液體表面張力系數測定儀器的改進*

陳慶東　王俊平

(濱州學院航空工程學院　山東 濱州　256600)

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液體表面張力系數測定儀器的改進*

陳慶東王俊平

(濱州學院航空工程學院山東 濱州256600)

摘 要：對FD-NST-I型液體表面張力系數測定儀進行了改進，把單金屬吊環改為用絕緣體接起的入水通電吊環，把玻璃容器更換為雙層變溫水池，利用STM32來進行力敏傳感器數據的輸出和對液體溫度的控制，可以有效地減小誤差和更好研究溫度對此液體表面張力系數的影響.

關鍵詞：表面張力系數吊環FD-NST-ISTM32

1引言

液體的表面張力是表征液體性質的一個重要參數.測量液體的表面張力系數有多種方法，有拉脫法[1]、滴重法、毛細管法、U型管法、水波頻閃法、光纖干涉法[2]等等，其中拉脫法是測量液體表面張力系數常用的方法之一.

FD-NST-I型液體表面張力系數測定儀[3]是一種新型拉脫法液體表面張力系數測定儀,由上海某高校物理實驗教學中心與上海某科教儀器有限公司聯合研制.用硅壓阻力敏傳感器測量液體與金屬相接觸的表面張力，將微小力的變化通過壓敏電阻轉化成電壓的變化，通過對傳感器進行定標，然后測量吊環拉斷前后的電壓差，計算出液體表面張力系數.

本文針對實驗教學中存在的一些問題，對測量儀器的一些不足之處進行改進.為了讓學生更好地理解液體表面張力系數和溫度的變化關系，增加了不同溫度下液體表面張力系數的測量內容，豐富了實驗項目的內容.通過對儀器的改進，提高了實驗的測量精度，增加儀器的測量功能，使學生更容易操作.

2實驗裝置存在的不足

在實驗教學過程中和學生做實驗的過程中，發現此儀器存在以下不足：

(1)現有儀器吊環的水平調節裝置是通過調節3根細金屬絲，憑感覺判斷吊環下沿是否水平，吊環是否水平很難判斷，用此方法調水平既原始也不科學，而且沒有判斷依據.實驗時，教師一方面強調吊環水平的重要性，但另一方面吊環水平的判斷又只能依靠目測，導致很多學生對該實驗的興趣不高，實驗效率低.

(2)液面升降采用旋轉螺絲手動升降法，液體和吊環都裸露在實驗室中，這樣在進行實驗時，手動調節會引起被測液面的震動，同時受到周圍氣流的影響，都會在實驗中導致液體薄膜在表面張力未達到臨界狀態就斷裂，容易帶來實驗誤差.

(3)新型FD-NST-I液體表面張力系數測定儀，只能測量室溫下的液體表面張力系數，不能測量出張力系數與外界溫度之間的關系，實驗內容單一.

(4)原有的儀器靠肉眼判斷液面脫離，液面脫離的過程發生在一瞬間，時間很短，對脫離之前的電壓讀數很不好把握，有時觀察到液面脫離了，這邊的電壓表讀數已經跳了，讀數存在較大誤差.

3實驗裝置的改進

針對以上實驗儀器存在的不足之處，提出以下改進方案：

(1)吊環的改動.在不改變原有吊環形狀的同時，把吊環用絕緣體分成兩個部分，接出導線，使其入水通電，水膜斷裂即停.由于水是弱導電性，我們又采用了電壓比較電路(圖1)，使吊環可以靈活地及時地對水膜破裂的時刻進行匯報.

圖1　電壓比較電路

(2)為了讓學生更好地理解和掌握液體表面張力系數隨溫度的變化關系,對新型FD-NST-I液體表面張力系數測定儀設計了加熱和控溫裝置，對測量液體進行了變溫控制，從而本實驗項目可以測量在不同溫度下的液體表面張力系數，具體改進如下.

對水容器進行的改進見圖2，借鑒了相關文獻[4]的一些好的方法，把容器改為雙層的玻璃缸，內層儲待測液體且有一個出水口，外層容器對內層溫度控制且有一進水口和出水口.由玻璃缸、加熱器、溫控儀、小水泵和輸液管組成水循環加熱系統，外層水循環加熱系統工作流程圖見圖3.首先小水泵的兩端都接上輸液管(一定要保證密封)，一端輸入水浴缸外層，另一端用于抽水.玻璃缸內固定加熱器，溫控儀接收器，小水泵抽水管和雙層水浴缸的出水管.此項設計可以有效地對實驗液體進行溫度的控制并且在進行其循環工作的同時不干擾到其他系統的工作.

