馬國利，馮偉偉

（濱州學(xué)院物理與電子科學(xué)系，山東濱州256603）

1 引 言

液體的表面張力系數(shù)是表征液體性質(zhì)的一個重要參量.拉脫法是測量液體表面張力系數(shù)的常用方法之一.通過測量已知周長的金屬片從待測液體表面脫離時需要的力，求得液體表面張力系數(shù)的實驗方法稱為拉脫法.由于液體表面張力很小，傳統(tǒng)的測量儀器如：扭秤、約利彈簧秤的靈敏度和穩(wěn)定性制約了測量的準確度[1－2].現(xiàn)有國內(nèi)生產(chǎn)的液體表面張力系數(shù)測量儀較多采用硅壓阻式力敏傳感器進行測量，其優(yōu)越性在于該儀器能夠?qū)⑽⑿×Φ臏y量轉(zhuǎn)換成電信號，并且經(jīng)過放大電路和信號處理系統(tǒng)后輸出電壓的大小恰好與外力成正比，并以數(shù)字的形式顯示[3－4].但是其缺點是環(huán)的水平調(diào)節(jié)困難，液面下降采用手控旋轉(zhuǎn)平穩(wěn)度不夠，容易帶來實驗測量誤差，為此筆者對實驗吊環(huán)和液面下降裝置進行了改進，提高了實驗測量的準確度.

2 原 理

若金屬片為環(huán)狀吊片時，考慮一級近似，可以認為脫離力為表面張力系數(shù)與脫離表面的周長的乘積，即

式中：F為脫離力，D1和D2分別為圓環(huán)的外徑和內(nèi)徑，α為液體的表面張力系數(shù).

實驗采用了高精度的硅壓阻式力敏傳感器進行測量，該傳感器是利用單晶硅材料的壓阻效應(yīng)和集成電路技術(shù)制成的傳感器.單晶硅材料在受到力的作用后，電阻率發(fā)生變化，通過測量電阻得到正比于力變化的電壓輸出信號.硅壓阻式力敏傳感器由彈性梁和貼在梁上的傳感器芯片組成，其中芯片由4個硅擴散電阻集成非平衡電橋，當(dāng)外界壓力作用于金屬梁時，在壓力作用下，電橋失去平衡，此時將有電壓信號輸出，此信號經(jīng)過放大電路和信號處理系統(tǒng)后的輸出電壓U的大小恰好與拉力成正比，即

式中：F為外力的大小，K為硅壓阻式力敏傳感器的靈敏度，ΔU為傳感器輸出電壓的大小.

3 實驗裝置存在不足

液體表面張力系數(shù)測量儀如圖1所示.

圖1 液體表面張力系數(shù)測量儀

1）吊環(huán)的水平調(diào)節(jié)困難.吊環(huán)在實驗操作中必須調(diào)節(jié)為水平，否則會引入一定的系統(tǒng)誤差.如偏差1°測量結(jié)果引人誤差為0.5%；偏差2°，則誤差為1.6%[5].吊環(huán)的水平調(diào)節(jié)是通過調(diào)節(jié)與吊環(huán)相連的3根金屬吊絲長短，要用眼睛觀察環(huán)的下沿距離水面的距離是否均勻一致.這在操作時既不方便，又不科學(xué)可靠.

2）升降臺調(diào)節(jié)的穩(wěn)定性受人手控均勻及快慢影響.升降臺調(diào)節(jié)的穩(wěn)定性對實驗的結(jié)果影響較大，在液膜即將被拉斷瞬間，微小的振動可能造成液膜過早被拉斷，造成實驗數(shù)據(jù)的偏差.

3）傳感器定標(biāo)受力大小范圍和測量拉脫液膜時的受力大小范圍不一致.定標(biāo)是在電壓大于零的區(qū)域內(nèi)進行的，得到的K是力敏傳感器在大于零的區(qū)域內(nèi)的靈敏度.而測量表面張力是力敏傳感器上懸掛的是吊環(huán)，其質(zhì)量比砝碼盤小許多，從而使得實驗過程中數(shù)字電壓表的測量值為負[6].

