CN214010987U - 基于机器视觉及光学干涉的液体表面张力系数测量系统 - Google Patents

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任向河
闫冰
周广兴
刘和平
李小红
程勇
佀云鹰
敖开发
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Wuhan Guangchi Education & Technology Co ltd
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Abstract

本实用新型公开了一种基于机器视觉及光学干涉的液体表面张力系数测量系统，它包括迈克尔逊干涉仪和测量装置；测量装置包括底座，底座上表面一侧连接有垂直于底座的支撑杆；支撑杆外表面上部套接有滑动套管，滑动套管外表面连接有平行于底座的顶杆，顶杆下方通过支架转动连接有定滑轮，定滑轮下方设置有测量组件；迈克尔逊干涉仪的动镜一端通过连接绳索绕过定滑轮，与测量组件连接配合。该装置解决了现有技术测量的张力系数精度不高，实验误差较大的问题，具有结构简单、操作便捷，读数精确，可大幅提高试验精度，且抗干扰能力较强的特点。

Description

基于机器视觉及光学干涉的液体表面张力系数测量系统
技术领域
本实用新型属于液体表面张力教学试验设备领域，具体涉及一种基于机器视觉及光学干涉的液体表面张力系数测量系统。
背景技术
液体表面张力系数是表征液体性质的一个重要参量；由于液体分子间的相互吸引力，使得液体具有尽量收缩其表面的趋势，其表面像一张绷紧的弹性薄膜。即在液体表面存在沿着液面作用的张力，这种张力使液体表面产生收缩的倾向称为表面张力。表面张力垂直于液体表面的任何一条线段，沿着液体表面，作用于单位长度的张力称为表面张力系数。测定液体表面张力系数的方法有:拉脱发、悬滴法、静滴法、旋转液滴法、等密度法、最大气泡压力法和毛细管上升法等，而拉脱法测量液体表面张力系数是最常用的方法。
拉脱法是一种利用焦利秤直接测量液体表面张力系数的方法，原理图如图1所示,将一个π形金属丝框浸入润湿液体中,则其附近的液面将呈现图1所示的状态。图中f为丝框四周的液体的表面层对金属丝框作用的表面张力,
Figure BDA0002815213210000011
为接触角；试验时，缓缓提起金属丝框,接触角
Figure BDA0002815213210000012
会逐渐减小而趋向于零,f的方向趋于垂直向下,在金属丝框拉脱液面前,
Figure BDA0002815213210000013
已足够小；力的平衡条件可写为：
F＝T-W (1)；
上述(1)式中,T为金属丝框拉出时所施的外力,W为金属丝框和其所黏附的液体的总重量,F为金属丝框四周的液体的表面层对金属丝框作用的表面张力之和；当
Figure BDA0002815213210000014
趋于零时,液体表面张力系数α可表示为:
Figure BDA0002815213210000015
上式(2)中,2L+d(π-2)是π形金属丝框与液体接触面的周界线长度。实验时用焦利氏秤分别测量液膜即将被拉断时的游标尺读数和只挂金属丝框没有液膜时游标尺读数,两者之差是由于克服表面张力弹簧的伸长量△x，根据胡克定律，(2)式可化为：
Figure BDA0002815213210000016
在实验中分别测出△x,L和d,由式(3)即可求出
Figure BDA0002815213210000017
值
