CN114965179A - 一种基于磁性小球的表面张力测量方法及系统 - Google Patents

一种基于磁性小球的表面张力测量方法及系统 Download PDF

Info

Publication number
CN114965179A
CN114965179A CN202210693173.0A CN202210693173A CN114965179A CN 114965179 A CN114965179 A CN 114965179A CN 202210693173 A CN202210693173 A CN 202210693173A CN 114965179 A CN114965179 A CN 114965179A
Authority
CN
China
Prior art keywords
surface tension
magnetic
liquid
liquid drop
calculation formula
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202210693173.0A
Other languages
English (en)
Inventor
黄世琳
黄育昇
郭睿生
田雪林
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Sun Yat Sen University
Original Assignee
Sun Yat Sen University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Sun Yat Sen University filed Critical Sun Yat Sen University
Priority to CN202210693173.0A priority Critical patent/CN114965179A/zh
Publication of CN114965179A publication Critical patent/CN114965179A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N13/00—Investigating surface or boundary effects, e.g. wetting power; Investigating diffusion effects; Analysing materials by determining surface, boundary, or diffusion effects
    • G01N13/02—Investigating surface tension of liquids
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N13/00—Investigating surface or boundary effects, e.g. wetting power; Investigating diffusion effects; Analysing materials by determining surface, boundary, or diffusion effects
    • G01N13/02—Investigating surface tension of liquids
    • G01N2013/0283—Investigating surface tension of liquids methods of calculating surface tension

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)

Abstract

本发明公开了一种基于磁性小球的表面张力测量方法及系统，该方法包括：将磁性小球放入液滴中并控制磁性小球、液滴和磁铁的中心点在同一垂直线上；采集液滴图像并截取液滴上方及磁性小球作为整体进行受力分析，构建表面张力计算公式；基于表面张力计算公式，获取液滴轮廓信息并进行计算，得到表面张力。该系统包括：控制模块、分析模块和计算模块。通过使用本发明，能够仅依靠分析液滴形状及磁力计算即可推导计算出表面张力大小。本发明作为一种基于磁性小球的表面张力测量方法及系统，可广泛应用于液滴张力测量领域。

