CN111537399B - 一种基于光反射的液体表面张力测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光反射的液体表面张力测量装置及测量方法，包括光源，光源用于产生平行光束，平板倾斜设置在平行光束的光路上；液滴设置在平板的表面，且靠近光源一侧设置；线阵CCD与光源同侧设置，且上下间隔；平行光束照射在液滴上，平行光束经液滴表面反射后，反射光束完全射入线阵CCD，线阵CCD用于采集反射光束的光强分布，并传输至计算机；本发明通过将待测液滴设置在倾斜方向的玻璃片上，使用光束对待测液滴气液界面照射，光束在气液界面发生反射，利用线阵CCD入射光束的相位调制后的衍射信号图像；运用已知液体的各项参数和待测液体的密度，实现了对待测液体表面张力系数的求解；测量过程采用非接触式测量，设备简单，可操作性强。

Description

一种基于光反射的液体表面张力测量装置及测量方法

技术领域

本发明属于物理量测量技术领域，特别涉及一种基于光反射的液体表面张力测量装置及测量方法。

背景技术

表面张力是液体表面区的分子由于受力不平衡产生的向内收缩的单位长度的力，表面张力是影响多相体系的相间传质和反应的关键因素之一，其拥有着重要的液体物理性质。而对于液滴的表面张力系数测量许多应用科学和工程领域都很重要，目前传统的测量方法有毛细管上升法、威廉法、悬滴法、滴体积法、最大气泡压力法或拍照成像法等，上述方法都属于手工操作的直接测量，一般都操作复杂、速度慢、精度低。

近年来，基于光学方法测量表面张力系数的技术被广泛的应用，如液体表面张力激光快速测量法，基于插板法测液体表面张力系数的基本原理，实现液体表面张力系数快速测量的方法。通过测量激光束两边沿在液体表面的入射角来求得表面张力系数，但缺点是需要已知折射率；激光器光束照射在振动的液体表面上，表面回波对衍射光可产生干涉现象，扩束后的激光束入射在插有金属细丝的较大区域液面上，其反射光场分布近似为椭圆形的暗场，利用此原理对液体表面张力系数进行了测定，但缺点为需要低频信号发生器驱动插在液体中的线状传感器，具有使用仪器昂贵，不方便的特点。除此之外，还有用光纤传感技术实现液体表面张力系数非接触测量，根据光干涉的基本原理，现提出利用光纤传感技术实现液体表面张力系数非接触测量的方法等测量方法，但其缺点为周围环境温度的波动、光纤的弯曲、光源和其他因素产生的相位或偏振状态的变化，对干涉条纹的产生影响。

现有的光学测量方法往往需要较多待测样品，容易造成浪费，实验仪器昂贵，操作复杂且目前的光学测量方法多数处于对待测液体的绝对测量。

发明内容

针对现有技术中存在的技术问题，本发明提供了一种基于光反射的液体表面张力测量装置及测量方法，以解决现有的光学测量方法需要较多待测样品，容易造成浪费，测量仪器成本较高，操作复杂及对待测液体的绝对测量的技术问题。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

本发明提供了一种基于光反射的液体表面张力测量装置，包括光源、平板、线阵CCD及计算机；光源用于产生平行光束，平板倾斜设置在平行光束的光路上；液滴设置在平板的表面，且靠近光源一侧设置；线阵CCD与光源同侧设置，且上下间隔；线阵CCD的输出端与计算机连接；

平行光束照射在液滴上，平行光束经液滴表面反射后，形成反射光束；反射光束完全射入线阵CCD，线阵CCD用于采集反射光束的光强分布，并传输至计算机。

进一步的，光源采用激光器。

进一步的，平板采用透明平板，透明平板采用玻璃片制作。

进一步的，还包括测量平台，测量平台包括基座、第一支架及第二支架，基座水平设置在试验台上，第一支架水平滑动设置在基座上，线阵CCD安装在第一支架上；第二支架水平滑动设置在基座上，平板安装在第二支架上。

进一步的，平板与水平面之间的夹角为0°-90°。

本发明还提供了一种基于光反射的液体表面张力测量方法，包括以下步骤：

步骤1、在平板上设置已知液滴；

步骤2、开启光源，调整平板的位置，确保平行光束的入射方向与平板垂直；平行光束照射已知液滴后，经已知液滴表面反射，形成反射光束；反射光束完全射入线阵CCD中，利用线阵CCD采集反射光束的光强分布；

