液體密度在線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

PAGEPAGE1液體密度在線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)作者：曹曉嬌黃海波指導(dǎo)教師：王鎖明摘要目前的光電信號及超聲波的理論已經(jīng)相當(dāng)成熟，對于超聲波的控制已經(jīng)非常準(zhǔn)確，光信號與電信號的轉(zhuǎn)化也已經(jīng)不再困難，可以說光電技術(shù)與超聲波技術(shù)的廣泛應(yīng)用已經(jīng)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(yīng)質(zhì)量的辦法得到其密度；（2）采用力敏器件測液體內(nèi)的壓差。我們設(shè)想，利用精密的光電儀器和超聲波產(chǎn)生，控制儀器來測量液體密度，必將使結(jié)果更加精確。此項(xiàng)目擬采用光電手段實(shí)現(xiàn)液體密度的實(shí)時(shí)、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(yīng)質(zhì)量的辦法得到其密度，國內(nèi)目前還沒有采用光電手段監(jiān)測液體密度的儀器設(shè)備。關(guān)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(shí)，其聲速與液體的密度之間遵從下面的關(guān)系式：式中k為壓縮系數(shù)。對于特定的液體，壓縮系數(shù)是常數(shù)，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(shù)），f為超聲波激勵(lì)頻率。2.超聲光柵將超聲波換能器置于方形樣品池中構(gòu)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(shí)，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(dāng)單色平行光沿著垂直于超聲波傳播方向通過液體時(shí)，因折射率的周期變化將使光波通過液體后，產(chǎn)生衍射，經(jīng)透鏡聚焦，即可在焦平面上觀察到衍射條紋。在系統(tǒng)幾何結(jié)構(gòu)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(shù)（即超聲波長Λ）3.超聲波頻率控制主要由單片機(jī)，LFG液晶屏和DDS等組成。利用單片機(jī)編寫相關(guān)程序進(jìn)行控制DDS來實(shí)現(xiàn)我們所需的頻率，輸出正弦波激勵(lì)超聲池。DDS的工作原理如下圖：4．光信號的接收及處理實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)用線性CCD進(jìn)行光信號的接收，轉(zhuǎn)換為電信號，并用相關(guān)的軟件進(jìn)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(jīng)過再一步的計(jì)算得到液體密度，計(jì)算方式如下：由如下光柵方程：在調(diào)好的分光計(jì)上，且當(dāng)很小時(shí)，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(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到最終結(jié)果。5.實(shí)驗(yàn)總光路實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)：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(jì)算機(jī)6.數(shù)據(jù)處理及分析實(shí)驗(yàn)最終選取的兩組數(shù)據(jù)如下表：液體密度監(jiān)測數(shù)據(jù)表實(shí)驗(yàn)監(jiān)測到的圖樣：數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)編號12345680℃52486248535470℃52475155575860℃46495257535750℃51485558575940℃52555358576630℃445953434688試驗(yàn)相關(guān)的數(shù)據(jù)：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(shù)：β=5.4e-10（查得）兩組實(shí)驗(yàn)的最終結(jié)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析：以上數(shù)據(jù)中，第一組為純水，第二組是密度為1.15的食用碘鹽水，由數(shù)據(jù)可以看出，實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本與事實(shí)相吻合。產(chǎn)生了大約4%的誤差，主要是由于實(shí)驗(yàn)設(shè)備略顯簡陋，系統(tǒng)構(gòu)架中的各儀器均是實(shí)驗(yàn)室的儀器，導(dǎo)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(shí)驗(yàn)所處的溫度都是不同的，我們使用的壓縮系數(shù)卻是相同的參考文獻(xiàn)：1.《超聲光柵衍射測量液體中聲速的研究》唐煌；2.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)光學(xué)部分；3.《超聲光柵實(shí)驗(yàn)原理及衍射條紋特點(diǎn)》謝麗莎；4.《使用多個(gè)線陣CCD-計(jì)算機(jī)系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控多界面位置》阮耀平，熊政輝；5.《CCD測量系統(tǒng)的室內(nèi)試驗(yàn)》周家穎