基于LabVIEW系統(tǒng)的可視化液體表面張力快速測(cè)定儀

創(chuàng)新者：王 劍

基于LabVIEW系統(tǒng)的可視化液體表面張力快速測(cè)定儀

創(chuàng)新者：王 劍

將力敏傳感、可視化系統(tǒng)及計(jì)算機(jī)軟件相結(jié)合應(yīng)用于液體表面張力系數(shù)的測(cè)試，可以提高測(cè)量的精度，并可以清楚地觀察到被測(cè)樣品液膜的拉脫過程。結(jié)合拉力測(cè)試系統(tǒng)，可以求出拉脫過程各物理量的數(shù)據(jù)，幫助學(xué)生更好地理解表面張力。該儀器具有操作方便、價(jià)格低廉，可以廣泛適用于高中、大學(xué)液體表面張力教學(xué)演示；并可用于家庭測(cè)定牛奶、飲料等液體食品是否過期；以及企業(yè)測(cè)定液體表面張力的需求。

項(xiàng)目背景

液體表面張力系數(shù)是液體的重要性質(zhì)之一，液體表面張力系數(shù)的測(cè)定不僅可以得知液體的物理特性，同時(shí)也可以測(cè)定各種溶液（如：油漆、果汁、牛奶）是否滿足用戶的要求。目前液體表面張力在工業(yè)、醫(yī)學(xué)等行業(yè)上有很廣泛的運(yùn)用。

十八屆三中全會(huì)對(duì)深化教育改革提出：增強(qiáng)學(xué)生社會(huì)責(zé)任感、創(chuàng)新精神、實(shí)踐能力及廣東省教育廳十二五規(guī)劃中提出：推動(dòng)普通高中多樣化特色化優(yōu)質(zhì)化發(fā)展，可見學(xué)生素質(zhì)教育及學(xué)校特色發(fā)展已經(jīng)勢(shì)在必行；目前國(guó)內(nèi)有許多關(guān)于液體表面張力測(cè)試儀器，這些儀器不但價(jià)格不菲、要求操作者有較高的技能以較好地用于教學(xué)及家庭使用，為此本人不斷地探討及研究出一種價(jià)格低廉、方便使用、可全程觀察及實(shí)時(shí)記錄數(shù)據(jù)的液體表面張力測(cè)試儀器。

儀器設(shè)計(jì)原理

設(shè)計(jì)原理

儀器采用拉脫法來(lái)測(cè)量液體表面張力系數(shù)，設(shè)計(jì)出外直徑為5cm，內(nèi)直徑4.8cm的圓環(huán)型吊環(huán)，較好地提高了實(shí)驗(yàn)的穩(wěn)定性、準(zhǔn)確度，方便使用者操作。

拉脫法測(cè)量液體表面張力原理

將一表面潔凈的金屬吊環(huán)豎直地浸入水中，使其底邊保持水平，然后打開醫(yī)用滴管，液體從燒杯底部慢慢流出，使其緩慢脫離液面。在液膜拉斷前瞬間吊環(huán)在豎直方向上的受力為F ：F=mg+f （1）f 為液體的表面張力。

在液膜拉斷前瞬間可近似地認(rèn)為表面張力f 的大小等于：

f=απ（d1+d2）（2）式中，α為液體的表面張力系數(shù)，

d1、d2分別為金屬吊環(huán)的內(nèi)外直徑。實(shí)驗(yàn)中，采用高精度力敏傳感器直接秤量F。力敏傳感器輸出的電壓大小U與所受外力的大小成正比，有：U=K F （3）其中，K為力敏傳感器的靈敏度。

圖1　吊環(huán)受力分析

儀器的制作

制作材料

攝像頭、電腦、鐵架臺(tái)、液體表面張力軟件系統(tǒng)、醫(yī)用點(diǎn)滴管、升降臺(tái)、長(zhǎng)3cm直徑為3mm的玻璃短管、1個(gè)250ml塑料燒杯、1個(gè)250ml的玻璃燒杯、4個(gè)100ml玻璃燒杯、4根規(guī)則1×10cm的小試管、有機(jī)玻璃架、若干電線。

圖2　液體表面張力測(cè)試系統(tǒng)圖

圖3　液體表面張力測(cè)試有機(jī)玻璃架

圖4　有機(jī)玻璃架立體圖

圖5　有機(jī)玻璃架表面圖（單位：厘米）

圖6　測(cè)力系統(tǒng)裝置連接圖

圖7　可視化系統(tǒng)源代碼

圖8　表面張力采集系統(tǒng)源代碼

制作圖

制作方法

待測(cè)液體架制作

（1）在距離250ml塑料燒杯底部1cm處鉆一個(gè)直徑為3mm的孔，然后將長(zhǎng)3cm直徑為3mm的玻璃短管和醫(yī)用滴管連接起來(lái)。

（2）有機(jī)玻璃架的制作，在一塊長(zhǎng)、寬、高為36×10×5cm有機(jī)玻璃上切出4個(gè)直徑5.2cm及高2m的圓柱及切出4個(gè)直徑1.2cm及高3cm的小圓柱，具體如圖5。

測(cè)力系統(tǒng)制作

將拉力傳感器安裝在鐵架臺(tái)上，調(diào)整好，保證吊環(huán)和傳感器彈簧片的平面垂直，將拉力傳感器與NI采集卡連接。將N采集卡通過USB與PC機(jī)連接。具體如圖（6）

