用硅压阻式力敏传感器测量液体的表面张力系数
液体表面张力实验报告
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：。
用硅压阻式力敏传感器测量液体的表面张力系数
2.50x10-3 69.6x10-3
3.000x10-3 84.2x10-3
上海市的重力加速度g = 9.794 m/S2 经最小二乘法拟合得 K = 2.85 V/N , 拟合的线性相关系数 r = 0.99996
2.水的表面张力系数的测量 金属环外径D1 = 3.474x10-2 m ，内径 D2 = 3.294x10-2 m 水的温度： T = 287.6 K
实验装置：
实验方法： 1.力敏传感器的定标 2.环的测量与清洁 3.测量液体的表面张力系数
实验数据和结果： 1. 传感器灵敏度的测量
质量（kg） 0.500x10-3 1.000x10-3 1.500x10-3 电压（v） 13.9x10-3 28.3x10-3 42.2x10-3
质量（kg） 2.000x10-3 电压（v） 55.6x10-3
编号 1 2 3 4
U1 / v 68.6x10-3 69.7x10-3 72.1x10-3 73.9x10-3
U2 / v 22.4x10-3 23.9x10-3 26.3x10-3 27.9x10-3
△6.0x10-3
f/ N 0.01620 0.01606 0.01606 0.01613
/ N/m 0.0762 0.0755 0.0755 0.0759
= 7.58 10 -2 N/m 经查表，在14.4 oC时，水的表面张力系数约为7.36 10 -2 N/m,测量的相对误差小于3％
特点： 1. 测量方法直观，概念清楚 2. 硅压阻式力敏传感器灵敏度高，稳定性好 3. 可数字信号显示，利于计算机实时测量 4. 实验结果正确
U = K.f
上式中，f为外力的大小，K为硅压阻式力敏传感器的 灵敏度，△U为传感器输出电压的大小。
实验报告-液体表面张力系数的测量
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
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。
液体表面张力系数的测定
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。 6．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。 7．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 U1 和拉断后的电压值 U 2 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。
3.12 液体表面张力系数的测定
液体表面张力是表征液体性质的一个参数，在表面物理、表面化学、医学等领域中有 重要的意义。测量液体表面张力系数的方法有多种，如拉脱法、毛细管法、滴定法等等。 本实验利用硅压阻式力敏传感器采用拉脱法测量。
实验目的
1.用拉脱法测量室温下液体的表面张力系数； 2.了解硅压阻式力敏传感器的工作原理，学习力敏传感器的定标方法。
U KF
（3.12-3）
式中， F 为外力的大小， K 为硅压阻式力敏传感器的灵敏度， U 为传感器输出电压 的大小。 实验中，液体表面张力可以由下式得到：
f (U 1 U 2 ) / K
(3.12-4)
K 为力敏传感器灵敏度，单位 V/N。U 1 , U 2 分别为即将拉断液柱时数字电压表读数以 及拉断时数字电压表的读数。
基于力敏传感器测量的液体表面张力系数
表 １ 力敏 传 感 器 定 标
