传感器包括水听器和用于伸入金属材料高温液相内的波导杆，以及上部套装在水听器上、下部套装在波导杆上的耦合剂套筒，所述耦合剂套筒的中部空间为耦合剂腔，所述耦合剂腔内填充有声波耦合剂，所述水听器的感应元件设置在声波耦合剂中；所述耦合剂套筒吊装在三轴电位移平台底部，所述三轴电位移平台包括x轴移动电机、y轴移动电机和z轴移动电机；所述耦合剂套筒的外壁上设置有温度调节夹层，所述温度调节夹层内设置有多块串联的半导体加热制冷片和多个用于对耦合剂套筒内的温度进行实时检测的温度传感器，多个温度传感器的输出端均与控制器的输入端连接，所述控制器的输出端接有x轴电机驱动器、y轴电机驱动器和z轴电机驱动器，以及用于接通或断开半导体加热制冷片的供电回路的开关控制电路，所述x轴移动电机与x轴电机驱动器的输出端连接，所述y轴移动电机与y轴电机驱动器的输出端连接，所述z轴移动电机与z轴电机驱动器的输出端连接；所述波导杆外壁上设置有用于对金属材料高温液相的温度进行检测的测温头，所述测温头的输出端与控制器的输入端连接，所述水听器的输出端与信号采集处理器连接。

上述的振动条件下金属材料动态凝固声场检测装置，所述测温头的底端与波导杆的底端相平齐。

上述的振动条件下金属材料动态凝固声场检测装置，所述波导杆由耐高温材料制成。

上述的振动条件下金属材料动态凝固声场检测装置，所述波导杆由石英材料或陶瓷材料制成。

上述的振动条件下金属材料动态凝固声场检测装置，所述耦合剂套筒上部内壁与水听器外壁之间设置有第一密封圈，所述耦合剂套筒下部内壁与波导杆外壁之间设置有第二密封圈。

上述的振动条件下金属材料动态凝固声场检测装置，所述声波耦合剂为胶状声波耦合剂、油性声波耦合剂或水性声波耦合剂。

本发明还公开了一种方法步骤简单、实现方便、能够使水听器始终在合适的温度下工作、实现了对高温声场检测传感器的温度保护的高温固液两相环境中声场检测方法，该方法包括以下步骤：

步骤一、振动条件下金属材料动态凝固声场检测装置的安装，具体过程为：

步骤101、将测温头固定在波导杆外壁上，且使测温头的底端与波导杆的底端相平齐；

步骤102、将所述高温声场检测传感器的耦合剂套筒吊装在三轴电位移平台底部；

步骤103、将所述高温声场检测传感器的波导杆浸入位于金属材料动态凝固容器内的金属材料高温液相中；

步骤二、进行带有温度保护且追踪金属材料凝固界面的金属材料动态凝固空间声场检测：波导杆将金属材料高温液相内的声信号传输到声波耦合剂中；声信号在声波耦合剂中传播并被水听器感知；将水听器输出的电信号采用信号采集处理器进行显示和记录；

步骤二的过程中，持续对所述高温声场检测传感器进行温度保护，具体过程为：多个温度传感器对耦合剂套筒内的温度进行实时并将检测到的耦合剂套筒内温度信号输出给控制器，控制器将耦合剂套筒内温度与预先设定的水听器的工作温度t0和水听器最高工作温度t1相比较，当耦合剂套筒内温度大于t0时，温控器控制开关控制电路接通多个半导体加热制冷片的供电回路，半导体加热制冷片进行制冷，直至耦合剂套筒内温度达到t0；当耦合剂套筒内温度小于t0时，温控器控制开关控制电路接通多个半导体加热制冷片的供电回路，半导体加热制冷片进行加热，直至耦合剂套筒内温度达到t0；当耦合剂套筒内温度大于水听器最高工作温度t1时，温控器将温度比较结果输出给控制器，控制器通过y轴电机驱动器驱动y轴移动电机，使三轴电位移平台带动所述高温声场检测传感器向上运动，避免水听器损坏；

