CN108318384A - 一种基于液滴机械振动的液体表面张力测试方法 - Google Patents

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    • G01N13/02—Investigating surface tension of liquids

Abstract

本发明涉及一种基于液滴机械振动的液体表面张力测试方法，具体包括以下步骤：在多普勒超声探头上放置疏水基片，产生液滴于疏水基片上；通过振动触发装置使液滴发生自由振动；超声探头采用非聚焦连续波多普勒方法将液滴表面毛细波的自由振动转换为超声波多普勒频移信号并加以放大；计算机信号处理模块对多普勒频移信号采集得到液滴自由振动特征图，经傅里叶变换得到振动频率特征图，分析振动频率特征图并读取二倍频峰频率；之后以液滴质量的倒数为横坐标，以二倍频峰频率的平方为纵坐标作图拟合直线，求出直线斜率，然后进一步得到液滴表面张力。本发明基于超声多普勒频移的方法进行超声信号的频率测量，具有节约试剂、性价比高和便携的优点。

Description

一种基于液滴机械振动的液体表面张力测试方法
技术领域
本发明属于液体物理化学性质测量技术领域，具体涉及一种基于液滴机械振动的液体表面张力测试方法。
背景技术
液体表面张力是液体的重要性质，在常温体系中，用它可以确定表面活性并计算表面活性剂在溶液表面的吸附量。测定表面张力的方法很多，按测量原理可分为动力学法和静力学法，动力学法是通过测量决定某一过程的数值来计算表面张力，而静力学法则是通过测定某一状态下的某些特定数值来计算表面张力。基于液滴在水平玻片上自然形成形状计算表面张力的静滴法是一种静力学方法，传统的静滴法是根据物理学中的Laplace'sequation(拉普拉斯方程)，通过液滴的轮廓和表面张力的关系进行计算，但计算繁琐，易出错且费时。
奥地利科学家发现声源与观察者之间的相对运动，会使得观察者听到的声音振动频率不同于声源。当声源远离观测者时，声波波长增加，音调变得低沉，但声源接近观测者时，声波的波长减小，音调变高，这种现象被称为多普勒效应，适应于所有类型的波。本发明所采用的多普勒超声仪，是基于超声多普勒技术，利用超声波穿透能力强，衍射程度小等物理特性，并结合多普勒效应，将液滴自由振动的周期性蕴藏超声多普勒频移信号中。
发明内容
本发明的目的就是为了解决上述问题而提供一种性价比高、操作简便、节约试剂的基于液滴机械振动的液体表面张力测试方法。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
一种基于液滴机械振动的液体表面张力测试方法，采用多普勒超声探头将自由液滴的表面毛细波振动转换为多普勒频移信号，经计算机信号处理模块收集并进行数据处理，具体包括以下步骤：
(1)在多普勒超声仪的超声探头上放置疏水基片，通过微量注射器产生液滴于疏水基片上；
(2)通过具有自动回弹功能的振动触发装置使液滴发生振动，振动触发装置回弹后，液滴发生自由振动；
(3)超声探头将液滴的自由振动转换为多普勒频移信号并加以放大；
(4)计算机信号处理模块对多普勒频移信号采集得到液滴自由振动特征图，傅里叶变换后得到振动频率特征图，分析振动频率特征图并读取二倍频峰频率；
(5)重复步骤(1)至(4)，测定不同质量液滴的二倍频峰频率，之后以液滴质量的倒数为横坐标，以二倍频峰频率的平方为纵坐标作图拟合直线，求出直线斜率，然后进一步得到液滴表面张力。
进一步地，所述振动触发装置带有具有自动回弹功能的尖端，设于疏水基片的上部。
进一步地，所述振动触发装置的尖端为聚四氟乙烯材质。
进一步地，所述疏水基片与超声探头之间通过凝胶层耦合。
进一步地，所述微量注射器产生液滴的质量为5-20mg。
进一步地，步骤(4)中计算机信号处理模块包括用于数据采集的Audition软件以及用于数据处理的origin软件。
进一步地，步骤(5)计算液滴表面张力所依据的公式为：
其中，fn为液滴表面波的振动频率，从振动频率特征图中获得，n为液滴的振动模式，m为液滴的质量，γLV为液滴表面张力。
本发明所使用的方法是基于Lamb公式和Noblin提出的关于表面毛细波的色散性和质量之间的关系，通过一系列计算得到液滴表面张力。当液滴放置在与它不润湿的基片上并发生自由振动时，若其表面波的波长较小，则表面张力起主导作用，其自由表面毛细波的振动频率可由下式表示：
其中，f为液滴表面毛细波的振动频率，n为液滴的振动模式，为一系列自然数，本发明计算时取2，γ为液体在测量温度下的表面张力，R为液滴的曲率半径，m为液滴的质量，ρ为液体在测量温度下的密度。
多普勒超声仪是由超声发射器发出连续超声，当遇到自由振动的液滴，反射回来的超声已是改变了频率的连续超声，它被反射超声接收器接受并转为电信号，此信号与仪器的高频振荡器产生的信号混频以后，经高频放大器放大，然后解调出差频信号。多普勒超声仪的超声探头采用非聚焦连续波多普勒原理，超声探头由与疏水基片耦合的超声换能器及电路部分组成，它将液滴的特征自由振动通过多普勒频移原理转化为特征频移信号并加以放大。
本发明采用多普勒超声仪的探头，提供了稳定的表面波信号解调系统，减少空间尺寸，基于简单计算公式对振动频率进行分析并计算表面张力，设备造价低，仪器性价比高；操作简便、省时，能快速取得准确可靠的结果；测量范围广；试剂用量少，原则上只需要几十微升液体即可；可以进行连续的表面张力测定；具有触发振动作用的聚四氟乙烯尖端对形成的表面施加的影响较小，表面张力的测量精度主要取决于频率的测量精度。
附图说明
图1为本发明测试过程的示意图；
图2为图1的局部放大示意图；
图3为信号采集过程示意图；
图4为液滴自由振动频率特征图；
图5为液滴自由振动频率与质量关系图；
图中：1-多普勒超声仪开关，2-振动触发装置，3-超声探头，4-液滴，5-疏水基片；6-凝胶层；7-超声换能器；8-接收超声器；9-发射超声器。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
如图1、2所示，本发明所使用的设备包括振动触发装置2，由超声波输入模块、反射超声波探测模块以及信号解调模块共同组成多普勒超声仪的超声探头3，超声探头3连接多普勒超声仪开关1，超声探头上部放置疏水基片5，微量注射器和带有尖端的振动触发装置2设于疏水基片5的上部，微量注射器产生液滴4的质量为5-20mg，振动触发装置的尖端为聚四氟乙烯材质，其中，振动触发装置2具体由钢制外壳和弹簧构成，聚四氟乙烯材质的尖端直径为100微米，疏水基片5与超声探头3之间设置耦合凝胶层6，超声探头3包括超声换能器7，接收超声器8和发射超声器9。超声探头具体由超声发射探头，反射超声接收探头以及信号解调组成，具体过程为，超声波发射装置发出超声波，遇到振动的液滴时超声波的频率发生改变，被反射超声探头接收，经由信号解调模块和原始超声混频后得到差频信号并放大得到多普勒频移信号。
具体步骤为：
(1)在多普勒超声仪的超声探头上放置疏水基片，通过微量注射器产生水滴于疏水基片上；
(2)通过具有自动回弹功能的振动触发装置使水滴发生振动，振动触发装置回弹后，水滴发生自由振动；
(3)超声探头测得水滴自由振动频率转换为多普勒频移信号并加以放大；
(4)计算机信号处理模块中，经计算机Audition软件采集数据，以及origin软件数据处理，对多普勒频移信号处理得到液滴自由振动特征图，傅里叶变换得到振动频率特征图，分析振动频率特征图并读取二倍频峰频率，如图3、4所示；
(5)重复步骤(1)至(4)，测定不同质量水滴的二倍频峰频率，之后以水滴质量的倒数为横坐标，以二倍频峰频率的平方为纵坐标作图拟合直线，求出直线斜率，然后根据计算公式进一步得到液滴表面张力，如图5，通过斜率得到水的表面张力73.6382×10-3N·m-1。

