一、界面生成與控制模塊

 

這是儀器的“樣品交互核心”，需精準(zhǔn)構(gòu)建并維持穩(wěn)定的液-液界面（如油相-水相界面），避免界面擾動影響張力測量，主要包含：

 

樣品池/界面池：

 

通常為高精度透明容器（材質(zhì)多為石英或特種玻璃，減少對流體的吸附或化學(xué)反應(yīng)），需嚴(yán)格控制體積（適配微量樣品，如毫升級甚至微升級），且具備溫度控制夾層（通過恒溫水浴或半導(dǎo)體溫控模塊，將溫度波動控制在±0.1℃以內(nèi)——溫度變化會顯著影響界面張力，需穩(wěn)定環(huán)境參數(shù)）。

 

部分儀器會設(shè)計“雙池結(jié)構(gòu)”：分別容納兩種不相溶的流體（如油池和水池），通過特定通道（如毛細(xì)管或微流控接口）讓兩種流體緩慢接觸，在接觸面形成穩(wěn)定界面（避免劇烈混合導(dǎo)致界面破壞）。

 

界面形成機(jī)構(gòu)：

 

用于精準(zhǔn)控制兩種流體的接觸方式，常見有“懸滴法輔助機(jī)構(gòu)”“躺滴法平臺”或“旋轉(zhuǎn)液滴裝置”（針對超低壓/高黏度體系）：

 

若為懸滴法（超低張力測量常用方式）：需通過微量注射泵（精度達(dá)納升級）將一種流體（如油相）緩慢注入另一種流體（如水相）中，形成懸掛的液滴（液滴界面即待測量的油-水界面），機(jī)構(gòu)需控制注射速度（避免液滴振蕩），并確保液滴懸掛位置固定（正對光學(xué)檢測模塊）。

 

若為旋轉(zhuǎn)液滴法（適用于超超低張力，如10??mN/m量級）：需包含“旋轉(zhuǎn)軸+樣品管”——將兩種流體密封在細(xì)長樣品管中，通過電機(jī)驅(qū)動樣品管高速旋轉(zhuǎn)（轉(zhuǎn)速可達(dá)數(shù)千轉(zhuǎn)/分鐘），利用離心力使其中一種流體形成細(xì)長液柱（界面張力越低，液柱越細(xì)長），機(jī)構(gòu)需保證旋轉(zhuǎn)軸同心度（避免振動導(dǎo)致液柱偏移）。

 

二、光學(xué)檢測與成像模塊

 

界面張力的測量依賴對“界面形態(tài)（如液滴/液柱形狀）”的精確捕捉——界面張力會通過流體界面的曲率（如液滴的形狀因子）體現(xiàn)，因此需高分辨率光學(xué)系統(tǒng)記錄界面輪廓，核心組件包括：

 

光源系統(tǒng)：

 

需提供穩(wěn)定、均勻的照明，且避免強(qiáng)光干擾界面（如引發(fā)流體熱對流），通常采用“冷光源”（如LED面光源，波長可選單色光——減少色散影響成像清晰度），配合聚光鏡和濾光片（過濾雜光，提升成像對比度），確保界面輪廓邊緣清晰（尤其是超低張力下，界面張力弱，液滴形態(tài)更“扁平”或“細(xì)長”，邊緣細(xì)節(jié)易模糊）。

 

成像組件：

 

以高分辨率相機(jī)為核心（多為CCD或CMOS相機(jī)，像素數(shù)≥1000萬，幀率可調(diào)——靜態(tài)測量需高分辨率，動態(tài)界面測量需高幀率），搭配長焦顯微鏡或微距鏡頭（放大倍數(shù)根據(jù)液滴/液柱尺寸設(shè)計，如10-100倍，確保能清晰捕捉界面的微小曲率變化）。

 

部分儀器會集成“圖像采集卡”或直接通過軟件聯(lián)動相機(jī)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時圖像傳輸（將界面形態(tài)數(shù)據(jù)同步至分析模塊），且需與界面生成模塊同軸對準(zhǔn)（如相機(jī)光軸與懸滴中心/旋轉(zhuǎn)液柱軸線重合，避免圖像畸變導(dǎo)致測量誤差）。

 

三、信號分析與計算模塊

 

光學(xué)系統(tǒng)捕捉的“界面形態(tài)圖像”需通過算法轉(zhuǎn)化為界面張力數(shù)值，這一模塊是儀器的“數(shù)據(jù)處理核心”，包括硬件和軟件兩部分：

 

數(shù)據(jù)采集硬件：

 

通常為專用控制主板或計算機(jī)接口（如USB3.0/PCIe），負(fù)責(zé)接收相機(jī)傳輸?shù)膱D像數(shù)據(jù)，同步記錄溫度、轉(zhuǎn)速（若為旋轉(zhuǎn)法）等環(huán)境參數(shù)（參數(shù)需與圖像數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)，用于后續(xù)修正計算），確保數(shù)據(jù)傳輸無延遲（避免動態(tài)界面測量時數(shù)據(jù)脫節(jié)）。

 

張力計算軟件與算法：

 

這是決定測量精度的關(guān)鍵之一，核心是通過“界面輪廓擬合”反推張力值：

 

對于懸滴法：軟件需提取液滴邊緣的像素坐標(biāo)，基于“Laplace方程”（描述彎曲界面上的壓力平衡，關(guān)聯(lián)界面張力、液滴曲率半徑、兩相密度差），通過非線性擬合算法（如AxisymmetricDropShapeAnalysis，ADSA——超低張力測量的主流算法）計算張力值。ADSA算法需能修正“重力影響”（超低張力下重力對液滴形狀的干擾較弱，但仍需精準(zhǔn)建模）和“光學(xué)畸變”（通過相機(jī)標(biāo)定參數(shù)消除鏡頭失真）。

 

對于旋轉(zhuǎn)液滴法：軟件需識別旋轉(zhuǎn)中液柱的長度和直徑，基于“離心力-界面張力平衡方程”（液柱形態(tài)由離心力與界面張力共同決定），代入轉(zhuǎn)速、兩相密度差等參數(shù)，計算張力值（公式近似為：γ=ω²r³Δρ/4，其中ω為角速度，r為液柱半徑，Δρ為密度差）。

 

軟件需具備“自動迭代優(yōu)化”功能——超低張力下，界面形態(tài)受微小擾動（如溫度波動、振動）影響更明顯，算法需通過多次擬合（如對連續(xù)10-20幀圖像分別計算再取平均值）降低誤差，同時支持手動修正（如人工調(diào)整界面邊緣識別框，提升復(fù)雜體系下的擬合準(zhǔn)確性）。