用硅压阻力敏传感器测定液体表面张力系数

液体表面张力实验报告
【实验内容、数据表格】
1．硅压阻力敏传感器定标
力敏传感器上分别加各种质量砝码，测出相应的电压输出值，实验结果见表1。

经作图法拟合得传感器的灵敏度 mV/N。

天津地区重力加速度g=9.801m/S2。

2．纯净水表面张力系数的测量
用游标卡尺测量金属圆环：外径D1= cm,内径D2= cm，调节上升架，记录环在即将拉断水柱时数字电压表读数U1，拉断时数字电压表的读数U2，结果见表2，测量6次。

在此温度下水的表面张力系数为 N/m。

经查表，在T= ℃时水的表面张力系数为 N/m，百分误差为 %。

【数据处理】
1．硅压阻力敏传感器定标
根据数据表格1，在坐标纸上做关于砝码质量与输出电压之间的关系，并拟合出传感器的灵敏度曲线，求出灵敏度。

此处粘贴坐标纸
计算公式：。

实验六 液体表面张力系数的测定【目的】1．用片码对硅压阻力敏传感器进行定标，计算该传感器的灵敏度，学习传感器的定标方法。

2．学会用拉脱法测量纯水和其它液体的表面张力系数。

【器材】FD-NST-B 型液体表面张力系数测定仪，铝合金吊环，玻璃器皿，镊子，片码。

【仪器简介】FD-NST-B 型液体表面张力系数测量实验仪主要由实验装置和实验主机以及吊环、片码等配件组成，如图1所示。

图1 液体表面张力系数测定仪装置【原理】液体表面存在着使液面收缩到最小趋势的表面张力，若在液体表面划一长为L 的线段，则线段两边的液面均有一个与液面相切且垂直于线段的表面张力f ，其大小与线段长度L 成正比，即L f α= （1）式中α称为液体的表面张力系数，单位为N ⋅M -1，在数值上等于单位长度上的表面张力。

实验证明，表面张力系数的大小与液体的温度、纯度、种类和它上方的气体成分有关。

温度越高，液体中所含杂质越多，则表面张力系数越小。

将内径为D 1，外径为D 2的金属吊环悬挂在传感器上，将该环浸没于液体中，并渐渐拉起吊环，吊环就会拉起一个与液体相连的水柱。

由于表面张力等力的作用，传感器上的拉力逐渐达到最大值然后开始下降，假设拉脱前瞬间拉力为F 。

则F 应当是金属环重力G 与水柱拉引金属环的表面张力f 之和，即f G F += （2）由于水柱有两个液面，且两液面的直径与金属环的内外径相同，则有)(21D D f +=απ （3）图2 液膜拉破前瞬间的受力分析图所以液体的表面张力系数为：)](/[21D D f +=πα （4）表面张力的数值一般很小，测量微小力必须用特殊的仪器。

本实验用FD-NST-B 型液体表面张力系数测定仪进行测量。

FD-NST-B 型液体表面张力系数测定仪用到的测力计是硅压阻力敏传感器，该传感器灵敏度高，线性和稳定性好，以数字式电压表输出显示。

若力敏传感器拉力为F 时，数字式电压表的示数为U ，则有BUF =（5） 式中B 表示力敏传感器的灵敏度，单位V/N 。

实验报告-液体表⾯张⼒系数的测量1. 实验名称液体表⾯张⼒系数的测量 2. 实验⽬的(1)⽤砝码对硅压阻⼒敏传感器进⾏定标，计算该传感器的灵敏度，学习传感器的定标⽅法。

(2)观察拉脱法测液体表⾯张⼒的物理过程和物理现象，并⽤物理学基本概念和定律进⾏分析和研究，加深对物理规律的认识。

(3)测量纯⽔和其它液体的表⾯张⼒系数。

(4)测量液体的浓度与表⾯张⼒系数的关系(如酒精不同浓度时的表⾯张⼒系数) 3. 实验原理:主要原理公式及简要说明、原理图(1) 液体表⾯张⼒f表⾯张⼒f 是存在于液体表⾯上任何⼀条分界线两侧间的液体的相互作⽤拉⼒，其⽅向沿液体表⾯，且恒与分界线垂直，⼤⼩与分界线的长度成正⽐，即L f α= (1)式中α称为液体的表⾯张⼒系数，单位为NM -1。

