CN110763596A - 表面张力的测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种表面张力的测量方法，包括：制作表面张力传感器；将所述表面张力传感器的第一端与电压测量装置连接，并将所述表面张力传感器的第二端插入待测液体中；所述表面张力传感器以预设速度向上移动，直至所述第二端离开待测液体的表面，同时，在所述表面张力传感器向上移动的过程中，产生电信号，并通过所述电压测量装置测量得到电压变化；获取电压与液体表面张力之间的关系，从而通过测量电压得出所述待测液体的表面张力。本发明利用表面张力传感器与不同表面张力的待测液体的接触‑分离产生不同的电信号输出来监测待测液体的表面张力，具有质量轻、成本低、环保节能和便于维护等优点。

Description

表面张力的测量方法

技术领域

本发明涉及柔性电子器件领域，具体地，涉及一种表面张力的测量方法。

背景技术

表面张力是液体的基本物化参数之一，是研究表面活性剂性能、各种表面现象的重要参数。在表面张力测定的多种方法中，最大气泡压力法和拉脱法是实验室与物理化学教材中最常用的方法。

目前，市面上液体表面张力测量仪大致可分为两类：以玻璃为主的传统测量装置和一体化设计的电子测量仪。但是，传统测量装置存在以下弊端：不具备数据通信设置，不能实时监测，只能笔录数据，不能形成可靠的保存记录且操作繁琐，原料玻璃易碎、密封性差，系统或人为误差大，精密度低等。一体化设计的电子测量仪虽然克服上述缺点，但仍存在成本高，需要专门培训，对操作人员要求高且设备体积庞大，占空间大，需要供电，能耗大等缺陷。例如，申请号为CN201420119091.6的中国发明专利公开了一种液体表面张力测量仪，包括气泡发生单元、压力感应单元、温度检测单元和显示器，所述气泡发生单元、所述压力感应单元、所述温度检测单元分别与所述显示器连接，所述气泡发生单元和所述压力感应单元连接。通过单片机控制微泵的气体进出流量，从而控制毛细管在液体表面的出泡大小和频率。其操作繁琐，占用空间大，并且各种单元均需要供电，能耗大。

发明内容

鉴于以上问题，本发明的目的是提供一种表面张力的测量方法，以解决现有的表面张力测量仪操作繁琐、占用空间大且能耗大的问题。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明所述表面张力的测量方法，包括：

制作表面张力传感器；

将所述表面张力传感器的第一端与电压测量装置连接，并将所述表面张力传感器的第二端插入待测液体中；

所述表面张力传感器以预设速度向上移动，直至所述第二端离开待测液体的表面，同时，在所述表面张力传感器向上移动的过程中，产生电信号，并通过所述电压测量装置测量得到电压变化；

获取电压与液体表面张力之间的关系，从而通过测量电压得出所述待测液体的表面张力。

优选地，所述制作表面张力传感器的步骤包括：制作摩擦层底板；将贴膜进行高压极化处理后，贴在所述摩擦层底板上；在所述贴膜不与待测液体接触的一端贴上电极。

优选地，所述摩擦层底板采用聚对苯二甲酸乙二醇酯制作而成，所述贴膜采用聚四氟乙烯制作而成。

优选地，所述摩擦层底板的长度为3～7厘米，宽度为0.2～1厘米，厚度为0.05～0.2毫米。

优选地，制作表面张力传感器的步骤之后，还包括：将所述表面张力传感器与位移台固定；通过所述位移台驱动所述表面张力传感器以预设速度移动。

优选地，所述位移台包括：支架、固定块、移动滑块和烧杯架，其中，所述固定块固定在所述支架上，所述烧杯架固定在所述固定块，用于放置盛放待测液体的烧杯，所述移动滑块与所述支架滑动连接，所述表面张力传感器与所述移动滑块固定，随着所述移动滑块相对于所述支架滑动，带动所述表面张力传感器以预设速度与所述待测液体接触和分离。

优选地，所述预设速度为1mm/s～2mm/s。

优选地，通过测量电压得出所述待测液体的表面张力，如下式所示：

σ＝60.6V-34.28

其中，σ表示表面张力，V表示电压。

与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：

本发明通过制备的表面张力传感器对表面张力进行测量，利用表面张力传感器与不同表面张力的待测液体的接触-分离产生不同的电信号输出来监测待测液体的表面张力，具有质量轻、成本低、环保节能和便于维护等优点。

本发明通过表面张力传感器的摩擦层底板与液体之间的摩擦产生电信号，可实现低功耗传感器，节能降耗。并且，通过电压测量装置及时反映电信号，实现智能化。

附图说明

图1是本发明所述表面张力的测量方法的流程示意图；

图2是本发明中表面张力传感器的示意图；

图3是本发明中位移台的结构示意图；

图4是本发明中位移台驱动表面张力传感器移动的状态示意图；

图5是本发明中表面张力传感器的原理示意图；

图6是本发明中不同待测液体的输出电压-时间关系示意图；

图7是本发明中表面张力与输出电压对应关系的柱状图。

具体实施方式

下面将参考附图来描述本发明所述的实施例。本领域的普通技术人员可以认识到，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式或其组合对所描述的实施例进行修正。因此，附图和描述在本质上是说明性的，而不是用于限制权利要求的保护范围。此外，在本说明书中，附图未按比例画出，并且相同的附图标记表示相同的部分。

