液態(tài)金屬振蕩階數(shù)轉(zhuǎn)變是物理學(xué)，材料科學(xué)與工程和空間材料科學(xué)等領(lǐng)域重要的課題。研究液態(tài)金屬振蕩階數(shù)轉(zhuǎn)變有利于揭示振蕩內(nèi)在機(jī)制，探測表面張力等熱物理性質(zhì)，對振蕩動力學(xué)和流體力學(xué)等研究領(lǐng)域具有重要促進(jìn)作用。液態(tài)金屬振蕩階數(shù)轉(zhuǎn)變行為中承載了豐富的熱物理性質(zhì)信息，蘊(yùn)含著液態(tài)金屬振蕩階數(shù)、頻率等特征信息與表面張力等熱物理性質(zhì)之間的相互作用關(guān)系。在控制液態(tài)金屬溫度等外界條件下，探究液態(tài)金屬振蕩階數(shù)轉(zhuǎn)變，對于研究液態(tài)金屬振蕩行為與熱物理性質(zhì)的內(nèi)在聯(lián)系和實(shí)現(xiàn)對液態(tài)金屬振蕩階數(shù)的主動控制具有重要意義。

靜電懸浮技術(shù)模擬了太空高真空和無容器的特性，能夠?qū)崿F(xiàn)液態(tài)金屬在無接觸狀態(tài)下穩(wěn)定懸浮和周期性振蕩，是研究液態(tài)金屬高階振蕩的重要科學(xué)技術(shù)。目前在實(shí)驗(yàn)過程中觀察到了液態(tài)金屬二階和三階振蕩。見文獻(xiàn)：“Li,M.X.,Wang,H.P.,＆amp;Wei,B.(2019).Numerical analysis and experimental verification for heat transferprocess of electrostatically levitated alloy droplets.International Journalof Heat and Mass Transfer,138,109-116.”所述。然而，鮮有報道液態(tài)金屬振蕩階數(shù)轉(zhuǎn)變的研究，也缺乏對液態(tài)金屬高階振蕩狀態(tài)下表面張力等熱物理性質(zhì)的探測。主要在于三種原因：首先是缺乏定量采集高階振蕩信號的裝置；其次是振蕩階數(shù)的轉(zhuǎn)變具有不確定性，難于預(yù)測。振蕩可能向更高階轉(zhuǎn)變也可能向低階轉(zhuǎn)變，這與液態(tài)金屬本身性質(zhì)和懸浮加熱條件有關(guān)。再者，液態(tài)金屬振蕩頻率很高，振蕩階數(shù)轉(zhuǎn)變不易被捕捉，所以液態(tài)金屬振蕩階數(shù)轉(zhuǎn)變前后的振蕩頻率無法被及時采集到。

針對液態(tài)金屬振蕩信號采集問題，Bendert,J.C.等報道了一種采用豎直窄縫采集液態(tài)金屬二階振蕩光電信號的方法。該方法解決了液態(tài)金屬二階振蕩頻率等振蕩信號無法被實(shí)時、定量和準(zhǔn)確地采集的問題。通過振蕩頻率推導(dǎo)出了液態(tài)金屬的表面張力和粘度等熱物理性質(zhì)。但是，該方法僅對采集液態(tài)金屬二階振蕩信號準(zhǔn)確有效。由于液態(tài)金屬三階、四階、五階等高階振蕩形態(tài)不同于二階振蕩形態(tài)，并非沿著豎直窄縫做周期往復(fù)振動，所以豎直窄縫的光電探測設(shè)備無法被用于采集高階振蕩信號及其轉(zhuǎn)變。

液態(tài)金屬振蕩階數(shù)轉(zhuǎn)變是在連續(xù)幾個振蕩周期內(nèi)完成的，十分迅速。針對液態(tài)金屬振蕩階數(shù)轉(zhuǎn)變無法被捕捉的問題，本團(tuán)隊(duì)公開了采用高速CMOS相機(jī)攝取液態(tài)金屬振蕩階數(shù)轉(zhuǎn)變的方法。見文獻(xiàn)：“Li,M.X.,Wang,H.P.,Zheng,C.H.,Wang,Q.,＆amp;Wei,B.(2023).A videographic and numerical study of nonisothermal oscillationprocess for electrostatically levitated liquid Nb-Si alloy.InternationalJournal of Thermal Sciences,187,108197.”所述。該方法通過高速CMOS相機(jī)拍攝圖像記錄液態(tài)金屬振蕩過程，成功獲取到了液態(tài)金屬從二階振蕩轉(zhuǎn)變?yōu)槿A振蕩的圖像。但是，高速CMOS相機(jī)每秒拍攝上千幀圖像，且振蕩信息采集過程需要幾分鐘，可見實(shí)驗(yàn)最終數(shù)據(jù)的采集量很大。并且，液態(tài)金屬振蕩分析結(jié)果依賴于對拍攝數(shù)據(jù)的后續(xù)處理，這不僅使實(shí)驗(yàn)研究滯后而且導(dǎo)致數(shù)據(jù)處理量大、實(shí)驗(yàn)分析效率低。高速CMOS相機(jī)價格昂貴，這增加了實(shí)驗(yàn)測試的成本。此外，采集到的液態(tài)金屬振蕩圖像一般不具有豎直對稱性，振蕩圖像對稱軸與豎直線之間通常有一個夾角。即使采用豎直窄縫的光電探測方法采集液態(tài)金屬二階振蕩信息，振蕩振幅會明顯小于液態(tài)金屬真實(shí)的振蕩振幅，這增加了信號采集的誤差。

