CN109813636B - 一种表面张力系数测量装置及其测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种表面张力系数测量装置及其测量方法，包括光源、狭缝光阑、半透半反镜、线阵CCD及平板；准直平行的光束经狭缝光阑调节光束边缘后经半透半反镜竖直照射在平板附近的弯曲液面；线阵CCD采集被弯曲液面反射光信号转换数据，传输至计算机；本发明通过光阑控制光束边缘位置实现激光束扫描弯曲液面，获得由探测距离不同引起的反射光场边缘相对位置改变来确定液面斜率，通过测量入射光束边界光线位置相对改变量和与之对应的液面斜率，结合本发明给出的解析关系获得表面张力系数；本发明所述测量装置采用完全相对测量，在理论上消除了接触角的影响，有效避免系统误差的同时还具有实时、无损、非接触的特点。
Description
技术领域
本发明涉及物理量测量技术领域，特别涉及一种表面张力系数测量装置及其测量方法。
背景技术
液体表面张力系数的测定对研究物体的性质有重要的意义，传统的测量方法一般都具有操作复杂、速度慢、精度低等特点；目前，采用插板法以及由插板法衍生而来的激光反射法操作较为简单、精度相对较高；但插板法时需要测量液体上升最大高度，采用激光反射法时需确定边界光线的绝对位置，并且平板必须严格与水平面垂直；而液体的上升高度和边界光线的绝对位置无法有效确定和测量，使得对最终测量的表面张力有一定的影响，同时也不能在平板有一定倾角的情况下进行测量。
发明内容
针对现有技术中存在的不足，本发明提供一种表面张力系数测量装置及其测量方法，以采用完全相对测量，在理论上消除接触角的影响，有效避免系统误差。
为实现上述目的，本发明的技术方案为：
一种表面张力系数测量装置，包括光源、狭缝光阑、半透半反镜、线阵CCD、计算机及平板；光源用产生光束，光束为平行光线；狭缝光阑设置在平行光线的路径上，平行光线通过狭缝光阑经半透半反镜反射后，形成竖直向下的平行光线；平板设置在待测液体内，竖直向下的平行光线竖直照射待测液体，且位于平板两侧；线阵CCD可移动设置在待测液体的上方，竖直向下的平行光线经待测液体反射后经半透半反镜后照射在线阵CCD上；线阵CCD采集光信号后转换为数据信号，且将数据信号传输至计算机。
进一步的，光源采用激光器。
进一步的，还包括扩束器和凸透镜，扩束器和凸透镜依次设置在光源和狭缝光阑之间且位于光线的路径上。
进一步的，狭缝光阑采用宽度可调的狭缝光阑。
进一步的，还包括支架，支架包括支架杆、底座、X轴调节旋钮、Y轴调节旋钮及Z轴调节旋钮，支架杆可滑动设置在底座上，线阵CCD安装在支架杆上，X轴调节旋钮用于调节支架杆X轴方向的位移，Y轴调节旋钮用于调节支架杆Y轴方向的位移，Z轴调节旋钮用于调节支架杆Z轴方向的位移。
进一步的，半透半反镜倾斜设置在待测液面的上方，半透半反镜与水平面之间的夹角为45°。
本发明还提供了一种表面张力系数测量方法，包括以下步骤：
步骤1、开启光源1，调整狭缝光阑4限制平行光线边界，平行光线通过半透半反镜反射，形成竖直向下的平行光线；竖直向下的平行光线经弯曲液面反射后照射在线阵CCD上，记录竖直向下的平行光线边界入射光线在弯曲液面上的横坐标xi；
步骤2、利用线阵CCD采集光信号，获得亮场边缘位置及线阵CCD的位置；然后沿竖直方向移动线阵CCD，记录亮场边缘位置及线阵CCD的位置；得到线阵CCD位置竖直位移变化量Δhi及亮场边缘位移改变量ΔLi；计算得到弯曲液面上i点的斜率z′i及与斜率z′i有关的变量f(z′i)；
步骤3、调整狭缝光阑4限制平行光线的边界，记录竖直向下的平行光线边界入射光线在弯曲液面上的横坐标xj，得到边界入射光线在弯曲液面i点与j点之间的位置变化量Δxij；
步骤4、重复步骤2，得到弯曲液面上j点的斜率z′j及与斜率z′j有关的变量f(z′j)；