Description

一种基于磁性小球的表面张力测量方法及系统
技术领域
本发明涉及液滴张力测量领域，尤其涉及一种基于磁性小球的表面张力测量方法及系统。
背景技术
目前测量表面张力的常用方法有Du Noüy拉环法、Wilhelmy板法、悬滴法、以及接触角测量等。Du Noüy拉环法、Wilhelmy板法都是利用精密的力传感器获取拉力信息从而计算液体的表面张力，对于仪器的精密度要求较高，同时由于环及板的尺寸，依然需要较大体积的液体才能进行测量。悬滴法相较于传统的称重原理测量法，其准确性和可靠性有一定的优势，但是悬滴法基于两大假设——液滴处于静力平衡状态和中心轴对称，基于这两个特点，需要几微升甚至更大体积的液滴保证液滴界面张力和重力平衡，因此并不适用于测量更小体积的液滴。接触角测量则是利用Young-Laplace方程进行计算求解，但是由于方程中涉及气固界面、液固界面及气液界面的表面张力，需要较多已知条件才能求解。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种基于磁性小球的表面张力测量方法及系统，可仅仅依靠分析液滴形状及磁力计算便可推导计算出表面张力大小。
本发明所采用的第一技术方案是：一种基于磁性小球的表面张力测量方法，包括以下步骤：
将磁性小球放入液滴中并控制磁性小球、液滴和磁铁的中心点在同一垂直线上；
采集液滴图像并截取液滴上方及磁性小球作为整体进行受力分析，构建表面张力计算公式；
基于表面张力计算公式，获取液滴轮廓信息并进行计算，得到表面张力。
进一步，所述将磁性小球放入液滴中并控制磁性小球、液滴和磁铁的中心点在同一垂直线上这一步骤，其具体包括：
吸取溶液滴在基底上，形成液滴；
测量磁性小球的质量并放入液滴中；
在液滴上方固定磁铁；
移动基底控制磁性小球、液滴和磁铁的中心点在同一垂直线上。
进一步，所述采集液滴图像并截取液滴上方及磁性小球作为整体进行受力分析，构建表面张力计算公式这一步骤，其具体包括：
基于相机采集液滴以及磁性小球的侧视图；
以液滴底部的平面为基准面，根据预设的间隔高度截取液滴上方区域，得到截取图；
以截取图底部的平面为截取面，将液滴上方区域及磁性小球作为整体进行受力分析，构建表面张力计算公式。
进一步，所述表面张力计算公式如下：
Figure BDA0003701156430000021
上式中，Fmag表示磁力，m表示磁性小球和截取液体的总质量，ρ表示液体密度，S表示测量截面的面积，l表示测量截面的周长、θ表示液面与水平面的夹角，rb表示基准面半径，θb表示基准液面与水平面的夹角，Δh表示截面和基准面之间的高度差。
进一步，所述基于表面张力计算公式，获取液滴轮廓信息并进行计算，得到表面张力这一步骤，其具体包括：
采集待测图像并对待测图像进行二值化，得到二值化图像；
对二值化图像进行液滴和磁性小球边缘检测，得到清晰图；
根据清晰图获取液滴轮廓信息，结合表面张力计算公式计算得到表面张力。
进一步，所述液滴轮廓信息包括测量截面的面积、测量截面的周长表示液面与水平面的夹角、基准面半径、基准液面与水平面的夹角、截面与基准面之间的高度差。
本发明所采用的第二技术方案是：一种基于磁性小球的表面张力测量系统，包括：
控制模块，用于将磁性小球放入液滴中并控制磁性小球、液滴和磁铁的中心点在同一垂直线上；
分析模块，用于采集液滴图像并截取液滴上方及磁性小球作为整体进行受力分析，构建表面张力计算公式；
计算模块，基于表面张力计算公式，获取液滴轮廓信息并进行计算，得到表面张力。
本发明方法及系统的有益效果是：本发明利用磁毛细作用进行表面张力测量，由于磁性小球大小可控，可以在较小的液滴体积下就可以进行测量，且由于磁性小球可以通过磁铁、磁场操控移动，能够测量液面某个局部的表面张力，同时本方法的基本原理是通过力的平衡进行表面张力的计算，可仅仅依靠分析液滴形状及磁力计算便可得到各种力的大小，从而依靠公式推导计算出表面张力大小，不需要精密的力传感器等设备，具有一定的简易性和便捷性。
附图说明
图1是本发明一种基于磁性小球的表面张力测量方法的步骤流程图；
图2是本发明具体实施例磁性小球和液滴的受力分析示意图；
图3是本发明具体实施例测量液体表面张力的实验装置简易示意图；
图4是本发明具体实施例对拍摄到的液滴形状进行分析所进行的图像分析处理步骤流程图；
图5是本发明一种基于磁性小球的表面张力测量系统的结构框图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。对于以下实施例中的步骤编号，其仅为了便于阐述说明而设置，对步骤之间的顺序不做任何限定，实施例中的各步骤的执行顺序均可根据本领域技术人员的理解来进行适应性调整。
如图1所示，本发明提供了一种基于磁性小球的表面张力测量方法，该方法包括以下步骤：
将磁性小球放入液滴中并控制磁性小球、液滴和磁铁的中心点在同一垂直线上；
采集液滴图像并截取液滴上方及磁性小球作为整体进行受力分析，构建表面张力计算公式；
具体地，截取液滴上方及磁性小球作为整体进行受力分析。磁性小球受到来自磁铁的吸引力Fmag，方向垂直向上；液体受到沿着液面切线方向往下的表面张力作用，液面与水平方向夹角为θ，表面张力的垂直分量为lγsinθ，其中l为下表面周长(l＝πr2,r为下表面半径)，γ为表面张力系数(简称表面张力)；磁性小球和液体也受到垂直向下的重力mg，m为磁性小球和液体的总质量，g为重力加速度；此外，下表面受到底部液体垂直向上的压力P。
选取远离磁性小球的某一水平面为基准面，通过拉普拉斯压强差公式
Figure BDA0003701156430000031
计算液滴内部的附加压强，其中r1、r2为弯曲液面主曲率半径，对于远离磁性小球的液面，假设其为球面，
Figure BDA0003701156430000032
