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1、综合设计实验液体密度的实时测量研究液体密度的实时测量研究摘要：在物理实验中可以采用多种方法测量液体的密度，本实验采用液体密度的研究综合试验仪对液体密度进行实时测量。我们用应变式压力传感器将液体密度转换为电信号进行测量。本实验中将应变式压力传感器的载荷灵敏度和电压灵敏度进行测量，进一步得出质量与电压之间的关系，从而得出液体的密度。为了减小误差，对实验所得的数据用逐差法进行测量，用Excel对数据进行趋势预测。用此套装置能够比较精确的测得液体的密度。 关键词：应变式压力传感器 液体密度测量 引言随着科学技术的飞速发展，液体密度的测量方法也在不断进步。液体密度通常用密度计测量，但是近年来由于非电量电
2、测法的飞速发展，各种传感器的广泛应用，使液体密度的测量愈来愈精确。在现代化生产和科研中，对液体密度的实时测量也愈来愈重要，例如，在造纸业中，可以通过控制纸浆的密度来保证纸的质量，该方法节省人力，物力，提高了生产效率。实时测量的优点在于能迅速的反应液体密度大小，以便进行反馈控制。本实验设计组装了一套具有实时测量液体密度功能的实验装置。通过本装置能精确测量出液体的密度。一 实验原理：1.1 液体密度的实时测量原理 对液体密度进行实时测量的基本原理是阿基米德原理。如图1.1所示，将浮子浸没于液体中，由于浮力的作用，悬线上的张力Ft=mg-gV,式中V为浮子的体积，为液体的密度，上式表明，液体密度的变
3、化将引起悬线张力的变化。电阻应变片一般由敏感栅，基地，粘合剂，引线，盖片等组成。应变片的规格一般以使用面积和电阻值来表示，如，“310 平方毫米 350欧姆”。敏感栅由直径约0.01mm0.05mm高电阻系数的细丝弯曲成山状，它实际上是一个电阻元件，是电阻应变片感受构件应变的敏感部分。敏感栅由粘合剂将其固定在基片上。基底应保证将构件上的应变准确的传送到敏感栅上去，故基底必须做的很薄，（一般为0.03mm0.06mm）,使它能与试件及敏感栅牢固的粘在一起；另外，它还应有良好的绝缘性，抗潮性和耐热性。基底材料有纸，胶膜和玻璃纤维布等。引出线的作用是将敏感栅电阻元件与测量电路相连接，一般由0.1mm
4、0.2mm低阻镀锡铜丝制成，并与敏感栅两端输出端相焊接，盖片起保护作用。在测量时，将应变片用粘合剂牢固的粘贴在被测试件的表面上，随着试件受力变形，应变片敏感栅也获得同样的变形，从而使电阻随之发生变化。通过测量电阻值的变化可反映出外力作用的大小。压力传感器是将四片电阻分别粘贴在弹性平行梁的上下两表面适当的位置，梁的一端固定，另一端自由用于加载荷外力F,弹性梁收载荷作用而弯曲，梁的上下表面受拉，电阻片R和R亦受拉伸作用电阻增大；梁的下表面受压，R和R的电阻减小。这样，外力的作用通过梁的形变而使4个电阻值发生变化，这就是压力传感器。应变片R=R=R=R。应变片可以把应变的变化转化为电阻的变化，为了显
5、示和记录电阻的大小，还需把电阻的变化再转化为电压或电流的变化。最常用的测试电路为电桥电路。由应变片组成的全桥测量电路，当应变片受到压力作用时，引起弹性体的变化，使的粘贴在弹性体的电阻应受到RR的电阻发生变化，电桥将产生输出，其输出电压正比于所受到的压力。为了消除电桥电路的非线性误差，通常使用非平衡电桥进行测量。二 实验内容2.1 传感器的参数测试和性能研究测量载荷传感器的载荷灵敏度和线性（即在一定的供电压下，单位载荷变化所引起的输出电压变化） 将传感器输出的电缆线接入试验仪的电缆座选择置于测200mV.接通电源，调节工作电压于5V,按顺序增加法码的数量（每次增加10g）至90g,分别测传感器输
6、出电压。 按顺序减去法码的数量（每次减去10g）至0g,分别测出传感器的输出电压。 反复测量5次。 用逐差法处理数据，求其灵敏度S。2.2 设计悬吊于待测液体中的浮子要让数字电压表直接显示待测液体的密度值，可通过选择浮子的质量和体积来实现。例如：传感器的量程为0100g,可确定浮子的质量为100g(即为传感器的满载)，由于变送器是反向输出，此时电压表应显示0.00mV。由蒸馏水的密度的公认值为（1.00g/cm）来确定浮子体积，当浮子浸没在蒸馏水中时，要求电压表示数为100.0mV，（即示数为密度值），由传感器线性图可知，此时传感器所受张力为Ft=1010N,m=100g,=1.00g/cm,