拉脱法测量液体表面张力系数装置如图2所示；包括力敏传感器71，测量装置72和数字电压表73；图中拉脱法测量液体表面张力系数最早是采用约利弹簧秤和扭秤，其测量系统误差大，后来改用力敏传感器测量表面张力，测量精度提高了很多。现有国内外生产的液体表面张力系数测量仪多采用硅压阻式力敏传感器进行测量，液面升降采用旋转螺丝手动升降法，液体和吊环都裸露在实验室中，这样在进行实验时，手动调节会引起被测液面的震动，同时受到周围气流的影响，都会在实验中导致液体薄膜在表面张力未达到临界状态就断裂，还是容易带来实验误差。
发明内容
本实用新型所要解决的技术问题是提供一种基于机器视觉及光学干涉的液体表面张力系数测量系统，该装置解决了现有技术测量的张力系数精度不高，实验误差较大的问题，具有结构简单、操作便捷，读数精确，可大幅提高试验精度，且抗干扰能力较强的特点。
为解决上述技术问题，本实用新型所采用的技术方案是：一种基于机器视觉及光学干涉的液体表面张力系数测量系统，它包括迈克尔逊干涉仪和测量装置；测量装置包括底座，底座上表面一侧连接有垂直于底座的支撑杆；支撑杆外表面上部套接有滑动套管，滑动套管外表面连接有平行于底座的顶杆，顶杆下方通过支架转动连接有定滑轮，定滑轮下方设置有测量组件；迈克尔逊干涉仪的动镜一端通过连接绳索绕过定滑轮，与测量组件连接配合。
优选地，绳索为刚性绳。
优选地，测量组件包括弹簧，弹簧上端与绕过定滑轮的绳索连接，下端挂接拉脱件。
优选地，拉脱件包括金属环或金属片或异形金属丝。
优选地，底座上表面通过电动推杆连接有升降台，升降台上表面与底座平行。
优选地，升降台表面设置有盛装待测液体的器皿，器皿位于拉脱件正下方。
优选地，迈克尔逊干涉仪一侧设置有摄像头与数据处理终端连接；摄像头朝向迈克尔逊干涉仪的目镜。
本实用新型提供的基于机器视觉及光学干涉的液体表面张力系数测量系统的有益效果如下：
(1)利用光学干涉技术测量微小形变的优势，将微小形变的物理量转换为容易检测的物理量，长度形变量转化为光圈吞吐的次数，提高数据的精确度；实验易操作，获得的液体表面张力系数的精度更高；
(2)利用机器视觉检测物理量，将人眼难以一次性查完的光圈次数的变化量用机器视觉Matlab软件编程实现，减少了人眼测量的误差，增强数据的准确性，同时减少长时间观察较高亮度的光的干涉图像带来的不适感；
(3)该试验器材的组成装置易于获得，便于在学校试验时开展搭建，在试验的同时可以作为教具，使学习者在表面张力试验过程中同时了解光学干涉知识、学会光学仪器迈克尔逊干涉仪的使用，并能够理解光的干涉现象。
附图说明
下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明：
图1为本实用新型背景技术中的现有技术力学原理示意图。
图2为本实用新型背景技术中的现有技术试验装置结构示意图。
图3为本实用新型的连接结构示意图。
图4为本实用新型中测量装置的结构示意图。
图中附图标记为：迈克尔逊干涉仪1，动镜11，目镜12，测量装置2，底座21，支撑杆22，滑动套管23，顶杆24，定滑轮25，升降台26，绳索3，弹簧41，拉脱件42，摄像头5，数据处理终端6，力敏传感器71，测量装置72，数字电压表73。
具体实施方式
如图1～图4中，一种基于机器视觉及光学干涉的液体表面张力系数测量系统，它包括迈克尔逊干涉仪和测量装置；测量装置包括底座，底座上表面一侧连接有垂直于底座的支撑杆；支撑杆外表面上部套接有滑动套管，滑动套管外表面连接有平行于底座的顶杆，顶杆下方通过支架转动连接有定滑轮，定滑轮下方设置有测量组件；迈克尔逊干涉仪的动镜一端通过连接绳索绕过定滑轮，与测量组件连接配合。
优选地，绳索为刚性绳。
优选地，测量组件包括弹簧，弹簧上端与绕过定滑轮的绳索连接，下端挂接拉脱件。
优选地，拉脱件包括金属环或金属片或异形金属丝。
优选地，底座上表面通过电动推杆连接有升降台，升降台上表面与底座平行。
优选地，升降台表面设置有盛装待测液体的器皿，器皿位于拉脱件正下方。
优选地，迈克尔逊干涉仪一侧设置有摄像头与数据处理终端连接；摄像头朝向迈克尔逊干涉仪的目镜。
上述基于机器视觉及光学干涉的液体表面张力系数测量系统的工作原理如下：