θb为基准面下液面与水平面的夹角，rb为基准面的半径。基准面以上Δh高度的液体内部压强可以通过静止流体压强差公式确定：
Figure BDA0003701156430000033
其中ρ为液体密度。该压强作用在面积为S的截取面的下表面，产生垂直往上的压力
Figure BDA0003701156430000041
在静止状态下，图2右图中所有作用力在垂直方向需保持平衡，即
Figure BDA0003701156430000042
由此可得表面张力的计算公式：
Figure BDA0003701156430000043
因此，在已知磁力Fmag、液体密度ρ的基础上，通过图像分析，测量截面的面积S和周长l、液面与水平面的夹角θ，基准面半径rb及基准液面与水平面的夹角θb，截面和基准面之间的高度差Δh以及磁性小球和截取液体的总质量m，就可以测出液体的表面张力。
总质量m可以使用分析天平测量磁性小球的质量，通过图像分析计算液体质量，两者加和得到。精确测量磁性小球的质量是保证测量准确度的关键。
磁铁对磁性小球的吸引力Fmag随磁铁与磁性小球之间距离的减小而增大，基于磁性小球的磁化曲线以及磁铁周围的磁场分布，通过公式
Figure BDA0003701156430000044
计算吸引力。
基于表面张力计算公式，获取液滴轮廓信息并进行计算，得到表面张力。
具体地，参照图4，采集待测图像并对待测图像进行二值化，得到二值化图像；对二值化图像进行液滴和磁性小球边缘检测，得到清晰图；根据清晰图获取液滴轮廓信息，结合表面张力计算公式计算得到表面张力。
具体实施例1：
S1、准备一片洁净的硅片作为测量实验的基底，将硅基底放置在装置的置物台上，用移液枪吸取5μL的水滴在硅基底上；
S2、用分析天平称量磁性小球的质量，之后将其放入第1步中滴在基底的液滴中；
S3、在位移平台的下表面放置磁铁，通过调整硅基底的位置使磁性小球、液滴和磁铁的中心点在同一垂直线上；
S4、测量装置示意图参照图3，开始测量实验，调整磁铁与磁性小球的间距，随着距离的缩短，磁性小球受到的磁力增大，液滴受到毛细作用发生形变，同时使用相机记录液滴的形变过程；
S5、对收集到的液滴形状进行分析，利用编写的软件获取液滴轮廓信息并对其进行计算获得计算表面张力的必要数据，而后通过公式计算出不同截面高度下的表面张力。
具体实施例2：
S1、准备一片用PFPE(全氟聚醚)涂层修饰的硅表面作为测量实验的基底，采用提拉法在硅表面制备牢固的PFPE涂层；
S2、用移液管取200μL PFPE溶液放置于表面皿中，然后将干净的硅片浸入溶液中，几秒钟以后以一定倾斜角度提拉出来。在烘箱中130℃加热30分钟。用正己烷清洗后干燥得到最终样品。将PFPE修饰的硅基底放置在装置的置物台上，用移液枪吸取5μL的水滴在硅基底上；
S3、用分析天平称量磁性小球的质量，之后将其放入第2步中滴在基底的液滴中；
S4、在位移平台的下表面放置磁铁，通过调整基底的位置使磁性小球、液滴和磁铁的中心点在同一垂直线上；
S5、准备好以上步骤后便可以开始测量实验，调整磁铁与磁性小球的间距，随着距离的缩短，磁性小球受到的磁力增大，液滴受到毛细作用发生形变，同时使用相机记录液滴的形变过程；
S6、对收集到的液滴形状进行分析，利用编写的软件获取液滴轮廓信息并对其进行计算获得计算表面张力的必要数据，而后通过公式计算出不同截面高度下的表面张力。
具体实施例3：
S1、准备一片用PFPE(全氟聚醚)涂层修饰的硅表面作为测量实验的基底，采用提拉法在硅表面制备牢固的PFPE涂层；
S2、用移液管取200μL PFPE溶液放置于表面皿中，然后将干净的硅片浸入溶液中，几秒钟以后以一定倾斜角度提拉出来。在烘箱中130℃加热30分钟。用正己烷清洗后干燥得到最终样品；
S3、将PFPE修饰的硅基底放置在装置的置物台上，用移液枪吸取5μL的正己烷在硅基底上；
S4、用分析天平称量磁性小球的质量，之后将其放入第3步中滴在基底的液滴中；
S5、在位移平台的下表面放置磁铁，通过调整基底的位置使磁性小球、液滴和磁铁的中心点在同一垂直线上；
S6、准备好以上步骤后便可以开始测量实验，调整磁铁与磁性小球的间距，随着距离的缩短，磁性小球受到的磁力增大，液滴受到毛细作用发生形变，同时使用相机记录液滴的形变过程；
S7、对收集到的液滴形状进行分析，利用编写的软件获取液滴轮廓信息并对其进行计算获得计算表面张力的必要数据，而后通过公式计算出不同截面高度下的表面张力。
如图5所示，一种基于磁性小球的表面张力测量系统，包括：
控制模块，用于将磁性小球放入液滴中并控制磁性小球、液滴和磁铁的中心点在同一垂直线上；
分析模块，用于采集液滴图像并截取液滴上方及磁性小球作为整体进行受力分析，构建表面张力计算公式；
计算模块，基于表面张力计算公式，获取液滴轮廓信息并进行计算，得到表面张力。
上述方法实施例中的内容均适用于本系统实施例中，本系统实施例所具体实现的功能与上述方法实施例相同，并且达到的有益效果与上述方法实施例所达到的有益效果也相同。
一种基于磁性小球的表面张力测量装置：
至少一个处理器；
至少一个存储器，用于存储至少一个程序；
当所述至少一个程序被所述至少一个处理器执行，使得所述至少一个处理器实现如上所述一种基于磁性小球的表面张力测量方法。
上述方法实施例中的内容均适用于本装置实施例中，本装置实施例所具体实现的功能与上述方法实施例相同，并且达到的有益效果与上述方法实施例所达到的有益效果也相同。
一种存储介质，其中存储有处理器可执行的指令，其特征在于：所述处理器可执行的指令在由处理器执行时用于实现如上所述一种基于磁性小球的表面张力测量方法。
上述方法实施例中的内容均适用于本存储介质实施例中，本存储介质实施例所具体实现的功能与上述方法实施例相同，并且达到的有益效果与上述方法实施例所达到的有益效果也相同。
以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (7)

