液体表面张力系数的测定讲义

一、实验目的

    1．测量液体的表面张力系数

2．观察拉脱法测液体表面张力的物理过程和物理现象

3．学习硅压阻力敏传感器的定标方法

二、实验原理

液体的表面张力是表征液体性质的一个重要参数。液体的表面张力系数在物理和物理化学领域中有重要作用,常用的测量方法有拉脱法、毛细管法和最大泡压法等。用拉脱法测量时,所测的液体表面张力在1 ×10-3 N 至1×10-2 N 之间,因而所用测力仪器必须量程范围小,灵敏度高,稳定性好。新发展的用硅压阻式力敏传感器制成的半导体应变计,能满足这些要求,其灵敏度约为3 ×103mV/ N ,测量结果的准确度高,并可使用数字信号显示。

1．组成和测量原理

测量一个已知周长的金属圆环从待测液体表面脱离时所需要的力,从而求得该液体的表面张力系数的方法称为拉脱法。

使用金属吊环法,考虑一级近似可认为脱离力为表面张力系数乘上脱离表面的周长,即：

                                                 （1）

式中,为脱离力,分别为圆环的外径和内径,为液体的表面张力系数。

半导体应变计又称硅压阻式力敏传感器,它利用半导体压阻效应,采用半导体的集成电路工艺和微细加工技术,使应变部分与感应膜部形成一体,并将输出信号放大电路,信号处理电路等集成在同一块芯片制成。因此,具有输出信号大,频率响应快,电路处理方便,可靠性高,体积小,重量轻等优点,可用于压力、拉力、扭矩、位移、角速度和加速度等物理量的测量和控制,也可用于血压、颅压、心音、脉搏等生理,生化指标的测量和控制系统中。

半导体应变计由弹性梁(金属薄片) 和贴在梁上的传感器芯片组成,如图1 所示：

图1 　半导体应变器的位置　　　　　　　　图2 　传感器的内部电路

图中：1 为传感器芯片,2 为弹性梁,3 为挂钩。

传感器芯片由4 个硅扩散电阻集成一个非平衡电桥,如图2 所示。

当外界压力作用于弹性梁上时,在压力作用下,电桥失去平衡,此时将有电压信号输出,输出电压大小与所加外力成正比，即：

                                                           （2）

式中,为外力的大小,为半导体应变计的灵敏度,为传感器输出电压的大小。

2．实验装置

实验仪器如图3 所示：

三、实验仪器

FD-NST-Ⅰ液体表面张力系数测定仪一台，硅压阻力敏传感器一个，垂直调节台一架，铝合金吊环一个，吊盘一个，0.5g片码七只（硅压阻力敏传感器定标用），玻璃皿一套，镊子一把，温度计一个，游标卡尺一把

四、实验步骤

1．接通数字电压表,将仪器预热15 分钟。 

2．清洗玻璃器皿和吊环。

3．在玻璃器皿内放入被测液体（水）并安放在升降台上。（玻璃器皿底部可用双面胶与升降台面贴紧固定）

4．在传感器梁端头小沟中,挂上吊盘,将数字电压表示值调为零。对力敏传感器定标：

在吊盘中依次加入0.5g的片码,并依次记录相应质量下数字电压表的读数,用最小二乘法拟合,求出仪器的灵敏度。（安放砝码时应尽量轻）

5．用游标卡尺测量出铝合金吊环的外径和内径。（各测五次）

6．在使用NaOH 溶液去污后,将金属环用纯水和待测液体洗净后擦干,挂在传感器的小钩上,调节底板下的螺丝并使环的下沿和液面平行。

7．调节培养皿下的升降台,使其上升直至环的下沿全部浸没于待测液体中。然后反方向调节升降台,使液面逐渐下降,这时, 吊环和液面间形成一环形液膜,继续使液面下降,测出数字电压表在环形液面即将拉断时的读数和拉断后瞬间的读数。

在测定液体表面张力系数的过程中，可观察到液体产生的浮力和张力的情况与现象，并可观察吊环浸入液体中及从液体中拉起时的物理过程和现象。

8．将实验数据代入和式,求出该液体的表面张力系数。

五、实验数据记录及处理

1．硅压阻力敏传感器定标

温度：t=       

1．吊环须严格处理干净。可用NaOH 溶液洗净油污或杂质后，用清洁水冲洗干净，并用热吹风烘干。

2．吊环水平须调节好，注意偏差，测量结果引入误差为0.5%；偏差，则误差为1.6%；。

3．在旋转升降台时，尽量使液体的波动要小。

4．实验室不宜风力较大，以免吊环摆动致使零点波动，所测系数不正确。

5．力敏传感器使用时用力不宜大于0.098N。过大的拉力使传感器容易损坏。

6．实验结束须将吊环用清洁纸擦干，并用清洁纸包好，放入干燥缸内。

7．在实验过程中，应防止灰尘和油污及其它杂质污染被测液体，特别注意手指不要接触被测液体。