[发明专利]一种同步测量液体表面张力系数和接触角的光学方法

说明书

本发明公开了一种同步测量液体表面张力系数和接触角的光学方法，使用平行激光束竖直照射弯曲液面，通过改变观察屏的位置，利用面阵显微相机及计算机图像处理获得观察屏在不同位置的反射光场特征，通过Young‑Laplace方程求解获得弯曲液面的曲面方程，根据曲面方程分别解出表面张力系数和接触角的表达式，实现在未知待测液体与设备材料接触角时同步测量液体表面张力和接触角。本发明采用光学方法，实验操作简单，为非接触测量，具有无损特征，可操作性强。

【技术领域】

本发明属于，具体涉及一种同步测量液体表面张力系数和接触角的光学方法。

【背景技术】

表面张力和接触角是描述流体性质方面的两个重要参数，在流体力学中有重要的应用。液体表面张力的测定方法有很多，国家标准规定了平板法或环状物法作为测量表面张力系数的标准[1]，除了国家标准规定的方法以外，测量表面张力系数的常用方法还有毛细管上升法、、悬滴法、滴体积法、最大气泡压力法，震荡射流法、毛细管波法、激光衍射法等。在这些表面张力系数测量方法中，都依赖于已知液体的接触角的情况下进行的。因此，对于未知液体种类的表面张力系数测量，还需要先对液体与设备材料的接触角测量。目前，常用ADSA(Axisymmetric Drop Shape Analysis)算法对接触角进行计算，一些新的方法建立的模型可以同时测量表面张力系数和接触角，此类方法往往受到测量局限性较大可操作性不强等问题的困扰。

【发明内容】

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种同步测量液体表面张力系数和接触角的光学方法，分别解出了表面张力系数和接触角的表达式，可同步测量表面张力系数和接触角，此外，表面张力系数和接触角的表达式相互独立，在未知液体接触角时可对液体表面张力测量。采用光学方法无损、非接触，实验操作简单，只需要移动观察屏记录光场分布信息，可操作性强。

本发明采用以下技术方案：

一种同步测量液体表面张力系数和接触角的光学方法，使用平行激光束竖直照射弯曲液面，通过改变观察屏的位置，利用面阵显微相机及计算机图像处理获得观察屏在不同位置的反射光场特征，通过Young-Laplace方程求解获得弯曲液面的曲面方程，根据曲面方程分别解出表面张力系数和接触角的表达式，实现在未知待测液体与设备材料接触角时同步测量液体表面张力和接触角。

具体的，包括以下步骤：

S1、制作样品池底部镀黑，加入待测样品，选择均匀材质平板置于样品池中，并保持平板竖直，通过Young-Laplace方程确定曲面方程；

S2、通过调节获得准直平行的激光束并竖直入射到样品中平板两侧，记录入射光宽度2d；

S3、将观察屏置于样品池上方观察到反射光线形成的暗场区域，记录暗场宽度；上下移动观察屏记录观察屏移动距离Δh以及移动后暗场宽度ΔD，再次移动观察屏，获得观察屏移动距离与暗场宽度的比例关系；

S4、根据步骤S1确定的弯曲液面高度与切线斜率关系方程以及步骤S3确定的观察屏移动距离与暗场宽度比例关系，确定表面张力系数σ和接触角θ₀。

进一步的，步骤S1中，曲面方程如下：

其中，y表示弯曲液面的高度，α为毛细常数，x为弯曲液面的水平延伸方向，C是与液体接触角θ₀有关的量。

更进一步的，根据弯曲液面的水平延伸方向x等于入射光宽度的一半d和曲面方程得出与液体接触角θ₀有关的量C，计算得出在0～90°区间内的接触角θ₀。

更进一步的，与液体接触角θ₀有关的量C计算如下：