用力敏传感器测定液体表面张力系数

液体表面张力测量实验内容及操作步骤1.力敏传感器的定标（1）打开仪器电源开关，将仪器预热15分钟以上。

（2）挂上砝码盘，数字电压调零。

（3）定标力敏传感器表1 力敏传感器定标（4）用最小二乘法作直线拟合,记录拟合直线的截距a 、斜率b 、相关系数r,求出传感器灵敏度K 。

2. 测量室温下水的表面张力系数 （1）清洗金属吊环及玻璃器皿 （2）测量液体温度，并记录。

（3）调节吊环与液面平行。

（4）测量液膜即将拉断前一瞬间的电压值1U 和拉断后一瞬间的电压值2U ，计算待测液体的表面张力f 及表面张力系数α，重复测量6次，计算α平均值。

表2水的表面张力系数测量 (室温)仪器使用注意事项1．金属吊环和盛待测液体的器皿须严格处理干净。

可用NaOH 溶液洗净油污或杂质后，用清洁水冲洗干净，并用热吹风烘干。

2．吊环水平须调节好，吊环倾斜会带来较大的误差。

3．仪器开机需预热15分钟。

4．在旋转升降台时，尽量使液体的波动要小。

5．工作室不宜风力较大，以免吊环摆动致使零点波动，影响测量。

7．力敏传感器使用时用力不宜大于0.098N 。

过大的拉力传感器容易损坏。

8．实验结束须将吊环和玻璃器皿用清洁纸擦干，用清洁纸包好，放入干燥缸内。

思考题：1.实验中要求测量液膜即将拉断前一瞬间的电压值1U 和拉断后一瞬间的电压值2U 以得到表面张力，为什么？2.实验过程中金属吊环不是水平拉出水面，而是出现倾斜现象，对实验结果有无影响？应如何避免？3.如果金属吊环沾有油污，对测量结果会产生什么样的影响？4.分析本实验的系统误差和随机误差，提出减少误差的改进方法。

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：。

液体表面力系数的测量【实验目的】1、 掌握用砝码对硅压阻式力敏传感器定标的方法，并计算该传感器的灵敏度2、 了解拉脱法测液体表面力系数测定仪的结构、测量原理和使用方法，并用它测量纯水表面力系数。

3、 观察拉脱法测量液体表面力系数的物理过程和物理现象，并用物理学概念和定律进行分析研究，加深对物理规律的认识 4、 掌握读数显微镜的结构、原理及使用方法，学会用毛细管测定液体的表面力系数。

5、 利用现有的仪器，综合应用物理知识，自行设计新的实验容。

【实验原理】一、拉脱法测量液体的表面力系数把金属片弯成如图 1（a ）所示的圆环状，并将该圆环吊挂在灵敏的测力计上，如图 1（b ）所示，然后把它浸到待测液体中。

当缓缓提起测力计（或降低盛液体的器皿）时，金属圆环就会拉出一层与液体相连的液膜，由于表面力的作用，测力计的读数逐渐达到一个最大值 F （当超过此值时，液膜即破裂），则 F 应是金属圆环重力 mg 与液膜拉引金属圆环的表面力之和。

由于液膜有两个表面，若每个表面的力为fL （L 为圆形液膜的周长），则有 2F mg L （2）所以2FmgL（3）圆形液膜的周长L 与金属圆环的平均周长,L 相当，若圆环的、外直径分别为1,2D D 。

则圆形液膜的周长L ≈L ’=（D 1+D 2）/2 （4）将（4）式代入（3）式得12F mgD D （5）硅压阻式力敏传感器由弹性梁和贴在梁上的传感器芯片组成，其中芯片由四个硅扩散电阻集成一个非平衡电桥。

当外界压力作用于金属梁时，在压力作用下，电桥失去平衡，此时将有电压信号输出，输出电压大小与所加外力成正比。

即U K F （6）式中，ΔF 为外力的大小；K 为硅压阻式力敏传感器的灵敏度，单位为 V/N ；ΔU 为传感器输出电压的大小。

二、毛细管升高法测液体的表面力系数1一只两端开口的均匀细管（称为毛细管）插入液体，当液体与该管润湿且接触角小于90°时，液体会在管上升一定高度。

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 。

湖北文理学院物理实验教学示范中心实 验 报 告学院 专业 班 学号： 姓名： 实验名称： 液体表面张力系数测定 实验日期： 实验室： N1- 104 [实验目的]:1. 掌握力敏传感器的定标方法，计算该传感器的灵敏度；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. 测量水的表面张力系数[仪器用具]:仪器、用具名称及主要规格（包括量程、分度值、精度等）液体表面张力系数测定仪（受力量程：0—0.098N,0.1Mv ）、游标卡尺（0-150mm ，50分度）、温度计(0-100℃,0.5℃)、砝码盘、砝码、金属环、水。

