基于傳感器的液體表面張力系數(shù)實(shí)時(shí)測量

劉付永紅 葉曉靖 馬佳洪 高亞妮

(華南理工大學(xué)物理與光電學(xué)院，廣東 廣州 510641)

0 引言

液體表面張力系數(shù)是液體性質(zhì)的重要參數(shù)，在科研及工程上都有極高的研究價(jià)值。測定液體表面張力系數(shù)的常用方法有：拉脫法，液滴測重法和毛細(xì)管升高法等。本文中在傳統(tǒng)的拉脫法基礎(chǔ)上，使用了硅壓阻力敏傳感器測量實(shí)驗(yàn)中的拉力，并將該傳感器的輸出電壓量與計(jì)算機(jī)的采集器直接連接，實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)測量，過程簡單、快捷、清晰。

1 實(shí)驗(yàn)原理

如圖1所示測定儀前端由金屬環(huán)，掛鉤，彈性梁及固定端組成，硅壓阻力敏傳感器貼裝彈性梁上測量實(shí)驗(yàn)中的拉力。

圖1 測定儀原理圖

實(shí)驗(yàn)中將金屬環(huán)放置于液體中，用升降臺(tái)將金屬環(huán)勻速緩慢拉起，當(dāng)金屬環(huán)從液面拉脫瞬間與即將拉斷水柱時(shí)掛鉤所受拉力的變化值即為液體表面張力：

f=π(D1+D2)α

(1)

公式(1)中：D1、D2分別為圓環(huán)外、內(nèi)徑，又為液體表面張力系數(shù)，由公式推導(dǎo)所得，液體表面張力系數(shù)為：

α=f/[π(D1+D2)]

(2)

實(shí)驗(yàn)中的掛鉤拉力T由傳感器芯片模塊測得，模塊輸出電壓與T成線性關(guān)系：

U=BT

(3)

綜合公式(1)，(2)液體表面張力可以由下式得到：

f=(U1-U2)/B

(4)

B為硅壓阻力敏傳感器靈敏度，單位V/N。,U1,U2分別為即將拉斷水柱時(shí)傳感器輸出電壓值以及拉斷時(shí)電壓表的讀數(shù)。

2 實(shí)時(shí)采集實(shí)驗(yàn)介紹

計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)是在前端傳統(tǒng)設(shè)備基礎(chǔ)上，增加了數(shù)據(jù)采集到計(jì)算機(jī)，通過對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得出整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程傳感器電壓變化的過程，由于電壓與拉力T成線性關(guān)系，從而得到拉力變化的曲線。從曲線中還可以直接讀出即將拉斷水柱時(shí)數(shù)字電壓表讀數(shù)以及拉斷時(shí)數(shù)字電壓表的讀數(shù),結(jié)合定標(biāo)得出的傳感器靈敏度,就可以得到液體表面張力系數(shù)。儀器裝備及實(shí)驗(yàn)流程圖如圖2 所示。

圖2 實(shí)時(shí)采集實(shí)驗(yàn)流程圖

采用計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)采集，可以完整地觀測其拉脫受力的變化，能夠讓學(xué)生更清楚的了解拉脫法測量表面張力系數(shù)的原理。

3 實(shí)驗(yàn)過程及結(jié)果分析

3.1 硅壓阻力敏傳感器定標(biāo)

利用儀器配置的高精度砝碼，對硅壓阻力敏傳感器進(jìn)行定標(biāo)，用不同質(zhì)量的砝碼改變掛鉤拉力大小，得出相應(yīng)的傳感器電壓讀數(shù)，如表1所示。

表1 砝碼質(zhì)量—傳感器電壓輸出對比表

數(shù)據(jù)用最小二乘法擬合處理，U=BT中的硅壓阻力敏傳感器靈敏度B=3.013×103mV/N，擬合的線性相關(guān)系數(shù)r接近1，表明兩變量間存在良好的線性關(guān)系。測量地區(qū)重力加速度g=9.794m/S2。

3.2 不同濃度的酒精表面張力系數(shù)的計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)測量

(1)用游標(biāo)卡尺測量金屬圓環(huán)：外徑D1=3.500cm,內(nèi)徑D2=3.334cm。

(2)將待測液體倒入方形器皿后，將器皿放入實(shí)驗(yàn)圓筒內(nèi)。

(3)把儀器數(shù)據(jù)采集口與計(jì)算機(jī)的USB接口連接好，把實(shí)驗(yàn)軟件打開。

(4)調(diào)節(jié)金屬環(huán)的高度，觀察環(huán)浸入液體中及從液體中拉起時(shí)的物理過程和現(xiàn)象。

(5)在環(huán)開始上升時(shí)點(diǎn)開始采集按鈕，可以通過軟件實(shí)時(shí)采集傳感器輸出電壓值的變化過程，通過鼠標(biāo)移動(dòng)測量拉脫瞬間的電壓值以及拉斷后的電壓值，計(jì)算測量液體的表面張力。以99.7%的酒精為待測液體，圖3為從金屬環(huán)開始上升為起點(diǎn)的采集圖。

圖3 酒精∶水為10∶1的液體表面張力采集圖

圖中有兩次電壓跳變，1→2為吊環(huán)的底盤脫離液面時(shí)的拉力跳變引起的傳感器輸出電壓變化，3→4為吊環(huán)脫離液面時(shí)的拉力跳變引起的傳感器輸出電壓變化，因此3的電壓為U1 =27.8mV ，4的電壓為U2 =10.0mV，ɑ=25.4×10-3N/m,有效采集可以從2與3之間開始。

圖4 酒精:水為1∶1的液體表面張力采集圖

圖4是從底盤已經(jīng)脫落液面后對酒精:水為1∶1的液體表面張力采集圖，根據(jù)圖采集到的數(shù)據(jù)得到U1=27.7mV，U2 =6.2mV，ɑ=30.7×10-3N/m，同樣方法測得不同濃度下的酒精水混合物的表面張力系數(shù)如表2。

表2 酒精水混合物的表面張力系數(shù)測量(液體溫度T=18.20℃)

抽出酒精∶水為10∶1的樣本與標(biāo)準(zhǔn)值ɑ=24.3×10-3N/m做對比，誤差為4.5%，由于酒精的雜質(zhì)會(huì)略有不同，會(huì)有一點(diǎn)不同，因此我們可以認(rèn)為實(shí)驗(yàn)方案可行。

4 結(jié)束語

與傳統(tǒng)的測量方法對比，力敏傳感器大大提高了測量精度和穩(wěn)定度，而計(jì)算機(jī)實(shí)測的引入，使測量時(shí)吊環(huán)受力的整個(gè)過程得以完整的展現(xiàn)，不管是在液體表面張力系數(shù)在工程應(yīng)用的拓寬還是實(shí)驗(yàn)教學(xué)上都會(huì)有很好的應(yīng)用。

[1] 周曉明．大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)[M].廣州：華南理工大學(xué)出版社，2012．

[2] 魏秀芳，馬云云，董向成.液體表面張力系數(shù)與金屬線框直徑關(guān)系的實(shí)驗(yàn)探究[J].大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，2018，(02).