Claims (7)

1.一种基于液滴机械振动的液体表面张力测试方法，其特征在于，用多普勒超声仪将自由液滴的表面毛细波振动转换为多普勒频移信号，经计算机信号处理模块收集并进行数据处理，具体包括以下步骤：
(1)在多普勒超声仪的超声探头上放置疏水基片，通过微量注射器产生液滴于疏水基片上；
(2)通过具有自动回弹功能的振动触发装置使液滴发生振动，振动触发装置回弹后，液滴发生自由振动；
(3)超声探头将液滴的自由振动转换为多普勒频移信号并加以放大；
(4)计算机信号处理模块对多普勒频移信号采集得到液滴自由振动特征图，傅里叶变换后得到振动频率特征图，分析振动频率特征图并读取二倍频峰频率；
(5)重复步骤(1)至(4)，测定不同质量液滴的二倍频峰频率，之后以液滴质量的倒数为横坐标，以二倍频峰频率的平方为纵坐标作图拟合直线，求出直线斜率，然后进一步得到液滴表面张力。
2.根据权利要求1所述的一种基于液滴机械振动的液体表面张力测试方法，其特征在于，所述振动触发装置带有具有自动回弹功能的尖端，设于疏水基片的上部。
3.根据权利要求2所述的一种基于液滴机械振动的液体表面张力测试方法，其特征在于，所述振动触发装置的尖端为聚四氟乙烯材质。
4.根据权利要求1所述的一种基于液滴机械振动的液体表面张力测试方法，其特征在于，所述疏水基片与超声探头之间通过凝胶层耦合。
5.根据权利要求1所述的一种基于液滴机械振动的表面张力测定仪，其特征在于，所述微量注射器产生液滴的质量为5-20mg。
6.根据权利要求1所述的一种基于液滴机械振动的表面张力测定仪，其特征在于，步骤(4)中计算机信号处理模块包括用于数据采集的Audition软件以及用于数据处理的origin软件。
7.根据权利要求1所述的一种基于液滴机械振动的表面张力测定仪，其特征在于，步骤(5)计算液滴表面张力所依据的公式为：
其中，fn为液滴表面毛细波的振动频率，从振动频率特征图中获得，n为液滴的振动模式，m为液滴的质量，γLV为液滴表面张力。
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