[实验原理]:根据自己的理解用简练的语言来概括(包括简单原理图、相关公式等)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比例系数 称为表面张力系数，单位为 ，在数值上等于单位长度上的表面张力。

将金属环固定在传感器上，将该环浸入液体中，并缓慢拉起金属环，当金属环从液体拉脱瞬间，传感器受到的拉力差值与液体的表面张力相等，为： ()BU U D D f 2121-=+=απ 式中:D1,D2圆环外径和内径。

U1,U2分别为拉断液柱前一瞬间数字电压表的读数值和拉断液柱前后一瞬间数字电压表的读数值，B 为力敏传感器的灵敏度。

液体表面张力系数为：()2121D D B U U l f +⋅-==πα [实验内容]: 简述实验步骤和操作方法1. 连接仪器、开机预热15分钟，清洗玻璃器皿和吊环；2. 对力敏传感器定标将砝码盘挂在力敏传感器的钩子上，待仪器示数稳定后对仪器进行调零，然后将质量为0.5g 的砝码逐个放入砝码盘，至盘中砝码质量增加到3.5g ，记录不同质量砝码对应的电压输出值。

用最小二乘法拟合得到仪器的灵敏度B ，并计算出线性相关系数γ。

实验报告班级微电子101姓名方统兵学号10105107日期2011.10.24室温24.9℃气压102.09 Kpa成绩教师实验名称用力敏传感器测液体表面的张力系数【实验目的】1.掌握用标准的砝码对测量仪进行定标的方法，计算该里，力敏传感器的转换系数2.观察拉脱法测量液体表面张力的物理过程和物理现象3.学会用拉脱法测定水的表面张力系数【实验仪器】FB326型液体表面张力系数测定仪、附件盒、烧杯、游标卡尺【实验原理】液体表层厚度约10 −10 m 内的分子所处的条件与液体内部不同，液体内部每一分子被周围其它分子所包围，分子所受的作用力合力为零。

由于液体表面上方接触的气体分子，其密度远小于液体分子密度，因此液面每一分子受到向外的引力比向内的引力要小得多，也就是说所受的合力不为零，力的方向是垂直与液面并指向液体内部，该力使液体表面收缩，直至达到动态平衡。

因此，在宏观上，液体具有尽量缩小其表面积的趋势，液体表面好象一张拉紧了的橡皮膜。

这种沿着液体表面的、收缩表面的力称为表面张力。

表面张力能说明液体的许多现象，例如润湿现象、毛细管现象及泡沫的形成等。

在工业生产和科学研究中常常要涉及到液体特有的性质和现象。

比如化工生产中液体的传输过程、药物制备过程及生物工程研究领域中关于动、植物体内液体的运动与平衡等问题。

因此，了解液体表面性质和现象，掌握测定液体表面张力系数的方法是具有重要实际意义的。

测定液体表面张力系数的方法通常有：拉脱法、毛细管升高法和液滴测重法等。

本实验仅介绍拉脱法。

拉脱法是一种直接测定法。

如果将一洁净的圆筒形吊环浸入液体中，然后缓慢地提起吊环，圆筒形吊环将带起一层液膜。

使液面收缩的表面张力 f 沿液面的切线方向，角ϕ称为湿润角（或接触角）当继续提起圆筒形吊环。

时，ϕ角逐渐变小而接近为零，这时所拉出的液膜的里、外两个表面的张力 f 均垂直向下，设拉起液膜破裂时的拉力为F ，则有F = ( m + m0 ) g + 2（1）式中，m 为粘附在吊环上的液体的质量，m0 为吊环质量，因表面张力的大小与接触面周边界长度成正比，则有2 f = π (D内+ D外) ⋅α（2）比例系数α称为表面张力系数，单位是N / m 。

用力敏传感器测量液体表面张力系数
力敏传感器（Force Sensing Resistor，简称 FSR）发展至今，在液体表面张
力仪器测量方面受到越来越多的重视，它是一种用于检测表面张力的传感器。