7、Ft=mg-gV,则得V=900cm.综上所述，浮子设计的结果是：质量是100g,体积为90立方厘米。校准时可根据实际情况，用铅粒调整浮子的质量。2.3 设计放大电路并进行调试安装 设计原理：由于载荷传感器输出的信号是很小的，一般为毫伏的量级。根据设计的要求要在0.51.5的液体密度变化范围内直接以电压显示，所以需要放大系统，将该信号进行放大，在输入显示系统显示密度值。本设计中，直接采用实验室提供的放大倍数可调的实验模板。 设计步骤：a.用电缆线连接试验仪电缆插座和实验模板，并将100g传感起电缆线接入实验模板，用连接线将放大器的输入端与非平衡的电桥的输出端相连，试验仪测量选择至200mV外测
8、挡，打开试验仪电源开关。b.在压力传感器上挂号设计好的浮子，将其放入蒸馏水中，调节放大旋钮R，使输出电压为100.0mV。2.4 整机测试和调试 用电缆线连接试验仪电缆插座和实验模板，并将100g传感器电缆线接入实验模板，用连接线将放大器的输入端和非平衡的电桥的输出端相连，试验仪测量选择至200mV外测挡，打开试验仪电源开关。 在载荷传感器上挂上设计好的浮子，测量其在空气中的放大器的输出电压，调节零点调节R旋钮,使放大器的输出电压为0.0mV。 将浮子置于蒸馏水中，测量其在蒸馏水中放大器的输出电压，调节放大旋钮R，使放大器的输出电压为100.0mV。（蒸馏水的密度为1.00g/cm） 将浮子擦
9、干净，再分别置于其他液体中（自来水，乙醇，甘油，蓖麻油），放大器的输出电压即为该液体的密度。三 实验步骤3.1 传感器的参数测试和性能研究 将传感器输出的电缆线接入试验仪的电缆座选择置于测200mV。接通电源，调节工作电压于5V，按顺序增加法码的数量（每次增加10g）至90g,分别测传感器输出电压。 按顺序减去法码的数量（每次减去10g）至0g,分别测出传感器的输出电压。 反复测量5次。 用逐差法处理数据，求其灵敏度S.3.2 整机测试和调试 用电缆线连接试验仪电缆插座和实验模板，并将100g传感器电缆线接入实验模板，用连接线将放大器的输入端和非平衡的电桥的输出端相连，试验仪测量选择至200m
10、V外测挡，打开试验仪电源开关。 在载荷传感器上挂上设计好的浮子，测量其在空气中的放大器的输出电压，调节零点调节R旋钮,使放大器的输出电压为0.0mV。 将浮子置于蒸馏水中，测量其在蒸馏水中放大器的输出电压，调节放大旋钮R，使放大器的输出电压为100.0mV。（蒸馏水的密度为1.00g/cm） 将浮子擦干净，再分别置于其他液体中（自来水，乙醇，甘油，蓖麻油），放大器的输出电压即为该液体的密度。四 数据记录及数据处理1 载荷传感器的压力特性测试表1.1M(g)0102030405060708090U(mV)09.118.227.236.245.153.962.871.680.4U(mV)08.81
11、7.826.935.944.953.762.671.680.4U(mV)08.9518.027.0536.0545.053.8062.771.6080.4注：U为增荷输出，U为减荷输出。载荷灵敏度：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)|/(510)=8.968表1.2M(g)0102030405060708090U(mV)09.118.227.436.245.253.963.171.580.6U(mV
12、)08.918.027.036.045.053.962.671.680.6U(mV)09.018.127.236.145.153.962.8571.5580.6注：U为增荷输出，U为减荷输出。载荷灵敏度：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)|/(510)=8.946表 1.3M(g)0102030405060708090U(mV)09.018.127.336.245.254.062.871.480.5
13、U(mV)08.918.027.036.044.953.662.871.780.5U(mV)08.917.9527.136.0545.054.1562.671.480.5注：U为增荷输出，U为减荷输出。载荷灵敏度：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)|/(510)=8.960表 1.4M(g)0102030405060708090U(mV)09.118.327.336.445.254.163.271.
