張玉璞，馮偉龍，于曉威

（1.遼寧工業(yè)大學(xué) 理學(xué)院，遼寧 錦州121001；2.楓葉國(guó)際學(xué)校，遼寧 大連116000）

基于51單片機(jī)的固體液體密度測(cè)量?jī)x

張玉璞1，馮偉龍1，于曉威2

（1.遼寧工業(yè)大學(xué) 理學(xué)院，遼寧 錦州121001；2.楓葉國(guó)際學(xué)校，遼寧 大連116000）

通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)密度測(cè)量?jī)x器和測(cè)量方法的改進(jìn)，研制了利用壓力傳感器與單片機(jī)制成的密度測(cè)量?jī)x。壓力傳感器由4個(gè)應(yīng)變電阻集成一個(gè)微型的惠斯通電橋，測(cè)量?jī)x通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，輸出數(shù)字電壓信號(hào)后傳輸給51單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，精確計(jì)算出物體密度值。

密度測(cè)量；51單片機(jī)；壓力傳感器

密度在科學(xué)研究和生產(chǎn)生活中有著廣泛的應(yīng)用。對(duì)于鑒別未知物質(zhì)，密度是一個(gè)重要的依據(jù)。傳統(tǒng)的密度測(cè)量方法存在著操作繁瑣、過(guò)程復(fù)雜、計(jì)算麻煩的缺點(diǎn)，研制設(shè)計(jì)一種價(jià)格便宜、操作簡(jiǎn)單、可以直接讀數(shù)的新型密度測(cè)量?jī)x在生產(chǎn)生活中有著重要意義。目前，市場(chǎng)上一些密度測(cè)量?jī)x器價(jià)格昂貴，而本文設(shè)計(jì)的儀器采用了將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號(hào)進(jìn)行測(cè)量的方法，實(shí)現(xiàn)了數(shù)字測(cè)量，提高了測(cè)量精度，操作方便，成本低廉。

1 基本原理

壓力傳感器是利用半導(dǎo)體壓阻效應(yīng)，同時(shí)采用半導(dǎo)體集成電路和精細(xì)加工工藝，將輸出電路、信號(hào)處理電路等集成一體而制成[1]，壓力傳感器原理圖如圖1所示。

圖1 壓力傳感器內(nèi)部電橋原理圖

壓力傳感器的輸出電壓與荷重呈線性關(guān)系，即：

式中：f為壓力傳感器所受到的外力；ΔU為壓力傳感器受到外力f時(shí)，電壓的改變值；B為傳感器的靈敏度。

2 壓力傳感器的定標(biāo)

將傳感器固定在鐵架臺(tái)上，接通電路，預(yù)熱2 min。將標(biāo)準(zhǔn)砝碼依次用細(xì)絲掛到傳感器掛鉤上，依次從LCD屏上讀出電壓值。壓力傳感器定標(biāo)數(shù)據(jù)如表1所示，用最小二乘法求得傳感器靈敏度的B值。

表1 壓力傳感器的定標(biāo)數(shù)據(jù)

表中M為定標(biāo)砝碼的質(zhì)量，U為壓力傳感器的輸出電壓值。因M與U之間近似呈正比例關(guān)系，設(shè)f(U)=BM，求出B值即為壓力傳感器的靈敏度。由最小二乘法可知：

式中：Ui為懸掛砝碼時(shí)電壓的測(cè)量值，BMi為真值，當(dāng)兩者差值的平方和最小時(shí)，測(cè)量值最接近于真值，即A=0，得到的B值即為傳感器的靈敏度系數(shù)。

3 實(shí)驗(yàn)裝置與方法

3.1 實(shí)驗(yàn)裝置

如圖2所示，本固體液體密度測(cè)量?jī)x主要由鐵架臺(tái)、升降臺(tái)、燒杯、壓力傳感器、LCD顯示屏、模數(shù)轉(zhuǎn)換器[2]、單片機(jī)、矩陣鍵盤、待測(cè)物體組成。

圖2 固體液體密度測(cè)量?jī)x裝置圖

3.2 實(shí)驗(yàn)方法

(1)將定標(biāo)后的壓力傳感器安裝在鐵架臺(tái)上，將升降機(jī)、燒杯、待測(cè)物體等按圖1所示組裝完 。用溫度計(jì)測(cè)量25℃時(shí)水的溫度后，查表得水的密度為0.997 g/cm3，通過(guò)USB接口將水的密度儲(chǔ)存到單片機(jī)中。

(2)測(cè)量固體密度時(shí)，先按下清零鍵進(jìn)行清零，再將待測(cè)固體通過(guò)細(xì)絲掛在壓力傳感器的掛鉤上[3]，按下矩陣鍵盤上的U1鍵，LCD顯示屏將顯示待測(cè)固體在空氣中的電壓值U1。升高載物臺(tái)，使待測(cè)固體完全浸沒(méi)于燒杯內(nèi)的水中，按下矩陣鍵盤上的U2鍵，LCD顯示屏將顯示待測(cè)固體在水中的電壓值U2，單片機(jī)將自動(dòng)儲(chǔ)存U1、U2的值。按下矩陣鍵盤上的J1鍵，單片機(jī)自動(dòng)計(jì)算待測(cè)固體的密度并顯示在LCD屏上[4]。

