一种液体相对介电常数的测量方法及系统
阅读说明：本技术 一种液体相对介电常数的测量方法及系统 (Method and system for measuring relative dielectric constant of liquid ) 是由 方海生 陈浩 聂圻春 高仙仙 于 2020-11-19 设计创作，主要内容包括：本发明属于液体介电常数测量相关技术领域,其公开了一种液体相对介电常数的测量方法及系统,该方法包括：将待测液体滴加至介电材料层表面,获取此时所述待测液体的液滴与所述介电材料层的第一接触角；在所述介电材料层的背面设置至少覆盖所述液滴的金属层,将所述金属层和液滴分别与电源的正极和负极连接,以对所述液滴施加电压,稳定后获取此时所述液滴与所述介电材料层的第二接触角；根据上述第一接触角和第二接触角获取所述待测液体的相对介电常数。本申请中的方法和系统操作简单,普适性广,测量精度高。(The invention belongs to the technical field related to liquid dielectric constant measurement, and discloses a method and a system for measuring the relative dielectric constant of liquid, wherein the method comprises the following steps: dropwise adding liquid to be detected to the surface of the dielectric material layer to obtain a first contact angle between the liquid drop of the liquid to be detected and the dielectric material layer; arranging a metal layer at least covering the liquid drop on the back surface of the dielectric material layer, respectively connecting the metal layer and the liquid drop with a positive electrode and a negative electrode of a power supply to apply voltage to the liquid drop, and obtaining a second contact angle between the liquid drop and the dielectric material layer after stabilization; and acquiring the relative dielectric constant of the liquid to be measured according to the first contact angle and the second contact angle. The method and the system are simple to operate, wide in universality and high in measurement accuracy.)
技术领域
本发明属于液体介电常数测量相关技术领域，更具体地，涉及一种液体相对介电常数的测量方法及系统。
背景技术
当介质被放置于电场中，介质中的分子会发生变化，从而使得介质中的平均电场小于外加电场，这种效应叫做介电效应。介电常数是表征电介质或绝缘材料电性能的一个重要依据，代表了介质的极化特性，利用不同材料介电常数的不同这一特性可以制备不同的电子器件，因此，在工业应用和科学研究中都需要对介质的介电常数进行精确的测量。
