表面张力测定-激光快速测量

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1、液体表面张力测定-激光快速测量法(材料加工-铸造一班姓名：訾凌君学号：11S009103)摘要：基于插板法测液体表面张力系数的基本原理，介绍了一种利用半导体激光器及准直光学系统输出的矩形平行光束，结合线阵CCD传感器，实现液体表面张力系数快速测量的方法。通过测量激光束两边沿在液体表面的入射角来求得表面张力系数，解决了插板法测液体表面张力系数的液面上升高度和接触角检测难题，避免了人为因素的影响。推导了矩形激光束两边沿在液体弯月面的入射角与表面张力系数的关系，以及CCD用测量激光入射角的计算公式，并进行了参数设计和误差分析。结果表明：为了提高液体表面张力系数的测量

2、精度，在满足测量条件下应采用尽可能大的矩形激光束宽度、激光入射角和CCD相对距离。理论分析表明，当光束宽度的测量误差为５μｍ时，水的表面张力系数测量精度为１％。若将光束宽度的测量误差减小到2μｍ，则水的表面张力系数理论精度可达0.5%。实验结果证明了水的表面张力系数测量精度达到１％。关键词：插板法，表面张力，激光快速测量，CCD；Abstract：Anewquickmeasuringmethodforliquidsurfacetensionbyaparallelrectanglebeamofdiodelaserandtwopiecesoflineararray

3、CCDsensorsispresented.Toavoidindividualinfluence,liquidsurfacetensionismeasuredbydetectinganglesofincidenceatcylindricalliquidmenisciinsteadofdetectingclimbheightofliquidonflashboard.Therelationbetweensurfacetensionandtheangleofincidenceandcalculationformulasfortheincidenceanglemeas

4、uredwithCCDSaredevelopedbasedonthefundamentalsofplateinsertionmethod.Theparametersaredesigned,andtheirerrorsareanalyzed,theanalysisshowsthatbyawiderlaserbeamandbigincidenceangles,aswellaskeepingalongdistancebetweentwoCCDsensors,theaccuracyoflaserbeamisanimportantfactortoaccuracyofli

5、quidsurfacetensionmeasurement.Forexample,tomeasurewatersurfacetensionwithalaserbeamwithof1mmanderrorsof5ｕm,thesurfacetensionmeasurementaccuracyis1%,ifreducethebeamwitherrorsto2ｕm,thesurfacetensionmeasurementaccuracywillbe0.5%.Experimentalresultshaveprovedthatthesurfacetensionofwater

6、measurementaccuracyisbetterthan1%withthismethod.Keywords:plateinsertionmethod,surfacetension,quickmeasuringwithlaser,CCD;1、前言液体表面张力测量在化学、医药、生物工程等领域具有重要意义，根据液体表面张力的大小可以确定表面活性并计算表面活性剂在溶液表面的吸附量［1-2］；在合金液体体系中，借助于表面张力还可以评价金相组织及孕育效果等重要参数［3-5］。插板法（Neumann测量法）是一种较简便的测量液体表面张力系数的方法。但由于界面有时并非很

7、清晰，要准确测量液体在插板外表面的上升高度及接触角较困难,所以利用插板法测量表面张力时，通常采用照像放大技术。先测出液体在固体表面上升的实际高度h，然后通过在最高接触点作表面曲线的切线，量出其夹角θ0，再利用下述公式（1）计算表面张力系数γ。这种测量方法的误差主要来源是切线很难准确确定和测量，导致测量值有很大误差。对于无色液体，由于边界模糊，角度θ0的人为判读误差可达1°～2°，液面上升高度h的测量误差也在0.1～0.2mm左右，由此二项产生的表面张力系数的测量相对误差将有５％～10％。因此插板法测表面张力系数精度较低，很少采用。随着激光器（特别是半导体激光器

8、）的不断小型化、实用化，使激光技术应用