王本陽，毛曉芹，劉 一，曲文葛，王新順，郎昌鵬

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)(威海) 理學(xué)院 光電科學(xué)系,山東 威海 264209)

液體的表面張力是討論液體表面現(xiàn)象，了解液體性質(zhì)的重要物理參量. 液體表面張力使液體表面具有自發(fā)收縮的趨勢以保持液體的表面積最小. 形成球形液滴的原因即是液滴受到液體表面張力的作用[1]. 單位長度液膜上的表面張力的大小即等于液體的表面張力系數(shù). 液體表面張力系數(shù)與液體溫度、壓強、密度、純度以及液體種類等因素有關(guān). 精確測量液體表面張力系數(shù)在化工生產(chǎn)和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域具有重要意義. 測量液體的表面張力系數(shù)有多種方法，拉脫法是測量液體表面張力系數(shù)常用的方法. 用拉脫法測量液體表面張力時，液體表面張力在1×10-3～1×10-2N之間，對測量拉力的傳感器要求較高. 常用的拉力傳感器有硅壓阻式力敏傳感器(利用非平衡電橋)[2-4]和位移力敏傳感器(利用霍爾傳感器). 本文利用自制的高靈敏度的光纖拉力傳感器測量水的液體表面張力系數(shù)，取得了較好的效果.

1 實驗原理

1.1 拉脫法測量液體表面張力系數(shù)原理

測量已知周長的金屬片從待測液體表面脫離時需要的力，求得該液體表面張力系數(shù)的實驗方法稱為拉脫法. 若金屬片為圓環(huán)時，考慮一級近似，可以認為脫離力為液體表面張力系數(shù)乘以脫離表面的周長[5]，即

F=απ(D1+D2),

(1)

式中，F(xiàn)為拉脫力，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).

1.2 高靈敏度光纖F-P干涉型拉力傳感器原理

實驗采用的力敏傳感器為光纖法布里-珀羅干涉型拉力傳感器，其基本原理為，通過在光纖內(nèi)制備微腔，微腔的兩側(cè)能夠在光纖纖芯處形成2個反射面，光纖纖芯內(nèi)的光信號經(jīng)過微腔的兩側(cè)時會分別被反射回2束光，在光纖中形成雙光束F-P干涉.

自制的拉力傳感器實物如圖1所示，該傳感器將光纖一端拉制成超長細錐，將其插入并熔接到光纖微型腔內(nèi). 假設(shè)實際F-P干涉長度為L1，微腔總長度為L2，插入微腔的細錐長度為L3，則L3=L2-L1. 例如，L1和L2在圖1中分別為138 μm和1 100 μm. 第m級F-P干涉峰的中心波長為[6]

圖1 自制高靈敏度光纖F-P干涉型拉力傳感器實物圖

(2)

光纖中微腔內(nèi)為空氣，折射率n=1.00. 當(dāng)光纖兩端施加拉力F時，由于光纖的拉伸變形，腔長將發(fā)生改變，導(dǎo)致干涉峰中心波長移動. 拉力F引起干涉峰中心波長移動的靈敏度為

(3)

(4)

由式(4)可知， 當(dāng)F-P干涉譜中的單頻光作為入射光(1 550 nm)，應(yīng)變力靈敏度的值與L2/L1成正比. 通過實驗測量圖1傳感器的應(yīng)變力靈敏度約為18.06 nm/N[6]. 因此當(dāng)拉力導(dǎo)致光纖F-P干涉腔的腔長發(fā)生變化，反射光的干涉譜，即干涉峰的位置會發(fā)生變化，反映在干涉譜上某波長附近的光強會發(fā)生變化. 此時利用光電探測器將光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枺娦盘柾ㄟ^放大后可以看到拉力變化時輸出電壓也相應(yīng)發(fā)生變化.

2 實驗裝置

高靈敏度光纖F-P干涉型拉力傳感器的一端通過光纖環(huán)形器和單頻激光器、拉力信號解調(diào)系統(tǒng)相連，另一端連接吊環(huán). 一盛水的玻璃皿放在可通過螺旋測微器旋鈕調(diào)節(jié)高度的平臺上，使吊環(huán)懸于玻璃皿正上方. 通過調(diào)節(jié)平臺的高度進行實驗. 拉力信號解調(diào)系統(tǒng)利用光電探測器測量環(huán)形器輸出的干涉光譜，數(shù)據(jù)采集軟件部分用LabVIEW編程來實現(xiàn)數(shù)據(jù)自動采集. 整體實驗裝置原理圖如圖2所示.

圖2 基于光纖拉力傳感器的測量裝置原理圖

3 實驗測量和數(shù)據(jù)處理

整機預(yù)熱 15 min以后，對力敏傳感器進行定標(biāo). 在加砝碼前首先對儀器調(diào)零，然后在力敏傳感器上分別加0.2～7.0 g砝碼，測出相應(yīng)的電壓輸出值. 測量傳感器靈敏度的定標(biāo)曲線如圖3所示. 從圖3中可看到輸出電壓和拉力成正比. 通過最小二乘法對實驗測量點做擬合得到傳感器的靈敏度k為64.5 mV/N，相關(guān)系數(shù)為0.994.

圖3 輸出電壓和拉力的定標(biāo)曲線

以測量室溫下水的液體表面張力系數(shù)為例. 調(diào)節(jié)玻璃皿下的升降臺，使其緩慢上升，將圓環(huán)全部浸沒于水中，反向調(diào)節(jié)升降臺，使液面逐漸下降，這時金屬圓環(huán)和液面間形成環(huán)形液膜. 繼續(xù)下降液面，測出環(huán)形液膜即將拉斷前瞬間電壓讀數(shù)值U1和液膜拉斷后瞬間電壓讀數(shù)值U2. 實驗過程中輸出電壓隨時間的變化曲線如圖4所示. 圖4中右側(cè)的波浪線主要是由于液膜斷裂后，金屬環(huán)上下振動導(dǎo)致的. 這里k=64.5 mV/N,U1=3.08 mV,U2=1.74 mV,D1=44.74 mm,D2=43.50 mm. 由公式[7-8]

圖4 輸出電壓U隨時間t的變化曲線

(5)

重復(fù)測量后可以得到水在室溫下的表面張力系數(shù)為(0.076±0.001) N/m，平均值與20 ℃時的標(biāo)準值0.073 N/m[9]相比，相對偏差為4.1%.

4 結(jié)束語

拉脫法中，利用法布里-珀羅干涉原理設(shè)計高靈敏度光纖拉力傳感器，結(jié)合單頻激光器、光纖環(huán)形器、光功率計和信號采集卡進行信號解調(diào). 測量得到傳感器電壓相對于拉力的靈敏度約為64.5 mV/N， 室溫下水的表面張力系數(shù)為(0.076±0.001) N/m，平均值與20 ℃標(biāo)準值的相對偏差約為4.1%. 利用光纖F-P干涉型拉力傳感器在實際微應(yīng)力監(jiān)測領(lǐng)域例如建筑物健康監(jiān)測、鐵軌應(yīng)變監(jiān)測等也具有應(yīng)用前景.