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基于液滴機(jī)械振動(dòng)的液體表面張力測試方法
來源:本站原創(chuàng) 瀏覽 442 次 發(fā)布時(shí)間:2019-08-01
液體表面張力是液體的重要性質(zhì),在常溫體系中,用它可以確定表面活性并計(jì)算表面活性劑在溶液表面的吸附量。測定表面張力的方法很多,按測量原理可分為動(dòng)力學(xué)法和靜力學(xué)法,動(dòng)力學(xué)法是通過測量決定某一過程的數(shù)值來計(jì)算表面張力,而靜力學(xué)法則是通過測定某一狀態(tài)下的某些特定數(shù)值來計(jì)算表面張力?;谝旱卧谒讲F献匀恍纬尚螤钣?jì)算表面張力的靜滴法是一種靜力學(xué)方法,傳統(tǒng)的靜滴法是根據(jù)物理學(xué)中的Laplace's equation(拉普拉斯方程),通過液滴的輪廓和表面張力的關(guān)系進(jìn)行計(jì)算,但計(jì)算繁瑣,易出錯(cuò)且費(fèi)時(shí)。
奧地利科學(xué)家發(fā)現(xiàn)聲源與觀察者之間的相對運(yùn)動(dòng),會使得觀察者聽到的聲音振動(dòng)頻率不同于聲源。當(dāng)聲源遠(yuǎn)離觀測者時(shí),聲波波長增加,音調(diào)變得低沉,但聲源接近觀測者時(shí),聲波的波長減小,音調(diào)變高,這種現(xiàn)象被稱為多普勒效應(yīng),適應(yīng)于所有類型的波。本發(fā)明所采用的多普勒超聲儀,是基于超聲多普勒技術(shù),利用超聲波穿透能力強(qiáng),衍射程度小等物理特性,并結(jié)合多普勒效應(yīng),將液滴自由振動(dòng)的周期性蘊(yùn)藏超聲多普勒頻移信號中。
基于液滴機(jī)械振動(dòng)的液體表面張力測試方法技術(shù)方案:
一種基于液滴機(jī)械振動(dòng)的液體表面張力測試方法,采用多普勒超聲探頭將自由液滴的表面毛細(xì)波振動(dòng)轉(zhuǎn)換為多普勒頻移信號,經(jīng)計(jì)算機(jī)信號處理模塊收集并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,具體包括以下步驟:
(1)在多普勒超聲儀的超聲探頭上放置疏水基片,通過微量注射器產(chǎn)生液滴于疏水基片上;
(2)通過具有自動(dòng)回彈功能的振動(dòng)觸發(fā)裝置使液滴發(fā)生振動(dòng),振動(dòng)觸發(fā)裝置回彈后,液滴發(fā)生自由振動(dòng);
(3)超聲探頭將液滴的自由振動(dòng)轉(zhuǎn)換為多普勒頻移信號并加以放大;
(4)計(jì)算機(jī)信號處理模塊對多普勒頻移信號采集得到液滴自由振動(dòng)特征圖,傅里葉變換后得到振動(dòng)頻率特征圖,分析振動(dòng)頻率特征圖并讀取二倍頻峰頻率;
(5)重復(fù)步驟(1)至(4),測定不同質(zhì)量液滴的二倍頻峰頻率,之后以液滴質(zhì)量的倒數(shù)為橫坐標(biāo),以二倍頻峰頻率的平方為縱坐標(biāo)作圖擬合直線,求出直線斜率,然后進(jìn)一步得到液滴表面張力。
所述振動(dòng)觸發(fā)裝置帶有具有自動(dòng)回彈功能的尖端,設(shè)于疏水基片的上部。
所述振動(dòng)觸發(fā)裝置的尖端為聚四氟乙烯材質(zhì)。
所述疏水基片與超聲探頭之間通過凝膠層耦合。
所述微量注射器產(chǎn)生液滴的質(zhì)量為5-20mg。
步驟(4)中計(jì)算機(jī)信號處理模塊包括用于數(shù)據(jù)采集的Audition軟件以及用于數(shù)據(jù)處理的origin軟件。
步驟(5)計(jì)算液滴表面張力所依據(jù)的公式為:
其中,fn為液滴表面波的振動(dòng)頻率,從振動(dòng)頻率特征圖中獲得,n為液滴的振動(dòng)模式,m為液滴的質(zhì)量,γLV為液滴表面張力。
本文所使用的方法是基于Lamb公式和Noblin提出的關(guān)于表面毛細(xì)波的色散性和質(zhì)量之間的關(guān)系,通過一系列計(jì)算得到液滴表面張力。當(dāng)液滴放置在與它不潤濕的基片上并發(fā)生自由振動(dòng)時(shí),若其表面波的波長較小,則表面張力起主導(dǎo)作用。
多普勒超聲儀是由超聲發(fā)射器發(fā)出連續(xù)超聲,當(dāng)遇到自由振動(dòng)的液滴,反射回來的超聲已是改變了頻率的連續(xù)超聲,它被反射超聲接收器接受并轉(zhuǎn)為電信號,此信號與儀器的高頻振蕩器產(chǎn)生的信號混頻以后,經(jīng)高頻放大器放大,然后解調(diào)出差頻信號。多普勒超聲儀的超聲探頭采用非聚焦連續(xù)波多普勒原理,超聲探頭由與疏水基片耦合的超聲換能器及電路部分組成,它將液滴的特征自由振動(dòng)通過多普勒頻移原理轉(zhuǎn)化為特征頻移信號并加以放大。
采用多普勒超聲儀的探頭,提供了穩(wěn)定的表面波信號解調(diào)系統(tǒng),減少空間尺寸,基于簡單計(jì)算公式對振動(dòng)頻率進(jìn)行分析并計(jì)算表面張力,設(shè)備造價(jià)低,儀器性價(jià)比高;操作簡便、省時(shí),能快速取得準(zhǔn)確可靠的結(jié)果;測量范圍廣;試劑用量少,原則上只需要幾十微升液體即可;可以進(jìn)行連續(xù)的表面張力測定;具有觸發(fā)振動(dòng)作用的聚四氟乙烯尖端對形成的表面施加的影響較小,表面張力的測量精度主要取決于頻率的測量精度。