CN111929202A - 一种便携式表面张力测试装置及其操作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种便携式表面张力测试装置及其操作方法，属于表面张力测试技术领域。本申请采用应变电阻传感器，并采用了HX711AD采集模块以及MCU单片机、液晶触摸屏显示器作为和数据处理单元。应变电阻传感器安装到一个U型槽内后，单独密封；U型槽内提供数据通讯接口并用数据线与数据处理单元相连接；带有应变电阻传感器的U型槽为独立的传感器测试单元，与测试探头（铂金板或铂金环）相连接，并可独立使用或采用螺丝与数据处理单元的电气控制箱连接。本装置可广泛应用于大专院校、科研单位的本科、硕士和博士物理化学的教学演示，也可用于电子厂、电镀液厂、化妆品厂等现场测试表面张力数据所用，可快速出值、使用方便，具有极高的推广价值。
Description
技术领域
本发明涉及一种便携式表面张力测试装置及其操作方法，属于表面张力测试技术领域。
背景技术
表面张力或界面张力值是表征材料物理化学性质的重要指标之一，用于测量表面张力的方法包括测力法、影像轮廓分析法、气泡压力法、滴体积法等等。
除了美国专利《HANDHELD TENSIOMETER FEATURING AUTOMATIC REGULATION OFTHE BUBBLE LIFE BY MEASURING AND REGULATING THE GAS VOLUME FLOW》（专利号：US 8,161,802 B2）以及德国专利《Die Folgenden Angaben sind den vom Anmeldereinereichten unterlagen entnommen》（专利号：DE198,19,555,A1） 以及专利《DieFolgenden Angaben sind den vom Anmelder einereichten unterlagen entnommen》(专利号：DE20,2004,012,573, U1)均提出了一种基于最大气泡压力法的便携式表面张力测量装置外，其余的表面张力测试装置的商业化和专利、科学文献均是台式专业分析仪器或较大的复杂的表面张力测试装置。特别的，在力学法测试表面张力原理中，由于扭力丝传感器的结构大小、分析天平的结构大小及其稳定性要求较高、普通称重传感器的体积较大等原因，目前为止，没有一款基于力学测量原理的表面张力测试装置或仪器。同时，气泡法便携式表面张力仪的稳定性差、测试数据准确度不高、无法测试平衡值的缺点，无法满足生产现场或教学实验中便携性、低成本的、快速检测的实际需求。分析天平和扭力丝传感器的体积大、稳定性差，而普通称重传感器的分辨度通常仅有10mg，无法满足铂金板法对于测值的高分辨率要求，通常最低要求1mg，甚至0.1mg。因而，如何设计挑选一种更为合适的，满足便携式需求，灵敏度高的传感器以及如何合理设计测试装置的结构关系，成为了本专利的核心所在。
力学法测试表面张力的原理由于其直观、易于测量，涉及的专利最多，特别在中国相关专利达到了近30项。总体来看的情况如下：
（1）对测试探针（如板或环）的改进的，包括ZL 200620131314.6《一种液体表面张力系数测定仪》、ZL02246571.5《表面张力测量吊片》、ZL200910116749.1《一种液体表面张力系数测量仪器》等；这些专利与本专利所述求的技术没有关系而不影响本专利的创新性；
（2）对称重传感器的改进的，包括ZL01216371《液体界面张力仪》、ZL01254339.X《一种液体表面张力系数测定仪》、ZL200520039453.1《一种自动液体表面张力检测仪》、ZL200610054181.1《变温液体表面张力系数测定实验装置》、ZL 200620051680.0《一种液体表面张力系数测定仪》、ZL 201120020899.5《自动界面张力测定仪》等，其创新点在于采用了扭力丝或改进了扭力丝传感器、或引入新的传感器（如分析天平）等，与本专利所述的创新性结构运用微型应变电阻传感器，从而实现微型化以及便携式的设计不一致，因而也不存在冲突，因而不影响本专利的创新性；
