液體密度實時測量論文

1、綜合設計實驗液體密度的實時測量研究液體密度的實時測量研究摘要：在物理實驗中可以采用多種方法測量液體的密度，本實驗采用液體密度的研究綜合試驗儀對液體密度進行實時測量。我們用應變式壓力傳感器將液體密度轉換為電信號進行測量。本實驗中將應變式壓力傳感器的載荷靈敏度和電壓靈敏度進行測量，進一步得出質量與電壓之間的關系，從而得出液體的密度。為了減小誤差，對實驗所得的數(shù)據(jù)用逐差法進行測量，用Excel對數(shù)據(jù)進行趨勢預測。用此套裝置能夠比較精確的測得液體的密度。 關鍵詞：應變式壓力傳感器 液體密度測量 引言隨著科學技術的飛速發(fā)展，液體密度的測量方法也在不斷進步。液體密度通常用密度計測量，但是近年來由于非電量電

2、測法的飛速發(fā)展，各種傳感器的廣泛應用，使液體密度的測量愈來愈精確。在現(xiàn)代化生產和科研中，對液體密度的實時測量也愈來愈重要，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量，該方法節(jié)省人力，物力，提高了生產效率。實時測量的優(yōu)點在于能迅速的反應液體密度大小，以便進行反饋控制。本實驗設計組裝了一套具有實時測量液體密度功能的實驗裝置。通過本裝置能精確測量出液體的密度。一 實驗原理：1.1 液體密度的實時測量原理 對液體密度進行實時測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=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。電阻應變片一般由敏感柵，基地，粘合劑，引線，蓋片等組成。應變片的規(guī)格一般以使用面積和電阻值來表示，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)的細絲彎曲成山狀，它實際上是一個電阻元件，是電阻應變片感受構件應變的敏感部分。敏感柵由粘合劑將其固定在基片上。基底應保證將構件上的應變準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，蓋片起保護作用。在測量時，將應變片用粘合劑牢固的粘貼在被測試件的表面上，隨著試件受力變形，應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。通過測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?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，外力的作用通過梁的形變而使4個電阻值發(fā)生變化，這就是壓力傳感器。應變片R=R=R=R。應變片可以把應變的變化轉化為電阻的

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化為電壓或電流的變化。最常用的測試電路為電橋電路。由應變片組成的全橋測量電路，當應變片受到壓力作用時，引起彈性體的變化，使的粘貼在彈性體的電阻應受到RR的電阻發(fā)生變化，電橋將產生輸出，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行測量。二 實驗內容2.1 傳感器的參數(shù)測試和性能研究測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儀的電纜座選擇置于測200mV.接通電源，調節(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,分別測出傳感器的輸出電壓。 反復測量5次。 用逐差法處理數(shù)據(jù)，求其靈敏度S。2.2 設計懸吊于待測液體中的浮子要讓數(shù)字電壓表直接顯示待測液體的密度值，可通過選擇浮子的質量和體積來實現(xiàn)。例如：傳感器的量程為0100g,可確定浮子的質量為100g(即為傳感器的滿載)，由于變送器是反向輸出，此時電壓表應顯示0.00mV。由蒸餾水的密度的公認值為（1.00g/cm）來確定浮子體積，當浮子浸沒在蒸餾水中時，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，浮子設計的結果是：質量是100g,體積為90立方厘米。校準時可根據(jù)實際情況，用鉛粒調整浮子的質量。2.3 設計放大電路并進行調試安裝 設計原理：由于載荷傳感器輸出的信號是很小的，一般為毫伏的量級。根據(jù)設計的要求要在0.51.5的液體密度變化范圍內直接以電壓顯示，所以需要放大系統(tǒng)，將該信號進行放大，在輸入顯示系統(tǒng)顯示密度值。本設計中，直接采用實驗室提供的放大倍數(shù)可調的實驗模板。 設計步驟：a.用電纜線連接試驗儀電纜插座和實驗模板，并將100g傳感起電纜線接入實驗模板，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，試驗儀

8、測量選擇至200mV外測擋，打開試驗儀電源開關。b.在壓力傳感器上掛號設計好的浮子，將其放入蒸餾水中，調節(jié)放大旋鈕R，使輸出電壓為100.0mV。2.4 整機測試和調試 用電纜線連接試驗儀電纜插座和實驗模板，并將100g傳感器電纜線接入實驗模板，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，試驗儀測量選擇至200mV外測擋，打開試驗儀電源開關。 在載荷傳感器上掛上設計好的浮子，測量其在空氣中的放大器的輸出電壓，調節(jié)零點調節(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，測量其在蒸餾水中放大器的輸出電壓，調節(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 實驗步驟3.1 傳感器的參數(shù)測試和性能研究 將傳感器輸出的電纜線接入試驗儀的電纜座選擇置于測200mV。接通電源，調節(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,分別測出傳感器的輸出電壓。 反復測量5次。 用逐差法處理數(shù)據(jù)，求其靈敏度S.3.2 整機測試和調試 用電纜線連接試驗儀電纜插座和實驗模板，并將100g傳感器電纜線接入實驗模板，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，

10、試驗儀測量選擇至200mV外測擋，打開試驗儀電源開關。 在載荷傳感器上掛上設計好的浮子，測量其在空氣中的放大器的輸出電壓，調節(jié)零點調節(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，測量其在蒸餾水中放大器的輸出電壓，調節(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 自來水的密度（

16、室溫下19攝氏度）測量次數(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)=0.998 g/cmEr=0.103 乙醇的密度（室溫下19攝氏度）測量次數(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）=0.789 g/cm （20時）Er=5.94 蓖麻油的密度（室溫下19攝氏度）測量次數(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）=0.97 g/cmEr=1.795 丙三醇的密度（室溫下19攝氏度）測量次數(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）=1.261 g/cmEr=4.7五 誤差分析從實驗結果可以看出，用應變式壓力傳感器來測量液體的密度，所測得液體的密度與公認值比較吻合，由此可見本實驗的誤差很小。引起誤差的主要因素：1 本實驗所用的砝碼長期處于空氣中，已經(jīng)不精確。2 測應變式壓力傳感器載荷靈敏度時，砝碼放在托物盤上時，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，導致數(shù)據(jù)不穩(wěn)定。3 在精密測量液體密度時，所盛液體的容器不是很潔凈，以致所測液體密度改變。4 所測得的液體密度是與20攝氏度時的液體密度的公認值相比較，但是實際溫度比20攝氏度時偏小點。5 在測量其密度時，由于考慮到各方面的因素（如：揮發(fā)性，溶解性，化學反應等等）可能造成誤差。六 結論 利用應變式壓力傳感器來測量液體密度的原理清晰，方便操作，儀器簡單。雖造成誤差的因素是多方面的，但通過此裝置測量液體的密度誤差比較