实验证明，表⾯张⼒系数的⼤⼩与液体的温度、纯度、种类和它上⽅的⽓体成分有关。

温度越⾼，液体中所含杂质越多，则表⾯张⼒系数越⼩。

(2) 液膜拉破前瞬间受⼒分析将内径为D 1，外径为D 2的⾦属环悬挂在测⼒计上，然后把它浸⼊盛⽔的玻璃器⽫中。

当缓慢地向上⾦属环时，⾦属环就会拉起⼀个与液体相连的⽔柱。

由于表⾯张⼒的作⽤，测⼒计的拉⼒逐渐达到最⼤值F （超过此值，⽔柱即破裂），则F 应当是⾦属环重⼒mg 与⽔柱拉引⾦属环的表⾯张⼒f 之和，如图1 所⽰。

即图1液膜拉破前瞬间受⼒分析图f mg F +=(2)由于⽔柱有两个液⾯，且两液⾯的直径与⾦属环的内外径相同，则有)(21D D f +=απ (3)表⾯张⼒系数的值⼀般很⼩，测量微⼩⼒必须⽤特殊的仪器。

本实验⽤FD-NST-I 型液体表⾯张⼒系数测定仪⽤到的测⼒计是硅压阻⼒敏传感器，该传感器由弹性梁和贴在梁上传感器芯⽚组成，其中芯⽚由四个硅扩散电阻集成⼀个⾮平衡电桥。

当外界压⼒作⽤与⾦属梁时，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U ⼤⼩与所加外⼒F 成正⽐，即KF U = (4)式中K 表⽰⼒敏传感器的灵敏度，单位V/N 。

液体表面张力系数的测定目的1. 学习传感器的定标方法，用砝码对硅压阻力敏传感器进行定标,计算该传感器的灵敏度。

2. 了解液体表面的性质，观察液体表面张力的物理现象。

3. 用拉脱法测定室温下水的表面张力系数。

仪器和用具液体表面张力系数测定仪及附件； 数字电压表；力敏传感器； 温度计； 游标卡尺；纯水原理液体表面层内的分子，由于受到不对称的分子力的作用，使液体自由表面具有收缩的趋势，表现为液面好像绷紧的弹性膜，因此液体表面存在着张力，此力沿液体表面切线方向，称为表面张力。

设想在液面上作一长为l 的线段，则张力的作用表现在线两侧液面以一定的力F 相互作用，而且力的方向恒与线段垂直，其大小与线段长l 成正比，即 l F σ=比例系数σ为液体的表面张力系数，它表示单位长线段两侧液面的相互作用力，单位为1-⋅m N 。

一个金属圆环，1D 、2D 分别为圆环外径和内径，把环固定在传感器上，将该环浸没于液体中，并渐渐拉起圆环，当它从液面拉脱瞬间传感器受到的拉力差值σπ)(21D D f +=，f 可由力敏传感器测得B U U f /)(21-=，式中B 为力敏传感器的灵敏度(单位N mV /)，1U ,2U 分别为即将拉断水柱时数字电压表读数以及拉断时数字电压表的读数(单位mV )。

则液体表面张力系数为 ()[]2121D D B U U +-=πσ步骤1．安装好实验装置，接通电源进行预热。

2．用游标卡尺测量吊环的内外直径1D 和2D ；利用水准仪调平底座。

*3．清洗玻璃器皿和吊环（用NaOH 溶液洗净油污或杂质后，用清洁水冲洗干净）。

4．将砝码盘挂在力敏传感器的钩上。

5．若整机已预热15分钟以上，可对力敏传感器进行定标： （1）用调零旋钮使电压表为零；（2）依次加0.5克砝码（直到3.5克），分别记录对应的电压，用表格记录数据；（3）用图解法（或逐差法）求出力敏传感器的灵敏度B （注意最后质量要换为力，单位克要换为牛顿）。