4）只能測量室溫時液體表面張力系數(shù)，不能測量其他溫度液體表面張力系數(shù)[7].

4 實驗裝置的改進

針對上述的4個問題找到了相應(yīng)的解決方法，具體的改進方法如下：

1）對吊環(huán)的改進.改進后的吊環(huán)增加了1個小吊環(huán)、3個小手輪和1個小水平儀[7].把原先的砝碼盤和吊環(huán)合二為一，并控制其總體質(zhì)量基本和原先的吊環(huán)差別不大.新吊環(huán)在距上沿1／3處做一帶有圓孔的底面，底面與吊環(huán)的下邊緣平行，當(dāng)做砝碼盤.新吊環(huán)既可以做吊環(huán)又可以做砝碼盤.在新吊環(huán)與掛鉤連接處做1個輕質(zhì)的小環(huán)，環(huán)上打3個均勻分布的圓孔，在圓孔處安放3根小螺絲，把原吊環(huán)的3根吊絲改為3根懸線，使懸線的一端固定在小螺絲上，另一端固定在新吊環(huán)上.實驗時把金屬框架掛在傳感器端頭的小鉤上.制作過程中，使得帶小孔的底面始終與吊環(huán)的底面平行，確保調(diào)節(jié)帶小孔底面調(diào)節(jié)水平后，就能達到吊環(huán)底面的水平調(diào)節(jié).改進后，既能保證吊環(huán)的水平調(diào)節(jié)有據(jù)可依，又能保證傳感器定標(biāo)范圍和測量拉脫液膜時的數(shù)據(jù)范圍一致.

圖2為新吊環(huán)的結(jié)構(gòu)及實物圖.通過改進，既可以方便的調(diào)節(jié)吊環(huán)的水平，又使得定標(biāo)和拉脫過程，電壓顯示在同一范圍內(nèi).

圖2 新吊環(huán)結(jié)構(gòu)及實物圖

2）升降臺調(diào)節(jié)的穩(wěn)定性.原儀器升降臺的調(diào)節(jié)是直接用手來調(diào)節(jié)的，不具有連續(xù)性和穩(wěn)定性.降低平臺引起的液面振動，尚未達到臨脫狀態(tài)，液膜破裂，導(dǎo)致測得α值減小[8]，實驗數(shù)據(jù)出現(xiàn)偏差.經(jīng)過查閱資料和做大量實驗，改進如下：把原來的玻璃容器更換為重新制作的變溫水池，夾層設(shè)置出水口和入水口，可以使夾層中的加熱液體循環(huán)流動.在靠近玻璃容器底部，透過夾層增加聯(lián)通內(nèi)外的帶開關(guān)的出水管，可以使容器內(nèi)部的液體通過開關(guān)流出.開關(guān)大小可以調(diào)節(jié)，控制內(nèi)部液體的流速，可以保證內(nèi)部液體表面均勻緩慢的下降（見圖3）.

圖3 變溫水池結(jié)構(gòu)及實物圖

3）為了能測不同溫度下液體的表面張力系數(shù)，實驗裝置中加了一個變溫水池[9]、智能PID溫度控制儀、溫度傳感器、小型水泵、固態(tài)繼電器和加熱器.用水泵使加熱器加熱后的水循環(huán)于變溫水池的夾層，對變溫水池內(nèi)的液體進行水浴加熱，溫度傳感器放在變溫水池內(nèi)，測量水池內(nèi)的待測液體的溫度，在智能PID溫度控制儀上選定溫度，開始加熱，加熱到選定溫度后裝置自動停止加熱，液體最后穩(wěn)定到選定溫度.這樣的裝置設(shè)計既能準確地測量一定溫度下液體的表面張力，又可以把原來的驗證型實驗改進為綜合型實驗.