1.一种基于磁性小球的表面张力测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
将磁性小球放入液滴中并控制磁性小球、液滴和磁铁的中心点在同一垂直线上；
采集液滴图像并截取液滴上方及磁性小球作为整体进行受力分析，构建表面张力计算公式；
基于表面张力计算公式，获取液滴轮廓信息并进行计算，得到表面张力。
2.根据权利要求1所述一种基于磁性小球的表面张力测量方法，所述将磁性小球放入液滴中并控制磁性小球、液滴和磁铁的中心点在同一垂直线上这一步骤，其具体包括：
吸取溶液滴在基底上，形成液滴；
测量磁性小球的质量并放入液滴中；
在液滴上方固定磁铁；
移动基底控制磁性小球、液滴和磁铁的中心点在同一垂直线上。
3.根据权利要求1所述一种基于磁性小球的表面张力测量方法，其特征在于，所述采集液滴图像并截取液滴上方及磁性小球作为整体进行受力分析，构建表面张力计算公式这一步骤，其具体包括：
基于相机采集液滴以及磁性小球的侧视图；
以液滴底部的平面为基准面，根据预设的间隔高度截取液滴上方区域，得到截取图；
以截取图底部的平面为截取面，将液滴上方区域及磁性小球作为整体进行受力分析，构建表面张力计算公式。
4.根据权利要求3所述一种基于磁性小球的表面张力测量方法，其特征在于，所述表面张力计算公式如下：
Figure FDA0003701156420000011
上式中，Fmag表示磁力，m表示磁性小球和截取液体的总质量，g表示重力加速度，ρ表示液体密度，S表示测量截面的面积，l表示测量截面的周长，θ表示液面与水平面的夹角，rb表示基准面半径，θb表示基准液面与水平面的夹角，Δh表示截面和基准面之间的高度差。
5.根据权利要求3所述一种基于磁性小球的表面张力测量方法，其特征在于，所述基于表面张力计算公式，获取液滴轮廓信息并进行计算，得到表面张力这一步骤，其具体包括：
采集待测图像并对待测图像进行二值化，得到二值化图像；
对二值化图像进行液滴和磁性小球边缘检测，得到清晰图；
根据清晰图获取液滴轮廓信息，结合表面张力计算公式计算得到表面张力。
6.根据权利要求5所述一种基于磁性小球的表面张力测量方法，其特征在于，所述液滴轮廓信息包括测量截面的面积、测量截面的周长表示液面与水平面的夹角、基准面半径、基准液面与水平面的夹角、截面与基准面之间的高度差。
7.一种基于磁性小球的表面张力测量系统，其特征在于，包括：
控制模块，用于将磁性小球放入液滴中并控制磁性小球、液滴和磁铁的中心点在同一垂直线上；
分析模块，用于采集液滴图像并截取液滴上方及磁性小球作为整体进行受力分析，构建表面张力计算公式；
计算模块，基于表面张力计算公式，获取液滴轮廓信息并进行计算，得到表面张力。
CN202210693173.0A 2022-06-17 2022-06-17 一种基于磁性小球的表面张力测量方法及系统 Pending CN114965179A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210693173.0A CN114965179A (zh) 2022-06-17 2022-06-17 一种基于磁性小球的表面张力测量方法及系统

