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

2、，但是近年來由于非電量電測(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)量也愈來愈重要，例如，在造紙業(yè)中，可以通過控制紙漿的密度來保證紙的 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， 將浮子浸沒于液體中，由于浮力的作用，懸線上的張力Ft

3、=mg- p gV,式中V為浮 子的體積，p為液體的密度，上式表明，液體密度的變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 般以使用面積和電阻值來表示，如，“ 3 X 10 平方毫米 350歐姆”。敏感柵由直徑約0. 01 mm 0. 05 mm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

4、為 0. 03mm 0. 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 。 基底材 料 有紙， 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 由 0. 1 mm0. 2 mm 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

5、獲 得 同 樣 的 變形 ， 從而使 電 阻隨 之 發(fā)生變 化。通 過 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) 的 位 置 ， 梁 的 一 端 固 定 ， 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

6、用 通 過 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R R的電阻發(fā)生變化， 電 橋 將 產(chǎn) 生 輸出 ， 其 輸 出 電 壓 正 比 于 所受 到 的壓 力 。為了

7、 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 。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I接入試驗(yàn)儀的電纜座I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 1 0g） 至 90g, 分 別 測(cè) 傳 感 器 輸 出 電 壓 。 按順序減去法碼的數(shù)量

8、（每次減去1 0g）至Og,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， 可通過選擇浮子的 質(zhì)量和 體積來實(shí) 現(xiàn)。例如：傳感器的量程為0 1 00g,可確定浮子的質(zhì)量為1 00g（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 O. OOmV。 由 蒸餾 水的 密度的 公 認(rèn)值為 （ 1. 00g/cm） 來 確定 浮子 體積，當(dāng)浮子 浸沒 在蒸餾水中時(shí)，要求 電壓 表示 數(shù) 為 1 0 0. 0 mV ，（ 即 示 數(shù) 為 密

9、 度 值 ）， 由 傳 感 器 線 性 圖 可 知 ， 此 時(shí) 傳 感 器 所 受 張 力 為 Ft =1 0 X 1 ON, m=1 00g, p =1. 00g/ cm, Ft =mg- p gV,貝U 得 V=9 0 0cm.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

10、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?。 設(shè)計(jì)步驟：a.用電纜線連接試驗(yàn)儀電纜I插座和實(shí)驗(yàn)?zāi)０?，并?00g傳感 起電 纜線接入 實(shí)驗(yàn)?zāi)０澹?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) 儀測(cè)量選擇至 200mV 外測(cè)擋， 打開試驗(yàn)儀電 源開關(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I插座和實(shí)驗(yàn)?zāi)０?，并將lOOg傳感器電纜線接入實(shí) 驗(yàn)?zāi)０澹?用 連

11、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，打開試驗(yàn)儀電源開關(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. OmV。 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. OmV。（蒸餾水的 密度為1. OOg/ cm） 將浮子擦干凈， 再分別置于其他液體 中（自 來水， 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

12、 能 研 究 將傳感器輸出的電纜線I接入試驗(yàn)儀的電纜座I選擇置于測(cè)2OOmV。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1Og）至9Og,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1 Og）至Og,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I插座和實(shí)驗(yàn)?zāi)０?，并?OOg傳感器電纜線接入實(shí) 驗(yàn)?zāi)０澹?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2OOmV外測(cè)擋，打開試驗(yàn)儀電源開關(guān)。 在載荷傳感器上掛上設(shè)計(jì)好的

13、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. OmV。（蒸餾水的 密度為1. OOg/ cm） 將浮子擦干凈，再分別置于其他液體中（自來水，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)01 02030405060708090U f09. 11 8.2 7.3 6.4 5.53.62.71.80.(mV22219864)U J08. 81 7.2 6.3 5.4

14、4.53.62.71.80.(mV89997664)U( m08. 91 8.2 7.3 6.4 5.53.62.71.80.V)5005050807604注：Uf為增荷輸出，UJ為減荷輸出。載荷靈敏度：S = | | ( 80. 4- 36. 1) +( 71. 6- 2 7. 2) + ( 62. 8- 1 8. 2) +( 53. 9- 9. 1 ) + ( 45. 1- 0) | +| ( 80. 4-35.9) +( 71. 6- 26. 9) +( 62. 6- 1 7. 8) +( 53. 7- 8. 8) +( 44. 9- 0) | | / ( 5 X 10) =8. 9 6

15、8A,!載荷傳感器壓力特性曲線一y = 0.8938X + 0.1318M(g)100806040200表1. 2M(g)01 02030405060708090Uf09. 118. 227. 43 6.45.5 3.63.71. 58 0. 6(mV)2291UJ08. 918. 027. 03 6.45.5 3.62.71. 68 0. 6(mV)0096U( mV)09. 018. 127. 23 6.45.5 3.62.71. 58 0. 6119855注：Uf為增荷輸出，UJ為減荷輸出。載荷靈敏度：S = | | ( 80. 6- 36. 2) +( 71. 5- 2 7. 3) +

