一种基于磁性小球的表面张力测量方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于磁性小球的表面张力测量方法及系统，该方法包括：将磁性小球放入液滴中并控制磁性小球、液滴和磁铁的中心点在同一垂直线上；采集液滴图像并截取液滴上方及磁性小球作为整体进行受力分析，构建表面张力计算公式；基于表面张力计算公式，获取液滴轮廓信息并进行计算，得到表面张力。该系统包括：控制模块、分析模块和计算模块。通过使用本发明专利技术，能够仅依靠分析液滴形状及磁力计算即可推导计算出表面张力大小。本发明专利技术作为一种基于磁性小球的表面张力测量方法及系统，可广泛应用于液滴张力测量领域。用于液滴张力测量领域。用于液滴张力测量领域。

【技术实现步骤摘要】
一种基于磁性小球的表面张力测量方法及系统


[0001]本专利技术涉及液滴张力测量领域，尤其涉及一种基于磁性小球的表面张力测量方法及系统。

技术介绍

[0002]目前测量表面张力的常用方法有Du No
ü
y拉环法、Wilhelmy板法、悬滴法、以及接触角测量等。Du No
ü
y拉环法、Wilhelmy板法都是利用精密的力传感器获取拉力信息从而计算液体的表面张力，对于仪器的精密度要求较高，同时由于环及板的尺寸，依然需要较大体积的液体才能进行测量。悬滴法相较于传统的称重原理测量法，其准确性和可靠性有一定的优势，但是悬滴法基于两大假设——液滴处于静力平衡状态和中心轴对称，基于这两个特点，需要几微升甚至更大体积的液滴保证液滴界面张力和重力平衡，因此并不适用于测量更小体积的液滴。接触角测量则是利用Young
‑
Laplace方程进行计算求解，但是由于方程中涉及气固界面、液固界面及气液界面的表面张力，需要较多已知条件才能求解。

技术实现思路

[0003]为了解决上述技术问题，本专利技术的目的是提供一种基于磁性小球的表面张力测量方法及系统，可仅仅依靠分析液滴形状及磁力计算便可推导计算出表面张力大小。
[0004]本专利技术所采用的第一技术方案是：一种基于磁性小球的表面张力测量方法，包括以下步骤：
[0005]将磁性小球放入液滴中并控制磁性小球、液滴和磁铁的中心点在同一垂直线上；
[0006]采集液滴图像并截取液滴上方及磁性小球作为整体进行受力分析，构建表面张力计算公式；
[0007]基于表面张力计算公式，获取液滴轮廓信息并进行计算，得到表面张力。
[0008]进一步，所述将磁性小球放入液滴中并控制磁性小球、液滴和磁铁的中心点在同一垂直线上这一步骤，其具体包括：
[0009]吸取溶液滴在基底上，形成液滴；
[0010]测量磁性小球的质量并放入液滴中；
[0011]在液滴上方固定磁铁；
[0012]移动基底控制磁性小球、液滴和磁铁的中心点在同一垂直线上。
[0013]进一步，所述采集液滴图像并截取液滴上方及磁性小球作为整体进行受力分析，构建表面张力计算公式这一步骤，其具体包括：
[0014]基于相机采集液滴以及磁性小球的侧视图；
[0015]以液滴底部的平面为基准面，根据预设的间隔高度截取液滴上方区域，得到截取图；
[0016]以截取图底部的平面为截取面，将液滴上方区域及磁性小球作为整体进行受力分析，构建表面张力计算公式。
[0017]进一步，所述表面张力计算公式如下：
[0018][0019]上式中，F
mag
表示磁力，m表示磁性小球和截取液体的总质量，ρ表示液体密度，S表示测量截面的面积，l表示测量截面的周长、θ表示液面与水平面的夹角，r
b
表示基准面半径，θ
b
表示基准液面与水平面的夹角，Δh表示截面和基准面之间的高度差。
[0020]进一步，所述基于表面张力计算公式，获取液滴轮廓信息并进行计算，得到表面张力这一步骤，其具体包括：
[0021]采集待测图像并对待测图像进行二值化，得到二值化图像；
[0022]对二值化图像进行液滴和磁性小球边缘检测，得到清晰图；
[0023]根据清晰图获取液滴轮廓信息，结合表面张力计算公式计算得到表面张力。
[0024]进一步，所述液滴轮廓信息包括测量截面的面积、测量截面的周长表示液面与水平面的夹角、基准面半径、基准液面与水平面的夹角、截面与基准面之间的高度差。
[0025]本专利技术所采用的第二技术方案是：一种基于磁性小球的表面张力测量系统，包括：
[0026]控制模块，用于将磁性小球放入液滴中并控制磁性小球、液滴和磁铁的中心点在同一垂直线上；
[0027]分析模块，用于采集液滴图像并截取液滴上方及磁性小球作为整体进行受力分析，构建表面张力计算公式；
[0028]计算模块，基于表面张力计算公式，获取液滴轮廓信息并进行计算，得到表面张力。
[0029]本专利技术方法及系统的有益效果是：本专利技术利用磁毛细作用进行表面张力测量，由于磁性小球大小可控，可以在较小的液滴体积下就可以进行测量，且由于磁性小球可以通过磁铁、磁场操控移动，能够测量液面某个局部的表面张力，同时本方法的基本原理是通过力的平衡进行表面张力的计算，可仅仅依靠分析液滴形状及磁力计算便可得到各种力的大小，从而依靠公式推导计算出表面张力大小，不需要精密的力传感器等设备，具有一定的简易性和便捷性。
附图说明
[0030]图1是本专利技术一种基于磁性小球的表面张力测量方法的步骤流程图；
[0031]图2是本专利技术具体实施例磁性小球和液滴的受力分析示意图；
[0032]图3是本专利技术具体实施例测量液体表面张力的实验装置简易示意图；
[0033]图4是本专利技术具体实施例对拍摄到的液滴形状进行分析所进行的图像分析处理步骤流程图；
[0034]图5是本专利技术一种基于磁性小球的表面张力测量系统的结构框图。
具体实施方式
[0035]下面结合附图和具体实施例对本专利技术做进一步的详细说明。对于以下实施例中的步骤编号，其仅为了便于阐述说明而设置，对步骤之间的顺序不做任何限定，实施例中的各
步骤的执行顺序均可根据本领域技术人员的理解来进行适应性调整。
[0036]如图1所示，本专利技术提供了一种基于磁性小球的表面张力测量方法，该方法包括以下步骤：
[0037]将磁性小球放入液滴中并控制磁性小球、液滴和磁铁的中心点在同一垂直线上；
[0038]采集液滴图像并截取液滴上方及磁性小球作为整体进行受力分析，构建表面张力计算公式；
[0039]具体地，截取液滴上方及磁性小球作为整体进行受力分析。磁性小球受到来自磁铁的吸引力F
mag
，方向垂直向上；液体受到沿着液面切线方向往下的表面张力作用，液面与水平方向夹角为θ，表面张力的垂直分量为lγsinθ，其中l为下表面周长(l＝πr2,r为下表面半径)，γ为表面张力系数(简称表面张力)；磁性小球和液体也受到垂直向下的重力mg，m为磁性小球和液体的总质量，g为重力加速度；此外，下表面受到底部液体垂直向上的压力P。
[0040]选取远离磁性小球的某一水平面为基准面，通过拉普拉斯压强差公式计算液滴内部的附加压强，其中r1、r2为弯曲液面主曲率半径，对于远离磁性小球的液面，假设其为球面，θ
b
为基准面下液面与水平面的夹角，r
b
为基准面的半径。基准面以上Δh高度的液体内部压强可以通过静止流体压强差公式确定：
[0041][0042]其中ρ为液体密度。该压强作用在面积为S的截取面的下表面，产生垂直往上的压力
[0043][0044]在静止状态下，图2右图中所有作用力在垂直方向需保持平衡，即
[0045][00本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于磁性小球的表面张力测量方法，其特征在于，包括以下步骤：将磁性小球放入液滴中并控制磁性小球、液滴和磁铁的中心点在同一垂直线上；采集液滴图像并截取液滴上方及磁性小球作为整体进行受力分析，构建表面张力计算公式；基于表面张力计算公式，获取液滴轮廓信息并进行计算，得到表面张力。2.根据权利要求1所述一种基于磁性小球的表面张力测量方法，所述将磁性小球放入液滴中并控制磁性小球、液滴和磁铁的中心点在同一垂直线上这一步骤，其具体包括：吸取溶液滴在基底上，形成液滴；测量磁性小球的质量并放入液滴中；在液滴上方固定磁铁；移动基底控制磁性小球、液滴和磁铁的中心点在同一垂直线上。3.根据权利要求1所述一种基于磁性小球的表面张力测量方法，其特征在于，所述采集液滴图像并截取液滴上方及磁性小球作为整体进行受力分析，构建表面张力计算公式这一步骤，其具体包括：基于相机采集液滴以及磁性小球的侧视图；以液滴底部的平面为基准面，根据预设的间隔高度截取液滴上方区域，得到截取图；以截取图底部的平面为截取面，将液滴上方区域及磁性小球作为整体进行受力分析，构建表面张力计算公式。4.根据权利要求3所述一种基于磁性小球的表面张力测量方法，其特征在于，所述表面张力计算公式如下：上式中，F
mag
表示磁力，m表示磁性小球和截取液体...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄世琳，黄育昇，郭睿生，田雪林，
申请(专利权)人：中山大学，
类型：发明
国别省市：