一种针对竖直板上液滴的表面张力测量装置及测量方法与流程

本发明涉及物理量测量技术领域，特别涉及一种针对竖直板上液滴的表面张力测量装置及测量方法。

背景技术：

液体表面张力系数的测量在许多应用科学和工程领域都很重要，传统测量方法有拉脱法、滴定法、毛细管法、最大气泡压力法等；近年来，基于光学方法测量表面张力系数的技术被广泛的应用，如激光反射法基于几何光学知识，通过研究平行激光束被润湿效应弯曲液面反射的光场特征来实现表面张力系数的测量；激光衍射法根据液体表面毛细波对入射激光束的调制作用，通过研究反射光场的衍射条纹来实现表面张力系数的测量；除此之外还有基于泰伯效应对润湿弯曲液面成像法以及构建法布里-珀罗腔等测量方法。现有的光学测量方法往往需要较多待测样品，实验仪器昂贵、操作复杂。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的不足，本发明提供一种针对竖直板上液滴的表面张力测量装置及测量方法，以解决了现有技术中的光学测量方法需要较多待测样品或操作复杂的技术问题。

为实现上述目的，本发明的技术方案为：

一种针对竖直板上液滴的表面张力测量装置，包括光源、玻璃片、线阵ccd及计算机；光源用于产生水平光束，玻璃片竖直设置在光路上，待测液滴设置在玻璃片靠近光源的一侧表面上，待测液滴被光束贯穿；线阵ccd和光源分别设置在玻璃片的两侧，线阵ccd与光源对应设置；利用线阵ccd采集经待测液滴表面相位调制后光束的光强分布并传输至计算机。

进一步的，光源采用激光器。

进一步的，还包括测量平台，测量平台包括主滑轨、第一支架及第二支架，主滑轨沿光束水平设置，第一支架和第二支架均设置在主滑轨上，第一支架和第二支架能够沿主滑轨滑动；玻璃片设置在第一支架上，线阵ccd设置在第二支架上。

进一步的，第一支架包括第一支撑杆、连接板、第一旋钮、第二支撑杆、第二旋钮及平板夹，第一支撑杆的下端竖直设置在主滑轨上，第一支撑杆能够在主滑轨上滑动；第一支撑杆的上端与连接板的一端垂直固定连接，连接板的另一端设置第一旋钮，第二支撑杆的下端垂直设置在第一旋钮上；第二旋钮垂直水平设置在第二支撑杆的上端，平板夹与第二旋钮连接；玻璃片安装在平板夹上。

进一步的，第二支架包括第一滑轨、第二滑轨及采集台，第一滑轨竖直设置在主滑轨上，第一滑轨能够在主滑轨上滑动；第二滑轨垂直设置在第一滑轨上，第二滑轨能够在第一滑轨上上下滑动；采集台设置在第二滑轨上，采集台能够在第二滑轨上水平滑动，采集台的滑动方向与第一滑轨和第二滑轨的滑动方向垂直；线阵ccd固定设置在采集台上。