16、( 63.1 - 1 8. 2) +( 53. 9- 9. 1 ) +( 45. 2- 0) | +| ( 80. 6-36.0) +( 71. 6- 27. 0) +( 62. 6- 1 8. 0) +( 53. 9 - 8. 9) +( 45. 0- 0) | | / ( 5 X 10) =8. 946載荷傳感器壓力特性曲線 二y = 0.8946X + 0.1827M(g)表1.3M(g)01 02030405060708090U f09. 01 8.2 7.3 6.4 5.54.62.71.80.(mV)13220845U J08. 91 8.2 7.3 6.4 4.53.62.71.

17、80.(mV)00096875U( mV08. 91 7.2 7.3 6.4 5.54.62.71.80.)95105015645注：Uf為增荷輸出，UJ為減荷輸出。載荷靈敏度：S = | | ( 80. 5- 36. 2) +( 71. 4- 2 7. 2) +( 62. 8- 1 8. 1 )+( 54. 0- 9. 0) +( 45. 2- 0) | +| ( 80. 5-36.0) +( 71. 7- 27. 0) +( 62. 8- 1 8. 0) +( 53. 6 - 8. 9) +( 44. 9- 0) | | / ( 5 X 10) =8. 960y = 0.8942X + 0

18、.1282 R2 = 0.9999( 均載荷壓力傳感器特性曲線三M(g0+ 系列1 趨勢(shì)線注：U f為增荷輸出,u J為減荷輸出S = | | ( 81. 0-36. 4) +( .0) +( 71. 7-27. 0) +(71. 7- 2 7. 3) +( 63.62. 8- 1 8. 0) +( 54.表1.4M(g)01 02030405060708090u f09. 11 8.2 7.3 6.4 5.54.63.71.81.(mV)33421270U J09. 01 8.2 7.3 6.4 4.54.62.71.81.(mV)00091870U( mV09. 01 8.2 7.3 6.

19、4 5.54.63.71.81.)51 51 52051070O載荷靈敏度：2- 1 8. 3) +( 54. 1 - 9. 1 ) +( 45. 2- 0) | +| ( 81. 0-361 - 9. 0) +(44. 9- 0) | | / ( 5 X 10) =8. 972表1.5M(g)01 02030405060708090U f09. 11 8.2 7.3 6.4 5.54.62.71.80.(mV)23231997U J09. 01 8.2 7.3 6.4 5.54.62.71.80.(mV)11200997U( mV09. 01 8.2 7.3 6.4 5.54.62.71.8

20、0.)51 5221 505997注：Uf為增荷輸出，UJ為減荷輸出。載荷靈敏度：S = | | ( 80. 7- 36. 2) +( 71. 9- 2 7. 3) +( 62. 9- 1 8. 2) +( 54. 1 - 9. 1 ) +( 45. 3- 0) | +| ( 80. 7-36.2) +( 71. 9- 27. 1) +( 62. 9- 1 8. 1 )+( 54. 0- 9. 0) +( 45. 0- 0) | | / ( 5 X 10) =8. 964載荷壓力傳感器特性曲線 五M(g)+ 系列1趨勢(shì)線y = 0.8967X + 0.18 於=12自來水的密度（室溫下 19攝

21、氏度）測(cè)量次數(shù)U(mV)P (g/cm)199.80.998299.90.9993100.41.004499.80.998599.60.996p = (0.998+0.999+1.004+0.998+0.996) /5=0.999g/cmp (標(biāo))=0.998 g/cmp = ( 0.74+0.741+0.745+0.742+0.743) /5=0.7422 g/cmEr=0.10 %測(cè)量次數(shù)U(mV)p (g/cm)174.00.74274.10. 741374.50.745474.20.742574.30.7433 乙醇的密度（室溫下 19攝氏度）p (標(biāo))=0.789 g/cm ( 20

22、 C 時(shí))Er=5.9 %4蓖麻油的密度（室溫下 19攝氏度）測(cè)量次數(shù)U(mV)p (g/cm)195.50.955295.30.953395.10.951495.00.950595.40.954p (標(biāo))=0.97 g/cmp = ( 0.955+0.953+0.951+0.950+0.954) /5=0.9526Er=1.79 %5丙三醇的密度（室溫下 19攝氏度）測(cè)量次數(shù)U(mV)p (g/cm)1132.21.3222132.71.3273132.61.3264132.71.3275130.01.300p = （1.322+1.327+1.326+1.327+1.3） /5=1.3204p （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，由此可見本實(shí)驗(yàn)的誤差很小。弓I起誤差的主要因素：1 本實(shí)驗(yàn)所用的砝碼長期處于空氣中，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)，砝碼放在托物盤上時(shí)，托物盤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