4 實驗數據處理與結果分析

4.1 實驗樣品

本文采用由Aladdin公司提供的異辛烷、正癸烷和十六烷來檢驗新的實驗系統(tǒng)，3種物質的詳細信息列于表1中。測量前，采用孔徑為0.22 μm的聚四氟乙烯過濾器去除液相中的微米級顆粒。

4.2 數據處理

本文通過擬合二階相關方程[式(9)]提取液體表面波的頻率ωq和弛豫時間τc。特定波數q下表面光散射實驗的時域數據變換按以下流程處理[12]：1)零通道點數據采集；2)數據折疊；3)離散快速傅里葉變換；4)頻域數據擬合[式(8)]。以異辛烷為例，圖5所示為在T=298.15 K、壓力為常壓、模式數n=1的條件下獲得的不同微通道寬度d的異辛烷功率譜。隨著通道寬度d的增大，中心頻率向低頻移動且峰值逐漸增大。由式(6)可知，通道寬度越大，提取的波數就越小，對應的散射角度亦越小，散射光強度越強，因此功率譜峰值就越大。

4.3 結果分析

表2給出了異辛烷、正癸烷和十六烷常溫常壓下，微通道寬度d在30~90 μm內的表面張力實驗值。表2中Ur(σ)表示每個實驗點的誤差。

表1 3種樣品的基本性質

表2 異辛烷、正癸烷和十六烷在不同微通道寬度下的表面張力實驗數據

在實際測量中，單次實驗所需試劑量不超過2 μL。本文選取的微通道寬度下限為30 μm，通道寬度太小時散射光強度較弱且信噪比略低；考慮到液面的控制難易程度，選取微通道寬度上限為90 μm。每個實驗點均進行5次以上重復性實驗，對結果取平均值，圖6所示的每個點的誤差帶即表示多次測量的標準偏差。如圖6所示，將3種烷烴利用式(8)計算獲得的實驗值分別與利用式(2)計算獲得的一階近似解和NIST10.0文獻值相比較，隨著微通道寬度d由30 μm增加至90 μm，3種烷烴的實驗值與NIST10.0文獻值基本吻合，異辛烷、正癸烷以及十六烷烴與NIST10.0文獻值的平均相對偏差分別為0.76%、0.83%和0.93%，最大相對偏差分別為2.44%、3.34%和2.48%。

最大相對偏差均出現在較窄寬度處，此時測量表面張力的偏差也最大。因此，為避免通道寬度太小時散射光強度較弱、信噪比略低，微通道寬度介于45 μm與90 μm之間較好。由圖6可知，3種參考物質的實驗值與參考數據的偏差較小，同時單點多次重復測量的偏差也很小，表明新的系統(tǒng)在較寬的通道范圍或較大的波數條件下的測量精度、穩(wěn)定性和可靠性均較高。

此外，異辛烷、正癸烷以及十六烷的實驗值與其相對應的一階近似解偏差逐漸增大，分析原因為：在本文的測試條件下，異辛烷、正癸烷和十六烷的Y值分別為20.61、8.45和1.37，正癸烷和十六烷的Y值位于0.4~15區(qū)間內，即臨界振蕩區(qū)，而一階近似解未考慮臨界振蕩區(qū)內體相耗散的影響。Y值越小，偏差越大，因此十六烷的實驗值與一階近似解的偏差更大。進一步講，一階近似往往僅適用于Y值非常大的情況，譬如Y>100，此時對應的黏度往往非常小，實際中大部分流體不滿足此條件，因此采用這種方法計算表面張力往往存在顯著的系統(tǒng)偏差。

5 結論

本文研制了微尺度反射式表面光散射實驗系統(tǒng)，并利用參考物質異辛烷、正癸烷和正十六烷在常溫常壓條件下對實驗系統(tǒng)的測量精度和可靠性進行了檢驗。主要結論如下：

1) 在流體自由液面表面波色散方程的基礎上，結合限制性微尺度邊界條件，本文獲得了適用于微尺度通道的表面波功率譜方程。

2) 通過構建4維調節(jié)限制性微尺度可控寬度通道，同時耦合反射式表面光散射系統(tǒng)，實現了可控微米尺度通道條件下流體表面張力的精確可靠測量，驗證的通道尺度范圍為30~90 μm，單次實驗樣品用量不超過2 μL。

3) 利用參考物質對新研制的實驗系統(tǒng)和測量方法進行了驗證，3種烷烴表面張力的實驗值與理論值的偏差均在3%以內，且單點測量僅需數秒鐘，可滿足表面張力的高精度測量和傳感的要求。

4) 對比了本文提出的表面波功率譜方程和一階近似方程，結果表明前者可以精確計算微尺度通道內的表面張力，而后者存在顯著的系統(tǒng)偏差。

后續(xù)的工作需要對實驗系統(tǒng)進行進一步的縮小，以為表面光傳感器的發(fā)展提供基礎。