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210693173.0A CN114965179A (zh) 2022-06-17 2022-06-17 一种基于磁性小球的表面张力测量方法及系统

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN114965179A true CN114965179A (zh) 2022-08-30

Family

ID=82964261

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202210693173.0A Pending CN114965179A (zh) 2022-06-17 2022-06-17 一种基于磁性小球的表面张力测量方法及系统

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN114965179A (zh)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN101539502B (zh) 一种固体表面液滴接触角的测量方法及装置
Chau A review of techniques for measurement of contact angles and their applicability on mineral surfaces
CN109916779B (zh) 一种基于轴对称液滴轮廓曲线的表面张力测量方法
CN109916780B (zh) 一种基于轴对称液滴轮廓曲线的表面张力测量方法
CN105372165B (zh) 一种基于疏水材料的液滴直径分布测量方法
RU2711148C1 (ru) Способ определения коэффициента поверхностного натяжения жидкости
CN109253948B (zh) 一种悬滴法固体表面自由能测试装置及方法
CN106872335A (zh) 基于红外图像处理的多孔材料浸润性能测量装置及方法
CN111307664B (zh) 一种利用扩展度动态测量表征水泥浆粘度的方法
CN114965179A (zh) 一种基于磁性小球的表面张力测量方法及系统
CN109116041A (zh) 一种生理环境下细胞密度测算方法
CN111521527A (zh) 一种分子膜分层动态吸附及界面流变的测试装置和方法
CN117174621B (zh) 一种晶圆蚀刻工艺的流量控制方法及系统
US5394740A (en) Captive droplet interfacial tensiometer and methods of use thereof
RU2460987C1 (ru) Способ определения коэффициента поверхностного натяжения и угла смачивания
CN113252603A (zh) 一种多层透明球床的最优折射率测量方法
CN113324620B (zh) 一种液面探测方法及装置
CN112710588B (zh) 一种毛细管内表面静态接触角计算与测试方法及测试系统
CN217277667U (zh) 泵吸式液体表面张力系数测量仪
CN114822161A (zh) 一种通过图像采集研究液体粘滞系数的方法
US3206983A (en) Process and apparatus for determining the distribution of grain size in powders
CN113740211A (zh) 一种基于毛细现象的表面张力光学测量系统及方法
CN112330691A (zh) 基于视觉感知的水体稳态时间预测方法
Yu et al. Droplet image feedback control system in evaporation experiment
CN110567360A (zh) 三维扫描系统

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination