磁力平衡悬梁式液体界面张力测量仪的制作方法

本实用新型涉及一种对液体界面张力进行精确、快速测量的实验装置。

背景技术：

液体的界面张力(系数)是液体界面层的分子由于受力不平衡而产生的向内收缩并且作用在单位长度界面上的力，是表征液体基本物性的重要参数之一。探索恰当的技术和方法实现液体界面张力的精确测量对科学研究以及生产实践具有重要意义。

吊环法(或拉脱法)是一种测量液体界面张力的常用方法，其基本原理是：将浸没在待测液体中的吊环提升并使之脱离液面所需的最大拉力等于吊环自身重量加上界面张力与被脱离液面周长的乘积，只要测量出作用于吊环上的最大拉力，即可获得待测液体的界面张力。市场上能够找到的、基于吊环法进行液体界面张力测量的代表性仪器主要有Jolly秤、扭力称以及应变片式、电子天平式和电涡流式界面张力仪等几种，相比较而言，应变片式、电子天平式和电涡流式界面张力仪均采用了力敏传感器对待测力进行转换和测量，体现了非电量的电测这一技术特点，不仅测量速度快，结果复现性好，而且后期处理容易，便于实现工艺过程的自动化，因而具有更为广阔的应用前景，但是，上述三种仪器也有其自身的弱点，由于缺少相应的待测力放大机构，因此仪器的灵敏度相对较低，对于界面张力较小的液体，可信的测量不易实现。

磁悬浮是一种比较成熟且新颖的工程技术，在磁悬浮列车、磁悬浮轴承、磁悬浮风机、磁悬浮潜水电泵等许多方面发挥着核心作用。磁悬浮的具体实现包括超导磁悬浮、常导磁悬浮、永磁磁悬浮和永磁/电磁复合磁悬浮等四种方式，其中永磁/电磁复合磁悬浮兼具了永磁磁悬浮和常导(或超导)磁悬浮的优点，不仅实现容易，而且能耗低、控制精确、适应性强，因此应用最为广泛。在永磁/电磁复合磁悬浮系统中，可动部件的悬浮通过永磁体的有机组合实现，而悬浮状态的精确控制则通过调节电磁线圈的工作电流实现，因而能够应对可动部件的质量变化。永磁/电磁复合磁悬浮技术所形成的可动部件的低阻尼状态以及相应的悬浮控制方法亦为微小力的电法测量提供了一个新的途径，如果再配合适当的力放大机构(如杠杆等)，就能够形成一种具有广泛应用价值的新型液体界面张力仪。

技术实现要素：

本实用新型提供了一种磁力平衡悬梁式液体界面张力测量仪，其以吊环法为基础，借助杠杆原理，利用霍尔式位移传感器以及永磁/电磁复合磁悬浮技术，通过对一个单摆式悬梁悬浮状态的监测和控制，将作用于金属吊环上的拉力适度放大并反映为电磁线圈的工作电流，进而实现液体界面张力的电法精确测量。

实现本实用新型所采用的技术方案为：(1)选用轻质刚性材料制作单摆式悬梁，其一端通过顶针式转轴与仪器支架连接，以尽量减小单摆式悬梁悬浮偏转时的摩擦阻力，并限制单摆式悬梁的前后、左右移动，另一端与霍尔式位移传感器连接，用以监测单摆式悬梁的悬浮状态，在靠近顶针式转轴的一侧布置永磁/电磁复合磁悬浮系统，而在靠近霍尔式位移传感器的一侧，则设置悬梁挂钩，并通过双向挂钩与金属吊环连接，由于悬梁挂钩到顶针式转轴的距离比磁悬浮系统到顶针式转轴的距离大得多，因此加载于金属吊环上的拉力可以被有效放大；(2)永磁/电磁复合磁悬浮系统由圆片状永磁体、两组沿单摆式悬梁按一定间距(略小于圆片状永磁体的直径)对称排列的长方形片状永磁体和居于两组永磁体之间的电磁线圈构成，圆片状永磁体粘接于单摆式悬梁上，而长方形片状永磁体和电磁线圈则固定于仪器支架上，两组长方形片状永磁体形成一个V型的磁场分布，它与圆片状永磁体产生的磁场相互排斥，使单摆式悬梁悬浮并抑制其左右移动，当施加拉力于金属吊环上时，通过调节电磁线圈的工作电流

可精确控制单摆式悬梁悬浮于水平位置，由此实现待测力向电信号的转换；(3)霍尔式位移传感器由两组同名磁极相对并保持一定间距的长方形片状永磁体和一个置于其间并固定于单摆式悬梁上的线性霍尔元件组成，当单摆式悬梁因外力作用发生偏转时，线性霍尔元件的输出电压亦发生变化，由此即可实现单摆式悬梁水平状态的精准监测；(4)仪器的定标采用标准砝码进行，将一系列的标准砝码依次加载于金属吊环上，每次加载后，均依据线性霍尔元件的输出电压，通过调节电磁线圈的工作电流使单摆式悬梁水平，由此就可以得到外加力与电磁线圈工作电流之间的定量关系；(5)单摆式悬梁水平时，将金属吊环浸没于升降台上称量杯中的待测液体内，降低升降台的高度，在界面张力作用下，金属吊环可拉出液膜，并使单摆式悬梁的水平被破坏，调节电磁线圈的工作电流可使单摆式悬梁恢复至水平，不断降低升降台的高度，同时调节电磁线圈的工作电流，保持单摆式悬梁始终水平，当液膜断裂时，取相应的电磁线圈工作电流并结合金属吊环参数以及定标数据即可计算得到待测液体的界面张力。

本实用新型与现有的技术相比，具有以下实质性特点和优势：

1、本实用新型借助了杠杆原理，利用霍尔式位移传感器以及永磁/电磁复合磁悬浮技术，通过对一个单摆式悬梁悬浮状态的监测和控制，将作用于金属吊环上的拉力适度放大并反映为电磁线圈的工作电流，从而实现液体界面张力的电法精确测量；

2、本实用新型允许沿着单摆式悬梁适当改变电磁线圈和圆片状永磁体以及悬梁挂钩的位置，使作用于金属吊环上的拉力获得不同倍数的放大；

3、本实用新型的金属吊环通过悬梁挂钩和双向挂钩与单摆式悬梁连接，在重力作用下，金属吊环的环面可自动保持水平；

4、本实用新型结构简单、使用方便、测量准确，且易于实现工艺过程的自动化。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图。

图2为本实用新型的永磁/电磁复合磁悬浮模块结构示意图。

图3为霍尔式位移传感器输出电压与单摆式悬梁偏转角度的关系曲线。

图4为永磁/电磁复合磁悬浮系统中长方形片状永磁体极面附近的磁场分布。

图5为本实用新型的定标曲线。

图1和2中：1-仪器支架，2-顶针式转轴，3-单摆式悬梁，4-圆片状永磁体，5、8-长方形片状永磁体，6-线性霍尔元件，7-电磁线圈，9-悬梁挂钩，10-双向挂钩，11-金属吊环，12-称量杯，13-升降台，14-显示/控制单元。

具体实施方式

下面结合附图和实施例来进一步描述本实用新型。

如图1和2所示，本实用新型由仪器支架1、顶针式转轴2、单摆式悬梁3、圆片状永磁体4、长方形片状永磁体5和8、线性霍尔元件6、电磁线圈7、悬梁挂钩9、双向挂钩10、金属吊环11、称量杯12、升降台13等部件和显示/控制单元14组成。单摆式悬梁3的一端通过顶针式转轴2与仪器支架1连接，另一端安装线性霍尔元件6，并置于两组同名磁极相对的长方形片状永磁体8之间，形成霍尔式位移传感器，其与显示/控制单元14配合，可监测单摆式悬梁3是否水平(见图3)。在单摆式悬梁3靠近顶针式转轴2一侧的底面固定有圆片状永磁体4，其正下方依次为粘接于仪器支架1上的电磁线圈7和两组相对于单摆式悬梁3对称排列的长方形片状永磁体5。两组长方形片状永磁体5可沿单摆式悬梁3产生一个V型分布的磁场(见图4)，其与圆片状永磁体4形成的磁场相互排斥，在使单摆式悬梁3悬浮的同时，亦可抑制其左右晃动。通过显示/控制单元14调节电磁线圈7的工作电流可以精确控制单摆式悬梁3的悬浮状态。在单摆式悬梁3靠近线性霍尔元件6的一侧设置有悬梁挂钩9，并通过双向挂钩10与金属吊环11连接。悬梁挂钩9到顶针式转轴2的距离与圆片状永磁体4和电磁线圈7的中心到顶针式转轴2的距离之比为待测力的放大倍数，其初始值设置为3。

对图1所示的装置进行定标并采用标准砝码进行。以线性霍尔元件6输出的电压为依据，首先调节电磁线圈7的工作电流使单摆式悬梁3水平，然后将一系列的标准砝码依次加载于金属吊环11上，每次加载后均通过调节电磁线圈7的工作电流使单摆式悬梁3再次水平，依据所加载的砝码质量和对应的电磁线圈7的工作电流绘制如图5所示的定标曲线，即可建立起电磁线圈7的工作电流I与外加力F之间的数值关系，形如I＝kF+b,其中k和b分别为定标曲线的斜率(即仪器的灵敏度)和截距。

使用图1所示的装置进行液体界面张力的测量时，首先依据线性霍尔元件6输出的电压调节电磁线圈7的工作电流使单摆式悬梁3水平，并记录此时的工作电流为I₁，然后将金属吊环11浸没在称量杯12中的待测液体内，称量杯12则置于升降台13上，降低升降台13的高度，在界面张力作用下，金属吊环11处可拉出液膜，并导致单摆式悬梁3的水平被破坏，进一步调节电磁线圈7的工作电流可恢复单摆式悬梁3的水平。不断降低升降台13的高度，

$\mathrm{\γ}=\frac{I_1-I_2}{k\mathrm{\π}(D_1+D_2)}$

并同时调节电磁线圈7的工作电流，使单摆式悬梁3始终保持水平，当液膜断裂时，取相应的电磁线圈7的工作电流I₂，由下式计算可得待测液体的界面张力γ：

式中的D₁和D₂分别为金属吊环11的外径和内径。以25℃的纯水为例，使用图1所示的装置测量得到的界面(水-空气界面)张力约为71.45×10^-3N/m，其与公认值71.96×10^-3N/m相比，相对不确定度约为0.7％，这一结果充分表明了本实用新型在设计思想上的正确性。