基于液体表面张力的智能产品测试装置的设计与搭建

1 引言

液体表面张力是表征流体界面相互作用强度的基础物性参数，广泛存在于自然界与工程实践之中。典型现象包括荷叶上因界面能量最小化而形成的近球形露珠、细针在水面上因界面附加压力与浮力—重力平衡而短时漂浮等。精确测量表面张力对于化工过程强化、材料表面改性、涂料与油墨配方优化、生物医药制剂稳定性评估等具有重要意义。然而，传统表面张力测试装置多存在结构简化、调平困难、读数依赖人工与环境扰动敏感等问题，导致系统误差较大、重复性与再现性有限。因此改造实验装置，在原有基础上提高精确度尤为重要，本研究基于实验误差分析搭建了多功能智能产品测试仪，用以测量不同产品的液体表面张力，大大提高了系统的准确度。为精确测量液体表面张力系数大小提供了新思路。

2 传统实验仪器与实验原理

传统的液体表面张力测试仪主要包括金属吊环，水平仪，供电电源，硅压阻力敏传感器，传感器固定支架，升降台底盘和水平调节装置等，图一为传统的液体表面张力测试仪模型示意图。

4 装置搭建

通过以上分析，搭建出了一种新模型，模型由上中下三层组成，下层由四个调平底托、一个单片机控制板和一个陀螺仪构成，能够实时监测装置是否水平并在实验开始之前将装置调整到水平状态；中层为玻璃柜，打开柜门，从上到下依次是硅压阻力敏传感器、限位吊环、玻璃皿、玻璃皿支撑底托、电动升降装置、柜子侧边有橡胶管，与玻璃皿连接构成连通器以平衡液面、上层为显示面板（用来显示力电转换过程中的电压大小）、内部由单片机驱动、控制面板上有整个装置的电源开关、升降控制开关等、整个系统的电源接引到外部，由外部电源进行供电。通过3d 建模技术对模型进行搭建，图二为智能产品测试仪示意图。

图一 传统的液体表面张力测试仪模型示意图

可将基于拉脱法的表面张力测量表述为：液面对圆环的最大拉脱力 F 与液体表面张力系数 ∝ 及圆环有效周长 L 之间满足 F=QL ，其中 L=ΠT（D₁+D₂） ， D1 、D2 分别为圆环的内、外径。为实现力—电转换，采用硅压阻力敏传感器将受力 F 线性转换为电压输出 U，有公式 。定义吊环拉脱液面前的峰值电压为 U1、拉脱后的稳定电压为 U2，则电压增量 ΔU=|U2-U1| 。将两式联立，可得表面张力系数的测量公式： 。

3 传统实验仪器的误差与装置搭建分析

传统的液体表面张力测试仪在实验环节有较大的误差，通过前人的探索与研究过程中的测量结果，发现误差主要来源于以下方面：

误差来源： ① 装置未调平，如传感器、吊环、底座未调平。吊环与液面间存在角度差，致使吊环不均衡，液膜断裂。此误差对实验结果有较大影响。文献中采取带有水平仪的轻质三角形薄片对吊环进行简单改进，使纯水的表面张力系数百分误差减少了 3.97%^[1] 。② 在测量过程中由于拧动升降旋钮或其他操作引起的振动使液面和吊环晃动，导致液膜被提前拉断，从而对实验造成影响。 ③ 忽略液膜重力在实验中增加的系统误差 [3]。 ④ 拉脱过程中每次液体浸入深度不同，侧壁附着不同质量的水引起液体表面张力发生变化，导致拉脱时受到的力不同。[2] ⑤ 拉脱过程中旋转升降台的速度不均匀导致液膜断裂。

装置搭建策略： ① 装置未调平会引入误差，人为调平仍然会存在偏差，因此可以使用陀螺仪检测装置是否水平并进行纠正。 ② 人为拧动升降台会使液面晃动导致液膜提前破裂，因此可以使用电动升降台，一方面升降速度均匀，另一方面能够大幅度减小液面和吊环晃动 [4]。 ③ 为了防止风吹时液面晃动，可以在封闭玻璃柜中进行实验，减小环境因素影响。 ④ 在吊环上印刻刻度，以便每次升降时浸入液面深度相同。 ⑤ 讲单片机数据采集端口与电脑相连，实时采集力电转换器的电压大小，观察实验过程中拉断瞬间屏幕上显示的电压大小变化情况，以便读取精确的电压数值，保证实验的准确性。

图二 智能产品测试仪示意图

两块单片机并行控制，让实验仪器更加智能高效，使用上述实验仪器测量，与标准数据进行对比，判断仪器的准确性，首先测量硅压阻力敏传感器的灵敏度系数，根据砝码质量与计算公式，进行线性拟合得出灵敏度系数 B，按照当地重力加速度即可求出 B 的值为 2.94V/N，回归直线拟合系数为 1.000，表明硅压阻力敏传感器的灵敏度较高。测定纯水的液体表面张力，代入公式计算得出其值为72.6N/mV ，读取房间中的温度计，此时温度为 21.6‰ ，已知 21℃时纯水的液体表面张力为 72.59N/mV ，22℃时纯水的液体表面张力为 72.44mV ，由于温度在此范围区间，计算相对误差，得出此时相对误差在 0.2%-0.4% 。结果表明智能产品测试仪的搭建起到了良好的效果，大大提高了实验结果的准确性。

5 实验总结

通过改进和优化实验装置一方面能够加深对液体表面张力的认识，另一方面能够提高拉脱法测量液体表面张力系数的准确度，为液体表面张力测量与分析提供了参考。

参考文献

[1] 关婷 ， 李红玉 . 拉脱法测量液体表面张力系数的影响因素分析 [J]. 山西能源学院学报 ，2021

[2] 赫文豪 ， 李帅霖 ， 付楷涵 ， 等 . 拉脱法测量液体表面张力系数的误差分析[J]. 大学物理实验，2022

[3]刘硕，付云飞，徐彬.新型液体表面张力系数测量仪的改进[J].高师理科学刊，2022

[4] 杨健 . 拉脱法测定液体表面张力实验的新设计 [J]. 化学教学 ，2025

基金项目：基金项目：本文由实验教改项目（syq2024）、教育部产学合作协同育人项目 （240224070201） 和2025 大学生创新创业训练计划项目（国家级）支持。

作者简介：张永斌，匡胤轩，刘春麟，马潇船舶电气工程学院，大二本科生；刘平桂船舶与海洋工程学院，大三本科生；王梦涵，曾杨帆信息科学技术学院，大二本科生；马银华博士，教师；董爱义，通讯作者博士，教师。