步骤3、对采集的反射光束的光强分布进行滤波处理，得到滤波后的光强分布峰值的所有极大值点位置和最大值点位置；测量得到线阵CCD到平行光束在入射已知液滴气液界面的入射点的直线距离；

步骤4、根据滤波后的光强分布峰值的所有极大值点位置与最大值点位置及线阵CCD到平行光束在入射已知液滴气液界面的入射点的直线距离，计算得到已知液滴的角间距；

步骤5、在平板上设置待测液滴，重复步骤2-4，计算得到待测液滴的角间距；

步骤6、利用已知液滴的角间距和待测液滴的角间距，计算得到待测液滴的液体表面张力系数。

进一步的，步骤4中，已知液滴的角间距的数学表达式为：

其中，Δθ_{已知液体i,k}为已知液滴的角间距，Z_{已知液体i,k}为已知液体的经滤波处理后的光强分布函数的第i个峰值到第k个峰值的位置间距；L_已知液体为线阵CCD到平行光束在入射已知液滴气液界面的入射点的直线距离；

步骤5中，待测液滴的角间距的数学表达式为：

其中，Δθ_{待测液体i,k}为待测液滴的角间距，Z_{待测液体i,k}为待测液体经滤波处理后的光强分布函数的第i个峰值到第k个峰值的位置间距，L_待测液体为线阵CCD到平行光束在入射待测液滴气液界面的入射点的直线距离。

进一步的，步骤6中，待测液滴的液体表面张力系数的数学表达式为：

其中，γ_待测液体为待测液体的表面张力系数，ρ_已知液体为已知液体的密度，ρ_待测液体为待测液体的密度，γ_已知液体为已知液体的表面张力系数，Δθ_{已知液体i,k}为已知液滴的角间距，Δθ_{待测液体i,k}为待测液滴的角间距。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明提供了一种基于光反射液体的表面张力测量装置及测量方法，通过将待测液滴设置在平板上，使用光束对液滴气液界面照射，光束在气液界面发生反射，利用线阵CCD和计算机处理获得由液滴对入射光束的相位调制后的反射衍射信号图像；通过滤波处理后得到反射衍射信号图像中的所有极大值点的位置与最大值点位置之间距离；根据傅里叶光学知识可知，入射光束波前所受到液滴曲面的相位调制是物函数的傅里叶变换；根据物函数的傅里叶变换的平方正比于相应观测面上衍射光强度分布，求解出液体表面张力系数的数学表达式；已知液体与待测液体的表面张力系数相比得到待测液体表面张力数学表达式，运用已知液体的各项参数和待测液体的密度，通过测量得到待测液体的角间距，实现了对待测液体表面张力系数的求解；本发明采用光学方法，测量过程采用非接触式相对测量，对样品需求少，设备简单，可操作性强，测量结果精确度较高。

附图说明

图1为本发明所述的液体表面张力测量装置的结构示意图；

图2为本发明所述的液体表面张力测量装置中的平板与液体的位置结构示意图；

图3为本发明所述的液体表面张力测量方法的光学原理示意图。

其中，1光源，2平板，3线阵CCD，4计算机，5液滴，6测量平台；61基座，62第一支架，63第二支架；621第一滑块，622第一支架杆，623第一连接板，624第一旋钮，625第二支架杆，626第一连接块，627第一连接杆，628采集台；631第二滑块，632第三支架杆，633第二连接板，634第二旋钮，635第四支架杆，636第二连接块，637第二连接杆，638第三旋钮，639平板夹。

具体实施方式

为了使本发明所解决的技术问题，技术方案及有益效果更加清楚明白，以下具体实施例，对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如附图1-3所示，本发明提供了一种基于光反射的液体表面张力测量装置，包括光源1、平板2、线阵CCD3、计算机4及测量平台6。

光源1采用激光器，光源1用于产生平行光束；平行光束照射在液滴5上，经液滴5表面反射后，形成反射光束；反射光束完全射入线阵CCD3，线阵CCD3用于采集反射光束的光强分布，并传输至计算机4，经计算机4的数据处理、运算得到待测液体的表面张力系数。

平板2倾斜设置在平行光束的光路上，平板2与水平面之间的夹角为0°-90°；平板2采用透明平板；优选的，平板2采用玻璃片；液滴5设置在平板2的表面，且靠近光源1一侧设置；线阵CCD3与光源1同侧设置，且上下间隔；线阵CCD3的输出端与计算机4连接。

