一种液体表面张力系数的非接触式测量装置及方法

1.本发明属于测量仪器设备领域，具体的涉及一种液体表面张力系数的非接触式测量装置及方法。


背景技术：

2.用分子论观点看，由于分子间有引力，液体表面有尽量收缩的趋势。这种沿着表面使液面收缩的力称为表面张力。液体表面张力系数的测量方法分为两类：接触法和非接触法。接触法测量技术例如拉脱法，作为一种力学平衡测量法，在计算时粗略地忽略了液膜的重力，且吊盘的水平程度对测量结果的准确性会产生较大的影响。与接触法相比，非接触法测量具有快速、无损和简单实用等优点。非接触法测量技术，例如激光衍射法，通过对液体表面波光衍射的分析，得到衍射光场的分布和表面波之间的解析关系，根据这一关系测出液体表面张力系数；然而，该方法在普通实验条件下现象不明显，需要较大的观察距离，且需要采用高频振动源。更重要的是衍射条纹容易受到外界环境的干扰，难以保持稳定，实验条件要求比较高。
3.为此，需要改进现有的测量方法，以提高测量精度。


技术实现要素：

4.为解决上述背景技术中存在的问题，本技术提出一种液体表面张力系数的非接触式测量装置以及利用该非接触式测量装置的测量方法。利用该该非接触式测量装置实现对待测液体样品表面张力系数的精确测量。
5.为实现上述的目的，本技术采用如下的技术方案：
6.一种液体表面张力系数的非接触式测量装置，其特征在于，包括：光源、样品槽、振动源、振子、漫反射面、图像采集器及图像处理器；
7.光源配置成发出的入射光斜入射至样品槽；
8.样品槽，其用于容纳待测液体样品，且所述样品槽的槽底设置有漫反射面；振子，其与振动源相连接，所述振子设置于样品槽中，用于激励待测液体样品且在其表面产生表面波；
9.图像采集器，其对准所述样品槽，所述图像采集器用于采集待测液体样品的表面图像并将采集的图像传输至图像处理器，所述表面图像包括明暗相间的条纹图案；
10.光源发出的入射光经待测液体样品表面波相位调制后携带该表面波的相位信息，携带了表面波相位信息的入射光被所述漫反射面反射后再次与表面波相遇，经表面波的第二次相位调制后在待测液体样品的表面产生明暗相间的条纹图案。
11.在一实施方式中，该振动源发出的频率高于人眼产生视觉暂留效应所需的频率24hz。
12.在一实施方式中，该明暗相间的条纹图案中，相邻两明条纹的间距d和待测液体样品表面波的波长λ满足λ＝2d。
13.在一实施方式中，该基于关系式：获得待测液体样品的表面张力系数σ，
14.其中：ρ为待测液体样品密度，f为振动源的频率，
ɡ
为重力加速度，λ为表面波的波长。
15.本技术实施例提出一种非接触式测量方法，其使用上述的非接触式测量装置，所述测量方法包括如下步骤：
16.基于振子在待测液体样品的表面产生表面波，
17.基于光源发出的入射光斜入射至待测液体样品的表面，以在待测液体样品的表面产生明暗相间的条纹图案，
18.基于图像采集器采集所述条纹图案并反馈至图像处理器，
19.图像处理器依据接收的条纹图案信息并基于预设模型获得表面波的波长，并根据表面张力系数与表面波的色散关系推算出待测液体样品表面张力系数。
20.在一实施方式中，该非接触式测量方法，还包括：
21.入射光经表面波第一次调制，携带表面波相位信息的入射光被漫反射面反射，反射后再次与表面波相遇，经表面波的第二次相位调制后在待测液体样品表面产生明暗相间的条纹图案。
22.在一实施方式中，该非接触式测量方法中，
23.图像处理器依据接收的条纹图案信息获得相邻两明条纹的间距d，并基于计算式：
24.获得表面波的波长λ。
25.在一实施方式中，该非接触式测量方法，
26.基于计算式，获得待测液体样品的表面张力系数σ，其中：ρ为待测液体样品密度，f为振动源的频率，
ɡ
为重力加速度。
27.在一实施方式中，该非接触式测量方法中，还包括，对图像采集器进行定标，以确定图像采集器的单个像元尺寸所对应实际尺寸的大小。
28.在一实施方式中，该非接触式测量方法中，还包括：
29.调节振动源的频率直到在待测液体样品的表面观察到明暗相间的条纹图案。
30.有益效果
31.采用本技术提出的非接触式测量装置实现了对待测液体样品表面张力系数的精确测量，特别适用于透明液体表面张力系数的测量。同其他测量技术相比，具有以下优点：
32.1、采用非接触式液体表面张力系数的测量方法，测量结果精确；
33.2、测量装置结构简单，操作方便，现象直观、明显；
34.3、测试的结果非常稳定、清晰，抗干扰能力强。
