基于NI myDAQ数据采集器的表面张力系数测量系统

崔新图，沈　韩，方奕忠，王　钢，廖德驹，冯饶慧

(中山大学 物理科学与工程技术学院，广东 广州 510275)

基于NI myDAQ数据采集器的表面张力系数测量系统

崔新图，沈韩，方奕忠，王钢，廖德驹，冯饶慧

(中山大学 物理科学与工程技术学院，广东 广州 510275)

摘要：基于NI myDAQ数据采集器、应变式力传感器和位移传感器，用LabVIEW设计和制作了拉脱法测液体表面张力系数的实验系统，该系统可完整定量地记录液面拉破前后液面高度和液体表面张力的变化过程，液面高度测量精度达到0.01 mm，表面张力测量精度达到10-5N. 用该系统测量了水、乙醇及其混合液体的表面张力系数，发现随着乙醇体积分数的增加，表面张力系数呈非线性递减，且液膜可拉伸长度也非线性减小.

关键词：NI myDAQ；表面张力系数；应变式拉力传感器；液位传感器；LabVIEW

1引言

液体表面张力系数测量是大学物理实验教学的一个重要的实验题目[1-2]. 测量液体表面张力系数的实验方法有许多种，例如采用约利弹簧秤和拉力传感器的拉脱法[3]、最大气泡法[4]、毛细管法[5]、表面波激光干涉法[6]等. 目前国内大学物理实验教学中大多采用基于拉力传感器的拉脱法，其他方法由于设备比较复杂昂贵，或者测量精度不高而较少采用. 用拉脱法进行测量时需要在液面下降的过程中人工关注约利弹簧秤的伸长量或数字毫伏表的读数，并记录液面拉破瞬间的数值，操作难度较大，测量周期长，人为读数误差较大，难以记录液面拉伸过程中拉力的变化情况. 为解决上述问题，基于美国国家仪器公司(简称NI)的NI myDAQ数据采集器[7]，用LabVIEW设计了液体表面张力系数的测量系统，并用该系统测量了纯水和不同体积分数的乙醇水溶液的表面张力系数.

2液体表面张力测量系统

2.1　测量系统结构

测量系统原理框图如图1所示，核心是1台NI myDAQ数据采集器，其A/D转换的精度达到16位，用LabVIEW软件编程控制. 应变传感器与拉脱法测量时使用的金属丝、金属环或金属板相连，受力变形后的输出电压与所受的拉力成正比，该电压由NI myDAQ采集和处理，经标定后可以直接读出拉力的大小. 位移传感器用于测量升降台的升降距离，由此算出拉脱法测量过程中液面的位移量. 传感器的输出电压与位移量成正比，经标定后可以直接读出位移量的数值. 自行设计和编制的基于LabVIEW的测控软件包括实验介绍、传感器标定、表面张力数据采集以及数据分析等几个主要的功能，其中表面张力数据采集功能的前面板如图2所示，可以同时显示液面下降量、表面张力以及它们之间的对应关系，可将液面拉破前后的动态过程完整地记录下来. 所有的测量数据自动保存在计算机中，便于后续调用和处理.

图1　测量系统原理框图

图2　实验测控软件前面板图

2.2　测量系统的标定

测量系统的标定包括2部分，一是对拉力传感器的标定，二是对液位传感器的标定. 两传感器的标定曲线分别如图3和图4所示，其中图3的横坐标为所受拉力，纵坐标为传感器的输出电压；图4 的横坐标为承托表面皿的升降台的下降量，即液面的下降量，纵坐标为位移传感器的输出电压. 由图3~4可见两传感器的线性度很好，线性拟合的相关系数都大于0.999.

图3　拉力传感器标定曲线

图4　液位传感器标定曲线

3实验结果

用上述系统测得纯水表面张力F随液面下降量L变化的关系曲线如图5所示，不锈钢丝长度为57.48 mm、直径为0.32 mm，铝环外径34.98 mm、内径32.89 mm、高度9.95 mm，并扣除了铝环重力的影响.

图5　钢丝和铝环测量下降量与拉力关系曲线

由图5可见，2条曲线均为单峰型，其中铝环曲线可明显地划分为3个区段：A段吊环缓慢从液体中拉离液面并拉伸出水膜，铝环所受浮力逐渐减小，所受拉力缓慢增大至最大值.B段吊环继续提升，底部高于水面，浮力为零，水膜继续拉伸但不破裂. 由于吊环有一定的厚度，内外液膜发生弯曲，对吊环在竖直方向上的拉力缓慢减小.C段水膜突然破裂，吊环完全脱离液面，拉力发生突变. 由于钢丝较细，液膜弯曲的现象可以忽略不计，故钢丝曲线中B段几乎不存在，液面拉破时张力直接从最大值跳变. 故采用铝环进行测量时，需采用拉力传感器输出电压的最大值而不是跳变时的电压值来计算表面张力系数，而采用钢丝进行测量时就可以直接采用跳变时的电压值进行计算. 由图5还可以发现，采用铝环进行测量，液面破裂前下降了约7.5 mm的距离，而采用钢丝，液面破裂前只下降了约1.2 mm.