测量平台6包括基座61、第一支架62及第二支架63，基座61水平设置在试验台上，第一支架水平滑动设置在基座61上，线阵CCD3安装在第一支架62上，通过调节第一支架62实现了对线阵CCD3的位置和角度的调节；第二支架63水平滑动设置在基座61上，平板2安装在第二支架63上，通过调节第二支架63实现了对平板2的位置和倾斜角度的调节。

其中，第一支架62包括第一滑块621、第一支架杆622、第一连接板623、第一旋钮624、第二支架杆625、第一连接块626、两个第一连接杆627及采集台628；第一滑块621水平滑动设置在基座61上，第一支架杆622竖向设置在第一滑块621的上方，第一支架杆622的下端与第一滑块621的上方中部固定连接，第一支架杆622的上端与第一连接板623的一端连接，第一连接板623水平设置在第一滑块621的上方；第一旋钮624设置在第一连接板623的另一端，第一旋钮624的一端与第一连接板623固定连接，另一端与第二支架杆625的下端转动连接，第二支架杆625的上端与第一连接块626固定连接；两个第一连接杆627水平平行设置在第一连接块626的一侧，第一连接杆627的一端与第一连接块626固定连接，另一端与采集台628固定连接，线阵CCD3安装在采集台628上。

第二支架63包括第二滑块631、第三支架杆632、第二连接板633、第二旋钮634、第四支架杆635、第二连接块636、第二连接块637、第三旋钮638及平板夹639；第一滑块631水平滑动设置在基座61上，第三支架杆632竖向设置在第二滑块631的上方，第三支架杆632的下端与第二滑块631的上方中部固定连接，第三支架杆632的上端与第二连接板633的一端连接，第二连接板633水平设置在第二滑块631的上方；第二旋钮634设置在第二连接板633的另一端，第二旋钮634的一端与第二连接板633固定连接，另一端与第四支架杆635的下端转动连接，第四支架杆635的上端与第二连接块636固定连接；第二连接杆637水平设置在第二连接块636的一侧，第二连接杆637的一端与第二连接块636固定连接，第二连接杆637的另一端与平板夹639连接，平板夹639用于固定平板2；第二连接杆637与平板夹639之间还设置有第三旋钮638，第三旋钮638的一端与第二连接杆637连接，另一端与平板夹639连接。

本发明还提供了一种基于光反射的液体表面张力测量方法，包括以下步骤：

步骤1、在平板2上设置已知液滴，已知液滴的密度ρ_已知液体及表面张力系数γ_已知液体为已知量；

步骤2、开启光源1，调节平板2的位置，确保平行光束的入射方向与平板2垂直；平行光束入射已知液滴后，经已知液滴表面反射，形成反射光束；反射光束完全射入线阵CCD3中，利用线阵CCD3采集反射光束的光强分布；

步骤3、对采集的反射光束的光强分布进行滤波处理，得到滤波后的光强分布峰值的所有极大值点位置和最大值点位置；测量得到线阵CCD3到平行光束在入射已知液滴气液界面的入射点的直线距离；

步骤4、根据滤波后的光强分布峰值的所有极大值位置和最大值点位置及线阵CCD3到平行光束在入射已知液滴气液界面的入射点的直线距离，计算得到已知液滴的角间距；

其中，已知液滴的角间距的数学表达式为：

其中，Δθ_{已知液体i,k}为已知液滴的角间距，Z_{已知液体i,k}为已知液体的经滤波处理后的光强分布函数的第i个峰值到第k个峰值的位置间距；L_已知液体为线阵CCD到平行光束在入射已知液滴气液界面的入射点的直线距离；

步骤5、在平板2上设置待测液滴，重复步骤2-4，计算得到待测液滴的角间距；

其中，待测液滴的角间距的数学表达式为：

其中，Δθ_{待测液体i,k}为待测液滴的角间距，Z_{待测液体i,k}为待测液体的经滤波处理后的光强分布函数的第i个峰值到第k个峰值的位置间距，L_待测液体为线阵CCD到平行光束在入射待测液滴气液界面的入射点的直线距离。

步骤6、利用已知液滴的角间距Δθ_{已知液体i,k}和待测液滴的角间距Δθ_{待测液体i,k}，计算得到待测液滴的液体表面张力系数；

其中，待测液滴的液体表面张力系数的数学表达式为：

其中，γ_待测液体为待测液体的表面张力系数，ρ_已知液体为已知液体的密度，ρ_待测液体为待测液体的密度，γ_已知液体为已知液体的表面张力系数，Δθ_{已知液体i,k}为已知液滴的角间距，Δθ_{待测液体i,k}为待测液滴的角间距。

测量原理：

本发明所述的一种基于光反射的液体表面张力测量装置及测量方法，通过将平板2倾斜放置，并将液滴设置在平板2上；采用平行光束对液滴气液界面进行照射，平行光束在液滴的气液界面发生反射，平行光束在液滴的气液界面发生反射时，液滴对入射的平行光束的相位进行调制，形成相位调制后的反射光束；相位调制后的反射光束完全入射线阵CCD3，利用线阵CCD3采集反射光束的衍射信号图像，并将衍射信号图像传输至计算机。

利用计算机对衍射信号图像进行滤波处理，通过滤波处理后得到反射衍射信号图像中的所有极大值点的位置与最大值点位置；根据傅里叶光学知识，入射光束所受到液滴曲面的相位调制在观测面接收到的出射光线可以认为是物函数的傅里叶变换；根据物函数的傅里叶变换的平方正比于相应观测面上衍射光强度分布，求解出待测液体表面张力系数的数学表达式，已知液滴与待测液滴的表面张力系数相比得到待测液体表面张力数学表达式；利用已知液体的密度、表面张力系数及待测液体的密度，通过测量已知液滴的角间距和待测液体的角间距，实现了对待测液体表面张力系数的求解。

具体的，在平板上滴入液滴时，液滴与平板之间的固-液相互接触面可以近似为液滴内表面；当平行光束直线照射在液滴表面，平行光束在液滴表面发生反射、折射及透射，会产生衍射条纹，定义I_j为经液滴液面作用后的光场分布为j阶衍射光场分布，其中j为平行光束经气-液，固-液面作用的次数。

如附图3所示，I₁是经气-液面直接反射形成光场分布，平行光束在气-液进行光学变换。

以j＝1作为研究对象，此时为平行光束照射液滴后，经液滴表面反射，形成反射光束；反射光束的衍射分布；根据傅里叶光学理论，当平行光束平行照射在液滴的气液界面，平行光束与液滴的气液界面的作用点相位为：

/>

其中，

m为液滴在X轴方向最大直径，θ为平板2与水平面之间的夹角，α为毛细常数；

则线阵CCD的观测面上的光场分布正比于对物函数的傅里叶变换，其物函数为：

光场分布为：

其中散射角表达式为

x'为观测面上的坐标，L为平行光束与液滴作用表面到观测面的间距，Ai为艾里函数；所以光场的强度分布为：

化简得：

根据(1-4)式，引入函数u(Φ)＝|Ai(Φ)|²，推导出表面张力表达式为：

其中ΔΦ_i,k为函数u(Φ)的第i个峰值到第k个峰值的位置间距；θ_1i,k为函数I₁第i个峰值到第k个峰值的位置间距；进一步，可以得到已知液体和待测液体表面张力系数为：

上两式(1-8)，(1-9)相比消除中间量ΔΦ_i,k，得到：

此公式用于相对测量，只需知道已知液体的密度、表面张力系数及待测液体的密度，通过测量已知液滴的角间距和待测液体的角间距，就可得到待测液体表面张力的测量。

因此，待测液体的张力系数表达式为：

其中，γ_待测液体为待测液体的表面张力系数，ρ_已知液体为已知液体的密度，ρ_待测液体为待测液体的密度，γ_已知液体为已知液体的表面张力系数，Δθ_{已知液体i,k}为已知液滴的角间距，Δθ_{待测液体i,k}为待测液滴的角间距，

L_已知液体为线阵CCD到平行光束在入射已知液滴气液界面的入射点的直线距离，Z_{已知液体i,k}为已知液体的经滤波处理后的光强分布函数的第i个峰值到第k个峰值的位置间距，i,k＝1,2,3…；i≤k，同理，/>

Δθ_{待测液体i,k}为待测液滴的角间距，Z_{待测液体i,k}为待测液体的经滤波处理后的光强分布函数的第i个峰值到第k个峰值的位置间距，L_待测液体为线阵CCD到平行光束在入射待测液滴气液界面的入射点的直线距离；γ_待测液体为待测液体的表面张力系数；因此利用已知液体的密度、表面张力系数及待测液体的密度，通过测量已知液滴的角间距和待测液体的角间距，通过(1-10)公式即可实现待测液体表面张力的相对测量，进而实现了对待测液体表面张力系数的求解。