Ｔａ ． Ｃａｉ ｒｔ ｎ ｏ ｉ ｅ ｉ ａ ｃ —ｔａｎ￣ｎ ｏ ｂ１ ｌ ａ ｉ ｆ — ｓｓ ｎ ｅ ｓｒ ｉ ｂ ｏ ｓｒ ｔ ｓｒ
Ｄ１＝３４ ２ｃ Ｄ２＝３．０ ｍ， ．９ ｍ， ３ ４ｃ ｇ＝９ ７ １ ／２ ＝３ １１６ ＝３ ０ ０Ｖ／ ．９ ｍ ｓ， ２ ．４ ， ．２ Ｎ。
体
… 一 一
ａ
ｂ
Ｃ
图 １ 金 属 环 拉 出液 面 后 切 面 图
Ｆｉ １ Ｃｕ ｔ ｇ ｆｃ ｒ ｐ ｆｍｅａ ｉ ｇ Ｏ ｔｏ ｑ ｉ ｕ ｆ ｃ ｇ． ｔｉ ｅｇ ａ ｈ ｏ ｔ ｌ ｎ Ｕ ｆｌ ｕ ｄ ｓ ｒａ ｅ ｎ ａ ｒ ｉ
取 时 间 、 脱过 程 ， 拉 分析 了 实验 结 果 的误 差 ， 出 了对 实验 现 象的 合理 解释 。 给
关键词 ： 力敏传感器； 测量原理； 实验过程
中图分类 号 ： ５２４ １ 文献标 识码 ： 文 章编号 ：６４１４ （０８０— ６— ０５． ２ Ａ １７— ８２０ ）５ ４６ ４ ０ ０ ０ 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 …。表 面张力 分
第 ３ 卷 第 ５期 １ ２０ ０ ８年 ｌ ０月
辽 宁 科 技 大 学 学 报
Ｊ ｕｎ ｌ ｆＵｎｖ ｒｉ ｆＳ ｉ ｃ ｎ ｃ ｎ ｌｇ ｉｏ ｉｇ ｏ ｒ ａ ｏ ｉｅｓｔ ｏ ｃｅ ｅａ ｄ Ｔｅｈ ｏｏ ｙ Ｌ ａ ｎｎ ｙ ｎ
Ｖｏ ． １ Ｎｏ ５ １３ ．
Ｆ ＝ ｍｇ ｆ＇ ０ ｃ＇ ｃ ｋ ｑ
式中： Ｆ为向上的拉力， 为金属环的重力 ， ｍｇ 厂为液体的表面张力 ， 为 厂 ０ 与竖直方向的夹角。 液膜拉断 瞬间， ０＝ ０ ， ＝ ｍｇ＋厂 液膜拉 断后有 Ｆ 。Ｆ ； ＝ ｍｇ 则 ，
液体表面张力实验报告
2．用游标卡尺测量金属圆环
1
1
1
D1
D2
3．纯水的表面张力系数测量4.乙醇的表面张力系数测量
测量次数
U1/mV
U2/mV
测量次数
U1/mV
U2/mV
1
1
2
2
3
3
4
4
5
5
6
6
教师签名：
式中F为薄钢片所受外力；mg为薄钢片所受重力；l为薄钢片长度；d为薄钢片厚度。
实验中我们使用的是一个金属圆环，将它固定在传感器上，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f为
f =π（D1+ D2）α（5-3）
式中：D1、D2分别为圆环外径和内径，α为液体表面张力系数，g为重力加速度，所以液体表面张力系数为：
（T =24.3℃时水的表面张力系数为72.14×10-3N/m。）
乙醇的表面张力系数测量
测量次数
U1/mV
U2/mV
ΔU/mV
f/×10-3N
α/×10-3N/m
1
2
3
4
5
6
在此温度下乙醇的表面张力系数为×10-3N / m，相对误差为
（T =25.2℃时乙醇的表面张力系数为21.95×10-3N / m。）
误差分析：
1．所测液体不纯；2．升降台转动时液面存在波动；3．内外径测量存在误差；
4．吊环存在倾角；5.测量时温度与标准值的温度有所不同。
附：原始数据记录纸
1．力敏传感器上分别加各种质量的砝码，测出相应的电压输出值：
物体质量m/g
0.500
1.000
1.500
硅力敏传感器测量液体表面张力系数和液膜受力分析
ｓ ｉｎ ｉ ｃ ｌ ｅ ｓ ｏ ｉ ｕ ｄ ｓ ｒ ａ ｅ ｔ ｎ ｉｎ ｃ ｅ ｆ ｉｎ ｐ ａ ａ ｕ ｓ ｉ ｒ ｖ ｄ ｂ ｓｎ ｈ ｏ ｃｅ ｔ ｉａ ｎ ｓ ｆ ｌ ｉ ｕ ｆ ｃ ｅ ｓｏ ｏ ｆｉ ｅ ｔ ａ ｐ ｒ ｔ ｓ ｗａ ｍｐ ｏ ｅ ｙ ｕ ｉ ｇ ｔ ｅ ｃ ｍｐ ｔ ｒ ｒ ａ ｉ ｆ ｑ ｃ ｕ ｅｅｔｎ ｉ ｏ ｆ ｃ ｎ ｎ ｎ ｌｚ ｇｐ ｌ ａ ａｔ ａｕ ｉ ｑ ｉ ｕｆｃ ｅ ｓ ｎ ｃ ｅ ｉ ｅ ｔ ｄａ ａ ｉ ｕｌ ｐ ｒ ｎ ｉ ｏ ｆｉ ａ ｙｎ — ｐｏ ｅ ｓ ｆ ｉｕｄｆｍ ａｅ ｎ Ｓ－ｅｉ ａ ｃ－ｔ ｉ ｒｅｓｎ ｏ ｒｃｓ ｑ ｉ ｌ ｂ ｓｄｏ ｉ ｓ ｔｎ ｅｓ ａ ｆ ｃ ｅ ｓ ｒ ｏ ｌ ｉ ｒ ｓ ｒｎ ｏ
