液體密度的實(shí)時(shí)測(cè)量論文

1、綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)液體密度的實(shí)時(shí)測(cè)量研究液體密度的實(shí)時(shí)測(cè)量研究摘要：在物理實(shí)驗(yàn)中可以采用多種方法測(cè)量液體的密度，本實(shí)驗(yàn)采用液體密度的研究綜合試驗(yàn)儀對(duì)液體密度進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量。我們用應(yīng)變式壓力傳感器將液體密度轉(zhuǎn)換為電信號(hào)進(jìn)行測(cè)量。本實(shí)驗(yàn)中將應(yīng)變式壓力傳感器的載荷靈敏度和電壓靈敏度進(jìn)行測(cè)量，進(jìn)一步得出質(zhì)量與電壓之間的關(guān)系，從而得出液體的密度。為了減小誤差，對(duì)實(shí)驗(yàn)所得的數(shù)據(jù)用逐差法進(jìn)行測(cè)量，用Excel對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行趨勢(shì)預(yù)測(cè)。用此套裝置能夠比較精確的測(cè)得液體的密度。 關(guān)鍵詞：應(yīng)變式壓力傳感器 液體密度測(cè)量 引言隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，液體密度的測(cè)量方法也在不斷進(jìn)步。液體密度通常用密度計(jì)測(cè)量，但是近年來(lái)由于非電量電

2、測(cè)法的飛速發(fā)展，各種傳感器的廣泛應(yīng)用，使液體密度的測(cè)量愈來(lái)愈精確。在現(xiàn)代化生產(chǎn)和科研中，對(duì)液體密度的實(shí)時(shí)測(cè)量也愈來(lái)愈重要，例如，在造紙業(yè)中，可以通過(guò)控制紙漿的密度來(lái)保證紙的質(zhì)量，該方法節(jié)省人力，物力，提高了生產(chǎn)效率。實(shí)時(shí)測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)在于能迅速的反應(yīng)液體密度大小，以便進(jìn)行反饋控制。本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)組裝了一套具有實(shí)時(shí)測(cè)量液體密度功能的實(shí)驗(yàn)裝置。通過(guò)本裝置能精確測(cè)量出液體的密度。一 實(shí)驗(yàn)原理：1.1 液體密度的實(shí)時(shí)測(cè)量原理 對(duì)液體密度進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量的基本原理是阿基米德原理。如圖1.1所示，將浮子浸沒(méi)于液體中，由于浮力的作用，懸線上的張力Ft=mg-gV,式中V為浮子的體積，為液體的密度，上式表明，液體密度的變

3、化將引起懸線張力的變化。電阻應(yīng)變片一般由敏感柵，基地，粘合劑，引線，蓋片等組成。應(yīng)變片的規(guī)格一般以使用面積和電阻值來(lái)表示，如，“3×10 平方毫米 350歐姆”。敏感柵由直徑約0.01mm0.05mm高電阻系數(shù)的細(xì)絲彎曲成山狀，它實(shí)際上是一個(gè)電阻元件，是電阻應(yīng)變片感受構(gòu)件應(yīng)變的敏感部分。敏感柵由粘合劑將其固定在基片上。基底應(yīng)保證將構(gòu)件上的應(yīng)變準(zhǔn)確的傳送到敏感柵上去，故基底必須做的很薄，（一般為0.03mm0.06mm）,使它能與試件及敏感柵牢固的粘在一起；另外，它還應(yīng)有良好的絕緣性，抗潮性和耐熱性?；撞牧嫌屑?，膠膜和玻璃纖維布等。引出線的作用是將敏感柵電阻元件與測(cè)量電路相連接，一般

4、由0.1mm0.2mm低阻鍍錫銅絲制成，并與敏感柵兩端輸出端相焊接，蓋片起保護(hù)作用。在測(cè)量時(shí)，將應(yīng)變片用粘合劑牢固的粘貼在被測(cè)試件的表面上，隨著試件受力變形，應(yīng)變片敏感柵也獲得同樣的變形，從而使電阻隨之發(fā)生變化。通過(guò)測(cè)量電阻值的變化可反映出外力作用的大小。壓力傳感器是將四片電阻分別粘貼在彈性平行梁的上下兩表面適當(dāng)?shù)奈恢茫旱囊欢斯潭?，另一端自由用于加載荷外力F,彈性梁收載荷作用而彎曲，梁的上下表面受拉，電阻片R和R亦受拉伸作用電阻增大；梁的下表面受壓，R和R的電阻減小。這樣，外力的作用通過(guò)梁的形變而使4個(gè)電阻值發(fā)生變化，這就是壓力傳感器。應(yīng)變片R=R=R=R。應(yīng)變片可以把應(yīng)變的變化轉(zhuǎn)化為電阻的