力敏传感器采用特殊的高抗耐磨材料制成，拥有极佳的工作寿命，从而可以用来测量表面张力和表面粘度，它可以实时准确测量液体表面张力系数，其精度可高达千分之一，使用简单方便，成本低。

力敏传感器的主要优势在于它能够实时准确地测量液体表面粘度，并具有高精度、低延迟、非接触测量、性能稳定等特点。

此外，它还具有耐酸碱、耐腐蚀和耐候特性，可以获得高准确度的可靠测量数据。

由于力敏传感器结构简单、操作方便、安装快捷，可以在液体流向设备中实现快速的安装和使用，大大简化了检测过程，提高了测量效率，并为工业应用提供了更大的优势。

力敏传感器的主要应用分为三大类：用于液体的表面张力测量，用于包装材料
的软硬度测量，以及用于人体触控控制的压力测量。

借助这种传感器，我们可以测量介质液体表面的表面张力，并用于液体搅拌器、液体供给控制器等应用中；可以用于包装材料软硬度测试和材料耐受压度测试；还可以运用于人们日常生活中，进行例如手指触控控制、灵敏控制测试等应用中。

力敏传感器在工业应用中的特点主要在于，它可以快速准确的测量液体表面张
力系数，并可以用于各种材料的软硬度测试，具有高精准度、低延迟、小尺寸、可靠性高等优点，而且操作简单，成本低。

因此，力敏传感器也被认为是《卅哏》时代液体表面张力检测仪器的一大利器，可以实现精确快速检测，取得准确测量结果，极大地推动液体表面张力检测领域的发展。

液体表面张力系数的测定实验背景毛细现象蜥蜴行走在水上水呈现球形实验背景液体表面张力(surface tension)：一种使液面收缩成最小趋势的力！来自哪里？实验背景液体表面张力(surface tension)：微观解释：方向：结论：①力的方向与液面相切；②液面收缩至最小。

液体表面张力系数(surface tension)：☞表面张力系数：F/L α )/(m N 目液膜W mg FTL垂直于液体表面任何一条线段并沿着液体表面，作用于单位长度上的张力称为表面张力系数表面张力系数液体种类……液体上方气体成分温度液体纯度表面张力系数：F/L α )/(m N一、拉脱法测表面张力：研究对象：自来水MgT 1F outF in拉脱前T 1=(F out +F in )+Mg拉脱后MgT 2T 2=MgF 张=T 1-T 2F 张=αL=απ(D 1+D 2))(2121D D T T L F+-==παT?一、拉脱法测表面张力：表面张力系数测定平台U=KF力敏传感器砝码、镊子等任务1：力敏传感器的灵敏度定标！液体表面张力测定仪实验仪器1212()U U K D D -=+απ任务2：测定拉脱前后瞬间U 、U 及D D ！1212()U UK D Dαπ-=+一、力敏传感器的定标;☞依次挂上砝码盘F，记录U ；砝码质量/g0.500 1.000 1.500 2.000 2.500 3.000 3.500电压/mVU=KF图解法U(V)F(N)c1c2()UK V NF∆=∆二、金属吊环的内外径测量和清洁；☞用游标卡尺测量圆环的内外半径；D1/cm/cmD☞清洁金属吊环和器皿；实验内容三、测定自来水的表面张力系数α；☞调节吊片的下沿和液面平行(重要)；☞缓慢调节升降台，测量吊环拉脱前后U1、U2；1212()U UK D Dαπ-=+三、测定液体的表面张力系数α；U1/mVU2/mVΔU/mVF/Nα/N·m-1ααα++⋅⋅⋅+1212()U UK D Dαπ-=+要求U1/U2取5组不同数值21()(1)niin nααασ=-=-∑液体温度(︒C)张力系数10–3N ／m液体温度(︒C)张力系数10–3N ／m水076.1橄榄油2032.0水1074.2乙醚2016.5水2572.0甘油2063.4水6066.2石油2026.0影响因素σαα±=小结☞表面张力：使液体有收缩趋势的力：☞测自来水的表面张力系数：)(2121D D T TL F+-==πα☞力敏传感器：U=KF☞用拉脱法如何测定纯牛奶的表面张力系数吗？并分析与自来水的差异及原因。

