液体表面张力系数测量装置的改进

马国利，冯伟伟

（滨州学院物理与电子科学系，山东滨州256603）

1 引 言

液体的表面张力系数是表征液体性质的一个重要参量.拉脱法是测量液体表面张力系数的常用方法之一.通过测量已知周长的金属片从待测液体表面脱离时需要的力，求得液体表面张力系数的实验方法称为拉脱法.由于液体表面张力很小，传统的测量仪器如：扭秤、约利弹簧秤的灵敏度和稳定性制约了测量的准确度[1－2].现有国内生产的液体表面张力系数测量仪较多采用硅压阻式力敏传感器进行测量，其优越性在于该仪器能够将微小力的测量转换成电信号，并且经过放大电路和信号处理系统后输出电压的大小恰好与外力成正比，并以数字的形式显示[3－4].但是其缺点是环的水平调节困难，液面下降采用手控旋转平稳度不够，容易带来实验测量误差，为此笔者对实验吊环和液面下降装置进行了改进，提高了实验测量的准确度.

2 原 理

若金属片为环状吊片时，考虑一级近似，可以认为脱离力为表面张力系数与脱离表面的周长的乘积，即

式中：F为脱离力，D1和D2分别为圆环的外径和内径，α为液体的表面张力系数.

实验采用了高精度的硅压阻式力敏传感器进行测量，该传感器是利用单晶硅材料的压阻效应和集成电路技术制成的传感器.单晶硅材料在受到力的作用后，电阻率发生变化，通过测量电阻得到正比于力变化的电压输出信号.硅压阻式力敏传感器由弹性梁和贴在梁上的传感器芯片组成，其中芯片由4个硅扩散电阻集成非平衡电桥，当外界压力作用于金属梁时，在压力作用下，电桥失去平衡，此时将有电压信号输出，此信号经过放大电路和信号处理系统后的输出电压U的大小恰好与拉力成正比，即

式中：F为外力的大小，K为硅压阻式力敏传感器的灵敏度，ΔU为传感器输出电压的大小.

3 实验装置存在不足

液体表面张力系数测量仪如图1所示.

图1 液体表面张力系数测量仪

1）吊环的水平调节困难.吊环在实验操作中必须调节为水平，否则会引入一定的系统误差.如偏差1°测量结果引人误差为0.5%；偏差2°，则误差为1.6%[5].吊环的水平调节是通过调节与吊环相连的3根金属吊丝长短，要用眼睛观察环的下沿距离水面的距离是否均匀一致.这在操作时既不方便，又不科学可靠.

2）升降台调节的稳定性受人手控均匀及快慢影响.升降台调节的稳定性对实验的结果影响较大，在液膜即将被拉断瞬间，微小的振动可能造成液膜过早被拉断，造成实验数据的偏差.

3）传感器定标受力大小范围和测量拉脱液膜时的受力大小范围不一致.定标是在电压大于零的区域内进行的，得到的K是力敏传感器在大于零的区域内的灵敏度.而测量表面张力是力敏传感器上悬挂的是吊环，其质量比砝码盘小许多，从而使得实验过程中数字电压表的测量值为负[6].

4）只能测量室温时液体表面张力系数，不能测量其他温度液体表面张力系数[7].

4 实验装置的改进

针对上述的4个问题找到了相应的解决方法，具体的改进方法如下：

1）对吊环的改进.改进后的吊环增加了1个小吊环、3个小手轮和1个小水平仪[7].把原先的砝码盘和吊环合二为一，并控制其总体质量基本和原先的吊环差别不大.新吊环在距上沿1／3处做一带有圆孔的底面，底面与吊环的下边缘平行，当做砝码盘.新吊环既可以做吊环又可以做砝码盘.在新吊环与挂钩连接处做1个轻质的小环，环上打3个均匀分布的圆孔，在圆孔处安放3根小螺丝，把原吊环的3根吊丝改为3根悬线，使悬线的一端固定在小螺丝上，另一端固定在新吊环上.实验时把金属框架挂在传感器端头的小钩上.制作过程中，使得带小孔的底面始终与吊环的底面平行，确保调节带小孔底面调节水平后，就能达到吊环底面的水平调节.改进后，既能保证吊环的水平调节有据可依，又能保证传感器定标范围和测量拉脱液膜时的数据范围一致.

图2为新吊环的结构及实物图.通过改进，既可以方便的调节吊环的水平，又使得定标和拉脱过程，电压显示在同一范围内.