5、變化，為了顯示和記錄電阻的大小，還需把電阻的變化再轉(zhuǎn)化為電壓或電流的變化。最常用的測(cè)試電路為電橋電路。由應(yīng)變片組成的全橋測(cè)量電路，當(dāng)應(yīng)變片受到壓力作用時(shí)，引起彈性體的變化，使的粘貼在彈性體的電阻應(yīng)受到RR的電阻發(fā)生變化，電橋?qū)a(chǎn)生輸出，其輸出電壓正比于所受到的壓力。為了消除電橋電路的非線性誤差，通常使用非平衡電橋進(jìn)行測(cè)量。二 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容2.1 傳感器的參數(shù)測(cè)試和性能研究測(cè)量載荷傳感器的載荷靈敏度和線性（即在一定的供電壓下，單位載荷變化所引起的輸出電壓變化） 將傳感器輸出的電纜線接入試驗(yàn)儀的電纜座選擇置于測(cè)200mV.接通電源，調(diào)節(jié)工作電壓于5V,按順序增加法碼的數(shù)量（每次增加10g）至90g,分

6、別測(cè)傳感器輸出電壓。 按順序減去法碼的數(shù)量（每次減去10g）至0g,分別測(cè)出傳感器的輸出電壓。 反復(fù)測(cè)量5次。 用逐差法處理數(shù)據(jù)，求其靈敏度S。2.2 設(shè)計(jì)懸吊于待測(cè)液體中的浮子要讓數(shù)字電壓表直接顯示待測(cè)液體的密度值，可通過(guò)選擇浮子的質(zhì)量和體積來(lái)實(shí)現(xiàn)。例如：傳感器的量程為0100g,可確定浮子的質(zhì)量為100g(即為傳感器的滿載)，由于變送器是反向輸出，此時(shí)電壓表應(yīng)顯示0.00mV。由蒸餾水的密度的公認(rèn)值為（1.00g/cm）來(lái)確定浮子體積，當(dāng)浮子浸沒(méi)在蒸餾水中時(shí)，要求電壓表示數(shù)為100.0mV，（即示數(shù)為密度值），由傳感器線性圖可知，此時(shí)傳感器所受張力為Ft=10×10N,m=100

7、g,=1.00g/cm,Ft=mg-gV,則得V=900cm.綜上所述，浮子設(shè)計(jì)的結(jié)果是：質(zhì)量是100g,體積為90立方厘米。校準(zhǔn)時(shí)可根據(jù)實(shí)際情況，用鉛粒調(diào)整浮子的質(zhì)量。2.3 設(shè)計(jì)放大電路并進(jìn)行調(diào)試安裝 設(shè)計(jì)原理：由于載荷傳感器輸出的信號(hào)是很小的，一般為毫伏的量級(jí)。根據(jù)設(shè)計(jì)的要求要在0.51.5的液體密度變化范圍內(nèi)直接以電壓顯示，所以需要放大系統(tǒng)，將該信號(hào)進(jìn)行放大，在輸入顯示系統(tǒng)顯示密度值。本設(shè)計(jì)中，直接采用實(shí)驗(yàn)室提供的放大倍數(shù)可調(diào)的實(shí)驗(yàn)?zāi)０濉?設(shè)計(jì)步驟：a.用電纜線連接試驗(yàn)儀電纜插座和實(shí)驗(yàn)?zāi)０澹?00g傳感起電纜線接入實(shí)驗(yàn)?zāi)０?，用連接線將放大器的輸入端與非平衡的電橋的輸出端相連，試驗(yàn)儀

