基于LabVIEW系统的可视化液体表面张力快速测定仪

创新者：王 剑

基于LabVIEW系统的可视化液体表面张力快速测定仪

创新者：王 剑

将力敏传感、可视化系统及计算机软件相结合应用于液体表面张力系数的测试，可以提高测量的精度，并可以清楚地观察到被测样品液膜的拉脱过程。结合拉力测试系统，可以求出拉脱过程各物理量的数据，帮助学生更好地理解表面张力。该仪器具有操作方便、价格低廉，可以广泛适用于高中、大学液体表面张力教学演示；并可用于家庭测定牛奶、饮料等液体食品是否过期；以及企业测定液体表面张力的需求。

项目背景

液体表面张力系数是液体的重要性质之一，液体表面张力系数的测定不仅可以得知液体的物理特性，同时也可以测定各种溶液（如：油漆、果汁、牛奶）是否满足用户的要求。目前液体表面张力在工业、医学等行业上有很广泛的运用。

十八届三中全会对深化教育改革提出：增强学生社会责任感、创新精神、实践能力及广东省教育厅十二五规划中提出：推动普通高中多样化特色化优质化发展，可见学生素质教育及学校特色发展已经势在必行；目前国内有许多关于液体表面张力测试仪器，这些仪器不但价格不菲、要求操作者有较高的技能以较好地用于教学及家庭使用，为此本人不断地探讨及研究出一种价格低廉、方便使用、可全程观察及实时记录数据的液体表面张力测试仪器。

仪器设计原理

设计原理

仪器采用拉脱法来测量液体表面张力系数，设计出外直径为5cm，内直径4.8cm的圆环型吊环，较好地提高了实验的稳定性、准确度，方便使用者操作。

拉脱法测量液体表面张力原理

将一表面洁净的金属吊环竖直地浸入水中，使其底边保持水平，然后打开医用滴管，液体从烧杯底部慢慢流出，使其缓慢脱离液面。在液膜拉断前瞬间吊环在竖直方向上的受力为F ：F=mg+f （1）f 为液体的表面张力。

在液膜拉断前瞬间可近似地认为表面张力f 的大小等于：

f=απ（d1+d2）（2）式中，α为液体的表面张力系数，

d1、d2分别为金属吊环的内外直径。实验中，采用高精度力敏传感器直接秤量F。力敏传感器输出的电压大小U与所受外力的大小成正比，有：U=K F （3）其中，K为力敏传感器的灵敏度。

图1　吊环受力分析

仪器的制作

制作材料

摄像头、电脑、铁架台、液体表面张力软件系统、医用点滴管、升降台、长3cm直径为3mm的玻璃短管、1个250ml塑料烧杯、1个250ml的玻璃烧杯、4个100ml玻璃烧杯、4根规则1×10cm的小试管、有机玻璃架、若干电线。

图2　液体表面张力测试系统图

图3　液体表面张力测试有机玻璃架

图4　有机玻璃架立体图

图5　有机玻璃架表面图（单位：厘米）

图6　测力系统装置连接图

图7　可视化系统源代码

图8　表面张力采集系统源代码

制作图

制作方法

待测液体架制作

（1）在距离250ml塑料烧杯底部1cm处钻一个直径为3mm的孔，然后将长3cm直径为3mm的玻璃短管和医用滴管连接起来。

（2）有机玻璃架的制作，在一块长、宽、高为36×10×5cm有机玻璃上切出4个直径5.2cm及高2m的圆柱及切出4个直径1.2cm及高3cm的小圆柱，具体如图5。

测力系统制作

将拉力传感器安装在铁架台上，调整好，保证吊环和传感器弹簧片的平面垂直，将拉力传感器与NI采集卡连接。将N采集卡通过USB与PC机连接。具体如图（6）

可视系统制作

利用LabVIEW和Vision模块编写视频采集模块。再将摄像头与PC机通信。如图所示程序框图。

软件制作

利用LabVIEW编写测试系统，LabVIEW程序包括前面板及程序框图，利用DAQ助手将采集卡采集到的电压传送到PC机，充分利用LabVIEW 数据流的优点，将采集的电压数据实时传送到PC机。再利用事先定标的电压与力的关系，在程序中将采集到的电压经过数学计算转换为等效的拉力，再将拉力实时传输到图形显示控件中。实时显示拉力变化。部分程序框图如下。