可視系統(tǒng)制作

利用LabVIEW和Vision模塊編寫視頻采集模塊。再將攝像頭與PC機(jī)通信。如圖所示程序框圖。

軟件制作

利用LabVIEW編寫測(cè)試系統(tǒng)，LabVIEW程序包括前面板及程序框圖，利用DAQ助手將采集卡采集到的電壓傳送到PC機(jī)，充分利用LabVIEW 數(shù)據(jù)流的優(yōu)點(diǎn)，將采集的電壓數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送到PC機(jī)。再利用事先定標(biāo)的電壓與力的關(guān)系，在程序中將采集到的電壓經(jīng)過數(shù)學(xué)計(jì)算轉(zhuǎn)換為等效的拉力，再將拉力實(shí)時(shí)傳輸?shù)綀D形顯示控件中。實(shí)時(shí)顯示拉力變化。部分程序框圖如下。

圖9　表面張力測(cè)試系統(tǒng)主界面

主界面

可以在主界面上實(shí)時(shí)地觀察拉脫過程中拉力的變化。并能快速地測(cè)試出樣品表面張力的數(shù)值。

儀器使用與測(cè)試

主要用途

適用于關(guān)于表面張力系數(shù)測(cè)定實(shí)驗(yàn)教學(xué)

生活中測(cè)定使用液體是否變質(zhì)

可用于企業(yè)測(cè)定樣品的表面張力系數(shù)（如潤(rùn)板液，活性劑等）。

儀器的使用

（1） 將拉力傳感器安裝在鐵架臺(tái)上，調(diào)整好角度，保證吊環(huán)和傳感器彈簧片的平面垂直，將拉力傳感器與NI采集卡連接。

（2）拉力傳感器的校對(duì)：運(yùn)行測(cè)試軟件，然后將砝碼盤掛在傳感器梁端頭的小鉤上，將砝碼盤置于力敏傳感器的掛鉤上，待系統(tǒng)穩(wěn)定后，點(diǎn)擊“清零”按鈕，設(shè)定此時(shí)電壓值為0mv。再依次將0.5g的砝碼加入砝碼盤，待穩(wěn)定后記錄電壓值。砝碼質(zhì)量和輸出電壓的關(guān)系見表1。

表1　傳感器定標(biāo)數(shù)據(jù)

（3）游標(biāo)卡尺測(cè)量圓環(huán)的外徑（50.00mm）和內(nèi)徑（48.00mm）。

（4）用酒精將金屬吊環(huán)清洗干凈，并將其放置于傳感器的掛鉤上。將金屬吊環(huán)浸入水中，打開水杯的漏水閥門，使液面緩緩下降。當(dāng)?shù)醐h(huán)的下端露出水面后，吊環(huán)和液面之間形成一環(huán)形液膜（如圖10所示）。隨著液面的下降，液膜的高度也逐漸增大，力敏傳感器輸出的電壓值也逐漸增大。計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集力敏傳感器的輸出壓力值，記錄的壓力隨時(shí)間變化的曲線如圖11所示。繼續(xù)降低液面，液膜破裂，拉力值瞬時(shí)減小。

（5） 記錄液膜破裂前瞬間的電壓值f2。液膜破裂后，待傳感器的輸出電壓值穩(wěn)定后，記錄其電壓值f1。則f =f2-f1，代入（2）式，即可求得液體的表面張力系數(shù)。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)測(cè)量

測(cè)量環(huán)境溫度為 25℃，測(cè)量樣品分別為（1）純凈水；（2）無(wú)水乙醇。各進(jìn)行5次測(cè)量。

測(cè)量次數(shù)1 2 3 4 5平均值表面張力系數(shù)（）71.2 70.1 71.2 70.9 70.8 70.84 10-/ ×N m 3

純凈水表面張力系數(shù)測(cè)量數(shù)據(jù)

）21.0 21.1 20.8 21.1 20.9 20.98測(cè)量次數(shù)1 2 3 4 5平均值表面張力系數(shù)（10-/ ×N m 3

無(wú)水乙醇表面張力系數(shù)測(cè)量數(shù)據(jù)

通過兩種試驗(yàn)的對(duì)比，得出的測(cè)量數(shù)據(jù)和理論值比較接近（25℃，純凈水的表面張力系數(shù)為：72.1×10-3N/ m ；無(wú)水乙醇的表面張力系數(shù)為：21.8×10-3N/ m ）。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)可以準(zhǔn)確地測(cè)量液體的表面張力系數(shù)。

創(chuàng)新點(diǎn)

（1）將微力傳感器用于秤量微小拉力的變化。并能將其變化用曲線的形式展現(xiàn)出來(lái)。方便學(xué)生理解液膜拉脫過程中的復(fù)雜物理過程。

圖10　液膜圖片

圖11　壓力隨時(shí)間變化的曲線

（2）增強(qiáng)系統(tǒng)的可視化功能，適應(yīng)教學(xué)要求

設(shè)計(jì)了一套適合教學(xué)的液體拉力測(cè)試系統(tǒng)，通過增加攝像頭及軟件界面，同時(shí)將液體液膜拉脫過程和液體表面張力變化的過程顯示給教學(xué)對(duì)象，能滿足高中、大學(xué)的教學(xué)要求。

（3）采用軟件即儀器的全新理念。用更便宜的軟件代替昂貴的硬件。并且方便復(fù)制和移植。

（4）改變吊環(huán)與液面的脫離方法，方便使用

傳統(tǒng)吊環(huán)與液面的脫離方法是通過電動(dòng)升吊環(huán)或手動(dòng)減低升降臺(tái)，本裝置是通過醫(yī)療滴管來(lái)控制液體下降速度，實(shí)現(xiàn)吊環(huán)與液面的脫離的有效控制。

（5）設(shè)計(jì)出新型待測(cè)液體裝置

方便使用者測(cè)試待測(cè)液體，及對(duì)比待測(cè)液體表面形狀。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.15.036