ｗ ｅ ｅ ａ ｌ ｅ ｃ ｏｒ ｉ ｏ ｔ ｏ ｃ ｆｒｎｇ ｉ ｌｃ ． Ａ ｕｔ — ｉｉ ｅ ｍ ｅ ｎ ｗ ａ ｏ ｒ ｎａｙｚ ｄ ａ ｃ ｄｎｇ ｔ ｈｅ ｆ ｒ ｅ ｏ ｉ ｌｋｅ ｓｉｅ ｏ ｒｓｎｇ ｐｈ ｎｏ ｎｏ ｓ ｆ ｕｎｄ ｎ ｔ ｘｐ ｒｍ ｅ ａ ｉ ｈｅ ｅ ｅ ｉ ｎｔ ｌ
计 ， 测 量 结 果 误 差 较 小 。通 过 对 整 个 拉 脱 过 程 的 受 力 分 析 ， 学 生 更 深 入 地 理 解 了 拉 脱 法 和 表 面 张 力 的 深 使 使
刻 内涵 。
关 键 词 ： 面 张 力 ；拉 脱 法 ； 力 敏 传感 器 表 硅
中 图 分 类 号 ： ５． ０３ ３ ５ 文献标志码 ： 文 章 编 号 ： ０ ２４ ５ （ ０ １ ０ — ０ ６ ０ １ ０ —９ ６ ２ １ ）４ ０ ４ — ３
Ａｂ ｔａ ｔ：Ｔｈｅ ｖ ｔ ｇｅ ｓｇ ｌｏｆＳ— ｅ ｉｔ ｎｃ — ｔａ ｎ ｆ ｒ ｅ ｓ ｎｓ ａ ｎｐ ｈｅｃ ｓｒｃ ｏｌａ ｉ ｎａ ｉｒ ｓｓ ａ ｅ ｓ ｒ ｉ ｏ ｃ ｅ ｏｒｗ ｓ ｉ ｕｔｔ ｏｍ ｐｕ ｅ ｔ ｒ，ａ ｈｅ ｐ ｅ ｉｉｎ ｎｄ ｎｄ ｔ ｒ ｃｓｏ ａ
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上式中，f为外力的大小，K为硅压阻式力敏传感器的 灵敏度，△U为传感器输出电压的大小。
3. 若接触液体采用金属环状吊片法时,考虑一级近视可以认 为脱离力为表面张力系数乘上脱离表面的周长,即
f = .π (D1+D2)
上式中,f为脱离力, D1、D2分别为圆环的外径和内径,
为液体的表面张力系数
2.50x10-3 69.6x10-3
3.000x10-3 84.2x10-3
上海市的重力加速度g = 9.794 m/S2 经最小二乘法拟合得 K = 2.85 V/N , 拟合的线性相关系数 r = 0.99996
2.水的表面张力系数的测量 金属环外径D1 = 3.474x10-2 m ，内径 D2 = 3.294x10-2 m 水的温度： T = 287.6 K
实验原理：
1. 拉脱法：测量一个已知周长的金属圆环从待测液体表 面脱离时需要的力，求得该液体表面张力系数
2. 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
编号 1 2 3 4
U1 / v 68.6x10-3 69.7x10-3 72.1x10-3 73.9x10-3
U2 / v 22.4x10-3 23.9x10-3 26.3x10-3 27.9x10-3
△U / v 46.2x10-3 45.8x10-3 45.8x10-3 46.0x10-3
f/ N 0.01620 0.01606 0.01606 0.01613
实验装置：
实验方法： 1.力敏传感器的定标 2.环的测量与清洁 3.测量液体的表面张力系数
实验数据和结果： 1. 传感器灵敏度的测量
质量（kg） 0.500x10-3 1.000x10-3 1.500x10-3 电压（v） 13.9x10-3 28.3x10-3 42.2x10-3
质量（kg） 2.000x10-3 电压（v） 55.6x10-3
/ N/m 0.0762 0.0755 0.0755 0.0759
= 7.58 10 -2 N/m 经查表，在14.4 oC时，水的表面张力系数约为7.36 10 -2 N/m,测量的相对误差小于3％
特点： 1. 测量方法直观，概念清楚 2. 硅压阻式力敏传感器灵敏度高，稳定性好