14、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为增荷输出，U为减荷输出。载荷灵敏度：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)|/(510)=8.972表 1.5M(g)0102030405060708090U(mV)09.118.227.336.245.354.16
15、2.971.980.7U(mV)09.018.127.136.245.054.062.971.980.7U(mV)09.0518.1527.236.245.1554.0562.971.980.7注：U为增荷输出，U为减荷输出。载荷灵敏度：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)|/(510)=8.964 2 自来水的密度（室温下19摄氏度）测量次数 U(mV) （g/cm） 1 99.8 0.998 2
16、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 (标)=0.998 g/cmEr=0.103 乙醇的密度（室温下19摄氏度）测量次数 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 （标）=0.789 g/cm （20时）Er=5.94 蓖麻油的密度（室温下19摄
17、氏度）测量次数 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 （标）=0.97 g/cmEr=1.795 丙三醇的密度（室温下19摄氏度）测量次数 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=（1.322+1.327+1.326+1.327+1.3）/5=1.3204 （标）=1.26
18、1 g/cmEr=4.7五 误差分析从实验结果可以看出，用应变式压力传感器来测量液体的密度，所测得液体的密度与公认值比较吻合，由此可见本实验的误差很小。引起误差的主要因素：1 本实验所用的砝码长期处于空气中，已经不精确。2 测应变式压力传感器载荷灵敏度时，砝码放在托物盘上时，托物盘由于突然有物体放上而左右摇晃，不能完全静止不动，导致数据不稳定。3 在精密测量液体密度时，所盛液体的容器不是很洁净，以致所测液体密度改变。4 所测得的液体密度是与20摄氏度时的液体密度的公认值相比较，但是实际温度比20摄氏度时偏小点。5 在测量其密度时，由于考虑到各方面的因素（如：挥发性，溶解性，化学反应等等）可能造
19、成误差。六 结论 利用应变式压力传感器来测量液体密度的原理清晰，方便操作，仪器简单。虽造成误差的因素是多方面的，但通过此装置测量液体的密度误差比较小，实验值与公认值仍很吻合。因此我们认为利用应变式压力传感器来测量液体的密度不失为测量液体密度的好方法。 其实测量液体密度的方法有很多种，我们以前也用多种方法测量过液体的密度，如，称重法，比重法等，这次我们采用应变式压力传感器将液体密度转化为电信号，用电压表示出来，此种方法比以前的方法简便，可以迅速准确的测量出液体的密度。同时在做实验的过程中，我们可以更加清楚的了解到应变式压力传感器的载荷灵敏度。 通过研究我们设计出了一套可以实时测量液体密度的装置，
20、本装置可以精确的测量出液体的密度。 本文只介绍了用应变式压力传感器对液体密度进行实时测量的方法，仍有其他方法可以采用，测量工具亦可作进一步的改进，在这一方面的研究仍有很大潜力可以挖掘。参考文献： 1 杨述武 普通物理实验（四 综合设计部分）【M】北京：高等教育出版社。20052 刘建科 大学物理实验【M】西安：陕西人民出版社，20033 万春华 大学物理实验【M】南京：南京大学出版社，19944 徐骏，陈骏，陆申龙 测量液体密度的两种新方法【J】大学物理实验，20005 陈杰，黄鸿 传感器与检测技术【M】北京：高等教育出版社，2002【J】6 姚合福，胡晓云，冯忠耀 大学物理实验【M】西安:陕西人民出版社，20017春世才，钱其傲 集成运算放大实用电路【M】天津：天津科学技术出版社，19818沈才康，韦娜 自动测定液体密度的实验研究【J】大学物理实验，1999
