楊宏偉, 高 翔, 邵圣杰, 胡欣瑞, 許恒譽

(1. 南京農(nóng)業(yè)大學(xué) 理學(xué)院, 江蘇 南京 210095;2. 南京農(nóng)業(yè)大學(xué) 信息科技學(xué)院, 江蘇 南京 210095;3. 南京農(nóng)業(yè)大學(xué) 食品科學(xué)技術(shù)學(xué)院, 江蘇 南京 210095)

儀器設(shè)備研制與應(yīng)用

液體深度測量裝置及實驗設(shè)計

楊宏偉1, 高 翔2, 邵圣杰3, 胡欣瑞3, 許恒譽1

(1. 南京農(nóng)業(yè)大學(xué) 理學(xué)院, 江蘇 南京 210095;2. 南京農(nóng)業(yè)大學(xué) 信息科技學(xué)院, 江蘇 南京 210095;3. 南京農(nóng)業(yè)大學(xué) 食品科學(xué)技術(shù)學(xué)院, 江蘇 南京 210095)

應(yīng)用物理學(xué)中的液體壓強與液體深度的關(guān)系,以及物體變形與電阻改變的關(guān)系,通過測量一定液體深度處的變形電阻的電流值及該深度下的壓強值,從而測出液體深度,再利用單片機計算和顯示其液體深度等參數(shù)。經(jīng)檢驗,達到了較高的測量精度,可以滿足一般的工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用。將該實驗應(yīng)用于物理教學(xué)實驗,還可以讓學(xué)生學(xué)習(xí)和鞏固流體力學(xué)、電學(xué)和固體力學(xué)等學(xué)科的知識。

液體深度； 壓強; 電阻； 單片機

實際中,有相當(dāng)一部分的液體深度是無法或不易直接用直尺類工具測量的,例如養(yǎng)殖水面、池塘、水箱里的水、較大容器中的液體、大小河流等的深度。本文根據(jù)物理學(xué)中液體傳導(dǎo)壓強的帕斯卡原理,液體深度與壓強有一定的數(shù)學(xué)關(guān)系,而壓強的改變可以使受壓物體的形狀發(fā)生變化,形狀的變化又可以使粘貼在此形狀上的特定的電阻發(fā)生變化,從而導(dǎo)致電壓或電流發(fā)生改變,根據(jù)這些原理,設(shè)計制作了該實驗裝置,其特點是反應(yīng)靈敏,響應(yīng)速度快,體積小,測量攜帶方便,精度可以滿足實際使用要求[1-2]。

理工農(nóng)醫(yī)類專業(yè)的學(xué)生,還要繼續(xù)學(xué)習(xí)物理學(xué)知識,而真正做實驗的卻很有限,尤其是與現(xiàn)實生活緊密相關(guān)的、容易讓學(xué)生理解的實驗較少[3-4]。為了使物理教學(xué)達到學(xué)以致用、學(xué)用結(jié)合,使學(xué)生在大學(xué)學(xué)習(xí)中能夠很快體會到物理學(xué)知識的具體應(yīng)用,結(jié)合物理學(xué)理論教學(xué)實踐,開發(fā)設(shè)計了這一實驗裝置。

1 工作實驗原理

如圖1所示,假設(shè)容器中所裝液體的密度為ρ,液體表面與大氣相通,且大氣壓強為p0,當(dāng)?shù)刂亓铀俣葹間,則液體深度為h處的壓強大小p為[5-6]

(1)

圖1 液體深度與壓強關(guān)系

圖2為具體的壓力傳感器(圖1中的方框)結(jié)構(gòu)示意圖。它的2根引出線與電阻應(yīng)變片相連,導(dǎo)氣孔與大氣相通,可以將大氣壓強p0引導(dǎo)到電阻應(yīng)變片的上表面；電阻應(yīng)變片粘貼在硅膠環(huán)上,再用黏合劑將硅膠環(huán)與玻璃基板相粘連。當(dāng)壓力傳感器放入液體中時,液體壓強p通導(dǎo)液孔將壓強傳遞到硅膠環(huán)的下表面,使其發(fā)生變形,同時將變形再傳遞到電阻應(yīng)變片的下表面；而電阻應(yīng)變片的上表面與大氣壓強p0相連通,這樣電阻應(yīng)變片上下的壓強差為[7-8]

(2)

硅膠環(huán)的彈性很好,且很薄,玻璃基板和黏合劑也很薄,所以,將其厚度綜合考慮,進行適當(dāng)修正,通過測量其壓強差Δp,就可以由公式(2)求出液體深度h。

圖2中的電阻應(yīng)變片的示意圖見圖3。當(dāng)壓力傳感器放入液體中時,作用于電阻應(yīng)變片上下兩測有壓強差Δp,它使電阻應(yīng)變片變形,電阻應(yīng)變片的長度L和面積S將改變。電阻定律：

(3)