现有技术中大多采用平行板电容结构，利用真空电容与介质电容之间的关系来获取介质的介电常数，但对于液体介质这个方法难以适用。也有技术采用折射率传感器来测量液体介电常数，但制作成本高且工艺复杂，要求操作频繁，且不能保证测量精度，因此，当前用于测量液体介电常数的大多都存在设计不合理、结果不精确等缺点，本申请，针对以上问题提供了一种操作简单，测量精确的液体相对介电常数的测量方法及系统。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种液体相对介电常数的测量方法及系统，将待测液体的液滴设于介电材料层上，液滴在电场的作用下极化特性发生改变，使得电荷集中与三相线区域，由于同性电荷相互排斥使得液滴铺展进而影响其接触角，通过对该液滴未施加电场和施加电场后的接触角的变化计算获得该液滴的相对介电常数，装置简单，测量方便精准。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种液体相对介电常数的测量方法，所述方法包括：S1，将待测液体滴加至介电材料层表面，获取此时所述待测液体的液滴与所述介电材料层的第一接触角θ0；S2，在所述介电材料层的背面设置至少覆盖所述液滴的金属层，将所述金属层和液滴分别与电源的负极和正极连接，以对所述液滴施加电压，稳定后获取此时所述液滴与所述介电材料层的第二接触角θe；S3，将所述第一接触角和第二接触角代入以下公式即可获得所述待测液体的相对介电常数ε：
其中，d为所述介电材料层的厚度，σ为所述待测液体的表面张力，ε0为真空介电常数，U为施加的电压的大小。
优选地，所述第一接触角θ0和第二接触角θe的计算公式为：
θ0＝2arctan(2H0/D0)
θe＝2arctan(2He/De)
其中，H0为在未施加电压时所述介电材料层上承载的待测液体液滴的高度，D0为在未施加电压时所述介电材料层上承载的待测液体液滴与所述介电材料层的接触宽度；He为施加电压后所述介电材料层上承载的待测液体液滴的高度，De为施加电压后所述介电材料层上承载的待测液体液滴与所述介电材料层的接触宽度。
优选地，步骤S2还包括：
多次改变所述施加电压，分别获得对应的第二接触角，分别对多次所述施加电压和第二接触角求平均值得的平均施加电压和平均第二接触角；
步骤S3中θe为平均第二接触角，U为平均施加电压。
按照本发明的另一个方面，提供了一种用于实现上述液体相对介电常数的测量方法的测量系统，所述系统包括：支撑单元，从下至上依次包括金属层以及介电材料层，所述待测液体的液滴设于所述介电材料层上；电压单元，包括电源模块、与所述电源模块正极连接的正极接线端子以及一端与所述电源模块连接另一端与所述金属层连接的负极接线端子，其中，所述正极接线端子与所述待测液体接触；测量单元，包括采集相机以及数据处理器，其中，所述采集相机用于采集所述液滴在未施加电压和施加电压后的图像；所述数据处理器用于根据所述图像获取所述第一接触角和第二接触角，并执行步骤S3以获取所述待测液体的相对介电常数。
优选地，所述支撑单元还包括设于所述金属层下部的绝缘层以及设于所述绝缘层下部的升降结构，其中，所述升降结构用于调节所述液滴的高度。
优选地，所述电源模块包括交流电源以及电源调节器，所述交流电源连接于所述电源调节器的输入端，电源调节器用于将所述交流电源的电压调节为直流可调或交流可调电压。
优选地，所述电源调节器的输出电压的阈值U’满足：
U′＜EBDd
其中，EBD为所述介电材料层的临界击穿电场强度，d为所述介电材料层的厚度。
优选地，所述电压单元包括三维位移结构，用于固定并调节所述正极接线端子的位置。
优选地，所述测量单元还包括光源，用于照射所述介电材料层上待测液体的液滴，以便于所述采集相机采集。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，本发明提供的一种液体相对介电常数的测量方法及系统至少包括如下有益效果：
1.液滴在介电材料层表面由于表面张力的作用会存在接触角，对该液滴施加电压后，液滴中的电荷会集中在三相接触线附近，加上同性电荷的排斥作用使得液滴铺展，从而使得液滴的形貌发生变化，接触角减小，进而可以根据接触角的变化计算获得反应液滴电极化特性的相对介电常数，操作简单，易于实现；
2.通过多次施加不同的电压求平均值的方式计算相对介电常数，大大提高了计算精度；
3.该测量系统中的设备均是简单易得的设备而且操作方便，电压模块可以将交流电转化为直流可调或交流可调的电压，满足在测量过程中对变压的需求，由于不同的液体的极化特性不同，对于极化特性不显著的液体进行测量时需要加大施加电压，对于极化特性显著的液体进行测量时需要减小施加电压，因此该系统可以满足不同液体相对介电常数的测量需求，普适性广；
4.本申请只需取少量待测液体即可实现对液体相对介电常数的测量，大大节约了原材料，避免了浪费。
附图说明
图1示意性示出了根据本公开实施例的液体相对介电常数测量系统的结构示意图；
图2示意性示出了根据本公开实施例的待测液体未施加电压和施加电压后的状态示意图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：