圖2　水容器圖

(3)最重要的一部分就是用STM32將原儀器替換.此部分是由特制吊環，力敏傳感器，STM32，12864液晶屏等組成的數據處理系統.經過對力敏傳感器原理的探索，利用STM32AD轉換可以成功地把傳感器內的模擬信號轉換成數字數據，并且STM32連接吊環，對工作狀態進行實時監控，比起液體表面張力系數儀器更加精確可靠，且能耗低.

首先，需要把力敏傳感器與單片機連接，實現數據的傳輸，再由單片機把數據以圖像的形式在液晶屏上進行實時的顯示，具體的數據處理系統工作流程圖見圖4.

圖3　外層水循環加熱系統工作流程圖

圖4　數據處理系統工作流程圖

4實驗數據分析

表1　原儀器測量數據

游標卡尺測得原有吊環外徑D1=35.00 mm,內徑D2=32.8 mm,用原來的數字電壓表測得在環將拉斷液膜瞬間的讀數U1和拉斷后瞬間的讀數U2,并做出表格(表1)，求出相應數據.計算求得自來水的表面張力系數測量值α= 65.74 mN·m-1. 由此可知原儀器測量數據的誤差為 8.99%.

經過研究原有儀器的不足，和對原實驗儀器測量數據的分析，對儀器進行改進后，對力敏傳感器重新定標，在室溫下由表2數據進行計算所得的值求平均，得出水的表面張力系數測量值為α=72.49 mN·m-1，當時的水溫為20℃,經查表知，此溫度下水的表面張力系數的標準值α=72.75 mN·m-1，實驗測量所得的百分誤差為0.35%.通過儀器對待測液體溫度的控制，分別在20，40，60，80℃下進行了數據的采集，得到了如表3數據.

表2　改良后儀器測量數據

表3　不同溫度下水的表面張力系數

5結束語

本文針對在實驗教學過程測量液體表面張力系數存在的問題，對原有的FD-NST-I液體表面張力系數測定儀進行改進，同時增加了不同溫度下的液體表面張力系數的實驗內容，改進后的實驗裝置與原實驗裝置相比，繼承了原裝置的優點，同時改進了原裝置操作中的不足之處.將實驗室已有裝置進行重新組合，便于實驗室推廣運用，同時豐富了實驗項目內容，提高了實驗精度，改進后的儀器的實驗百分誤差降低到0.35%，降低了實驗操作難度，同時又削減了實驗成本.

參 考 文 獻

1趙群.液體表面張力系數測量方法比較研究.安徽科技學院學報，2010,24(2):44～47

2朱英昊，康娟，桑濤,等.基于光纖干涉法的液體表面張力系數測量及溫度影響研究. 2015,26(1):130～134

3龍臥云，李晶．FD-NST-I型液體表面張力系數測定儀的改進.高校實驗室工作研究，2013，116(2)：40～42

4馬國利，馮偉偉．液體表面張力系數測量裝置的改進．物理實驗，2012，32(3):25～28

ImprovementonMeasurementInstrumentofLiquidSurfaceTensionCoefficient

ChenQingdongWangJunping

(Facultyofaerospaceengineering,BinzhouUniversity,Binzhou,Shandong256600)

Abstract:The FD-NST-I coefficient of liquid surface tension apparatus is improved ,The single metal rings is replaced by rings attached insulators which is powered on when pick up into the water, the glass container change into double-layer varying temperature pools, The output of the sensor data and liquid temperature is controlled by STM32, it can effectively reduce the error and better study the effect of temperature to the liquid surface tension coefficient.

Key words:surface tension coefficient；rings；FD-NST-I；STM32

(收稿日期：2015-10-22)

*作者簡介：陳慶東(1981-),男，碩士，實驗師，主要研究方向為物理實驗教學與管理.

* 濱州市科技發展計劃項目,項目編號：2014ZC0307；濱州學院科研基金項目,項目編號：BZXYG04 ；濱州學院科研基金項目,項目編號：BZXYG1513； 濱州學院教學研究項目,項目編號：BYJYWZ201338;山東省本科高校教學改革研究項目，項目編號：2015M027