图9　表面张力测试系统主界面

主界面

可以在主界面上实时地观察拉脱过程中拉力的变化。并能快速地测试出样品表面张力的数值。

仪器使用与测试

主要用途

适用于关于表面张力系数测定实验教学

生活中测定使用液体是否变质

可用于企业测定样品的表面张力系数（如润板液，活性剂等）。

仪器的使用

（1） 将拉力传感器安装在铁架台上，调整好角度，保证吊环和传感器弹簧片的平面垂直，将拉力传感器与NI采集卡连接。

（2）拉力传感器的校对：运行测试软件，然后将砝码盘挂在传感器梁端头的小钩上，将砝码盘置于力敏传感器的挂钩上，待系统稳定后，点击“清零”按钮，设定此时电压值为0mv。再依次将0.5g的砝码加入砝码盘，待稳定后记录电压值。砝码质量和输出电压的关系见表1。

表1　传感器定标数据

（3）游标卡尺测量圆环的外径（50.00mm）和内径（48.00mm）。

（4）用酒精将金属吊环清洗干净，并将其放置于传感器的挂钩上。将金属吊环浸入水中，打开水杯的漏水阀门，使液面缓缓下降。当吊环的下端露出水面后，吊环和液面之间形成一环形液膜（如图10所示）。随着液面的下降，液膜的高度也逐渐增大，力敏传感器输出的电压值也逐渐增大。计算机数据采集系统实时采集力敏传感器的输出压力值，记录的压力随时间变化的曲线如图11所示。继续降低液面，液膜破裂，拉力值瞬时减小。

（5） 记录液膜破裂前瞬间的电压值f2。液膜破裂后，待传感器的输出电压值稳定后，记录其电压值f1。则f =f2-f1，代入（2）式，即可求得液体的表面张力系数。

实验数据测量

测量环境温度为 25℃，测量样品分别为（1）纯净水；（2）无水乙醇。各进行5次测量。

测量次数1 2 3 4 5平均值表面张力系数（）71.2 70.1 71.2 70.9 70.8 70.84 10-/ ×N m 3

纯净水表面张力系数测量数据

）21.0 21.1 20.8 21.1 20.9 20.98测量次数1 2 3 4 5平均值表面张力系数（10-/ ×N m 3

无水乙醇表面张力系数测量数据

通过两种试验的对比，得出的测量数据和理论值比较接近（25℃，纯净水的表面张力系数为：72.1×10-3N/ m ；无水乙醇的表面张力系数为：21.8×10-3N/ m ）。实验结果表明，该系统可以准确地测量液体的表面张力系数。

创新点

（1）将微力传感器用于秤量微小拉力的变化。并能将其变化用曲线的形式展现出来。方便学生理解液膜拉脱过程中的复杂物理过程。

图10　液膜图片

图11　压力随时间变化的曲线

（2）增强系统的可视化功能，适应教学要求

设计了一套适合教学的液体拉力测试系统，通过增加摄像头及软件界面，同时将液体液膜拉脱过程和液体表面张力变化的过程显示给教学对象，能满足高中、大学的教学要求。

（3）采用软件即仪器的全新理念。用更便宜的软件代替昂贵的硬件。并且方便复制和移植。

（4）改变吊环与液面的脱离方法，方便使用

传统吊环与液面的脱离方法是通过电动升吊环或手动减低升降台，本装置是通过医疗滴管来控制液体下降速度，实现吊环与液面的脱离的有效控制。

（5）设计出新型待测液体装置

方便使用者测试待测液体，及对比待测液体表面形状。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.15.036