本发明所述的一种基于光反射的液体表面张力测量装置及测量方法，采用光学方法，测量过程采用非接触式侧量，对样品需求少，设备简单，可操作性强。

上述实施例仅仅是能够实现本发明技术方案的实施方式之一，本发明所要求保护的范围并不仅仅受本实施例的限制，还包括在本发明所公开的技术范围内，任何熟悉本技术领域的技术人员所容易想到的变化、替换及其他实施方式。

Claims (5)

1.一种基于光反射的液体表面张力测量装置，其特征在于，包括光源(1)、平板(2)、线阵CCD(3)及计算机(4)；光源(1)用于产生平行光束，平板(2)倾斜设置在平行光束的光路上；液滴(5)设置在平板(2)的表面，且靠近光源(1)一侧设置；线阵CCD(3)与光源(1)同侧设置，且上下间隔；线阵CCD(3)的输出端与计算机(4)连接；

平行光束照射在液滴(5)上，平行光束经液滴(5)表面反射后，形成反射光束；反射光束完全射入线阵CCD(3)，线阵CCD(3)用于采集反射光束的光强分布，并传输至计算机(4)；经计算机(4)的数据处理、运算得到待测液体的表面张力系数；

基于光反射的液体表面张力测量方法，包括以下步骤：

步骤1、在平板(2)上设置已知液滴；

步骤2、开启光源(1)，调整平板(2)的位置，确保平行光束的入射方向与平板(2)垂直；平行光束照射已知液滴后，经已知液滴表面反射，形成反射光束；反射光束完全射入线阵CCD(3)中，利用线阵CCD(3)采集反射光束的光强分布；

步骤3、对采集的反射光束的光强分布进行滤波处理，得到滤波后的光强分布峰值的所有极大值点位置和最大值点位置；测量得到线阵CCD(3)到平行光束在入射已知液滴气液界面的入射点的直线距离；

步骤4、根据滤波后的光强分布峰值的所有极大值点位置与最大值点位置及线阵CCD(3)到平行光束在入射已知液滴气液界面的入射点的直线距离，计算得到已知液滴的角间距；

步骤5、在平板(2)上设置待测液滴，重复步骤2-4，计算得到待测液滴的角间距；

步骤6、利用已知液滴的角间距和待测液滴的角间距，计算得到待测液滴的液体表面张力系数；

步骤4中，已知液滴的角间距的数学表达式为：

其中，Δθ_{已知液体i,k}为已知液滴的角间距，Z_{已知液体i,k}为已知液体的经滤波处理后的光强分布函数的第i个峰值到第k个峰值的位置间距；L_已知液体为线阵CCD到平行光束在入射已知液滴气液界面的入射点的直线距离；

步骤5中，待测液滴的角间距的数学表达式为：

其中，Δθ_{待测液体i,k}为待测液滴的角间距，Z_{待测液体i,k}为待测液体的经滤波处理后的光强分布函数的第i个峰值到第k个峰值的位置间距，L_待测液体为线阵CCD到平行光束在入射待测液滴气液界面的入射点的直线距离；

步骤6中待测液滴的液体表面张力系数的数学表达式为：

其中，γ_待测液体为待测液体的表面张力系数，ρ_已知液体为已知液体的密度，ρ_待测液体为待测液体的密度，γ_已知液体为已知液体的表面张力系数，Δθ_{已知液体i,k}为已知液滴的角间距，Δθ_{待测液体i,k}为待测液滴的角间距。

2.根据权利要求1所述的一种基于光反射的液体表面张力测量装置，其特征在于，光源(1)采用激光器。

3.根据权利要求1所述的一种基于光反射的液体表面张力测量装置，其特征在于，平板(2)采用透明平板，透明平板采用玻璃片制作。

4.根据权利要求1所述的一种基于光反射的液体表面张力测量装置，其特征在于，还包括测量平台(6)，测量平台(6)包括基座(61)、第一支架(62)及第二支架(63)，基座(61)水平设置在试验台上，第一支架(62)水平滑动设置在基座(61)上，线阵CCD(3)安装在第一支架(62)上；第二支架(63)水平滑动设置在基座(61)上，平板(2)安装在第二支架(63)上。

5.根据权利要求1所述一种基于光反射的液体表面张力测量装置，其特征在于，平板(2)与水平面之间的夹角为0°-90°。

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