8、測(cè)量選擇至200mV外測(cè)擋，打開(kāi)試驗(yàn)儀電源開(kāi)關(guān)。b.在壓力傳感器上掛號(hào)設(shè)計(jì)好的浮子，將其放入蒸餾水中，調(diào)節(jié)放大旋鈕R，使輸出電壓為100.0mV。2.4 整機(jī)測(cè)試和調(diào)試 用電纜線連接試驗(yàn)儀電纜插座和實(shí)驗(yàn)?zāi)０澹?00g傳感器電纜線接入實(shí)驗(yàn)?zāi)０?，用連接線將放大器的輸入端和非平衡的電橋的輸出端相連，試驗(yàn)儀測(cè)量選擇至200mV外測(cè)擋，打開(kāi)試驗(yàn)儀電源開(kāi)關(guān)。 在載荷傳感器上掛上設(shè)計(jì)好的浮子，測(cè)量其在空氣中的放大器的輸出電壓，調(diào)節(jié)零點(diǎn)調(diào)節(jié)R旋鈕,使放大器的輸出電壓為0.0mV。 將浮子置于蒸餾水中，測(cè)量其在蒸餾水中放大器的輸出電壓，調(diào)節(jié)放大旋鈕R，使放大器的輸出電壓為100.0mV。（蒸餾水的密度為1.

9、00g/cm） 將浮子擦干凈，再分別置于其他液體中（自來(lái)水，乙醇，甘油，蓖麻油），放大器的輸出電壓即為該液體的密度。三 實(shí)驗(yàn)步驟3.1 傳感器的參數(shù)測(cè)試和性能研究 將傳感器輸出的電纜線接入試驗(yàn)儀的電纜座選擇置于測(cè)200mV。接通電源，調(diào)節(jié)工作電壓于5V，按順序增加法碼的數(shù)量（每次增加10g）至90g,分別測(cè)傳感器輸出電壓。 按順序減去法碼的數(shù)量（每次減去10g）至0g,分別測(cè)出傳感器的輸出電壓。 反復(fù)測(cè)量5次。 用逐差法處理數(shù)據(jù)，求其靈敏度S.3.2 整機(jī)測(cè)試和調(diào)試 用電纜線連接試驗(yàn)儀電纜插座和實(shí)驗(yàn)?zāi)０?，并?00g傳感器電纜線接入實(shí)驗(yàn)?zāi)０澹眠B接線將放大器的輸入端和非平衡的電橋的輸出端相連，

10、試驗(yàn)儀測(cè)量選擇至200mV外測(cè)擋，打開(kāi)試驗(yàn)儀電源開(kāi)關(guān)。 在載荷傳感器上掛上設(shè)計(jì)好的浮子，測(cè)量其在空氣中的放大器的輸出電壓，調(diào)節(jié)零點(diǎn)調(diào)節(jié)R旋鈕,使放大器的輸出電壓為0.0mV。 將浮子置于蒸餾水中，測(cè)量其在蒸餾水中放大器的輸出電壓，調(diào)節(jié)放大旋鈕R，使放大器的輸出電壓為100.0mV。（蒸餾水的密度為1.00g/cm） 將浮子擦干凈，再分別置于其他液體中（自來(lái)水，乙醇，甘油，蓖麻油），放大器的輸出電壓即為該液體的密度。四 數(shù)據(jù)記錄及數(shù)據(jù)處理1 載荷傳感器的壓力特性測(cè)試表1.1M(g)0102030405060708090U(mV)09.118.227.236.245.153.962.871.680

11、.4U(mV)08.817.826.935.944.953.762.671.680.4U(mV)08.9518.027.0536.0545.053.8062.771.6080.4注：U為增荷輸出，U為減荷輸出。載荷靈敏度：S=|(80.4-36.1)+(71.6-27.2)+(62.8-18.2)+(53.9-9.1)+(45.1-0)|+|(80.4-35.9)+(71.6-26.9)+(62.6-17.8)+(53.7-8.8)+(44.9-0)|/(5×10)=8.968表1.2M(g)0102030405060708090U(mV)09.118.227.436.245.253

12、.963.171.580.6U(mV)08.918.027.036.045.053.962.671.680.6U(mV)09.018.127.236.145.153.962.8571.5580.6注：U為增荷輸出，U為減荷輸出。載荷靈敏度：S=|(80.6-36.2)+(71.5-27.3)+(63.1-18.2)+(53.9-9.1)+(45.2-0)|+|(80.6-36.0)+(71.6-27.0)+(62.6-18.0)+(53.9-8.9)+(45.0-0)|/(5×10)=8.946表 1.3M(g)0102030405060708090U(mV)09.018.127.3

13、36.245.254.062.871.480.5U(mV)08.918.027.036.044.953.662.871.780.5U(mV)08.917.9527.136.0545.054.1562.671.480.5注：U為增荷輸出，U為減荷輸出。載荷靈敏度：S=|(80.5-36.2)+(71.4-27.2)+(62.8-18.1)+(54.0-9.0)+(45.2-0)|+|(80.5-36.0)+(71.7-27.0)+(62.8-18.0)+(53.6-8.9)+(44.9-0)|/(5×10)=8.960表 1.4M(g)0102030405060708090U(mV)0