具有豎直窄縫的光電探測方法無法有效探測液態(tài)金屬高階振蕩行為，基于靜電懸浮系統(tǒng)的高速攝像機(jī)無法實(shí)時定量的獲取液態(tài)金屬高階振蕩轉(zhuǎn)變信息。目前并沒有能夠?qū)崟r、完整和準(zhǔn)確的探測液態(tài)金屬高階振蕩轉(zhuǎn)變的方法。液態(tài)金屬在高階振蕩過程中的表面張力等熱物理性質(zhì)難以獲取。

靜電懸浮液態(tài)金屬高階振蕩頻率轉(zhuǎn)變和表面張力探測裝置的搭建：

圖中：1?定位激光器，2?靜電懸浮裝置，3?第二分束鏡，4?第三光闌，5?第三光電探測器，6?第三處理器，7?第二光闌，8?第二光電探測器，9?第二處理器，10?第一光闌，11?第一光電探測器，12?第一處理器，13?第一分束鏡，14?圓型外框，15?支撐桿，16?底座，17?刻度線，18?圓型的遮光板，19?螺紋，20?探測間隙。

由定位激光器1、靜電懸浮裝置2、第一分束鏡13、第一光闌10、第一光電探測器11、第一處理器12、第二分束鏡3、第二光闌7、第三光闌4、第二光電探測器8、第三光電探測器5、第二處理器9和第三處理器6組成，如圖1所示。

定位激光器1與靜電懸浮裝置2之間的距離為20厘米。第一分束鏡13與靜電懸浮裝置2之間的距離為10厘米。第一光闌10與第一分束鏡13之間的距離為5厘米，第一光闌10與第一光電探測器11之間的距離為5厘米。入射光與分束鏡法向之間的夾角為，分束鏡法向與反射光之間的夾角為。，。

第一分束鏡13與第二分束鏡3之間的距離為5厘米，第二光闌7與第二分束鏡3之間的距離為5厘米，第二光闌7與第二光電探測器8之間的距離為5厘米。第三光闌4與第二分束鏡3之間的距離為5厘米，第三光闌4與第三光電探測器5之間的距離為5厘米。入射光與分束鏡法向之間的夾角為，分束鏡法向與反射光之間的夾角為。，。

第二處理器9與第二光電探測器8相連；第三處理器6與第三光電探測器5相連；第一處理器12與第一光電探測器11相連。所述定位激光發(fā)射端1、懸浮液態(tài)金屬、第一分束鏡13、第二分束鏡3、第二光闌7和第二光電探測器8在同一水平線，并且同圓心；第二分束鏡3、第三光闌4和第三光電探測器5在定位激光反射線上，在同一水平線上。第一分束鏡13、第一光闌10和第一光電探測器11在定位激光反射線上，在同一水平線上。

靜電懸浮液態(tài)金屬高階振蕩頻率轉(zhuǎn)變和表面張力探測裝置的探測過程，定位激光器1發(fā)射的光線透過靜電懸浮裝置2的真空玻璃打在懸浮液態(tài)金屬上。激光穿過懸浮液滴從靜電懸浮裝置另一側(cè)的真空玻璃穿出。穿出的定位激光被兩個分束鏡分成三束。激光首先打在第一分束鏡13上，反射光線與法線的夾角為。反射光線通過第一光闌10的探測間隙被第一光電探測器11接收。透過第一分束鏡13的光線射在第二分束鏡3上。反射光線與法線的夾角為。反射光線打在第三光闌4的探測間隙上，信號被第三光電探測器5接收；透過第二分束鏡3上的光線打在第二光闌7的探測間隙上，信號被第二光電探測器8采集。

第一光闌10、第二光闌7和第三光闌4均包括底座16、支撐桿15、圓型外框14和圓型的遮光板18。圓型底座的直徑為4厘米，高度1厘米。柱狀支撐桿的直徑為1厘米，高度10至20厘米，優(yōu)選地，高度14厘米。所述圓型外框14以其圓心為圓點(diǎn)，在其表面刻有720個從0度至360度的刻度線17，每格刻度線間距為0.5度。圓型外框的外徑為10至8厘米，內(nèi)徑為9至5厘米，優(yōu)選地，圓型外框的外徑為8厘米，圓型外框的內(nèi)徑為7厘米。所述遮光板18與圓型外框14通過螺紋19連接。遮光板的外徑在9至5厘米之間，厚底為為0.5至1厘米，優(yōu)選地，遮光板的直徑為7厘米，厚度0.3厘米。遮光板可以通過螺紋19相對于圓型外框轉(zhuǎn)動。遮光板中心設(shè)有探測間隙20，探測間隙20的形狀和尺寸依據(jù)液態(tài)金屬尺寸參數(shù)設(shè)置。

總結(jié)：

靜電懸浮液態(tài)金屬高階振蕩頻率轉(zhuǎn)變和表面張力探測裝置及方法。突破了當(dāng)下僅用豎直窄縫探測液態(tài)金屬二階振蕩的現(xiàn)狀，實(shí)現(xiàn)了對液態(tài)金屬三階和四階等高階振蕩的探測。通過探測液態(tài)金屬高階振蕩的頻率等振蕩信息，能夠計算液態(tài)金屬在高階振蕩狀態(tài)下的表面張力等熱物理性質(zhì)。