第31卷第5期2008年10月辽宁科技大学学报Journal of University of Science and Technology LiaoningVol.31No.5Oct.,2008基于力敏传感器测量的液体表面张力系数冷雪松,王画华,王开明(辽宁科技大学理学院,辽宁鞍山 114051)摘 要:利用硅压阻式力敏传感器测量液体表面张力系数。

介绍了测量原理,讨论了测量值最佳读数的选取时间、拉脱过程,分析了实验结果的误差,给出了对实验现象的合理解释。

关键词:力敏传感器;测量原理;实验过程中图分类号:O552 421 文献标识码:A 文章编号:1674 1048(2008)05 0466 04液体表面区的分子由于受力不平衡产生的向内收缩的单位长度的力称为表面张力[1]。

表面张力分为静态表面张力和动态表面张力。

通常液体的表面张力自其液体表面形成之后,随着时间的推移而有所变化。

在新的液体表面形成的瞬间,经过1s后(含1s)的表面张力,称作静态表面张力;在1s以内的表面张力称作动态表面张力。

表面张力的大小,可用表面张力系数来描述,液体表面张力系数是表征液体性质的一个重要参数。

拉脱法是测量液体表面张力系数常用的方法之一,用拉脱法测量的液体表面张力约为10-3-10-2N,因此,需要有一种量程范围较小、灵敏度高、稳定性好的测量表面张力的仪器。

近年来,新发展的硅压阻式力敏传感器张力测定仪恰好能满足测量液体表面张力的需要,这种测定仪比传统的焦利氏秤、扭秤等灵敏度要高,稳定性好。

通过这个实验,可以使学生掌握一种测量微小力的方法,更重要的是使学生加深对表面张力这一概念的正确理解和认识。

1 原 理通过测量一个已知周长的金属片从待测液体表面脱离时需要的力,求得液体表面张力系数的实验方法称为拉脱法[2]。

若金属片为环状吊片时,考虑一级近似,可以认为脱离力为表面张力系数乘以脱离表面的周长,即f= (D1+D2)得表面张力系数=f(D1+D2)式中:f为脱离力;D1,D2分别为金属环的外径和内径; 为液体的表面张力系数。

用硅压阻力敏传感器测定液体表面张力系数一．实验目的1．了解液体表面张力的性质，掌握拉托法测定液体表面张力的原理。

2．学习硅压阻力敏传感器的物理原理，测定水等液体的表面张力系数。

二．实验仪器WBM-1A型液体表面张力测定仪、游标卡尺图1 表面张力系数测定仪三．实验原理（缺两张图）表面张力是分子力的一种表现，它发生在液体和气体接触的边界部分，是由表面层的液体分子处于特殊情况决定的。

液体内部的分子和分子之间几乎是紧挨着的，分子间经常保持平衡距离，稍远一些就相吸，稍近一些就相斥，这就决定了液体分子不像气体分子那样可以无限扩散，而只能在平衡位置附近振动和旋转。

在液体表面附近的分子，由于上层空间气相分子对它的吸引力小于内部液相分子对它的吸引力，所以该分子所受合力不等于零，其合力方向垂直指向液体内部，这种收缩力称为表面张力。

表面层分子间的斥力随它们彼此间的距离增大而减小，在这个特殊层中分子间的引力作用占优势。

如果在液体表面上任意划一条分界线MN把液面分成a、b两部分(如图2所示)，f表示a部分表面层中的分子对b部分的吸引力，f´表示右部分表面层中的分子对a部分的吸引力，这两部分的力一定大小相等、方向相反。

这种表面层中任何两部分间的相互牵引力，促使了液体表面层具有收缩的趋势。

由于表面张力的作用，液体表面总是趋向于尽可能缩小，因此空气中的小液滴往往呈圆球形状。

表面张力的方向和液面相切，并和两部分的分界线垂直，如果液面是平面，表面张力就在这个平面上。

如果液面是曲面，表面张力就在这个曲面的切面上。

表面张力是物质的特性，其大小与温度和界面的性质有关。

表面张力f 的大小跟分界线MN 的长度L 成正比，可写成图2 液体表面张力示意图f = αL （1）系数α叫做表面张力系数，它的单位是“N/m ”。

在数值上表面张力系数就等于液体表面相邻两部分间单位长度的相互牵引力，表面张力系数与液体的温度和纯度等有关，与液面大小无关。