崔新圖，沈　韓，方奕忠，王　鋼，廖德駒，馮饒慧

(中山大學(xué) 物理科學(xué)與工程技術(shù)學(xué)院，廣東 廣州 510275)

基于NI myDAQ數(shù)據(jù)采集器的表面張力系數(shù)測(cè)量系統(tǒng)

崔新圖，沈韓，方奕忠，王鋼，廖德駒，馮饒慧

(中山大學(xué) 物理科學(xué)與工程技術(shù)學(xué)院，廣東 廣州 510275)

摘要：基于NI myDAQ數(shù)據(jù)采集器、應(yīng)變式力傳感器和位移傳感器，用LabVIEW設(shè)計(jì)和制作了拉脫法測(cè)液體表面張力系數(shù)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)可完整定量地記錄液面拉破前后液面高度和液體表面張力的變化過(guò)程，液面高度測(cè)量精度達(dá)到0.01 mm，表面張力測(cè)量精度達(dá)到10-5N. 用該系統(tǒng)測(cè)量了水、乙醇及其混合液體的表面張力系數(shù)，發(fā)現(xiàn)隨著乙醇體積分?jǐn)?shù)的增加，表面張力系數(shù)呈非線性遞減，且液膜可拉伸長(zhǎng)度也非線性減小.

關(guān)鍵詞：NI myDAQ；表面張力系數(shù)；應(yīng)變式拉力傳感器；液位傳感器；LabVIEW

1引言

液體表面張力系數(shù)測(cè)量是大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的一個(gè)重要的實(shí)驗(yàn)題目[1-2]. 測(cè)量液體表面張力系數(shù)的實(shí)驗(yàn)方法有許多種，例如采用約利彈簧秤和拉力傳感器的拉脫法[3]、最大氣泡法[4]、毛細(xì)管法[5]、表面波激光干涉法[6]等. 目前國(guó)內(nèi)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中大多采用基于拉力傳感器的拉脫法，其他方法由于設(shè)備比較復(fù)雜昂貴，或者測(cè)量精度不高而較少采用. 用拉脫法進(jìn)行測(cè)量時(shí)需要在液面下降的過(guò)程中人工關(guān)注約利彈簧秤的伸長(zhǎng)量或數(shù)字毫伏表的讀數(shù)，并記錄液面拉破瞬間的數(shù)值，操作難度較大，測(cè)量周期長(zhǎng)，人為讀數(shù)誤差較大，難以記錄液面拉伸過(guò)程中拉力的變化情況. 為解決上述問(wèn)題，基于美國(guó)國(guó)家儀器公司(簡(jiǎn)稱NI)的NI myDAQ數(shù)據(jù)采集器[7]，用LabVIEW設(shè)計(jì)了液體表面張力系數(shù)的測(cè)量系統(tǒng)，并用該系統(tǒng)測(cè)量了純水和不同體積分?jǐn)?shù)的乙醇水溶液的表面張力系數(shù).

2液體表面張力測(cè)量系統(tǒng)

2.1　測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

測(cè)量系統(tǒng)原理框圖如圖1所示，核心是1臺(tái)NI myDAQ數(shù)據(jù)采集器，其A/D轉(zhuǎn)換的精度達(dá)到16位，用LabVIEW軟件編程控制. 應(yīng)變傳感器與拉脫法測(cè)量時(shí)使用的金屬絲、金屬環(huán)或金屬板相連，受力變形后的輸出電壓與所受的拉力成正比，該電壓由NI myDAQ采集和處理，經(jīng)標(biāo)定后可以直接讀出拉力的大小. 位移傳感器用于測(cè)量升降臺(tái)的升降距離，由此算出拉脫法測(cè)量過(guò)程中液面的位移量. 傳感器的輸出電壓與位移量成正比，經(jīng)標(biāo)定后可以直接讀出位移量的數(shù)值. 自行設(shè)計(jì)和編制的基于LabVIEW的測(cè)控軟件包括實(shí)驗(yàn)介紹、傳感器標(biāo)定、表面張力數(shù)據(jù)采集以及數(shù)據(jù)分析等幾個(gè)主要的功能，其中表面張力數(shù)據(jù)采集功能的前面板如圖2所示，可以同時(shí)顯示液面下降量、表面張力以及它們之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，可將液面拉破前后的動(dòng)態(tài)過(guò)程完整地記錄下來(lái). 所有的測(cè)量數(shù)據(jù)自動(dòng)保存在計(jì)算機(jī)中，便于后續(xù)調(diào)用和處理.

