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係統，3種物質的詳細信息列於表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)]提取液體表麵波的頻率ωq和弛豫時間τc。特定波數q下表麵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)離散快速傅裏葉變換；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內的表麵張力實驗值。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麵張力實驗數據

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；考慮到液麵的控製難易程度，選取微通道寬度上限為90 μm。每個實驗點均進行5次以上重複性實驗，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，此時測量表麵張力的偏差也最大。因此，為避免通道寬度太小時散射光強度較弱、信噪比略低，微通道寬度介於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，同時單點多次重複測量的偏差也很小，表明新的係統在較寬的通道範圍或較大的波數條件下的測量精度、穩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值位於0.4~15區間內，即臨界振蕩區，而一階近似解未考慮臨界振蕩區內體相耗散的影響。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於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麵張力往往存在顯著的係統偏差。

5 結論

本文研製了微尺度反射式表麵光散射實驗係統，並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係統的測量精度和可靠性進行了檢驗。主要結論如下：

1) 在流體自由液麵表麵波色散方程的基礎上，結合限製性微尺度邊界條件，本文獲得了適用於微尺度通道的表麵波功率譜方程。

2) 通過構建4維調節限製性微尺度可控寬度通道，同時耦合反射式表麵光散射係統，實現了可控微米尺度通道條件下流體表麵張力的精確可靠測量，驗證的通道尺度範圍為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製的實驗係統和測量方法進行了驗證，3種烷烴表麵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鍾，可滿足表麵張力的高精度測量和傳感的要求。

4) 對比了本文提出的表麵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麵張力，而後者存在顯著的係統偏差。

後續的工作需要對實驗係統進行進一步的縮小，以為表麵光傳感器的發展提供基礎。