基于光纤拉力传感器测量液体表面张力系数

王本阳，毛晓芹，刘 一，曲文葛，王新顺，郎昌鹏

(哈尔滨工业大学(威海) 理学院 光电科学系,山东 威海 264209)

液体的表面张力是讨论液体表面现象，了解液体性质的重要物理参量. 液体表面张力使液体表面具有自发收缩的趋势以保持液体的表面积最小. 形成球形液滴的原因即是液滴受到液体表面张力的作用[1]. 单位长度液膜上的表面张力的大小即等于液体的表面张力系数. 液体表面张力系数与液体温度、压强、密度、纯度以及液体种类等因素有关. 精确测量液体表面张力系数在化工生产和生物医学等领域具有重要意义. 测量液体的表面张力系数有多种方法，拉脱法是测量液体表面张力系数常用的方法. 用拉脱法测量液体表面张力时，液体表面张力在1×10-3～1×10-2N之间，对测量拉力的传感器要求较高. 常用的拉力传感器有硅压阻式力敏传感器(利用非平衡电桥)[2-4]和位移力敏传感器(利用霍尔传感器). 本文利用自制的高灵敏度的光纤拉力传感器测量水的液体表面张力系数，取得了较好的效果.

1 实验原理

1.1 拉脱法测量液体表面张力系数原理

测量已知周长的金属片从待测液体表面脱离时需要的力，求得该液体表面张力系数的实验方法称为拉脱法. 若金属片为圆环时，考虑一级近似，可以认为脱离力为液体表面张力系数乘以脱离表面的周长[5]，即

F=απ(D1+D2),

(1)

式中，F为拉脱力，D1和D2分别为圆环的外径和内径，α为液体的表面张力系数.

1.2 高灵敏度光纤F-P干涉型拉力传感器原理

实验采用的力敏传感器为光纤法布里-珀罗干涉型拉力传感器，其基本原理为，通过在光纤内制备微腔，微腔的两侧能够在光纤纤芯处形成2个反射面，光纤纤芯内的光信号经过微腔的两侧时会分别被反射回2束光，在光纤中形成双光束F-P干涉.

自制的拉力传感器实物如图1所示，该传感器将光纤一端拉制成超长细锥，将其插入并熔接到光纤微型腔内. 假设实际F-P干涉长度为L1，微腔总长度为L2，插入微腔的细锥长度为L3，则L3=L2-L1. 例如，L1和L2在图1中分别为138 μm和1 100 μm. 第m级F-P干涉峰的中心波长为[6]

图1 自制高灵敏度光纤F-P干涉型拉力传感器实物图

(2)

光纤中微腔内为空气，折射率n=1.00. 当光纤两端施加拉力F时，由于光纤的拉伸变形，腔长将发生改变，导致干涉峰中心波长移动. 拉力F引起干涉峰中心波长移动的灵敏度为

(3)

(4)

由式(4)可知， 当F-P干涉谱中的单频光作为入射光(1 550 nm)，应变力灵敏度的值与L2/L1成正比. 通过实验测量图1传感器的应变力灵敏度约为18.06 nm/N[6]. 因此当拉力导致光纤F-P干涉腔的腔长发生变化，反射光的干涉谱，即干涉峰的位置会发生变化，反映在干涉谱上某波长附近的光强会发生变化. 此时利用光电探测器将光信号转变为电信号，电信号通过放大后可以看到拉力变化时输出电压也相应发生变化.

2 实验装置

高灵敏度光纤F-P干涉型拉力传感器的一端通过光纤环形器和单频激光器、拉力信号解调系统相连，另一端连接吊环. 一盛水的玻璃皿放在可通过螺旋测微器旋钮调节高度的平台上，使吊环悬于玻璃皿正上方. 通过调节平台的高度进行实验. 拉力信号解调系统利用光电探测器测量环形器输出的干涉光谱，数据采集软件部分用LabVIEW编程来实现数据自动采集. 整体实验装置原理图如图2所示.

图2 基于光纤拉力传感器的测量装置原理图

3 实验测量和数据处理

整机预热 15 min以后，对力敏传感器进行定标. 在加砝码前首先对仪器调零，然后在力敏传感器上分别加0.2～7.0 g砝码，测出相应的电压输出值. 测量传感器灵敏度的定标曲线如图3所示. 从图3中可看到输出电压和拉力成正比. 通过最小二乘法对实验测量点做拟合得到传感器的灵敏度k为64.5 mV/N，相关系数为0.994.

图3 输出电压和拉力的定标曲线

以测量室温下水的液体表面张力系数为例. 调节玻璃皿下的升降台，使其缓慢上升，将圆环全部浸没于水中，反向调节升降台，使液面逐渐下降，这时金属圆环和液面间形成环形液膜. 继续下降液面，测出环形液膜即将拉断前瞬间电压读数值U1和液膜拉断后瞬间电压读数值U2. 实验过程中输出电压随时间的变化曲线如图4所示. 图4中右侧的波浪线主要是由于液膜断裂后，金属环上下振动导致的. 这里k=64.5 mV/N,U1=3.08 mV,U2=1.74 mV,D1=44.74 mm,D2=43.50 mm. 由公式[7-8]

图4 输出电压U随时间t的变化曲线

(5)

重复测量后可以得到水在室温下的表面张力系数为(0.076±0.001) N/m，平均值与20 ℃时的标准值0.073 N/m[9]相比，相对偏差为4.1%.

4 结束语

拉脱法中，利用法布里-珀罗干涉原理设计高灵敏度光纤拉力传感器，结合单频激光器、光纤环形器、光功率计和信号采集卡进行信号解调. 测量得到传感器电压相对于拉力的灵敏度约为64.5 mV/N， 室温下水的表面张力系数为(0.076±0.001) N/m，平均值与20 ℃标准值的相对偏差约为4.1%. 利用光纤F-P干涉型拉力传感器在实际微应力监测领域例如建筑物健康监测、铁轨应变监测等也具有应用前景.