(3)測(cè)量液體密度時(shí)，升高載物臺(tái)，將實(shí)驗(yàn)方法2中的已測(cè)固體作為探子完全浸沒(méi)到待測(cè)液體(酒精或汽油等)中，按下矩陣鍵盤上的U3鍵，LCD屏將顯示固體完全浸沒(méi)在待測(cè)液體中的電壓值U3,單片機(jī)將自動(dòng)儲(chǔ)存U3的值。按下矩陣鍵盤上的J2鍵，單片機(jī)自動(dòng)計(jì)算待測(cè)液體的密度值并顯示在LCD顯示屏上。

4 測(cè)量

4.1 固體密度的測(cè)量

物體密度公式為：

將待測(cè)物體銅柱掛在壓力傳感器上，得到固體在空氣中重量G1及所對(duì)應(yīng)的電壓值U1。將待測(cè)物體完全沉沒(méi)于水中，得到固體在水中的視重G2及此時(shí)對(duì)應(yīng)的電壓值U2[5],根據(jù)阿基米德定律可知：

式中：V為物體所排開(kāi)同體積液體的體積；g為重力加速度。

電壓改變值為：

根據(jù)公式(1)、(4)、(5)、(6)可得壓力傳感器輸出電壓與固體密度間的關(guān)系為：

式中：ρ固即為待測(cè)固體的密度，ρ水是水的密度（查表獲得25℃下水的密度，輸入單片機(jī)后直接從單片機(jī)調(diào)用）。

用測(cè)量?jī)x分別測(cè)出銅、不銹鋼、鋁等待測(cè)樣品在空氣中及浸沒(méi)在25℃水中的電壓值，并顯示在LCD屏上。所得測(cè)量數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 固體密度的測(cè)量數(shù)據(jù)

4.2 液體密度的測(cè)量

測(cè)量待測(cè)液體的密度時(shí)，將已經(jīng)測(cè)得密度的固體銅柱作為探子完全浸入待測(cè)液體中，此時(shí)固體在待測(cè)液體中的視重G3對(duì)應(yīng)的電壓值為U3,電壓改變值為：

根據(jù)固體在空氣中和在待測(cè)液體中的電壓差值可以測(cè)得待測(cè)液體的密度。根據(jù)(5)、(8)可得：

將公式(9)、(10)兩端同時(shí)乘以傳感器的靈敏度系數(shù)B得：

將銅柱逐次浸沒(méi)在25℃的酒精、汽油、植物油中，分別測(cè)出銅柱完全浸沒(méi)在相應(yīng)液體中LCD顯示屏上的電壓讀數(shù)U3，按下矩陣鍵盤J2鍵，自動(dòng)計(jì)算出待測(cè)液體密度。將計(jì)算值與各液體密度的標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較，實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果如表3所示。

表3 液體密度的測(cè)量數(shù)據(jù)

5 不確定度計(jì)算

銅的A類不確定度計(jì)算：

銅的B類不確定度計(jì)算：

銅的合成不確定度為：

結(jié)果：

不銹鋼的A類不確定度計(jì)算[6]：

不銹鋼的B類不確定度計(jì)算：

不銹鋼的合成不確定度為：

結(jié)果：

鋁的A類不確定度計(jì)算：

鋁的B類不確定度計(jì)算：

鋁的合成不確定度為：

結(jié)果：

6 結(jié)論

本測(cè)量?jī)x能分別測(cè)量固體的密度和液體的密度，采用壓力傳感器和單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析與計(jì)算，實(shí)現(xiàn)了密度測(cè)量的自動(dòng)化，極大地減小了測(cè)量數(shù)據(jù)的誤差，密度測(cè)量的最大相對(duì)誤差僅為0.7%，能夠滿足教學(xué)與一般科研的要求。

[1]張為,姚素英,張生才,等.一種半導(dǎo)體壓力傳感器[J].天津大學(xué)學(xué)報(bào),2005,38(10):901-903.

[2]李正群,計(jì)欣華.一種智能式非接觸體積測(cè)量系統(tǒng)[J].計(jì)量技術(shù),1999(1):25-27.

[3]劉建國(guó),劉 .用電子稱測(cè)量固體和液體的密度[J].云南民族學(xué)院學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2002(4):217-219.

[4]鐘 .MCS-51單片機(jī)原理及應(yīng)用開(kāi)發(fā)技術(shù)[M].北京:中國(guó)鐵道出版社,2006:145-174.

[5] 海根.固體密度 [J].物理實(shí)驗(yàn),2006,26(10):29-30.

[6] 忠 .大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)[M].3版.沈陽(yáng):東北大學(xué)出版社,2005:4-20.

責(zé)任編校：孫 林

Density Measuring Instrument of Solid and Liquid Based on 51 Single Chip Microcomputer

ZHANG Yu-pu1,FENG Wei-long1,YU Xiao-wei2

（1.Science College,Liaoning University of Technology,Jinzhou 121001,China; 2.Maple Leaf School,Dalian 116000,China）

Through the improvement of the traditional density measuring instruments and measuring methods,a kind of new measuring instruments is developed,which uses pressure sensors and single chip microcomputer.A micro Wheatstone bridge inside the pressure sensor is made up of four strain resistances.The instrument uses analog-digital to convert module transform analog signal into digital signal.After transferring measuring voltage to 51 single chip microcomputer to process the data, we can acquire accurate density.

density measurement;51 single chip microcomputer;pressure sensor

O471

A

1674-3261(2017)01-0067-04

2016-01-14

張玉璞(1985-)，男，遼寧大連人，工程師，碩士。

10.15916/j.issn1674-3261.2017.01.017