步骤二的过程中，所述高温声场检测传感器持续跟踪金属材料动态凝固界面，具体过程为：测温头对材料高温液相的温度进行实时检测并将检测到的温度信号输出给控制器，控制器将测温头的检测温度值t与预先设定的控制温度ta相比较，当t>ta时，控制器通过y轴电机驱动器驱动y轴移动电机，使三轴电位移平台带动所述高温声场检测传感器向上运动；当t＝ta时，控制器不输出控制信号，三轴电位移平台不带动所述高温声场检测传感器向上运动；当t<ta时，控制器通过y轴电机驱动器驱动y轴移动电机，使三轴电位移平台带动所述高温声场检测传感器向下运动；使所述高温声信号检测传感器的底面始终保持在控制温度ta对应的位置处，与金属材料动态凝固界面保持恒定距离，实现对材料定向凝固过程中金属材料动态凝固界面的追踪，使波导杆始终传导金属材料动态凝固界面前沿固定距离处液相中的声信号；

步骤二的过程中，当需要调节所述高温声场检测传感器的x轴位置或z轴位置时，控制器通过x轴移动电机驱动x轴移动电机，使三轴电位移平台带动所述高温声场检测传感器在x轴方向上运动；控制器通过z轴电机驱动器驱动z轴移动电机，使三轴电位移平台带动所述高温声场检测传感器在z轴方向上运动。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明的振动条件下金属材料动态凝固声场检测装置，结构简单，设计新颖合理，一方面，高温声场检测传感器中，通过采用耦合剂套筒连接波导杆和水听器，能够使用耐高温波导杆将待检测金属材料高温液相内的声信号导入声波耦合剂中，在信号传导的同时，实现了高温环境的隔离；在常温的声波耦合剂中，声信号最终由常规水听器进行采集，获取声波测量数据；另一方面，通过设置温度调节夹层、温度传感器和半导体加热制冷片，能够使水听器始终在合适的温度下工作，且在温度过高时，通过三轴电位移平台提升高温声场检测传感器，避免水听器发生损坏，实现了对高温声场检测传感器的温度保护，保证了声场检测装置稳定可靠地应用于振动条件下金属材料动态凝固声场检测。

2、本发明的高温声场检测传感器，通过设置第一密封圈和第二密封圈，能够有效防止声波耦合剂泄露，不仅能够保证声场检测传感器的检测精度，还能避免对被测液态介质造成污染。

3、本发明的振动条件下金属材料动态凝固声场检测方法，方法步骤简单，实现方便，能够使水听器始终在合适的温度下工作，且在温度过高时，通过三轴电位移平台提升高温声场检测传感器，避免水听器发生损坏，实现了对高温声场检测传感器的温度保护，保证了声场检测装置稳定可靠地应用于振动条件下金属材料动态凝固声场检测。

4、采用本发明记录的声信号数据，能够用于对所施加的超声振动在合金熔体中的分布以及声压跟金属或合金的凝固过程之间的关系进行定量分析和表征，有助于推动振动凝固技术的发展，本发明的实用性强，使用效果好，便于推广使用。

综上所述，本发明的设计新颖合理，实现方便，带有温度保护功能，能够稳定可靠地应用于振动条件下金属材料动态凝固声场检测，实用性强，使用效果好，便于推广使用。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明振动条件下金属材料动态凝固声场检测装置的结构示意图。

图2本发明控制器与其他各单元的连接关系示意图。

图3为本发明振动条件下金属材料动态凝固声场检测方法的方法流程框图。

附图标记说明:

1—金属材料高温液相；2—波导杆；3—耦合剂套筒；

4—声波耦合剂；5—水听器；5-1—感应元件；

6—三轴电位移平台；7—耦合剂腔；8—信号采集处理器；

9—第一密封圈；10—第二密封圈；11—控制器；

12—x轴移动电机；13—测温头；14—z轴移动电机；

15—温度调节夹层；16—材料固相；17—半导体加热制冷片；

18—温度传感器；19—x轴电机驱动器；20—y轴电机驱动器；

21—z轴电机驱动器；22—开关控制电路；

23—金属材料动态凝固容器；24—金属材料动态凝固界面；

25—ta对应位置；26—y轴移动电机。

具体实施方式

如图1和图2所示，本发明的振动条件下金属材料动态凝固声场检测装置，包括高温声场检测传感器、三轴电位移平台6、控制器11和信号采集处理器8，所述高温声场检测传感器包括水听器5和用于伸入金属材料高温液相1内的波导杆2，以及上部套装在水听器5上、下部套装在波导杆2上的耦合剂套筒3，所述耦合剂套筒3的中部空间为耦合剂腔7，所述耦合剂腔7内填充有声波耦合剂4，所述水听器5的感应元件5-1设置在声波耦合剂4中；所述耦合剂套筒3吊装在三轴电位移平台6底部，所述三轴电位移平台6包括x轴移动电机12、y轴移动电机26和z轴移动电机14；所述耦合剂套筒3的外壁上设置有温度调节夹层15，所述温度调节夹层15内设置有多块串联的半导体加热制冷片17和多个用于对耦合剂套筒3内的温度进行实时检测的温度传感器18，多个温度传感器18的输出端均与控制器11的输入端连接，所述控制器11的输出端接有x轴电机驱动器19、y轴电机驱动器20和z轴电机驱动器21，以及用于接通或断开半导体加热制冷片17的供电回路的开关控制电路22，所述x轴移动电机12与x轴电机驱动器19的输出端连接，所述y轴移动电机26与y轴电机驱动器20的输出端连接，所述z轴移动电机14与z轴电机驱动器21的输出端连接；所述波导杆2外壁上设置有用于对金属材料高温液相1的温度进行检测的测温头13，所述测温头13的输出端与控制器11的输入端连接，所述水听器5的输出端与信号采集处理器8连接。所述高温的温度范围为500℃～2000℃。

具体实施时，所述水听器5的电信输出线位于耦合剂套筒3上方。所述耦合剂套筒3为上端开口与水听器5相配合、下端开口与波导杆2相配合、中部空间与上端开口和下端开口相连通的管状物。所述耦合剂套筒3需要有一定的机械强度，是用于整个高温声场检测传感器固定的部位。

具体实施时，所述升降机12带动耦合剂套筒3向上或向下移动，进而带动所述高温声场检测传感器整体向上或向下移动，用于实现所述高温声场检测传感器的底面(即波导杆2的底面)对材料定向凝固过程界面的追踪。

本实施例中，所述测温头13的底端与波导杆2的底端相平齐。

对于任何材料的定向凝固过程，材料定向凝固过程界面前沿存在温度梯度，液相一侧远离材料定向凝固过程界面时，温度将由凝固温度ts(对于特定材料，其凝固温度ts是一个确定值)逐渐升高。因此，采用与波导杆2的底端相平齐的测温头13进行温度实时探测，能够实现高温声场检测传感器的底面(即波导杆2的底面)对材料定向凝固过程界面的追踪，使波导杆2的底面与材料定向凝固过程界面之间的距离恒定，能持续地对固液界面的声场分布进行测定。

本实施例中，所述波导杆2由耐高温材料制成。

本实施例中，所述波导杆2由石英材料或陶瓷材料制成。

具体实施时，采用的波导杆2必须在被检测的金属材料高温液相1温度下具有良好的声信号(机械波)传导性能，例如，800℃金属材料高温液相1，可以采用耐温1200℃以上的石英材料的波导杆2。

具体实施时，所述波导杆2的长度与待检测的金属材料高温液相1的温度有关，对于同种材质的波导杆2，待检测的金属材料高温液相1的温度越高，波导杆2越长，待检测的金属材料高温液相1的温度越低，波导杆2越短。