步骤5、求解表面张力系数γ；
步骤6、重复步骤2-5，对得到的多组表面张力系数值，取算术平均值获得最终的表面张力系数。
进一步的，步骤2中弯曲液面上i点的斜率z′i及与斜率z′i有关的变量f(z′i)的数学表达式分别为；
进一步的，步骤4中弯曲液面上j点的斜率z′j及与斜率z′j有关的变量f(z′j)的数学表达式分别为：
其中，Δhj为平行光线边界入射光线在弯曲液面上j点时线阵CCD位置竖直位移变化量，
ΔLj为平行光线边界入射光线在弯曲液面上j点时亮场边缘位置位移变化量；
z′j为弯曲液面上j点的斜率。
进一步的，步骤5中待测液体表面张力系数γ的数学表达式为：
其中，ρ为液体密度，g为重力加速度。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明一种表面张力系数测量装置及其测量方法，通过激光束扫描平板斜插入液体形成弯曲液面，获得由探测距离不同引起的反射光场边缘相对位置改变来确定液面斜率，不需要测量入射光线、反射光场边缘、探测位置的绝对坐标，只需测量入射光束边界光线位置相对改变量和与之对应的液面斜率，进而获得表面张力系数；本发明所述测量装置采用完全相对测量，在理论上消除了接触角的影响，在技术上有效避免系统误差的同时还具有实时、无损、非接触的特点；本发明所述的测量方法适用于平板与待测液体之间有夹角的情况
附图说明
图1为本发明所述的测量装置整体结构示意图；
图2为本发明所述的测量方法的光学原理示意图。
其中，1光源，2扩束器，3凸透镜，4狭缝光阑，5半透半反镜，6线阵CCD，7计算机、8平板、9支架，91支架杆，92底座，93 X轴调节旋钮，94Y轴调节旋钮，95Z轴调节旋钮。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施方式，对本发明作进一步解释说明。
参考附图1所示，本发明一种表面张力系数测量装置，包括光源1、扩束器2、凸透镜3、狭缝光阑4、半透半反镜5、线阵CCD6、计算机7、平板8及支架9；
光源1采用激光器，光源1用于产生光束，光束为平行光线；光源1发射高斯光束通过路径上设置扩束器2、凸透镜3形成准直平行的光束后照射在狭缝光阑4；通过在平行光线路径上设置狭缝光阑4，采用狭缝光阑4控制平行光线的边界入射光线在弯曲液面上的位置；平行光线通过狭缝光阑4后，经与半透半反镜5反射后，形成竖直向下的平行光线，半透半反镜5倾斜设置，半透半反镜5与水平方向夹角为45°设置；竖直向下的平行光线竖直向下照射在待测液体的弯曲液面上；平板8设置在待测液体内，竖直向下的平行光线垂直照射待测液体。
平板8设置待测液体中，平板8以预设倾角插入待测液体内，待测液体因润湿效应在平板8两侧形成弯曲面；竖直向下的平行光线照射在平板8两侧的弯曲液面，并被液面反射，竖直向下的平行光线反射后通过半透半反镜5照射在设置在待测液体上方的线阵CCD6上，线阵CCD6采集光信号后转换成数据信号，线阵CCD6将数据信号传输至计算机7，经计算机7的数据处理、运算得到待测液体的表面张力系数。
线阵CCD6设置在支架9上，支架9包括支架杆91、底座92、X轴调节旋钮93、Y轴调节旋钮94及Z轴调节旋钮95，支架杆91可滑动设置在底座92上；线阵CCD6安装在支架杆91上，X轴调节旋钮93用于调节支架杆93X轴方向的位移，Y轴调节旋钮94用于调节支架杆94Y轴方向的位移，Z轴调节旋钮95用于调节支架杆95Z轴方向的位移。
计算原理：
参考附图2所示，将平板8倾斜插入待测液体中，由于液体的润湿效应，平板8两侧的液体表面形成弯曲液面；建立笛卡尔坐标系：以竖直方向为Z轴，沿固-液接触线方向为Y轴，弯曲液面的曲面延伸方向为X轴。
以平板8的右侧为例：竖直向下的平行光束竖直入射到弯曲液面上，定义光线1为边界入射光线，光线1′为光线1的反射光线；光线2位边界入射光线内部的任意光线，根据几何关系知光线2的反射光线2′位于1′的右侧；待测液体上方的观察屏观察到的亮场区域分布中，亮场边缘为光线1′形成；将观察屏沿竖直方向移动Δh时，亮场边缘对应改变的水平位移ΔL；假设，待测液体液面在边界入射光线处与水平方向的夹角β，根据几何关系结合三角函数关系式tan2β＝2z′/(1-z′2)，得到边界入射光线位置处，弯曲液面的斜率z′的数学表达式为：
其中，z′为边界入射光线位置处弯曲液面的斜率，
Δh为观察屏沿竖直方向移动竖直位移，
ΔL为亮场边缘对应改变的水平位移。
根据弯曲液面上各点的斜率，通过求解Young-Laplace得到表面张力系数γ、接触角θc、平板8与水平方向夹角对弯曲液面斜率z′的约束关系，其数学表达式如下：
其中，z′为边界入射光线位置处弯曲液面的斜率，γ为表面张力系数，θ为平板8与水平方向的夹角，θc为待测液体接触角；
C为常数，常数C与待测液体接触角θc和平板8与水平方向的夹角θ有关；当平板8的材料和平板8与水平方向的夹角确定以及液体种类确定时，即C为常数；
ρ为液体密度，g为重力加速度；α为待测液体的毛细常数，
f(z′)为与斜率z′有关的变量，
x为边界入射光线位置处弯曲液面的横坐标；
(2)式反映了表面张力系数γ、接触角θc、平板8与水平方向夹角对弯曲液面斜率z′的约束关系；根据(2)式得到表面张力系数γ的数学表达式为：
其中，xi为边界入射光线在弯曲液面i点的横坐标，
xj为边界入射光线在弯曲液面j点的横坐标，
z′i为弯曲液面上i点的斜率，
z′j为弯曲液面上j点的斜率；
Δxij为边界入射光线在弯曲液面i点与j点之间的位置变化量；
f(z′i)为与斜率z′i有关的变量；
f(z′j)为与斜率z′j有关的变量。
本发明还提供一种光源移动扫描式表面张力系数的测量方法，包括以下步骤：
步骤1、开启光源1，通过扩束器2和凸透镜3获得准直平行的光线；调整狭缝光阑4限制平行光线边界，平行光线通过半透半反镜5反射，形成竖直向下的平行光线；竖直向下的平行光线经弯曲液面反射后照射在线阵CCD6上；记录竖直向下的平行光线边界入射光线在弯曲液面上的横坐标xi；
步骤2、利用线阵CCD6采集光信号，获得亮场边缘位置及线阵CCD6的位置；然后沿竖直方向移动线阵CCD6，记录亮场边缘位置及线阵CCD6的位置；得到记录线阵CCD6位置竖直位移变化量Δhi及亮场边缘位移改变量ΔLi；计算得到弯曲液面上i点的斜率z′i及与斜率z′i有关的变量f(z′i)，弯曲液面上i点的斜率z′i及与斜率z′i有关的变量f(z′i)的数学表达式分别为；
其中，Δhi为平行光线边界入射光线在弯曲液面上i点时线阵CCD位置竖直位移变化量，
ΔLi为平行光线边界入射光线在弯曲液面上i点时亮场边缘位置位移变化量；
z′i为弯曲液面上i点的斜率；
步骤3、调整狭缝光阑4限制平行光线边界，记录竖直向下的平行光线边界入射光线在弯曲液面上的横坐标xj，得到边界入射光线在弯曲液面i点与j点之间的位置变化量Δxij，其数学表达式为；
Δxij＝xi-xj；
步骤4、重复步骤2，得到弯曲液面上j点的斜率z′j及与斜率z′j有关的变量f(z′j)，弯曲液面上j点的斜率z′j及与斜率z′j有关的变量f(z′j)的数学表达式分别为：
其中，Δhj为平行光线边界入射光线在弯曲液面上j点时线阵CCD位置竖直位移变化量，
ΔLj为平行光线边界入射光线在弯曲液面上j点时亮场边缘位置位移变化量；
z′j为弯曲液面上j点的斜率；
步骤5、求解表面张力系数γ，表面张力系数γ的数学表达式为：
步骤6、重复步骤2-5，对得到的多组表面张力系数值，取算术平均值获得最终的表面张力系数。
Claims (8)
1.一种表面张力系数测量方法，其特征在于，利用表面张力系数测量装置；所述表面张力系数测量装置，包括光源(1)、狭缝光阑(4)、半透半反镜(5)、线阵CCD(6)、计算机(7)及平板(8)；光源(1)用产生光束，光束为平行光线；狭缝光阑(4)设置在平行光线的路径上，平行光线通过狭缝光阑(4)经半透半反镜(5)反射后，形成竖直向下的平行光线；平板(8)设置在待测液体内，竖直向下的平行光线竖直照射待测液体，且位于平板(8)两侧；线阵CCD(6)可移动设置在待测液体的上方，竖直向下的平行光线经待测液体反射后经半透半反镜(5)后照射在线阵CCD(6)上；线阵CCD(6)采集光信号后转换为数据信号，且将数据信号传输至计算机(7)；
所述表面张力系数测量方法，包括以下步骤：
步骤1、开启光源1，调整狭缝光阑4限制平行光线边界，平行光线通过半透半反镜(5)反射，形成竖直向下的平行光线；竖直向下的平行光线经弯曲液面反射后照射在线阵CCD(6)上，记录竖直向下的平行光线边界入射光线在弯曲液面上的横坐标xi；
步骤2、利用线阵CCD(6)采集光信号，获得亮场边缘位置及线阵CCD(6)的位置；然后沿竖直方向移动线阵CCD(6)，记录亮场边缘位置及线阵CCD(6)的位置；得到线阵CCD(6)位置竖直位移变化量Δhi及亮场边缘位移改变量ΔLi；计算得到弯曲液面上i点的斜率z′i及与斜率z′i有关的变量f(z′i)；
步骤3、调整狭缝光阑4限制平行光线的边界，记录竖直向下的平行光线边界入射光线在弯曲液面上的横坐标xj，得到边界入射光线在弯曲液面i点与j点之间的位置变化量Δxij；
步骤4、重复步骤2，得到弯曲液面上j点的斜率z′j及与斜率z′j有关的变量f(z′j)；
步骤5、求解表面张力系数γ；
步骤6、重复步骤2-5，对得到的多组表面张力系数值，取算术平均值获得最终的表面张力系数；
步骤5中待测液体表面张力系数γ的数学表达式为：
其中，ρ为液体密度，g为重力加速度。
2.根据权利要求1所述的一种表面张力系数测量方法，其特征在于，光源(1)采用激光器。
3.根据权利要求1所述的一种表面张力系数测量方法，其特征在于，还包括扩束器(2)和凸透镜(3)，扩束器(2)和凸透镜(3)依次设置在光源(1)和狭缝光阑(4)之间且位于光线的路径上。
4.根据权利要求1所述的一种表面张力系数测量方法，其特征在于，狭缝光阑(4)采用宽度可调的狭缝光阑。
5.根据权利要求1所述的一种表面张力系数测量方法，其特征在于，还包括支架(9)，支架(9)包括支架杆(91)、底座(92)、X轴调节旋钮(93)、Y轴调节旋钮(94)及Z轴调节旋钮(95)，支架杆(91)可滑动设置在底座(92)上，线阵CCD(6)安装在支架杆(91)上，X轴调节旋钮(93)用于调节支架杆(93)X轴方向的位移，Y轴调节旋钮(94)用于调节支架杆(94)Y轴方向的位移，Z轴调节旋钮(95)用于调节支架杆(95)Z轴方向的位移。
6.根据权利要求1所述的一种表面张力系数测量方法，其特征在于，半透半反镜(5)倾斜设置在待测液面的上方，半透半反镜(5)与水平面之间的夹角为45°。
7.根据权利要求1所述的一种表面张力系数测量方法，其特征在于，步骤2中弯曲液面上i点的斜率zi′及与斜率zi′有关的变量f(zi′)的数学表达式分别为；
8.根据权利要求1所述的一种表面张力系数测量方法，其特征在于，步骤4中弯曲液面上j点的斜率z′j及与斜率z′j有关的变量f(z′j)的数学表达式分别为：
其中，Δhj为平行光线边界入射光线在弯曲液面上j点时线阵CCD位置竖直位移变化量，
ΔLj为平行光线边界入射光线在弯曲液面上j点时亮场边缘位置位移变化量；
z′j为弯曲液面上j点的斜率。
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| GR01 | Patent grant | ||
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