100-支撑单元：
110-绝缘层；120-金属层；130-介电材料层；140-升降结构；
200-电压单元：
210-电源模块；220-正极接线端子；230-负极接线端子；211-交流电源；
212-电源调节器；240-开关；
300-测量单元：
310-采集相机；320-数据处理器；330-光源；340-数据线；
400-待测液体液滴。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明提供了一种液体相对介电常数的测量方法，所述方法包括：
S1，将待测液体滴加至介电材料层表面，获取此时所述待测液体的液滴与所述介电材料层的第一接触角θ0；
其中，第一接触角θ0的计算公式为：θ0＝2arctan(2H0/D0)。
其中，H0为在未施加电压时所述介电材料层上承载的待测液体液滴的高度，D0为在未施加电压时所述介电材料层上承载的待测液体液滴与所述介电材料层的接触宽度。
S2，在所述介电材料层的背面设置至少覆盖所述液滴的金属层，将所述金属层和液滴分别与电源的负极和正极连接，以对所述液滴施加电压，稳定后获取此时所述液滴与所述介电材料层的第二接触角θe；
其中，第二接触角θe的计算公式为：θe＝2arctan(2He/De)。
He为施加电压后所述介电材料层上承载的待测液体液滴的高度，De为施加电压后所述介电材料层上承载的待测液体液滴与所述介电材料层的接触宽度。
S3，将所述第一接触角和第二接触角代入以下公式即可获得所述待测液体的相对介电常数ε：
其中，d为所述介电材料层的厚度，σ为所述待测液体的表面张力，ε为真空介电常数，U为施加的电压的大小。
以上步骤S2中还包括多次改变所述施加电压，分别获得对应的第二接触角，分别对多次所述施加电压和第二接触角求平均值得的平均施加电压和平均第二接触角；步骤S3中θe为平均第二接触角，U为平均施加电压。
本申请还提供了一种用于实现上述液体相对介电常数的测量方法的测量系统，如图1和图2所示，所述系统包括支撑单元100、电压单元200以及测量单元300。
支撑单元100，从下至上依次包括金属层120以及介电材料层130，所述待测液体的液滴400设于所述介电材料层130上。
所述支撑单元100还包括设于所述金属层120下部的绝缘层110以及设于所述绝缘层110下部的升降结构140，其中，所述升降结构140用于调节所述液滴400的高度。
电压单元200，包括电源模块210、与所述电源模块210正极连接的正极接线端子220以及一端与所述电源模块210连接另一端与所述金属层120连接的负极接线端子230，其中，所述正极接线端子220与所述待测液体接触，用于为所述待测液体400施加电压。所述电压单元200包括三维位移结构，用于固定并调节所述正极接线端子220的位置。
所述电源模块210包括交流电源211以及电源调节器212，所述交流电源211连接于所述电源调节器212的输入端，电源调节器212用于将所述交流电源211的电压调节为直流可调或交流可调电压。所述电源调节器212的输出电压的阈值U’满足：
U'＜EBDd
其中，EBD为所述介电材料层130的临界击穿电场强度，d为所述介电材料层130的厚度。
测量单元300，包括采集相机310以及数据处理器320，其中，所述采集相机310用于采集所述液滴在未施加电压和施加电压后的图像；所述数据处理器320用于根据所述图像获取所述第一接触角和第二接触角，并执行步骤S3以获取所述待测液体的相对介电常数。
所述测量单元300还包括光源330，用于照射所述介电材料层130上待测液体的液滴400，以提高液滴的亮度，便于所述采集相机310采集。所述采集相机310优选为CCD相机。
所述电源模块210还包括开关240，关闭开关开始对液滴进行施加电压，如图2所示，液滴中的电荷会集中在三相接触线附近，局部电场发生畸变，电场中的Maxwell压力作用在边界，与之平衡的力则是Laplace压力，同时三相接触线附近电荷发生聚集，同性电荷的排斥作用使得液滴铺展，从而使得液滴形貌发生变化，接触角减小。
综上所述，本申请将待测液体的液滴设于介电材料层上，液滴在电场的作用下极化特性发生改变，使得电荷集中与三相线区域，由于同性电荷相互排斥使得液滴铺展进而影响其接触角，通过对该液滴未施加电场和施加电场后的接触角的变化计算获得该液滴的相对介电常数，装置简单，测量方便精准。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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