基于传感器的液体表面张力系数实时测量

刘付永红 叶晓靖 马佳洪 高亚妮

(华南理工大学物理与光电学院，广东 广州 510641)

0 引言

液体表面张力系数是液体性质的重要参数，在科研及工程上都有极高的研究价值。测定液体表面张力系数的常用方法有：拉脱法，液滴测重法和毛细管升高法等。本文中在传统的拉脱法基础上，使用了硅压阻力敏传感器测量实验中的拉力，并将该传感器的输出电压量与计算机的采集器直接连接，实现计算机实时测量，过程简单、快捷、清晰。

1 实验原理

如图1所示测定仪前端由金属环，挂钩，弹性梁及固定端组成，硅压阻力敏传感器贴装弹性梁上测量实验中的拉力。

图1 测定仪原理图

实验中将金属环放置于液体中，用升降台将金属环匀速缓慢拉起，当金属环从液面拉脱瞬间与即将拉断水柱时挂钩所受拉力的变化值即为液体表面张力：

f=π(D1+D2)α

(1)

公式(1)中：D1、D2分别为圆环外、内径，又为液体表面张力系数，由公式推导所得，液体表面张力系数为：

α=f/[π(D1+D2)]

(2)

实验中的挂钩拉力T由传感器芯片模块测得，模块输出电压与T成线性关系：

U=BT

(3)

综合公式(1)，(2)液体表面张力可以由下式得到：

f=(U1-U2)/B

(4)

B为硅压阻力敏传感器灵敏度，单位V/N。,U1,U2分别为即将拉断水柱时传感器输出电压值以及拉断时电压表的读数。

2 实时采集实验介绍

计算机实时采集系统是在前端传统设备基础上，增加了数据采集到计算机，通过对数据进行处理，得出整个实验过程传感器电压变化的过程，由于电压与拉力T成线性关系，从而得到拉力变化的曲线。从曲线中还可以直接读出即将拉断水柱时数字电压表读数以及拉断时数字电压表的读数,结合定标得出的传感器灵敏度,就可以得到液体表面张力系数。仪器装备及实验流程图如图2 所示。

图2 实时采集实验流程图

采用计算机实时采集，可以完整地观测其拉脱受力的变化，能够让学生更清楚的了解拉脱法测量表面张力系数的原理。

3 实验过程及结果分析

3.1 硅压阻力敏传感器定标

利用仪器配置的高精度砝码，对硅压阻力敏传感器进行定标，用不同质量的砝码改变挂钩拉力大小，得出相应的传感器电压读数，如表1所示。

表1 砝码质量—传感器电压输出对比表

数据用最小二乘法拟合处理，U=BT中的硅压阻力敏传感器灵敏度B=3.013×103mV/N，拟合的线性相关系数r接近1，表明两变量间存在良好的线性关系。测量地区重力加速度g=9.794m/S2。

3.2 不同浓度的酒精表面张力系数的计算机实时测量

(1)用游标卡尺测量金属圆环：外径D1=3.500cm,内径D2=3.334cm。

(2)将待测液体倒入方形器皿后，将器皿放入实验圆筒内。

(3)把仪器数据采集口与计算机的USB接口连接好，把实验软件打开。

(4)调节金属环的高度，观察环浸入液体中及从液体中拉起时的物理过程和现象。

(5)在环开始上升时点开始采集按钮，可以通过软件实时采集传感器输出电压值的变化过程，通过鼠标移动测量拉脱瞬间的电压值以及拉断后的电压值，计算测量液体的表面张力。以99.7%的酒精为待测液体，图3为从金属环开始上升为起点的采集图。

图3 酒精∶水为10∶1的液体表面张力采集图

图中有两次电压跳变，1→2为吊环的底盘脱离液面时的拉力跳变引起的传感器输出电压变化，3→4为吊环脱离液面时的拉力跳变引起的传感器输出电压变化，因此3的电压为U1 =27.8mV ，4的电压为U2 =10.0mV，ɑ=25.4×10-3N/m,有效采集可以从2与3之间开始。

图4 酒精:水为1∶1的液体表面张力采集图

图4是从底盘已经脱落液面后对酒精:水为1∶1的液体表面张力采集图，根据图采集到的数据得到U1=27.7mV，U2 =6.2mV，ɑ=30.7×10-3N/m，同样方法测得不同浓度下的酒精水混合物的表面张力系数如表2。

表2 酒精水混合物的表面张力系数测量(液体温度T=18.20℃)

抽出酒精∶水为10∶1的样本与标准值ɑ=24.3×10-3N/m做对比，误差为4.5%，由于酒精的杂质会略有不同，会有一点不同，因此我们可以认为实验方案可行。

4 结束语

与传统的测量方法对比，力敏传感器大大提高了测量精度和稳定度，而计算机实测的引入，使测量时吊环受力的整个过程得以完整的展现，不管是在液体表面张力系数在工程应用的拓宽还是实验教学上都会有很好的应用。

[1] 周晓明．大学物理实验[M].广州：华南理工大学出版社，2012．

[2] 魏秀芳，马云云，董向成.液体表面张力系数与金属线框直径关系的实验探究[J].大学物理实验，2018，(02).