CN106959258A - 一种基于界面张力的微力测量装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于界面张力的微力测量装置，其原理是利用液体与固体微球接触时在接触表面产生的界面张力，计算公式为：F＝2πRγsinδsin(δ‑α)(eq.1)利用这一性质可以间接测量一些物体所受的作用力。目前，市场上已有的微力测量装置分为：光电式测量装置、压阻式测量装置以及电容式测量装置三大类。目前尚无利用界面张力测量微力的装置。本发明采用一种新的设计方法，利用界面张力实现微力的测量。其主要步骤为：1.在基底上滴加液滴，并用液滴固定装置固定；2.将连接有待测物体的微球放入液滴里，然后拉动待测物体的另一端，使其发生形变，整个过程被摄像机追踪拍摄；3.利用图形图像处理技术，计算并绘制出待测物体的应力一应变曲线图，最终得到其弹性系数。

Description

一种基于界面张力的微力测量装置
技术领域
本发明主要应用于测量待测物体所受的作用力，属于微力测量领域。
背景技术
目前市场上已有的微力测量装置结构复杂、制造成本高，而本发明具有结构简单，制造成本低的优点。
发明内容
本发明的主要目的在于将液体的界面张力应用到微力测量领域，对于拓展微力测量的方法具有重要意义。目前尚无利用界面张力进行测力的装置。
本发明所设计的微力测量装置，采用微球与液滴相互作用的形式，根据液体对微球的界面张力，得出被测物体所受作用力，其工作原理如附图1(微力测量装置原理示意图)所示主要分为三个工作部分。
1.在水平放置的基底上滴加液滴(体积大于微球)，并用液滴固定装置固定；
2.将连接有待测物体的微球(半径为0.5μm-2.0mm)放入液滴里，然后拉动待测物体的另一端，使其发生形变，整个过程被摄像机追踪拍摄；
3.利用图形图像处理技术，计算并绘制出待测物体的应力-应变曲线图，最终计算得到其弹性系数。
本发明中所述液滴要与基底形成颜色反差(便于图形图像处理中二值图像的处理)，可通过液滴染色实现，墨水或色素的用量以液滴呈浅色为宜。
本发明中所述微球要与基底形成颜色反差(便于图形图像处理中二值图像的处理)，密度范围大约为0.1g/cm3-1.0g/cm3，所使用的微球的大小及材料可根据实际需要选择。
本发明中液滴固定装置可以是滴管或相似的装置，为了在基底上形成球状液滴，所用基底应为超疏水表面或超双疏表面。
本发明为提高测量精度，减小误差：需要在微球的周围增加无影灯光装置，使液滴和微球在拍摄的过程中不产生阴影，利于图像处理时的边界跟踪；摄像机正对微球，以减小图像处理时的误差。
本发明借助的力计算公式为：F＝2πRγsinδsin(α-δ)，公式未知参数如附图2所示：δ是确定液-气界面与微球作用位置的角度，α为微球与液体的接触角，这两个参数可以通过图像处理得出。R为微球的半径，γ为液/气界面张力常数(注：此数值随温度和溶质浓度变化，有手册可查)。
本装置的理论测力范围和理论精度都与实际条件有关，当实验条件为：25℃，使用R＝1.5mm的聚丙烯微球(密度0.85g/cm3)，利用水滴的情况下，该装置的理论测力范围为0-350μN，理论精度为0.02μN，可以通过更换张力较小的液体实现精度的提高(具体应用时需要考虑液体的挥发速率，因此只考虑沸点大于60℃的液体)。微球的材料和大小、液体类型以及温度都将对测力范围和精度产生影响，可根据实际情况按照公式(eq.1)计算。装置中的底座、移动滑板、弹簧、直线步进电机等都将根据实际所需而定，在此不做具体限定。
附图说明
附图1为微力测量装置原理示意图。
附图2为界面张力计算公式中各未知参数示意图。
附图3为本发明中微力测量装置纵向剖面示意图(测定细丝的弹性系数)。
附图4为本发明中微力测量装置纵向剖面示意图(测定金属微悬臂梁的弹性系数)。
附图3中：1、摄像机，2、无影灯光装置，3、待测细丝，4、移动滑板，5、底座，6、微球，7、液滴，8、基底，9、滴管，10、螺钉，11、弹簧，12、直线步进电机。
附图4中：1、摄像机，2、无影灯光装置，4、移动滑板，5、底座，6、微球，7、液滴，8、基底，9、滴管，10、螺钉，11、弹簧，12、直线步进电机，13、待测微悬臂梁。
具体实施方式
实施例一：(水滴+细丝，测定细丝的弹性系数)
参照附图3，在水平放置的超疏水表面8上滴加水滴，水滴由固定在底座5上的滴管9固定，将连接有细丝3的微球6放入水滴中，同时将细丝3的另一端固定在移动滑板4上，打开无影灯光装置2和摄像机1，由直线步进电机12推动移动滑板4在底座5上平移，摄像机拍摄追踪整个过程，将系列图片存入计算机中，通过图像处理软件分析处理得出：
①每张图片对应的δ和α，根据公式(eq.1)计算出界面张力；
②小球球心移动的距离L，直线步进电机推动移动滑板的位移为S，细丝的形变ΔL＝S-L。根据①和②可以绘制出细丝的应力-应变曲线图，最终计算得到其弹性系数。
实施例二：(壬烷液滴+金属微悬臂梁，测定金属微悬臂梁的弹性系数)
参照附图4，在水平放置的超双疏表面8上滴加壬烷液滴7，液滴由滴管9固定，微球6粘在金属微悬臂梁13的一端，其另一端固定在移动滑板4上，打开无影灯光装置2和摄像机1，由直线步进电机12推动移动滑板4在底座5上平移，摄像机拍摄追踪整个过程，将系列图片存入计算机中，通过图像处理软件分析处理得出：
①每张图片对应的δ和α，根据公式(eq.1)计算出界面张力；
②小球球心移动的距离L，直线步进电机推动移动滑板的位移为S，金属微悬臂梁的形变ΔL＝S-L。
根据①和②可以绘制出金属微悬臂梁的应力-应变曲线图，最终计算得到其弹性系数。

Claims (7)

1.一种基于界面张力的微力测量装置，其特点在于利用液体的界面张力测量待测物体所受的作用力，是一种新型的探测微小力的装置，主要设计方法为：
i.在水平放置的基底上滴加液滴(体积大于微球)，并用液滴固定装置固定；
ii.将连接有待测物体的微球(半径为0.5μm-2mm)放入液滴里，然后拉动待测物体的另一端，使其发生形变，整个过程被摄像机追踪拍摄；
iii.利用图形图像处理技术，计算并绘制出待测物体的应力-应变曲线图，最终计算得到其弹性系数。
2.权利要求1中所述液滴要与基底形成颜色反差，可通过液滴染色实现，墨水或色素的用量以液滴呈浅色为宜。
3.权利要求1中所述微球要与基底形成颜色反差，微球的密度为0.1g/cm3-1.0g/cm3。
4.权利要求1中所述的液滴固定装置，可以是滴管或相似的装置。
5.权利要求1中微球的周围应有无影灯装置，摄像机正对微球。
6.权利要求1中的基底为超疏水表面或超双疏表面。
7.权利要求1中所述新型微力测量装置的设计要点为界面张力在微力测量领域的应用。
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