（3）对样品池温度控制或样品台等部分结构的创新，包括ZL02213618.5《液体表面张力测定用样品台》、ZL200820208896.2《一种测定液体表面张力系数的实验装置》、ZL201120008560.3《化学教学用液体表面张力系数测量装置》等，由于涉及的创新点与本专利无关，也不影响本专利的创新性；
（4）表面张力测试整体结构的创新，包括ZL 201020159905.0《白金板法测试液-气表面张力和液 -液界面张力的仪器》、ZL201120065224.2《一种液体铂金环法表面/界面张力仪》、日本专利JP2001099772A《表面张力测定方法》（日本KYOWA手动表面张力仪）等，这些专利的结构采用了与专利不一致的联结关系，在测试过程的运动方式、实现测试的方式上，与本专利的结构方式完全不一致，因而也不影响本专利的创新性。
本申请采用了应变电阻传感器，并采用了HX711AD采集模块以及MCU单片机、液晶触摸屏显示器作为和数据处理单元。应变电阻传感器安装到一个U型槽内后，单独密封； U型槽内提供数据通讯接口并用数据线与数据处理单元相连接；带有应变电阻传感器的U型槽为独立的传感器测试单元，与测试探头（铂金板或铂金环）相连接，并可独立使用或采用螺丝与数据处理单元的电气控制箱连接。本装置可广泛应用于大专院校、科研单位的本科、硕士和博士物理化学的教学演示，也可用于电子厂、电镀液厂、化妆品厂等现场测试表面张力数据所用，可快速出值、使用方便，具有极高的推广价值。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于：提供一种便携式表面张力测试装置，详细介绍了采用微型应变电阻传感器的便携式表面张力测试装置的结构组成、部件选用及其连接关系和表面张力的测试操作方法等各个方面均作了精心设计。
本发明所要解决的技术问题采取以下技术方案来实现：
一种便携式表面张力测试装置，包括测试装置本体，所述测试装置本体包括仪器外壳，液晶触摸屏、传感器测试单元、夹持夹头，所述传感器测试单元包括应变电阻传感器、传感器外壳和设在传感器外壳上用于对应变电阻传感器传输信号的第二数据线快接头，所述传感器外壳上设有U型槽，所述应变电阻传感器通过螺丝固定在U型槽内，所述夹持夹头螺纹连接在应变电阻传感器的底部，所述夹持夹头上夹持有用于应变电阻传感器接收信号的测试探头，所述液晶触摸屏安装在仪器外壳上，所述仪器外壳的内部安装有数据处理单元，所述数据处理单元与液晶显示屏电性连接。
作为优选实例，所述测试探头包括铂金板或铂金环或玻璃板。
作为优选实例，所述数据处理单元包括HX711AD采集模块以及MCU单片机，所述仪器外壳上设有用于与计算机通过RS或RS或USB通讯协议交换数据的数据通讯接口，所述仪器外壳上还设有用于通过数据线与传感器测试单元上的第二数据线快接头连接的第一数据线快接头，所述传感器测试单元通过数据线与HXAD采集模块输入端电性相连，所述HXAD采集模块输出端通过导线与MCU单片机输入端电性连接，所述MCU单片机输出端通过导线与液晶显示屏电性相连。
作为优选实例，所述测试装置本体还包括电气控制箱，所述电气控制箱上开设有多个螺丝孔，所述传感器测试单元上也开设有螺纹孔，所述传感器测试单元和电气控制箱上通过螺丝共同螺纹与位于传感器测试单元上的螺纹孔和位于电气控制箱上的螺纹孔而螺纹连接。
作为优选实例，所述测试装置本体还包括样品台自动升降单元，所述样品台自动升降单元包括循环水槽温控样品池、升降平移台、支架、可调整高度调整脚，所述可调整高度调整脚设在支架的底部，所述升降平移台设在支架的一侧，且所述循环水槽温控样品池设在升降平移台上，所述传感器测试单元固定在支架上。
一种便携式表面张力测试装置的操作方法，主要包括以下步骤：