圖1　測(cè)量系統(tǒng)原理框圖

圖2　實(shí)驗(yàn)測(cè)控軟件前面板圖

2.2　測(cè)量系統(tǒng)的標(biāo)定

測(cè)量系統(tǒng)的標(biāo)定包括2部分，一是對(duì)拉力傳感器的標(biāo)定，二是對(duì)液位傳感器的標(biāo)定. 兩傳感器的標(biāo)定曲線分別如圖3和圖4所示，其中圖3的橫坐標(biāo)為所受拉力，縱坐標(biāo)為傳感器的輸出電壓；圖4 的橫坐標(biāo)為承托表面皿的升降臺(tái)的下降量，即液面的下降量，縱坐標(biāo)為位移傳感器的輸出電壓. 由圖3~4可見(jiàn)兩傳感器的線性度很好，線性擬合的相關(guān)系數(shù)都大于0.999.

圖3　拉力傳感器標(biāo)定曲線

圖4　液位傳感器標(biāo)定曲線

3實(shí)驗(yàn)結(jié)果

用上述系統(tǒng)測(cè)得純水表面張力F隨液面下降量L變化的關(guān)系曲線如圖5所示，不銹鋼絲長(zhǎng)度為57.48 mm、直徑為0.32 mm，鋁環(huán)外徑34.98 mm、內(nèi)徑32.89 mm、高度9.95 mm，并扣除了鋁環(huán)重力的影響.

圖5　鋼絲和鋁環(huán)測(cè)量下降量與拉力關(guān)系曲線

由圖5可見(jiàn)，2條曲線均為單峰型，其中鋁環(huán)曲線可明顯地劃分為3個(gè)區(qū)段：A段吊環(huán)緩慢從液體中拉離液面并拉伸出水膜，鋁環(huán)所受浮力逐漸減小，所受拉力緩慢增大至最大值.B段吊環(huán)繼續(xù)提升，底部高于水面，浮力為零，水膜繼續(xù)拉伸但不破裂. 由于吊環(huán)有一定的厚度，內(nèi)外液膜發(fā)生彎曲，對(duì)吊環(huán)在豎直方向上的拉力緩慢減小.C段水膜突然破裂，吊環(huán)完全脫離液面，拉力發(fā)生突變. 由于鋼絲較細(xì)，液膜彎曲的現(xiàn)象可以忽略不計(jì)，故鋼絲曲線中B段幾乎不存在，液面拉破時(shí)張力直接從最大值跳變. 故采用鋁環(huán)進(jìn)行測(cè)量時(shí)，需采用拉力傳感器輸出電壓的最大值而不是跳變時(shí)的電壓值來(lái)計(jì)算表面張力系數(shù)，而采用鋼絲進(jìn)行測(cè)量時(shí)就可以直接采用跳變時(shí)的電壓值進(jìn)行計(jì)算. 由圖5還可以發(fā)現(xiàn)，采用鋁環(huán)進(jìn)行測(cè)量，液面破裂前下降了約7.5 mm的距離，而采用鋼絲，液面破裂前只下降了約1.2 mm.