本实施例中，所述耦合剂套筒3上部内壁与水听器5外壁之间设置有第一密封圈9，所述耦合剂套筒3下部内壁与波导杆2外壁之间设置有第二密封圈10。

具体实施时，所述第一密封圈9和第二密封圈10均采用橡胶密封圈，通过设置第一密封圈9和第二密封圈10，能够有效防止声波耦合剂4泄露。

本实施例中，所述声波耦合剂4为胶状声波耦合剂、油性声波耦合剂或水性声波耦合剂。

具体实施时，所述水听器5的感应元件5-1设置在声波耦合剂4中，即将水听器5的感应元件5-1完全浸入声波耦合剂4中。所述声波耦合剂4能够高效传播声信号。

具体实施时，所述水听器5为压电水听器、磁致伸缩水听器和光纤水听器等类型的常规水听器。

如图3所示，本发明的振动条件下金属材料动态凝固声场检测方法，包括以下步骤：

步骤一、振动条件下金属材料动态凝固声场检测装置的安装，具体过程为：

步骤101、将测温头13固定在波导杆2外壁上，且使测温头13的底端与波导杆2的底端相平齐；

步骤102、将所述高温声场检测传感器的耦合剂套筒3吊装在三轴电位移平台6底部；

具体实施时，由于为了避免造成声场检测传感器损伤，水听器5和波导杆2均不能被用于夹持或固定，因此耦合剂套筒3需要有一定的机械强度，将所述高温声场检测传感器的耦合剂套筒3吊装在三轴电位移平台6底部，能够将整个高温声场检测传感器固定，并将波导杆2浸入金属材料高温液相1内；

步骤103、将所述高温声场检测传感器的波导杆2浸入位于金属材料动态凝固容器8内的金属材料高温液相1中；

步骤二、进行带有温度保护且追踪金属材料凝固界面的金属材料动态凝固空间声场检测：波导杆2将金属材料高温液相1内的声信号传输到声波耦合剂4中；声信号在声波耦合剂4中传播并被水听器5感知；将水听器5输出的电信号采用信号采集处理器8进行显示和记录；信号采集处理器8显示和记录的电信号能够用于对所施加的超声振动在合金熔体中的分布以及声压跟金属或合金的凝固过程之间的关系进行定量分析和表征，有助于推动振动凝固技术的发展。

步骤二的过程中，持续对所述高温声场检测传感器进行温度保护，具体过程为：多个温度传感器18对耦合剂套筒3内的温度进行实时并将检测到的耦合剂套筒内温度信号输出给控制器11，控制器11将耦合剂套筒内温度与预先设定的水听器5的工作温度t0和水听器5最高工作温度t1相比较，当耦合剂套筒内温度大于t0时，温控器11控制开关控制电路22接通多个半导体加热制冷片17的供电回路，半导体加热制冷片17进行制冷，直至耦合剂套筒内温度达到t0；当耦合剂套筒内温度小于t0时，温控器11控制开关控制电路22接通多个半导体加热制冷片17的供电回路，半导体加热制冷片17进行加热，直至耦合剂套筒内温度达到t0；当耦合剂套筒内温度大于水听器5最高工作温度t1时，温控器11将温度比较结果输出给控制器11，控制器11通过y轴电机驱动器20驱动y轴移动电机26，使三轴电位移平台6带动所述高温声场检测传感器向上运动，避免水听器5损坏；

步骤二的过程中，所述高温声场检测传感器持续跟踪金属材料动态凝固界面24，具体过程为：测温头13对材料高温液相1的温度进行实时检测并将检测到的温度信号输出给控制器11，控制器11将测温头13的检测温度值t与预先设定的控制温度ta相比较，当t>ta时，控制器11通过y轴电机驱动器20驱动y轴移动电机26，使三轴电位移平台6带动所述高温声场检测传感器向上运动；当t＝ta时，控制器11不输出控制信号，三轴电位移平台6不带动所述高温声场检测传感器向上运动；当t<ta时，控制器11通过y轴电机驱动器20驱动y轴移动电机26，使三轴电位移平台6带动所述高温声场检测传感器向下运动；使所述高温声信号检测传感器的底面始终保持在控制温度ta对应的位置处，与金属材料动态凝固界面24保持恒定距离，实现对材料定向凝固过程中金属材料动态凝固界面24的追踪，使波导杆2始终传导金属材料动态凝固界面24前沿固定距离处液相中的声信号；

步骤二的过程中，当需要调节所述高温声场检测传感器的x轴位置或z轴位置时，控制器11通过x轴移动电机12驱动x轴移动电机12，使三轴电位移平台6带动所述高温声场检测传感器在x轴方向上运动；控制器11通过z轴电机驱动器21驱动z轴移动电机14，使三轴电位移平台6带动所述高温声场检测传感器在z轴方向上运动。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。