（1）采用蒸馏水法判断铂金板的清洁度；将样品杯洗干净后，放入蒸馏水，将铂金板或铂金环的测试探头9通过夹持夹头8夹持在传感器测试单元11后，通过数据线的连接，使得传感器测试单元11中的测试探头9采集的信号，传输给应变电阻传感器7，再将应变电阻传感器7上所得的信号通过数据线传递给HX711AD采集模块，再由HX711AD采集模块传输给MCU单片机，经过MCU单片机处理后将数据显示在液晶显示屏2上，测试蒸馏水的表面张力值，直到测值结果符合文献的要求为止（如20℃时72.8mN/m），否则重新清洗测试探头9以及样品皿，直到符合要求；
（2）采用铂金板法测试样品或如上蒸馏水的表面张力值时，采用将铂金板浸入样品后，拉升铂金板向上，直到脱离液体的操作方法如下：
如图4所示，薄板探头时的液面弯月面时结构为：薄板探头16，液面17和弯月面18中，弯月面的接触角拉脱时与保持在某个位置时会有明显变化，接触角值通常为负值，因而，需要在数据处理单元MCU自动将最大值进行保留的同时，测值结果采用修正因子，具体修正方式为：
Surface tension = Max surface tension value * f
其中，f采用蒸馏水、无水乙醇、苯、乙二醇、二碘甲烷标准文献值的方法，并采用4次多项式曲线拟合得到。
本发明的有益效果是：本发明采用应变电阻传感器，并采用了HX711AD采集模块以及MCU单片机、液晶触摸屏显示器作为和数据处理单元，应变电阻传感器安装到一个U型槽内后，单独密封； U型槽内提供数据通讯接口并用数据线与数据处理单元相连接；带有应变电阻传感器的U型槽为独立的传感器测试单元，与测试探头（铂金板或铂金环）相连接，并可独立使用或采用螺丝与数据处理单元的电气控制箱连接，本装置可广泛应用于大专院校、科研单位的本科、硕士和博士物理化学的教学演示，也可用于电子厂、电镀液厂、化妆品厂等现场测试表面张力数据所用，可快速出值、使用方便，具有极高的推广价值。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明中电气控制箱和传感器测试单元的结构关系示意图；
图3为本发明中传感器测试单元放置在样品台自动升降单元上的结构关系示意图；
图4为本发明中的薄板探头所测得的液面弯月牙示意图。
图中：仪器外壳1，液晶触摸屏2、数据通讯接口3、第一数据线快接头4、第二数据线快接头5、传感器外壳6、应变电阻传感器7、夹持夹头8、测试探头9、电气控制箱10、传感器测试单元11、循环水槽温控样品池12、升降平移台13、支架14、可调整高度调整脚15、薄板探头16、液面17、弯月面18、螺杆19、电机20。
具体实施方式
为了对本发明的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。
如图1-4所示，一种便携式表面张力测试装置，包括测试装置本体，测试装置本体包括仪器外壳1，液晶触摸屏2、传感器测试单元11、夹持夹头8，传感器测试单元11包括应变电阻传感器7、传感器外壳6和设在传感器外壳6上用于对应变电阻传感器7传输信号的第二数据线快接头5，传感器外壳6上设有U型槽，应变电阻传感器7通过螺丝固定在U型槽内，夹持夹头8螺纹连接在应变电阻传感器7的底部，夹持夹头8上夹持有用于应变电阻传感器7接收信号的测试探头9，液晶触摸屏2安装在仪器外壳1上，仪器外壳1的内部安装有数据处理单元，数据处理单元与液晶显示屏2电性连接。
测试探头9包括铂金板或铂金环或玻璃板。
数据处理单元包括HX711AD采集模块以及MCU单片机，仪器外壳1上设有用于与计算机通过RS232或RS485或USB通讯协议交换数据的数据通讯接口3，仪器外壳1上还设有用于通过数据线与传感器测试单元11上的第二数据线快接头5连接的第一数据线快接头4，传感器测试单元11通过数据线与HX711AD采集模块输入端电性相连，HX711AD采集模块输出端通过导线与MCU单片机输入端电性连接，MCU单片机输出端通过导线与液晶显示屏2电性相连。