不同體積分?jǐn)?shù)的乙醇水溶液表面對(duì)鋁環(huán)的拉力與液面下降量之間的變化關(guān)系曲線如圖6所示. 由圖6可見(jiàn)，不同體積分?jǐn)?shù)的乙醇水溶液的表面張力曲線變化規(guī)律一致，都為單峰曲線，都可劃分為A，B，C3個(gè)區(qū)段，只是乙醇的體積分?jǐn)?shù)越低，表面張力越大，液膜拉破前可以拉伸的距離越長(zhǎng).C段時(shí)液膜破裂，但拉力傳感器仍受到鋁環(huán)重力的作用. 與圖5相比，由于圖6中未扣除該作用的影響，故拉力的數(shù)值不為零.

圖6　不同體積分?jǐn)?shù)的乙醇水溶液表面張力　隨液面下降量變化關(guān)系曲線

4討論與分析

液體表面張力系數(shù)α的計(jì)算公式[3]為

其中，F(xiàn)為表面張力的最大值(即拉脫力)，D1和D2分別為金屬環(huán)的外徑和內(nèi)徑. 計(jì)算出乙醇水溶液的表面張力系數(shù)隨乙醇體積分?jǐn)?shù)的變化關(guān)系曲線如圖7中曲線a所示，可見(jiàn)表面張力系數(shù)α隨乙醇體積分?jǐn)?shù)的增加近似為指數(shù)減小. 為了進(jìn)行對(duì)比，還采用液面破裂前的拉力計(jì)算了溶液的表面張力系數(shù)α隨體積分?jǐn)?shù)的變化關(guān)系如圖7中曲線b所示，其變化趨勢(shì)與曲線a基本一致.

圖7　乙醇水溶液表面張力系數(shù)隨體積分?jǐn)?shù)的　變化關(guān)系曲線

5結(jié)論

只要使用靈敏度足夠高的應(yīng)變式拉力傳感器使受力時(shí)傳感器的輸出電壓大于1 mV，就可使用基于NI myDAQ的表面張力實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)精確測(cè)量液體的表面張力，測(cè)量靈敏度可達(dá)到10-5N. 同時(shí)利用NI myDAQ的2個(gè)模擬輸入通道同時(shí)采集數(shù)據(jù)，可以直觀定量地觀測(cè)拉脫過(guò)程中拉力隨液面下降距離的變化關(guān)系曲線及液面拉伸度受表面張力系數(shù)大小的影響程度，對(duì)表面張力系數(shù)測(cè)量結(jié)果比較準(zhǔn)確，重復(fù)性好.

參考文獻(xiàn)：

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[責(zé)任編輯：任德香]

Measuring surface tension coefficient based on NI myDAQ

CUI Xin-tu， SHEN Han， FANG Yi-zhong， WANG Gang， LIAO De-ju， FENG Rao-hui

(School of Physics and Engineering, Sun Yat-sen University, Guangzhou 510275, China)

Abstract:A system of measuring the surface tension of liquid was designed based on NI myDAQ and LabVIEW. A force sensor and a displacement sensor were integrated into the system, therefore, the surface tension and the liquid level could be quickly recorded at the same time. The precisions were 10-5N and 0.01 mm, respectively. By using this system, the surface tensions of water, alcohol, and their mixture were measured. It was found that the surface tension coefficient nonlinear decreased with the volume fraction of alcohol.

Key words:NI myDAQ; surface tension coefficient; strain type force sensor; liquid level sensor; LabVIEW

中圖分類號(hào)：O351.1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1005-4642(2015)03-0006-04

通訊作者：沈韓(1973-)，男，廣東潮州人，中山大學(xué)物理科學(xué)與工程技術(shù)學(xué)院副教授，博士，從事大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)與研究工作.

作者簡(jiǎn)介：崔新圖(1976-)，女，廣東廣州人，中山大學(xué)物理科學(xué)與工程技術(shù)學(xué)院工程師，學(xué)士，從事大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)與研究工作.

基金項(xiàng)目：中山大學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革基金項(xiàng)目資助(No.YJ201109)

收稿日期：2014-09-10