液體密度在線監(jiān)測系統設計

PAGEPAGE1液體密度在線監(jiān)測系統設計作者：曹曉嬌黃海波指導教師：王鎖明摘要目前的光電信號及超聲波的理論已經相當成熟，對于超聲波的控制已經非常準確，光信號與電信號的轉化也已經不再困難，可以說光電技術與超聲波技術的廣泛應用已經成為一種趨勢，而目前，對于液體密度的測定和監(jiān)控基本有以下兩種測定方法：（1）采用固定體積的情況下，監(jiān)測對應質量的辦法得到其密度；（2）采用力敏器件測液體內的壓差。我們設想，利用精密的光電儀器和超聲波產生，控制儀器來測量液體密度，必將使結果更加精確。此項目擬采用光電手段實現液體密度的實時、在線監(jiān)測。液體密度的測定較多情況下基本采用固定體積的情況下，監(jiān)測對應質量的辦法得到其密度，國內目前還沒有采用光電手段監(jiān)測液體密度的儀器設備。關鍵詞：液體密度監(jiān)測光電CCD1.測量原理超聲波在液體中傳播時，其聲速與液體的密度之間遵從下面的關系式：式中k為壓縮系數。對于特定的液體，壓縮系數是常數，只要測得超聲波在液體中的傳播速度，就可以得出液體的密度。超聲波聲速的測量可由下式確定式中Λ為超聲波波長（即超聲光柵常數），f為超聲波激勵頻率。2.超聲光柵將超聲波換能器置于方形樣品池中構建超聲光柵如下圖1所示：超聲波縱波在盛有液體的玻璃槽中傳播時，液體被周期性地壓縮與膨脹，形成駐波，其作用會使液體折射率也呈周期變化，稱“超聲光柵”當單色平行光沿著垂直于超聲波傳播方向通過液體時，因折射率的周期變化將使光波通過液體后，產生衍射，經透鏡聚焦，即可在焦平面上觀察到衍射條紋。在系統幾何結構一定的條件下，已知單色光波長通過分析觀察到衍射條紋，可求得超聲光柵常數（即超聲波長Λ）3.超聲波頻率控制主要由單片機，LFG液晶屏和DDS等組成。利用單片機編寫相關程序進行控制DDS來實現我們所需的頻率，輸出正弦波激勵超聲池。DDS的工作原理如下圖：4．光信號的接收及處理實驗設計用線性CCD進行光信號的接收，轉換為電信號，并用相關的軟件進行訴局的采集，成像以及處理，最終得出超聲波在待測液體中的傳播速度，并經過再一步的計算得到液體密度，計算方式如下：由如下光柵方程：在調好的分光計上，且當很小時，有：其中，為衍射零級譜至k級的距離；為透鏡焦距。所以超聲波波長：超聲波在液體中的傳播速度：其中是振蕩器的共振頻率，為同一色光衍射條紋間距。由以上，可以通過采集CCD圖像中的峰值，即光柵亮紋的位置，并對數據進行處理，得到最終結果。5.實驗總光路實驗系統：圖中，（1）為激光器，（2）為平行光管，（3）為超聲池，（4）為頻率控制，（5）為CCD，（6）為為微型計算機6.數據處理及分析實驗最終選取的兩組數據如下表：液體密度監(jiān)測數據表實驗監(jiān)測到的圖樣：數據編號123456第一組445953434688第二組465565476165不同溫度下的液體密度測量表（f=10.27MHz）數據編號12345680℃52486248535470℃52475155575860℃46495257535750℃51485558575940℃52555358576630℃445953434688試驗相關的數據：超聲波頻率：第一組10.32MHz第二組10.18MHz凸透鏡焦距：f=75mm液體壓縮系數：β=5.4e-10（查得）兩組實驗的最終結果：第一組ρ=(1.02±0.03)g/ml（p=68.3%）第二組ρ=(1.14±0.03)g/ml（p=68.3%）實驗數據分析：以上數據中，第一組為純水，第二組是密度為1.15的食用碘鹽水，由數據可以看出，實驗結果基本與事實相吻合。產生了大約4%的誤差，主要是由于實驗設備略顯簡陋，系統構架中的各儀器均是實驗室的儀器，導致不論是儀器的拼接部分，還是儀器本身的精度，都不夠精確，另外，液體密度隨溫度的變化也不得不考慮在其中，畢竟，每一次實驗所處的溫度都是不同的，我們使用的壓縮系數卻是相同的參考文獻：1.《超聲光柵衍射測量液體中聲速的研究》唐煌；2.大學物理實驗光學部分；3.《超聲光柵實驗原理及衍射條紋特點》謝麗莎；4.《使用多個線陣CCD-計算機系統實時監(jiān)控多界面位置》阮耀平，熊政輝；5.《CCD測量系統的室內試驗》周家穎