5 實驗結(jié)果

5.1 硅壓阻力敏傳感器定標(biāo)

對硅壓阻力敏傳感器的定標(biāo)數(shù)據(jù)如表1所示，通過最小二乘法擬合得b2＝25.76，線性相關(guān)系數(shù)r＝0.999 9，正相關(guān)很強，當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣葹間＝9.799m／s2.

表1 用改進后裝置定標(biāo)數(shù)據(jù)

5.2 蒸餾水的表面張力系數(shù)的測量

用游標(biāo)卡尺測金屬圓環(huán)的內(nèi)徑D2＝32.90mm，外徑D1＝34.91mm.記錄環(huán)在即將拉斷液膜瞬間數(shù)字電壓表讀數(shù)U1，拉斷時數(shù)字電壓表的讀數(shù)U2，結(jié)果如表2所示.

表2 改進后的實驗數(shù)據(jù)

當(dāng)時水溫為25℃，自來水的表面張力系數(shù)測量值α＝71.88×10－3N／m.查表知，此溫度下水的表面張力系數(shù)的標(biāo)準值α＝72.00×10－3N／m，相對偏差為0.17%.測量時間為上午，無風(fēng).

同時用未改進的另一套儀器（定標(biāo)儀器），在同一時間、同一環(huán)境下對蒸餾水進行了測量，測量數(shù)據(jù)為：用游標(biāo)卡尺測得原金屬吊環(huán)的內(nèi)徑為D2＝32.54mm，外徑D1＝34.72mm.水的表面張力系數(shù)測量值為α＝68.54×10－3N／m.則原儀器測量數(shù)據(jù)的相對偏差為4.8%.

6 結(jié)束語

通過對上述數(shù)據(jù)的比較和分析，由結(jié)果可以明顯看出，使用改進的實驗裝置可以較明顯地提高實驗的測量準確度，減小測量誤差.同時增加了待測液體的變溫控制，使學(xué)生能夠測量液體表面張力系數(shù)與溫度的關(guān)系，增加了實驗內(nèi)容，也讓學(xué)生對影響實驗準確度的因素有了更深刻的了解.該項目的改進設(shè)計獲得了山東省物理科技創(chuàng)新大賽特等獎.

[1] 陳駿逸，范偉民.用硅壓阻式力敏傳感器測量液體的表面張力系數(shù)[J].實驗室研究與探索，2002，21（6）：42－44.

[2] 焦麗鳳，陸申龍.用力敏傳感器測量液體表面張力系數(shù)[J].物理實驗，2002，22（7）：40－42.

[3] 胡亞范，姚愛巧.用力敏傳感器測量液體表面張力系數(shù)[J].物理與工程，2005，15（6）：38－40.

[4] 劉立芳，侯雙印，侯志青，等.用力敏傳感器測量液體表面張力系數(shù)的實驗現(xiàn)象分析[J].保定師范專科學(xué)校學(xué)報，2007，20（2）：60－62.

[5] 復(fù)旦天欣科教儀器有限公司.液體表面張力測定儀說明書[Z].2003.

[6] 香茹.用敏傳感器測液體表面張力系數(shù)的實驗研究[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報，2009（5）：4.

[7] 代偉.對FD－NST－I型液體表面張力系數(shù)測量儀的改進[J].物理實驗，2011，31（10）：29－32.

[8] 賀梅英，黃沛天，徐學(xué)翔.對FD－NST－I型液體表面張力系數(shù)測定儀附件吊環(huán)改進的設(shè)計[J].大學(xué)物理實驗，2008，21（1）：62－63.

[9] 夏思淝，劉東紅，孫建剛，等.用力敏傳感器測液體表面張力系數(shù)的誤差分析[J].物理實驗，2003，23（7）：39－43.

[10] 張連芳，傅敏學(xué)，柯偉平.液體表面張力的動態(tài)測量過程研究[J].物理與工程，2010，20（1）：35－37.