一种基于电容的金属粉末电学特性检测方法

本发明涉及了一种基于电容的金属粉末电学特性检测方法，属于金属粉末电学参数测试。

背景技术：

1、增材制造作为一种新兴技术，在生产多种高价值金属零件的同时，可以缩短研制周期，在生产制造领域具有很大的应用前景。其中金属粉末作为增材制造的原材料，会在增材制造过程中进行回收和循环使用。在一个或多个打印周期后，不同类型的粉末会出表现出不同的性能变化。为确保零件性能与标准生产一致，必须检测回收后粉末的性能变化。

2、为解决上述问题，人们利用化学和机械等多种方法对金属粉末进行了检测，如公开号cn213103175u的发明专利申请公开了一种3d打印件用金属粉末检测装置，该发明通过使用机械装置对粉末粒径进行了筛查，但是这种接触式检测方法结构复杂，且该发明只能检测金属粉末粒径大小，而不能检测其他参数。

3、目前金属粉末检测方法仍以接触式检测为主，激光诱导方法作为一种非接触式检测方法，相对于传统的机械检测，可避免检测仪器在检测过程中发生滤孔堵塞的问题。如公开号cn105136752a的发明专利申请公开了一种基于激光诱导击穿光谱的在线粉末检测装置，该发明利用激光击穿粉末样品形成等离子体，等离子体发射谱线信号透过样品室窗口镜片被采集透镜和光纤收集，导入光谱仪后通过光谱分析得出粉末种类和浓度特性。但是该方法需要取样后在实验室测试，难以实现在线检测，且检测成本高昂。

4、电导率和介电常数作为金属粉末的电学特性，在金属粉末重复使用过程中，会发生变化。利用金属粉末在重复使用过程中电学特性变化的特点，可在线监测增材制造过程中金属粉末的质量。但是，在增材制造过程中，循环路径中金属粉末的颗粒之间存在较大间隙，单位时间内金属粉末通过循环路径的体积和质量也各不相同，所以常规的基于电压、电阻等检测方法并不能对金属粉末电学特性有效检测。为此，人们急需一种低成本，同时可以快速在线检测金属粉末电学特性的方法。

技术实现思路

1、本发明的一个目的在于克服增材制造过程中金属粉末电学特性检测方法的上述不足，提供了一种基于电容的金属粉末电学特性检测方法，该方法具有以下优势：检测过程为在线检测，提高了检测效率；可以同时实现增材制造过程中金属粉末的电导率以及介电常数检测，检测数据全面；系统所需软硬件较少，集成度更高。

2、本发明为解决上述技术问题，采用以下技术方案：

3、一种基于电容的金属粉末电学特性检测方法，包括以下具体步骤：

4、步骤1：将一个电容器放置在金属粉末循环路径中，电容器的两个极板与交流型电容测量电路相连；

5、步骤2：上位机控制信号发生器产生径向频率为ω的激励信号ui(t)＝sin(ωt)，接入到电容测量电路的输入端。当金属粉末通过电容器时，在电容测量电路中产生电压信号uo(t)；

6、步骤3：在上位机中进行数据计算。根据c测＝kuo(t)，得到与金属粉末电学特性相关的测量电容c测，其中k为电容测量电路的增益。根据得到电容器的边缘电容c边，其中：d为电容器极板直径，单位为米；t为电容器极板厚度，单位为米；d为电容器极板之间的距离，单位为米；ε0为真空介电常数，等于8.854187817×10-12f/m。根据得到电容器的实际电容c实，其中：j为虚数单位；θ为电容器阻抗相位角，单位为rad。最后，根据得到金属粉末的介电谱ε＝ε'-jε”；

7、其中，电容器阻抗相位角θ的计算步骤如下：

8、在集成了相位角检测电路的电容测量电路中，采集卡同时采集电容器极板两端的电压信号u(t)和电流信号i(t)，上位机根据公式得到阻抗相位角θ；

9、步骤4：在上位机中对介电谱ε进行分析，得到实部ε′和虚部-ε″。ε′即为金属粉末的介电常数，单位为f/m。再根据σ＝ωε0ε″，可计算出金属粉末的电导率σ，单位为s/m；

10、步骤5：上位机根据计算结果，将介电常数和电导率的数值予以显示，即为金属粉末电学特性的检测结果。

11、本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

12、(1)检测过程为在线检测，与传统机械方法相比，检测效率更高；

13、(2)可以同时实现增材制造过程中金属粉末的电导率以及介电常数检测，不同于一般检测方法，本发明检测参数更加全面；

14、(3)相对于利用激光诱导方法检测粉末质量，本系统所需软硬件较少，集成度更高；

技术特征：

1.一种基于电容的金属粉末电学特性检测方法，其特征在于，包括以下具体步骤：

2.根据权利要求1所述的一种基于电容的金属粉末电学特性检测方法，其特征在于，步骤1中的电容器极板为圆形极板。

3.根据权利要求1所述的一种基于电容的金属粉末电学特性检测方法，其特征在于，步骤2中的激励信号为正弦电压信号。

技术总结
本发明公开了一种基于电容的金属粉末电学特性检测方法。它主要解决增材制造中回收和循环使用的金属粉末的性能变化难以准确且在线进行检测的技术问题；其技术方案要点是：利用不同使用次数下金属粉末电学特性发生变化的特点，基于电容效应对金属粉末的介电常数和电导率进行检测。在该方法中，将一个电容器放置在金属粉末循环路径中，电容器的极板与电容测量电路相连；当金属粉末通过电容器时，在电容测量电路中产生电压信号，根据该信号可计算得到金属粉末充当电容器的电介质时所产生的电容；再根据电容与介质介电谱的关系，得到金属粉末的介电谱ε＝ε′‑jε″，ε′即为介电常数；最后，由电导率关系式σ＝ωε<subgt;0</subgt;ε″，可计算得出金属粉末的电导率σ。

技术研发人员：徐志远,龚凡,唐宇科,蒋振韬
受保护的技术使用者：湘潭大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12