1、将仪器调至水平，装配点光源S，使用光纤激光源时，要使光束保持水平。打开He-Ne激光器的电源开关，调节好光束，使激光束水平地射向定镜M1；
2、将П型金属丝挂在弹簧上，调节升降台将液体升至靠近弹簧下沿，观察弹簧下沿与待测液面是否平行；如果不平行，将弹簧取下，进行调节，使之与液面平行；
3、调节玻璃皿下的升降台，使П型金属丝下沿全部浸入待测液体中，然后反向匀速下降升降台，使金属与液面间形成一个液膜；不断匀速下降升降台，在液膜拉断瞬间进行受力分析：
Fα＝F；
Figure BDA0002815213210000041
其中，Fα为液膜拉断瞬间弹簧受到的力；k为弹簧弹性系数；△x为弹簧长度变化量；L为П型金属丝的长度；
4、利用弹簧的拉伸量而引起动镜的移动，使得光束通过定镜M1和动镜反射到迈克逊干涉仪固定镜M3，仔细调整迈克尔逊干涉仪调节螺钉，使两排光点像严格重合，这样导致光程差的改变,使得等倾干涉圆环移动(条纹涌出或陷入)；
5、消除仪器空转：先按某方向转动粗动手轮半圈，再按同--方向转动微动手轮，这时可看到干涉圆条纹是变化的；通过摄像头监测干涉圆环变化数目Δn并通过数据处理终端进行读数，测得干涉圆环变化数目Δn。则可计算出金属丝微小拉伸量为：
Figure BDA0002815213210000042
6、利用公式测得液体表面张力系数，多测量几次取平均值：
Figure BDA0002815213210000043
上述的实施例仅为本实用新型的优选技术方案，而不应视为对于本实用新型的限制，本申请中的实施例及实施例中的特征在不冲突的情况下，可以相互任意组合。本实用新型的保护范围应以权利要求记载的技术方案，包括权利要求记载的技术方案中技术特征的等同替换方案为保护范围。即在此范围内的等同替换改进，也在本实用新型的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于机器视觉及光学干涉的液体表面张力系数测量系统，其特征在于：它包括迈克尔逊干涉仪（1）和测量装置（2）；测量装置（2）包括底座（21），底座（21）上表面一侧连接有垂直于底座（21）的支撑杆（22）；支撑杆（22）外表面上部套接有滑动套管（23），滑动套管（23）外表面连接有平行于底座（21）的顶杆（24），顶杆（24）下方通过支架转动连接有定滑轮（25），定滑轮（25）下方设置有测量组件；迈克尔逊干涉仪（1）的动镜（11）一端通过连接绳索（3）绕过定滑轮（25），与测量组件连接配合。
2.根据权利要求1所述的基于机器视觉及光学干涉的液体表面张力系数测量系统，其特征在于：所述绳索（3）为刚性绳。
3.根据权利要求1所述的基于机器视觉及光学干涉的液体表面张力系数测量系统，其特征在于：所述测量组件包括弹簧（41），弹簧（41）上端与绕过定滑轮（25）的绳索（3）连接，下端挂接拉脱件（42）。
4.根据权利要求3所述的基于机器视觉及光学干涉的液体表面张力系数测量系统，其特征在于：所述拉脱件（42）包括金属环或金属片或异形金属丝。
5.根据权利要求1所述的基于机器视觉及光学干涉的液体表面张力系数测量系统，其特征在于：所述底座（21）上表面通过电动推杆连接有升降台（26），升降台（26）上表面与底座（21）平行。
6.根据权利要求5所述的基于机器视觉及光学干涉的液体表面张力系数测量系统，其特征在于：所述升降台（26）表面设置有盛装待测液体的器皿，器皿位于拉脱件（42）正下方。
7.根据权利要求1所述的基于机器视觉及光学干涉的液体表面张力系数测量系统，其特征在于：所述迈克尔逊干涉仪（1）一侧设置有摄像头（5）与数据处理终端（6）连接；摄像头（5）朝向迈克尔逊干涉仪（1）的目镜（12）。
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