图1是本发明所述表面张力的测量方法的流程示意图，如图1所示，包括以下步骤：

步骤S1，制作表面张力传感器2；

步骤S2，将所述表面张力传感器2的第一端与电压测量装置连接，并将所述表面张力传感器2的第二端插入待测液体1中；

步骤S3，所述表面张力传感器2以预设速度向上移动，直至所述第二端离开待测液体1的表面，同时，在所述表面张力传感器2向上移动的过程中，产生电信号，并通过所述电压测量装置测量得到电压变化；

步骤S4，获取电压与液体表面张力之间的关系，从而通过测量电压得出所述待测液体1的表面张力。

本发明通过采用表面张力传感器在相对于待测液体移动的过程中，产生的电信号，获取待测液体的表面张力。不同的待测液体所产生的电信号不同，得到的表面张力也不同。

需要说明的是，本发明中不仅可以通过测得电压信号获取待测液体的表面张力，还可以通过获取电流与表面张力之间的关系，从而通过测得的电流信号获取待测液体的表面张力。

为了在保证精确度与灵敏度的基础上，降低表面张力测量过程中的能耗，采用摩擦自驱动发电。摩擦发电机不仅可将机械能量(人体运动、机械振动、旋转、风能、声波能、雨滴和海浪等)高效地转化为电能，还可以利用机械运动转化成电信号作为自供能传感器来探测位移、速度、金属离子、湿度、温度等物理参数。

本发明的一个实施例中，所述制作表面张力传感器2的步骤包括：制作摩擦层底板21；将贴膜22进行高压极化处理后，贴在所述摩擦层底板21上；在所述贴膜22不与待测液体1接触的一端贴上电极23。图2是本发明中表面张力传感器的示意图，如图2所示，将表面张力传感器2放置于待测液体1中，摩擦层底板21未贴电极23的一端与待测液体1接触，贴有电极23的一端朝上，电极23与电压测量装置连接，表面张力传感器2向上移动过程中，摩擦层底板21从与待测液体1接触的状态至与离开待测液体表面，摩擦层底板21上的贴膜22与待测液体1之间摩擦产生电信号(包括输出电压信号和输出电流信号)。

通过摩擦发电实现自驱动，使得制作的表面张力传感器2不仅可以作为传感单元，而且可作为供能单元，实现传感与供能一体化，实现空间与资源的最大化利用。

由于液体与一般材料接触分离，容易失去电子，是摩擦电正性材料，为了提高灵敏度，采用摩擦电负性较高的材料来制备与待测液体1摩擦的贴膜22。本发明的一个实施例中，所述摩擦层底板21采用聚对苯二甲酸乙二醇酯(polyethylene terephthalate，PET)制作而成，PET质量比较轻且耐溶剂，所述贴膜22采用聚四氟乙烯(Poly tetrafluoroethylene，PTFE)制作而成。因PTFE、PET分别为摩擦负性、正性的材料，所以，将PTFE贴在PET上时，优选使得PTFE完全覆盖PET(图2仅示出将PTFE贴在PET上)。若没有完全覆盖，将会使PET接触待测液体1，则会抵消PTFE与待测液体1的摩擦。对贴膜22进行高压极化处理时，压力设置为3500V～6000V，优选为5000V，处理时间为5min左右。

本发明的一个实施例中，所述贴膜22的厚度为300微米～1毫米。

本发明的一个实施例中，所述摩擦层底板21的长度为3～7厘米，优选为5厘米，宽度为0.2～1厘米，厚度为0.05～0.2毫米，优选为0.1毫米。

需要说明的是，本发明中，贴膜22的制作材料不限于PTFE，还可以是FEP等含氟元素材料。

本发明的一个实施例中，制作表面张力传感器2的步骤之后，还包括：

将所述表面张力传感器2与位移台固定；

调整位移台参数，通过所述位移台驱动所述表面张力传感器2以预设速度移动。其中，所述位移台参数包括移动距离为2～5厘米，移动速度为1mm/s～2mm/s。

本发明的一个实施例中，所述预设速度为1mm/s～2mm/s。

图3是本发明中位移台的结构示意图，如图3所示，所述位移台包括：支架51、固定块53、移动滑块52和烧杯架54，其中，所述固定块53固定在所述支架51上，所述烧杯架54固定在所述固定块53，用于放置盛放待测液体1的烧杯4，所述移动滑块52与所述支架51滑动连接，所述表面张力传感器2与所述移动滑块52固定，随着所述移动滑块52相对于所述支架51滑动，带动所述表面张力传感器2以预设速度与所述待测液体1接触和分离。

需要说明的是，移动滑块52与支架51滑动连接，可通过多种方式实现，例如，在支架51上设置滑动轨道，将移动滑块52嵌在滑动轨道中，使得移动滑块52沿着轨道滑动。本发明对此并无具体限定，只需移动滑块52相对于支架51可滑动即可。

图3中还示出了位移台尚未驱动表面张力传感器移动时的状态，此时，表面张力传感器2插入放置待测液体1的烧杯4中，与待测液体1接触。图4是本发明中位移台驱动表面张力传感器移动的状态示意图，如图4所示，表面张力传感器2在移动滑块52的带动下离开放置待测液体1的烧杯4，与待测液体1脱离。在表面张力传感器2移动过程中，可通过测量电压信号获取液体表面张力。

本发明的一个实施例中，所述表面张力传感器2与静电计3(例如，6514静电计)连接，表面张力传感器2的电极23与静电计3的一个接头连接，静电计3的另一接头接地，在摩擦层底板21以及贴膜22相对于待测液体1移动时，静电计3分别测出电压和电流的变化。

图5是本发明中表面张力传感器的原理示意图，图6是本发明中不同待测液体的输出电压-时间关系示意图，图7是本发明中表面张力与输出电压对应关系的柱状图，结合图5-图7说明本发明中表面张力传感器测量表面张力的工作原理。

开始时，PTFE插入待测液体1中(例如是水、丙酮等液体)，与待测液体1紧密接触，PTFE与待测液体1的表面分别感应负电荷、正电荷，由于异种电荷等量，相互平衡，输入电压为0。当PTFE与液体垂直分离一定距离后(将PTFE向上移动直至与液体表面分离)，液体表面剩下的正电荷没有被抵消掉，因此，与PTFE相连的金电极23感应出正电荷，于是，产生电子移动。

在同样条件下，不同的待测液体输出的电压不同，对于待测液体1分别为水、异丙醇、丙酮、和乙醇时，摩擦层底板21上的贴膜22与水接触-分离产生的电压最大，与异丙醇摩擦产生的电压最小。又因为，水的表面张力最大，异丙醇的表面张力最小，与不同的待测液体1摩擦所产生的电压以及待测液体1所对应的表面张力符合的函数关系相同，因此，得出输出电压与表面张力呈现线性关系。于是，将输出电压与表面张力的关系用柱状图表示出来，如图7所示。

根据采集的电压信号的变化，如下表1所示，得到输出电压与表面张力呈现线性关系，从而得出待测液体1的表面张力与电压之间的关系，如下式所示：

σ＝60.6V-34.28；

其中，σ表示表面张力，V表示电压。

表1

本发明通过利用摩擦材料制作而成的表面张力传感器与不同液体摩擦产生不同的电信号，利用产生的输出电压与相应待测液体的表面张力的数量关系来监测未知液体的表面张力，具有制备简单，原料易得，操作简易，可实时监测，智能化，灵敏度与精密度高，不需要供电，能耗小等优点。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种表面张力的测量方法，其特征在于，包括：

制作表面张力传感器；

将所述表面张力传感器的第一端与电压测量装置连接，并将所述表面张力传感器的第二端插入待测液体中；

所述表面张力传感器以预设速度向上移动，直至所述第二端离开待测液体的表面，同时，在所述表面张力传感器向上移动的过程中，产生电信号，并通过所述电压测量装置测量得到电压变化；

获取电压与液体表面张力之间的关系，从而通过测量电压得出所述待测液体的表面张力。

2.根据权利要求1所述的表面张力的测量方法，其特征在于，所述制作表面张力传感器的步骤包括：

制作摩擦层底板；

将贴膜进行高压极化处理后，贴在所述摩擦层底板上；

在所述贴膜不与待测液体接触的一端贴上电极。

3.根据权利要求2所述的表面张力的测量方法，其特征在于，所述摩擦层底板采用聚对苯二甲酸乙二醇酯制作而成，所述贴膜采用聚四氟乙烯制作而成。

4.根据权利要求3所述的表面张力的测量方法，其特征在于，所述摩擦层底板的长度为3～7厘米，宽度为0.2～1厘米，厚度为0.05～0.2毫米。

5.根据权利要求1所述的表面张力的测量方法，其特征在于，制作表面张力传感器的步骤之后，还包括：

将所述表面张力传感器与位移台固定；

通过所述位移台驱动所述表面张力传感器以预设速度移动。

6.根据权利要求5所述的表面张力的测量方法，其特征在于，所述位移台包括：

支架、固定块、移动滑块和烧杯架，其中，所述固定块固定在所述支架上，所述烧杯架固定在所述固定块，用于放置盛放待测液体的烧杯，所述移动滑块与所述支架滑动连接，所述表面张力传感器与所述移动滑块固定，随着所述移动滑块相对于所述支架滑动，带动所述表面张力传感器以预设速度与所述待测液体接触和分离。

7.根据权利要求1或5所述的表面张力的测量方法，其特征在于，所述预设速度为1mm/s～2mm/s。

8.根据权利要求1所述的表面张力的测量方法，其特征在于，通过测量电压得出所述待测液体的表面张力，如下式所示：

σ＝60.6V-34.28

其中，σ表示表面张力，V表示电压。

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