附图说明
35.图1为本技术实施例的液体表面张力系数的非接触式测量装置的结构示意图；
36.图2为扩展光源入射时明暗条纹图案；
37.图3不同频率下的明暗条纹图案。
38.其中：1-光源，2-样品槽，3-待测液体样品，4-振动源，5-振子，6-漫反射面，7-图像采集器，8-图像处理器。
具体实施方式
39.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。
40.本技术提出一种液体表面张力系数的非接触式测量装置及方法。该测量装置通过一个频率可调的振子激发待测液体样品表面产生表面波，利用光源发出的光斜入射至液面，入射光第一次经过待测液体样品表面波时受到待测液体样品表面波产生的相位调制，光波携带该相位信息经过样品槽底部的漫反射面漫反射后，携带该相位信息再次与待测液体样品表面波相遇，即再次被待测液体样品表面波相位调制，这样光波作为一个相位信息载体，将一个表面波的两个相向传播的相位叠加，在光波的相位中形成了稳定的相位驻波，从而ccd或者人眼观察到明暗相间的稳定条纹，以此可准确地获得液体的表面张力系数。
41.实施例一
42.如图1所示，为本技术一实施例的液体表面张力系数的非接触式测量装置。该非接触式测量装置包括：光源1、样品槽2、振动源4、振子5、漫反射面6、图像采集器7及图像处理器8；样品槽用于容纳待测液体样品3；振子5与振动源4相连接，并设置于样品槽2中，用于激励待测液体样品的表面产生表面波；样品槽2的槽底设置漫反射面6；图像采集器7对准样品槽2，用于采集待测液体样品的表面图像(即明暗相间的条纹图案)并将采集的图像传输至图像处理器8；
43.光源发出的入射光斜入射至样品槽2内，入射光经待测液体样品3表面波相位调制后携带该表面波的相位信息，携带了表面波相位信息的入射光被漫反射面6反射后再次与表面波相遇，这样经表面波的第二次相位调制后在待测液体样品的表面产生明暗相间的条纹图案，
44.通过图像采集器7获得该条纹图案并传输至图像处理器8，图像处理器8通过对接收的条纹图案进行图像处理获得表面波的波长，并根据表面张力系数与表面波波长的关系获得待测液体样品表面张力系数。该待测液体样品较佳的为透明液体。本实施方式中，漫反射面6的面积与样品槽2的槽底的面积比大于0.6(较佳的，漫反射面6的面积与样品槽2的槽底的面积比介于0.8～0.95)，这样光源发出的入射光绝大部分被漫反射出。
45.该液体表面张力系数的非接触式测量装置的测量原理为：
46.入射光第一次经过待测液体样品的表面波时受到待测液体样品表面波产生的相位调制，
47.入射光携带该相位信息经过样品槽的底部(也称槽底)的漫反射面漫反射后，携带该相位信息再次与待测液体样品表面波相遇，即再次被待测液体样品表面波相位调制，
48.这样入射光作为一个相位信息的载体，将同一个表面波的两个相向传播的相位叠加，在光波的相位中形成了稳定的相位驻波，从而使ccd或者人眼观察到明暗相间的稳定条纹，最终比较准确地获得待测液体的表面张力系数。
49.需要说明的是上述提及的明暗相间的条纹并非入射光和反射光波的干涉条纹。具体分析如下：
50.本技术提出的实施方案中，根据液体表面波色散关系式，可以通过测量液体表面波的波长λ来获得液体表面张力系数。
51.仅考虑液体表面张力时，表面波的色散关系式为：
[0052][0053]
其中，ω为表面波角频率，k为表面波波矢。
[0054]
将代入(1)式。得：
[0055][0056]
其中，ρ、
ɡ
为已知量。从公式(2)中可以看出，只需测量出液体表面波的波长λ，即可计算出该液体的表面张力系数σ。
[0057]
截取振动源所在的竖直平面为坐标平面，以振动源与液面接触点为坐标原点，向右传播为表面波传播方向正方向；
[0058]
液体表面波(机械波)的表达式为：
[0059]
向右传播：y1＝acos(ωt-kx)
[0060]
向左传播：2＝acos(ωt kx)(3)
[0061]
式中，y1为右传播表面波位移，y2为左传播表面波位移，a为振幅，t为时间，x为表面波传播方向上的坐标。
[0062]
入射光斜入射引发表面波，由于表面波近似为一个正弦波，对于该入射光的光束而言，进入液体表面时，经历了不同的光程，从而使光场进入液体表面后的不同位置获得不同的相位，经正弦形表面波的第一次相位调制后，得到相位分布近似为：
[0063][0064]