不同体积分数的乙醇水溶液表面对铝环的拉力与液面下降量之间的变化关系曲线如图6所示. 由图6可见，不同体积分数的乙醇水溶液的表面张力曲线变化规律一致，都为单峰曲线，都可划分为A，B，C3个区段，只是乙醇的体积分数越低，表面张力越大，液膜拉破前可以拉伸的距离越长.C段时液膜破裂，但拉力传感器仍受到铝环重力的作用. 与图5相比，由于图6中未扣除该作用的影响，故拉力的数值不为零.

图6　不同体积分数的乙醇水溶液表面张力　随液面下降量变化关系曲线

4讨论与分析

液体表面张力系数α的计算公式[3]为

其中，F为表面张力的最大值(即拉脱力)，D1和D2分别为金属环的外径和内径. 计算出乙醇水溶液的表面张力系数随乙醇体积分数的变化关系曲线如图7中曲线a所示，可见表面张力系数α随乙醇体积分数的增加近似为指数减小. 为了进行对比，还采用液面破裂前的拉力计算了溶液的表面张力系数α随体积分数的变化关系如图7中曲线b所示，其变化趋势与曲线a基本一致.

图7　乙醇水溶液表面张力系数随体积分数的　变化关系曲线

5结论

只要使用灵敏度足够高的应变式拉力传感器使受力时传感器的输出电压大于1 mV，就可使用基于NI myDAQ的表面张力实验系统精确测量液体的表面张力，测量灵敏度可达到10-5N. 同时利用NI myDAQ的2个模拟输入通道同时采集数据，可以直观定量地观测拉脱过程中拉力随液面下降距离的变化关系曲线及液面拉伸度受表面张力系数大小的影响程度，对表面张力系数测量结果比较准确，重复性好.

参考文献：

[1]焦丽凤，陆申龙. 用力敏传感器测量液体表面张力系数[J]. 物理实验,2002,22(7):40-42.

[2]宿非凡，姜仁志，朱亚彬. 集成扭秤放大法测量薄膜的表面张力系数[J]. 物理实验，2013，33(1)：4-7.

[3]伊鑫,朴渊,柳青,等. 拉脱法测量纯水表面张力系数实验的研究[J]. 大学物理,2008，27(2):60-63.

[4]曹红燕,李建平,董超,等. 最大气泡法测定溶液表面张力的实验探讨[J]. 实验技术与管理,2006，23(8):39-41.

[5]安郁宽. 毛细管探针法测定液体的表面张力系数[J]. 大学物理，2010，29(10)：37-40.

[6]苗润才，赵晓凤，时坚. 低频液体表面波的激光干涉测量[J]. 中国激光,2004,31(6):752-756.

[7]周述苍,郭天葵,周莹,等. 基于LabVIEW的液体表面张力系数测定[J]. 物理实验,2012,32(12):30-32.

[责任编辑：任德香]

Measuring surface tension coefficient based on NI myDAQ

CUI Xin-tu， SHEN Han， FANG Yi-zhong， WANG Gang， LIAO De-ju， FENG Rao-hui

(School of Physics and Engineering, Sun Yat-sen University, Guangzhou 510275, China)

Abstract:A system of measuring the surface tension of liquid was designed based on NI myDAQ and LabVIEW. A force sensor and a displacement sensor were integrated into the system, therefore, the surface tension and the liquid level could be quickly recorded at the same time. The precisions were 10-5N and 0.01 mm, respectively. By using this system, the surface tensions of water, alcohol, and their mixture were measured. It was found that the surface tension coefficient nonlinear decreased with the volume fraction of alcohol.

Key words:NI myDAQ; surface tension coefficient; strain type force sensor; liquid level sensor; LabVIEW

中图分类号：O351.1

文献标识码：A

文章编号：1005-4642(2015)03-0006-04

通讯作者：沈韩(1973-)，男，广东潮州人，中山大学物理科学与工程技术学院副教授，博士，从事大学物理实验教学与研究工作.

作者简介：崔新图(1976-)，女，广东广州人，中山大学物理科学与工程技术学院工程师，学士，从事大学物理实验教学与研究工作.

基金项目：中山大学实验教学改革基金项目资助(No.YJ201109)

收稿日期：2014-09-10