进一步的，光束的光斑直径大于待测液滴的最大半径。

本发明还提供了一种针对竖直板上液滴的表面张力测量方法，包括以下步骤：

步骤1、在玻璃片上设置待测液滴；

步骤2、开启光源，调整玻璃片的位置，使光束贯穿待测液滴；

步骤3、调整线阵ccd位置，采集经待测液滴表面相位调制后光束的光强分布；

步骤4、对获得的光强分布进行滤波处理，得到滤波后光强分布峰值的所有极大值点的位置与最大值点位置之间的距离；

步骤5、根据滤波后光强分布峰值的所有极大值点的位置与最大值点位置之间距离，计算得到待测液体表面张力系数。

进一步的，步骤5中表面张力系数表达式为：

其中，n是液体折射率，λ是光波长，h是液滴厚度，z是竖直方向的位置，ρ是液滴密度，g是重力加速度；

xi+1为函数v(x)的第i+1个峰值位置，i＝1，2，3……，函数v(x)为艾里函数的平方；

x1为函数v(x)的第一个峰值位置，且此峰值为函数v(x)的最大值；

为滤波处理后的光强分布函数的第i+1个峰值位置，i＝1，2，3……；

为滤波处理后的光强分布函数的第一个峰值位置，且此峰值为滤波处理后的光强分布函数的最大值。

进一步的，滤波处理后的光强分布函数的数学表达式为：

其中，k为常数；

l为线阵ccd与玻璃片之间的距离，z为观测面上的位置坐标；

θ为待测液滴与玻璃片之间的平衡接触角。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明一种针对竖直板上液滴的表面张力测量装置，采用将待测液体设置在竖直玻璃片上，通过对光束衍射信号的采集，进而获得液体表面张力系数，本发明中待测样品仅为液滴，待测样品少，设备简单，操作方便。

进一步的，通过将玻璃片和线阵ccd设置在测量平台上，实现了对玻璃片和线阵ccd的实时调节，确保了测量结果的准确性。

本发明还提供了一种针对竖直板上液滴的表面张力测量方法，通过将待测液滴设置在竖直方向的玻璃片上，使用光束对待测液滴进行贯穿照射，利用线阵ccd和计算机处理获得由待测液滴对入射光束的相位调制后的衍射信号图像；通过滤波处理后得到衍射信号图像中的所有极大值点的位置与最大值点位置之间距离；根据傅里叶光学知识可知，入射光束波前所受到待测液滴曲面的相位调制可以认为是物函数的傅里叶变换；根据物函数的傅里叶变换的平方正比于相应观测面上衍射光强度分布，求解出待测液体表面的张力系数的数学表达式，实现了对待测液体表面张力系数的求解；本发明采用光学方法，测量过程采用非接触式侧，对样品需求少，设备简单，可操作性强。

附图说明

图1为本发明所述的测量装置整体结构示意图；

图2为本发明所述的待测液滴截面图；

图3为本发明中所述的光强分布函数和艾里函数示意图。

其中，1光源，2测量平台，3玻璃片，4线阵ccd，5计算机，6待测液滴；21主滑轨，22第一支架，23第二支架；211第一支撑杆，222连接板，223第一旋钮，224第二支撑杆，225第二旋钮，226平板夹，231第一滑轨，232第二滑轨，233采集台。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

参考附图1所示，本发明提供了一种针对液滴的液体表面张力测量装置，包括光源1、测量平台2、玻璃片3、线阵ccd4及计算机5，

光源1用于产生水平光束，光源1采用激光器；玻璃片3竖直设置在光源1的光路上，光源1和线阵ccd4分别设置在玻璃片3的两侧；待测液滴6设置玻璃片3表面，待测液滴6设置在靠近光源1的一侧设置，待测液滴6被光束贯穿；线阵ccd4与光源1相对应，利用线阵ccd4采集待测液滴6表面相位调制后的光强分布图像；线阵ccd4的输出端通过电缆与计算机5连接，采集的光强分布图像通过电缆传输至计算机5。

玻璃片3和线阵ccd4均设置在测量平台2上，测量平台2包括主滑轨21、第一支架22和第二支架23，主滑轨21沿光束水平设置，第一支架22和第二支架23均设置在主滑轨21上，玻璃片3安装在第一支架22，通过第一支架22实现对玻璃片3位置的调整；线阵ccd4安装在第二支架23上，通过第二支架23实现对线阵ccd4的位置调节；

第一支架22包括第一支撑杆221、连接板222、第一旋钮223、第二支撑杆224、第二旋钮225及平板夹226，第一支撑杆221的下端竖直设置在主滑轨22上，第一支撑杆221能够在主滑轨21上滑动；第一支撑杆221的上端与连接板212的一端垂直固定连接，连接板222的另一端设置第一旋钮223，第二支撑杆224的下端垂直设置在第一旋钮225上，通过第一旋钮225实现对第二支撑杆224的旋转；第二旋钮225垂直水平设置在第二支撑杆214的上端，平板夹226与第二旋钮225连接；玻璃片3安装在平板夹226上；通过第一支撑杆221在主滑轨21的滑动，实现了调节玻璃片3与光源1和线阵ccd4之间的距离；通过调节第一旋钮223和第二旋钮225，实现了调节玻璃片3与光束之间的夹角，确保测量过程中玻璃片3与光束垂直。