其中，k0为入射光的波矢，n为待测液体的折射率。
[0065]
由相位变换函数可以得到，此时的光场分布e
10
为：
[0066][0067]
其中，e0为入射光初始光场。
[0068]
光传播到样品槽的槽底时，因为光的传播路径较短，因此光场分布e1可近似为：
[0069][0070]
其中，l为光斜入射到样品槽底产生的水平位移。
[0071]
含表面波相位信息的入射光经漫反射面反射再次到达至液体表面，经表面波第二次相位调制，相位分布为：
[0072][0073]
此时光场分布e2为：
[0074][0075]
经表面波第二次相位调制后的光场分布e2传播到图像采集器处的光场分布e3为：
[0076][0077]
根据光的传播理论可得在光场相位分布图案的波腹位置可以观察到明条纹，如图2所示。
[0078]
由(8)式可以看出，经过表面波的两次相位调制后，光波的相位分布形式为驻波：
[0079][0080]
由驻波的性质可知：两相邻波腹的间距为波长的一半。由于该处的相位分布与透镜的相位分布类似，因此会出现会聚或发散的光场。所述的振动源发出的频率高于人眼产生视觉暂留效应所需的频率24hz时人眼会出现视觉暂留效应，从而会观察到稳定的明暗相间的条纹。由此，可得到明条纹的间距d和表面波的波长λ关系为：
[0081][0082]
将(11)式代入(2)式，得：
[0083][0084]
液体密度ρ、振动源频率f及重力加速度
ɡ
已知，利用图像采集器对明条纹进行精确采集，再通过图像处理，即可实现明条纹间距的测量及液体表面张力系数的计算。
[0085]
接下来描述利用上述非接触式测量装置的测量方法，包括如下步骤：基于振子在待测液体样品的表面产生表面波，
[0086]
基于光源发出的入射光斜入射至待测液体样品的表面与表面波相遇，携带了表面波相位信息的入射光被漫反射面反射后再次与表面波相遇，以在待测液体样品的表面产生明暗相间的条纹图案，
[0087]
基于图像采集器采集所述条纹图案并反馈至图像处理器，
[0088]
图像处理器依据接收的条纹图案信息并基于预设模型获得表面波的波长，并根据表面张力系数与表面波的色散关系推算出待测液体样品表面张力系数。通过该方法可对待测液体(如透明液体)表面张力系数的精确测量。
[0089]
下面结合实施例二来详细描述使用上述液体表面张力系数的非接触式测量装置进行的测量方法，该测量方法包括：
[0090]
1)对图像采集器进行定标，确定图像采集器的单个像元尺寸所对应实际尺寸的大小；
[0091]
2)使振子浸入待测液体样品，调节振动源频率，直到观察到明暗相间的条纹图案；
[0092]
3)利用图像采集器采集条纹图案，图像处理器对图像采集器采集的条纹图案进行图像处理获得表面波的波长，根据表面张力系数与表面波波长的关系求得待测液体样品的
表面张力系数。
[0093]
进一步的，步骤1)的定标过程具体为：
[0094]
(1)使用方格纸辅助图像采集器标定，调节图像采集器位置，使得图像采集器的镜头水平、方格纸刻度线与调节图像采集器采集区底线平行；
[0095]
(2)调节图像采集器焦距和光圈，使采集的方格纸图像最清晰；
[0096]
(3)采集方格纸图像并计算图像采集器像元尺寸与实际长度的比例。
[0097]
在一个实施例中，光源采用扩展光源，图像采集器可选用640*480的ccd，待测液体样品为自来水。实验前首先需要对测量装置进行定标，确定单个像元尺寸所对应实际尺寸的大小。本方案中，每个像元尺寸所对应的实际长度为90μm。
[0098]
首先，在样品槽中倒入待测液体样品(下简称待测液体)，以待测液体为自来水为例，水温约为25℃，改变振动源的频率，进行多次测量。从表1及图3(图3中a/b/c/d分别表示频率为70hz，90hz，120hz及160hz场合下明暗条纹的图案)中可以看出，条纹间距随频率的增大而减小，测量获得的表面张力系数基本保持一致，说明该方法在不同频率下都能精确地测量液体的表面张力系数。
[0099]
表1不同频率下，自来水表面张力系数的测量结果
[0100][0101]
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本案例中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本案例所示的这些实施例，而是要符合与本案例所公开的原理和新颖特
点相一致的最宽的范围。