14、9.118.327.336.445.254.163.271.781.0U(mV)09.018.027.036.044.954.162.871.781.0U(mV)09.0518.1527.1536.245.0554.163.071.781.0注：U為增荷輸出，U為減荷輸出。載荷靈敏度：S=|(81.0-36.4)+(71.7-27.3)+(63.2-18.3)+(54.1-9.1)+(45.2-0)|+|(81.0-36.0)+(71.7-27.0)+(62.8-18.0)+(54.1-9.0)+(44.9-0)|/(5×10)=8.972表 1.5M(g)0102030405060

15、708090U(mV)09.118.227.336.245.354.162.971.980.7U(mV)09.018.127.136.245.054.062.971.980.7U(mV)09.0518.1527.236.245.1554.0562.971.980.7注：U為增荷輸出，U為減荷輸出。載荷靈敏度：S=|(80.7-36.2)+(71.9-27.3)+(62.9-18.2)+(54.1-9.1)+(45.3-0)|+|(80.7-36.2)+(71.9-27.1)+(62.9-18.1)+(54.0-9.0)+(45.0-0)|/(5×10)=8.964 2 自來(lái)水的密度（

16、室溫下19攝氏度）測(cè)量次數(shù) U(mV) （g/cm） 1 99.8 0.998 2 99.9 0.999 3 100.4 1.004 4 99.8 0.998 5 99.6 0.996=（0.998+0.999+1.004+0.998+0.996）/5=0.999g/cm (標(biāo))=0.998 g/cmEr=0.103 乙醇的密度（室溫下19攝氏度）測(cè)量次數(shù) U(mV) （g/cm） 1 74.0 0.74 2 74.1 0741 3 74.5 0.745 4 74.2 0.742 5 74.3 0.743=（0.74+0.741+0.745+0.742+0.743）/5=0.7422 g/cm

17、 （標(biāo)）=0.789 g/cm （20時(shí)）Er=5.94 蓖麻油的密度（室溫下19攝氏度）測(cè)量次數(shù) U(mV) （g/cm） 1 95.5 0.955 2 95.3 0.953 3 95.1 0.951 4 95.0 0.950 5 95.4 0.954=（0.955+0.953+0.951+0.950+0.954）/5=0.9526 （標(biāo)）=0.97 g/cmEr=1.795 丙三醇的密度（室溫下19攝氏度）測(cè)量次數(shù) U(mV) （g/cm） 1 132.2 1.322 2 132.7 1.327 3 132.6 1.326 4 132.7 1.327 5 130.0 1.300=（1.32

18、2+1.327+1.326+1.327+1.3）/5=1.3204 （標(biāo)）=1.261 g/cmEr=4.7五 誤差分析從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，用應(yīng)變式壓力傳感器來(lái)測(cè)量液體的密度，所測(cè)得液體的密度與公認(rèn)值比較吻合，由此可見(jiàn)本實(shí)驗(yàn)的誤差很小。引起誤差的主要因素：1 本實(shí)驗(yàn)所用的砝碼長(zhǎng)期處于空氣中，已經(jīng)不精確。2 測(cè)應(yīng)變式壓力傳感器載荷靈敏度時(shí)，砝碼放在托物盤(pán)上時(shí)，托物盤(pán)由于突然有物體放上而左右搖晃，不能完全靜止不動(dòng)，導(dǎo)致數(shù)據(jù)不穩(wěn)定。3 在精密測(cè)量液體密度時(shí)，所盛液體的容器不是很潔凈，以致所測(cè)液體密度改變。4 所測(cè)得的液體密度是與20攝氏度時(shí)的液體密度的公認(rèn)值相比較，但是實(shí)際溫度比20攝氏度時(shí)偏小點(diǎn)。5 在測(cè)量其密度時(shí)，由于考慮到各方面的因素（如：揮發(fā)性，溶解性，化學(xué)反應(yīng)等等）可能造成誤差。六 結(jié)論 利用應(yīng)變式壓力傳感器來(lái)測(cè)量液體密度的原理清晰，方便操作，儀器簡(jiǎn)單。雖造成誤差的因素是多方面的，但通過(guò)此裝置測(cè)量液體的密度誤差比較