图2 新吊环结构及实物图

2）升降台调节的稳定性.原仪器升降台的调节是直接用手来调节的，不具有连续性和稳定性.降低平台引起的液面振动，尚未达到临脱状态，液膜破裂，导致测得α值减小[8]，实验数据出现偏差.经过查阅资料和做大量实验，改进如下：把原来的玻璃容器更换为重新制作的变温水池，夹层设置出水口和入水口，可以使夹层中的加热液体循环流动.在靠近玻璃容器底部，透过夹层增加联通内外的带开关的出水管，可以使容器内部的液体通过开关流出.开关大小可以调节，控制内部液体的流速，可以保证内部液体表面均匀缓慢的下降（见图3）.

图3 变温水池结构及实物图

3）为了能测不同温度下液体的表面张力系数，实验装置中加了一个变温水池[9]、智能PID温度控制仪、温度传感器、小型水泵、固态继电器和加热器.用水泵使加热器加热后的水循环于变温水池的夹层，对变温水池内的液体进行水浴加热，温度传感器放在变温水池内，测量水池内的待测液体的温度，在智能PID温度控制仪上选定温度，开始加热，加热到选定温度后装置自动停止加热，液体最后稳定到选定温度.这样的装置设计既能准确地测量一定温度下液体的表面张力，又可以把原来的验证型实验改进为综合型实验.

5 实验结果

5.1 硅压阻力敏传感器定标

对硅压阻力敏传感器的定标数据如表1所示，通过最小二乘法拟合得b2＝25.76，线性相关系数r＝0.999 9，正相关很强，当地的重力加速度为g＝9.799m／s2.

表1 用改进后装置定标数据

5.2 蒸馏水的表面张力系数的测量

用游标卡尺测金属圆环的内径D2＝32.90mm，外径D1＝34.91mm.记录环在即将拉断液膜瞬间数字电压表读数U1，拉断时数字电压表的读数U2，结果如表2所示.

表2 改进后的实验数据

当时水温为25℃，自来水的表面张力系数测量值α＝71.88×10－3N／m.查表知，此温度下水的表面张力系数的标准值α＝72.00×10－3N／m，相对偏差为0.17%.测量时间为上午，无风.

同时用未改进的另一套仪器（定标仪器），在同一时间、同一环境下对蒸馏水进行了测量，测量数据为：用游标卡尺测得原金属吊环的内径为D2＝32.54mm，外径D1＝34.72mm.水的表面张力系数测量值为α＝68.54×10－3N／m.则原仪器测量数据的相对偏差为4.8%.

6 结束语

通过对上述数据的比较和分析，由结果可以明显看出，使用改进的实验装置可以较明显地提高实验的测量准确度，减小测量误差.同时增加了待测液体的变温控制，使学生能够测量液体表面张力系数与温度的关系，增加了实验内容，也让学生对影响实验准确度的因素有了更深刻的了解.该项目的改进设计获得了山东省物理科技创新大赛特等奖.

[1] 陈骏逸，范伟民.用硅压阻式力敏传感器测量液体的表面张力系数[J].实验室研究与探索，2002，21（6）：42－44.

[2] 焦丽凤，陆申龙.用力敏传感器测量液体表面张力系数[J].物理实验，2002，22（7）：40－42.

[3] 胡亚范，姚爱巧.用力敏传感器测量液体表面张力系数[J].物理与工程，2005，15（6）：38－40.

[4] 刘立芳，侯双印，侯志青，等.用力敏传感器测量液体表面张力系数的实验现象分析[J].保定师范专科学校学报，2007，20（2）：60－62.

[5] 复旦天欣科教仪器有限公司.液体表面张力测定仪说明书[Z].2003.

[6] 香茹.用敏传感器测液体表面张力系数的实验研究[J].科技创新导报，2009（5）：4.

[7] 代伟.对FD－NST－I型液体表面张力系数测量仪的改进[J].物理实验，2011，31（10）：29－32.

[8] 贺梅英，黄沛天，徐学翔.对FD－NST－I型液体表面张力系数测定仪附件吊环改进的设计[J].大学物理实验，2008，21（1）：62－63.

[9] 夏思淝，刘东红，孙建刚，等.用力敏传感器测液体表面张力系数的误差分析[J].物理实验，2003，23（7）：39－43.

[10] 张连芳，傅敏学，柯伟平.液体表面张力的动态测量过程研究[J].物理与工程，2010，20（1）：35－37.