测试装置本体还包括电气控制箱10，电气控制箱10上开设有多个螺丝孔，传感器测试单元11上也开设有螺纹孔，传感器测试单元11和电气控制箱10上通过螺丝共同螺纹与位于传感器测试单元11上的螺纹孔和位于电气控制箱10上的螺纹孔而螺纹连接，电气控制箱10用于安装MCU单片机、HX711AD采集模块以及电机20控制电路，测试装置本体还包括样品台自动升降单元，样品台自动升降单元包括循环水槽温控样品池12、升降平移台13、支架14、可调整高度调整脚15，可调整高度调整脚15设在支架14的底部，升降平移台13设在支架14的一侧，且循环水槽温控样品池12设在升降平移台13上，传感器测试单元11固定在支架14上。
本申请上的循环水槽温控样品池12的结构有很多种，例如在带有温度旋钮的水浴锅的排水口接入软皮管，而软皮管的另一端又放入带有将软皮一端连接带有温度旋钮的水浴锅中；
另外本申请上的升降平移台13的结构也有好多种，例如在支架的一侧设置螺杆19和电机20，且电机20固定套接在支架14上，电机20输出端与螺杆19顶部相固定，且螺杆19的底部与支架14转动连接，然后再将升降平移台13螺纹套接在螺杆19上，且升降平移台13的一侧与支架14滑动连接，主要工作流程是，启动电机20，带动螺杆19的转动，从而在升降平移台13的一侧与支架14滑动连接下，使得升降平移台13在螺杆19上进行相对于支架14底部的竖直方向上的移动，即实现升降平移台13的升降功能。
本装置测试操作方法；如技术背景部分所述，表面张力测试，特别是便携式方法测量表面张力值的最大挑战在于传感器的稳定性如何保持的问题。在表面张力测试的操作方法包括：
（1）采用蒸馏水法判断铂金板的清洁度；将样品杯洗干净后，放入蒸馏水，将铂金板或铂金环的测试探头9通过夹持夹头8夹持在传感器测试单元11后，通过数据线的连接，使得传感器测试单元11中的测试探头9采集的信号，传输给应变电阻传感器7，再将应变电阻传感器7上所得的信号通过数据线传递给HX711AD采集模块，再由HX711AD采集模块传输给MCU单片机，经过MCU单片机处理后将数据显示在液晶显示屏2上，测试蒸馏水的表面张力值，直到测值结果符合文献的要求为止（如20℃时72.8mN/m），否则重新清洗测试探头9以及样品皿，直到符合要求；
（2）采用铂金板法测试样品或如上蒸馏水的表面张力值时，采用将铂金板浸入样品后，拉升铂金板向上，直到脱离液体的操作方法如下：
如图4所示，薄板探头时的液面弯月面时结构为：薄板探头16，液面17和弯月面18中，弯月面的接触角拉脱时与保持在某个位置时会有明显变化，接触角值通常为负值，因而，需要在数据处理单元MCU自动将最大值进行保留的同时，测值结果采用修正因子，具体修正方式为：
Surface tension = Max surface tension value * f
其中，f采用蒸馏水、无水乙醇、苯、乙二醇、二碘甲烷标准文献值的方法，并采用4次多项式曲线拟合得到。
实验证明，通过本专利创新性的提出的一个采用了应变电阻传感器7，并将应变电阻传感器7、传感器外壳6和设在传感器外壳6上用于对应变电阻传感器7传输信号的第二数据线快接头5安装形成传感器测试单元11；
采用了HX711AD采集模式以及MCU单片机、液晶触摸屏显示器作为数据处理单元；传感器测试单元11和数据处理单元可分开也可联在一起；
另外本装置也可供了样品台自动升降单元，用于进一步实现全自动化、高精度测量；在测试方法上，采用了更为有利于实现控制便携式测量中的不稳定的最大值保持测试方法；
本装置可广泛应用于大专院校、科研单位的本科、硕士和博士物理化学的教学演示，也可用于电子厂、电镀液厂、化妆品厂等现场测试表面张力数据所用，可快速出值、使用方便，具有极高的推广价值。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (6)
