[发明专利]接触熔化过程中表面张力及反冲力的间接测量装置及方法

权利要求书

1.接触熔化过程中表面张力及反冲力的间接测量装置的测量方法，所述的间接测量装置包括激光位移测距模块、干涉测量模块以及荧光粒子显微测速模块；

所述的激光位移测距模块包含激光位移传感器（1）和轻质反射镜（3）；激光位移传感器（1）发出的测量激光经轻质反射镜（3）反射后由原路返回并被激光位移传感器（1）接收；所述的轻质反射镜（3）水平放置在被测主体顶部；

所述的干涉测量模块包括连续激光器（7）、分束镜（9）、透明加热板（6）和高速摄像机（10）；透明加热板（6）水平布置在被测主体底部；连续激光器（7）发射的单色连续激光被分束镜（9）反射后，沿被测主体的中轴线穿过透明加热板（6）后分别在透明加热板（6）上表面、被测主体底部的相变交界面反射，反射光穿过分束镜（9）被高速摄像机（10）记录采集；

所述的荧光粒子显微测速模块包括脉冲激光器（11）、片光源镜组（12）和摄像机（14）；脉冲激光器（11）产生脉冲激光，经过片光源镜组（12）后形成片光，片光透过透明加热板（6）并激发被测主体底部经加热产生的微液膜中的荧光粒子，所得荧光信号被摄像机（14）采集；

其特征在于，所述的测量方法包括如下步骤：

1）预先制备好均匀混有荧光粒子的轴对称型相变材料（4）作为被测主体；

2）启动激光位移测距模块、干涉测量模块以及荧光粒子显微测速模块；

3）待光路运行稳定后，开启透明加热板（6）加热至所需设定温度；

4）待透明加热板（6）壁面温度稳定后，把步骤1）制备的相变材料（4）放在透明加热板（6）上开始进行接触熔化过程；

5）底部透明加热板（6）的壁面温度高于相变材料（4）的熔点，使得在相变材料（4）底部持续熔化产生微液膜（5）；随着熔化过程不断进行，相变材料（4）高度不断减小，微液膜（5）的厚度不断增大；

所述的激光位移测距模块通过激光位移传感器（1）发出测量激光（2），被水平放置在相变材料（4）顶部的轻质反射镜（3）反射，经过原路被激光位移传感器（1）重新接收，经过激光位移传感器（1）进行信息处理后得到单位时间内相变材料（4）顶部的下降高度ΔH；

所述的干涉测量模块通过连续激光器（7）发射的单色连续激光（8）被分束镜（9）反射后，穿过透明加热板（6）后分别在透明加热板（6）上表面、微液膜（5）与相变材料（4）交界面反射后，穿过分束镜（9）被高速摄像机（10）记录采集，经过计算机后处理可得到单位时间内相变材料（4）轴中心微液膜（5）bc段的厚度变化Δδ_bc，通过计算得到当前厚度δ_bc；

所述的荧光粒子显微测速模块通过脉冲激光器（11）产生脉冲激光，经过片光源镜组（12）后形成片光源（13），激发微液膜（5）局域区域中的荧光粒子，所得荧光信号（15）被拍摄角度与片光平面垂直的摄像机（14）采集，结合预先标定可处理获得相变材料（4）底部边缘与透明加热板（6）间距ad段当前高度δ_ad、单位时间内高度变化Δδ_ad，相变材料（4）底部被片光源（13）所照亮边界ae段曲线y_ae(x)和该局域内的流场速度分布u(x)；

6）通过测量得到物理量y_ae(x)、δ_bc和δ_ad进行高精度拟合处理得到相变材料（4）底部固液界面ab段曲线y_ab(x)，进而计算得到边缘处的曲率半径R及切线倾角θ，结合查阅可知的液体表面张力系数σ带入表面张力积分公式，即可计算得到液膜表面张力大小F_tension；

7）通过单位时间内相变材料（4）顶部的下降高度ΔH、微液膜（5）bc段的厚度变化Δδ_bc和固液界面ab段曲线y_ab(x)可准确计算得到相变材料（4）的剩余质量M和质心位移ΔH_c，通过对时间t进行二次微分处理即可得到质心加速度a_c；根据所测流场u(x)信息修正润滑假设模型得到微液膜（5）内的压力分布信息，对固液接触面范围内进行积分得到压力F_p；最后根据边缘处切线倾角θ带入公式F_r=sinθF_tension+F_p-Ma_c即可计算得到相变材料反冲力F_r。