第二支架23包括第一滑轨231、第二滑轨232及采集台233，第一滑轨231竖直设置在主滑轨21上，第一滑轨231能够在主滑轨21上滑动；第二滑轨232垂直设置在第一滑轨231上，第二滑轨232能够在第一滑轨231上上下滑动；采集台233设置在第二滑轨232上，采集台233能够在第二滑轨232上水平滑动，采集台233的滑动方向与第一滑轨231和第二滑轨232的滑动方向垂直；线阵ccd4固定设置在采集台233上。

本发明还提供了一种针对液滴的液体表面张力系数测量方法，包括以下步骤：

步骤1、在玻璃片3上设置待测液滴6。在玻璃片3上设置液滴时，采用滴灌的方式在玻璃片3的表面滴上液体，确保液滴在玻璃片3表面稳定或缓慢滑动，液滴的体积不能过大。

步骤2、开启光源1，调整玻璃片3的位置，使水平光束垂直贯穿待测液滴6并保持稳定；光束的光斑直径大于待测液滴6的最大直径，光束保持照射在待测液滴的上半部分。

步骤3；调整线阵ccd4位置，采集经待测液滴6表面相位调制后光束的光强分布。

步骤4、对获得的光强分布进行滤波处理，根据滤波后的光强分布中第i+1个条纹峰值位置与第一个条纹峰位置的间距；

步骤5、根据滤波后的光强分布中第i+1个条纹峰值位置与第一个条纹峰位置的间距，计算得到待测液体的表面张力系数，液体表面张力系数的数学表达式为：

其中，n是液体折射率，λ是光波长，h是液滴厚度，z是竖直方向的位置，ρ是液滴密度，g是重力加速度；

xi+1为函数v(x)的第i+1个峰值位置，i＝1,2,3……，函数v(x)为艾里函数的平方；

x1为函数v(x)的第一个峰值位置，且此峰值为函数v(x)的最大值；

为滤波处理后的光强分布函数的第i+1个峰值位置，i＝1，2，3……；

为滤波处理后的光强分布函数的第一个峰值位置，且此峰值为滤波处理后的光强分布函数的最大值。

其中函数v(x)的数学表达式为：

v(x)＝(ai(x))²；

其中，ai(x)是艾里函数。

滤波处理后的光强分布函数的数学表达式为：

其中，k为常数，l是线阵ccd与玻璃片之间的距离；

z为观测面上的位置坐标，θ是液体与玻璃片之间的平衡接触角。

计算原理：

参考附图2、3所示，位于平摊的竖直玻璃片表面的待测液滴截面是反映待测液滴液体厚度的函数，该函数可以通过求解雷诺方程得到：

其中，h是液滴厚度z是竖直方向的位置，ρ是液滴密度，γ是表面张力系数，g是重力加速度，θ是液滴与固体表面的平衡接触角。

当光束透射在液滴上，入射光波受到液滴曲面的相位调制，根据傅里叶光学，入射光波所受到液滴曲面的相位调制可以认为是物函数的傅里叶变换,在垂直入射的情况下，物函数可写为:

其中n是液体折射率，λ是光波长，因此，相应观测面上的光强分布函数的数学表达是表示为：

其中，k为常数；l是线阵ccd与玻璃片之间的距离；z观测面上的位置坐标。

引入函数v(x)＝(ai(x))²，其中ai(x)是艾里函数，因此，(3)式是对v(x)坐标变换的结果。

设函数v(x)的第i个峰值位置为xi(i＝1，2，3……),其中最大的峰值位置为x1

观测面上衍射光强分布函数的第i个条纹的峰值位置为其中最大的峰值位置为

因此，可以得到液体表面张力系数的数学表达式为：

以上述依据本发明的实施例为启示，通过上述的说明内容，本领域技术人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。