1.一种便携式表面张力测试装置，包括测试装置本体，其特征在于：所述测试装置本体包括仪器外壳（1），液晶触摸屏（2）、传感器测试单元（11）、夹持夹头（8），所述传感器测试单元（11）包括应变电阻传感器（7）、传感器外壳（6）和设在传感器外壳（6）上用于对应变电阻传感器（7）传输信号的第二数据线快接头（5），所述传感器外壳（6）上设有U型槽，所述应变电阻传感器（7）通过螺丝固定在U型槽内，所述夹持夹头（8）螺纹连接在应变电阻传感器（7）的底部，所述夹持夹头（8）上夹持有用于应变电阻传感器（7）接收信号的测试探头（9），所述液晶触摸屏（2）安装在仪器外壳（1）上，所述仪器外壳（1）的内部安装有数据处理单元，所述数据处理单元与液晶显示屏（2）电性连接。
2.根据权利要求1所述的一种便携式表面张力测试装置，其特征在于：所述测试探头（9）包括铂金板或铂金环或玻璃板。
3.根据权利要求1所述的一种便携式表面张力测试装置，其特征在于：所述数据处理单元包括HX711AD采集模块以及MCU单片机，所述仪器外壳（1）上设有用于与计算机通过RS232或RS485或USB通讯协议交换数据的数据通讯接口（3），所述仪器外壳（1）上还设有用于通过数据线与传感器测试单元（11）上的第二数据线快接头（5）连接的第一数据线快接头（4），所述传感器测试单元（11）通过数据线与HX711AD采集模块输入端电性相连，所述HX711AD采集模块输出端通过导线与MCU单片机输入端电性连接，所述MCU单片机输出端通过导线与液晶显示屏（2）电性相连。
4.根据权利要求1所述的一种便携式表面张力测试装置，其特征在于：所述测试装置本体还包括电气控制箱（10），所述电气控制箱（10）上开设有多个螺丝孔，所述传感器测试单元（11）上也开设有螺纹孔，所述传感器测试单元（11）和电气控制箱（10）上通过螺丝共同螺纹与位于传感器测试单元（11）上的螺纹孔和位于电气控制箱（10）上的螺纹孔而螺纹连接。
5.根据权利要求1所述的一种便携式表面张力测试装置，其特征在于：所述测试装置本体还包括样品台自动升降单元，所述样品台自动升降单元包括循环水槽温控样品池（12）、升降平移台（13）、支架（14）、可调整高度调整脚（15），所述可调整高度调整脚（15）设在支架（14）的底部，所述升降平移台（13）设在支架（14）的一侧，且所述循环水槽温控样品池（12）设在升降平移台（13）上，所述传感器测试单元（11）固定在支架（14）上。
6.一种便携式表面张力测试装置的操作方法，其特征在于，主要包括以下步骤：
（1）采用蒸馏水法判断铂金板的清洁度；将样品杯洗干净后，放入蒸馏水，将铂金板或铂金环的测试探头9通过夹持夹头8夹持在传感器测试单元11后，通过数据线的连接，使得传感器测试单元11中的测试探头9采集的信号，传输给应变电阻传感器7，再将应变电阻传感器7上所得的信号通过数据线传递给HX711AD采集模块，再由HX711AD采集模块传输给MCU单片机，经过MCU单片机处理后将数据显示在液晶显示屏2上，测试蒸馏水的表面张力值，直到测值结果符合文献的要求为止（如20℃时72.8mN/m），否则重新清洗测试探头9以及样品皿，直到符合要求；
（2）采用铂金板法测试样品或如上蒸馏水的表面张力值时，采用将铂金板浸入样品后，拉升铂金板向上，直到脱离液体的操作方法如下：
如图4所示，薄板探头时的液面弯月面时结构为：薄板探头16，液面17和弯月面18中，弯月面的接触角拉脱时与保持在某个位置时会有明显变化，接触角值通常为负值，因而，需要在数据处理单元MCU自动将最大值进行保留的同时，测值结果采用修正因子，具体修正方式为：
Surface tension = Max surface tension value * f
其中，f采用蒸馏水、无水乙醇、苯、乙二醇、二碘甲烷标准文献值的方法，并采用4次多项式曲线拟合得到。
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