液体表面张力系数的测定实验目的1、学习掌握硅压阻力敏传感器定标方法，计算传感器灵敏度。

2、利用硅压阻力敏传感器测量液体表面张力系数，并了解液体表面特性。

实验原理1、硅压阻力敏传感器测量拉力硅压阻力敏传感器是利用半导体压阻效应，同时采用半导体的集成电路工艺和微细加工技术，使应变部分与感压膜部分形成一体，将输出放大电路、信号处理电路等集成在同一块芯片而制成。

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、荷重、扭矩、位移、角速度和加速度等物理量的测量及控制，也可用于血压、颅压、心音、脉相等生理、生化指标的测量和各种控制系统中。

硅压阻式力敏传感器由弹性梁(弹簧片)和贴在梁上的传感器芯片组成，如图1所示。

该芯片由4个扩散电阻集成一个微型的惠斯通电桥。

当外界拉力作用于梁上时，在拉力的作用下，梁产生弯曲，硅压阻式力敏传感器受力的作用，电桥失去平衡，有电压输出．输出电压与所加外力成线性关系，即∆kfU=式中： f为所加外力，U∆为相应的电压改变量，系数k为常量。

2、拉脱法测液体的表面张力系数拉脱法是将金属圆环吊片与液体接触，把吊片慢慢拉离液体所需的拉力由液体表面张力、环的内径和外径及液体材质、纯度等因素决定的。

吊片与待测液体接触，当吊片与液体接触角为零时，考虑一级近似可以认为拉脱力等于表面张力系数乘周长，即L f α=式中： f 为液体的表面张力，L 为与铂丝环与液体接触的长度，比例系数α为表面张力系数。

一个金属圆环吊片固定在力敏传感器的拉钩上，将该环状吊片浸没于液体中，然后缓慢地拉起使其脱离液面。

圆环吊片在脱离液面瞬间Mg D D f ++=)(211απ式中： f 1等于力敏传感器受到的拉力，D 1 ，D 2分别为环状吊片的外径和内径， M 为环状吊片的质量，g 为重力加速度．而此时传感器受到的拉力f 1和输出电压U 1成正比，有11kf U =式中k 为力敏传感器的灵敏度。

1.拉脱法测量液体表面张力系数g=9.7936m/s2 每个砝码质量为5g 温度为25o C硅压阻式力敏传感器灵敏度测量数据砝码个数 1 2 3 4 5 6 7传感器示数14.3 33.6 50.8 69.8 86.1 107.5 123.1硅压阻式力敏传感器灵敏度为：K=0.3716 mV/N相关系数为：r=0.9996拉脱法测量数据1 2 3 4 5 6U/mv 12.8 12.6 13.0 12.4 12.5 12.41/mv -39.6 -39.4 -39.7 -39.8 -39.7 -39.5U2△U i/mv 52.4 52.0 52.7 52.2 52.2 51.9 传感器示数差平均值：△U=∑△U i/6=52.2mv吊环内、外径分别为D1=33.25mm 、D2=35.05mm液体表面张力系数:σ=△U/[πK(D1+D2)]=65.47×10-3N/m与液体表面张力系数标准值比较得：E拉脱=|σ-σ标|/σ标×100%=9.02%误差分析：1.因风吹、桌面晃动等原因造成吊环摆动，使所测数据存在误差。

2.吊环脱离液体表面时不能完全保证水平，使所测数据存在误差。

3.砝码表面腐蚀，质量存在偏差。

2.毛细管法测量液体表面张力系数g=9.7936m/s2 ρ水=0.99706g/cm-3 温度为25o C毛细管法测量测量数据1 2 3 4 5 6/mm 14.231 14.109 13.134 13.122 13.188 15.281x1x/mm 15.157 15.076 14.062 14.052 14.132 14.3312d/mm 0.926 0.967 0.928 0.930 0.944 0.944y/mm 42.216 41.857 41.53 42.381 41.607 42.1321/mm 12.889 12.462 12.128 12.874 12.502 12.920y2h/mm 29.327 29.395 29.402 29.507 29.105 29.212毛细管内径平均值：d=0.940mm毛细管内液面上升高度：h=29.325mm液体表面张力系数:σ=dρg(h+d/6)/4=67.83×10-3N/m与液体表面张力系数标准值比较得：E毛细管=|σ-σ标|/σ标×100%=5.74%误差分析：1.毛细管内有油污、尘埃等，影响实验测量。