圖2 壓力傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 電阻應(yīng)變片示意圖

構(gòu)成電阻應(yīng)變片的材料一般不會改變,即電阻應(yīng)變片的電阻率ρ一般不會改變,因而L和S的改變使應(yīng)變片的電阻R改變。

假如外界給測量裝置供給的穩(wěn)定直流電壓為U,根據(jù)歐姆定律,當(dāng)電阻應(yīng)變片的電阻R改變時,由于電壓U不變,所以電流I將發(fā)生改變,測得電流的變化,就可以對應(yīng)地得到電阻的變化,進一步對應(yīng)找到壓強的變化,從而得到液體深度h。

2 結(jié)果顯示及驗證

為了更加清晰地觀測測試結(jié)果，在本實驗中接入單片機控制電路,通過編寫計算程序,將結(jié)果顯示到屏幕上,方便觀察。采用ATmega168(Nano2.x)單片機,首先利用proteus仿真軟件將電路仿真成功,然后購買零部件焊接,最后顯示到12864顯示屏上。其顯示結(jié)果共2行,第一行顯示當(dāng)前電流(mA),第二行顯示經(jīng)過液體深度值(m),如圖4所示,直接顯示深度值更加直觀。經(jīng)過實際應(yīng)用直尺等測量工具測量液體的深度,與制作的該儀器測得的深度相比較,表明其測量可靠,精度可以達到厘米級別,一般情況下,對小于3 m深的水,其誤差小于5 cm,完全可以滿足一般的工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需求,達到了實驗?zāi)康腫9-12]。

圖4 測量裝置顯示結(jié)果

圖5是本測量裝置的整體示意圖,電源可以采用10～20 V直流供電,也可以采用交流220 V供電,再經(jīng)過一個小型變壓整流裝置,將交流電壓變?yōu)榉弦蟮闹绷麟妷?。從圖5可以看出,其使用的零部件很少,體積小,便于攜帶。帶有發(fā)光二極管,可以在夜間或昏暗的環(huán)境下照常工作。

圖5 測量裝置整體示意圖

圖6為測得的流過傳感器的電流與液體深度的關(guān)系曲線,從圖中可以看出,電流與液體深度基本呈現(xiàn)線性關(guān)系,這為其今后應(yīng)用帶來了方便。同時,在這套測量裝置中,測量深度與傳感器的連接線的長度沒有直接關(guān)系,也就是說,只要傳感器能夠到達的地方,盡管連接傳感器的連接線是彎曲的,也不影響測量結(jié)果,這為不易到達的地方的深度測量帶來方便。

圖6 傳感器電流與液體深度的關(guān)系曲線

3 具體實驗過程

(1) 將實驗裝置按照圖5連接好,預(yù)熱5 min。其中的直流電源是10～20 V,一是保證實驗人員的用電安全,特別是作為初學(xué)者的學(xué)生的安全,二是為了給單片機和顯示器供電,三是為了外出方便攜帶。如果是在實驗室內(nèi),則可以考慮用220 V交流,經(jīng)過變壓器和整流后變成直流供電。

(2) 在容器中裝入沒有腐蝕性的液體,將傳感器放入此液體中(確保液體與傳感器不會發(fā)生化學(xué)反應(yīng)),不斷改變傳感器在液體中的深度位置時,12864顯示屏幕上的電流和液位深度值在不斷改變。當(dāng)傳感器所在液體中的深度不變時,顯示屏上的數(shù)值則保持穩(wěn)定。為了驗證其準(zhǔn)確性,這時可以用直尺直接測量液體深度,并與該裝置測得的結(jié)果進行比較。

(3) 保持傳感器底部的深度不變,改變傳感器底部的朝向,可以發(fā)現(xiàn),顯示屏上的電流和深度值不會改變,這可以體會壓強向各個方向傳遞的帕斯卡原理。

(4) 傳感器與單片機和電源的連接線的長度,在有限范圍內(nèi),不會影響測量結(jié)果,只要此連接線不是特別長,例如3 m以內(nèi),則此連接線在液體中的彎曲和盤旋都不影響測量結(jié)果,這種現(xiàn)象,可以讓學(xué)生思考解答,通過具體實驗幫助學(xué)生鞏固所學(xué)知識。

4 實驗價值分析

本實驗的實驗原理很簡單,但它融合了不少物理學(xué)知識和原理。至少有如下的實驗使用價值[13-14]：

(1) 驗證流體力學(xué)知識、壓強傳遞和帕斯卡原理，可以讓學(xué)生體會這些知識和原理的應(yīng)用價值。

(2) 電阻定律與歐姆定律的靈活應(yīng)用。學(xué)生通過實際操作,知道了電阻應(yīng)變片的變化規(guī)律和電阻的一種具體應(yīng)用,體會了電阻定律,這對擴大學(xué)生視野,將書本知識靈活應(yīng)用于實際工作,都有很好的啟發(fā)作用。

(3) 可以結(jié)合學(xué)生專業(yè)實際開展教學(xué)工作。農(nóng)業(yè)院校中,有相當(dāng)一部分專業(yè)的學(xué)生將來會與液體打交道,難免要測量液體的物理學(xué)參數(shù),例如深度等。例如水產(chǎn)養(yǎng)殖專業(yè)要測量魚塘水深、農(nóng)學(xué)專業(yè)要測量稻田水渠的水深、動物醫(yī)學(xué)和動物科學(xué)的要測量水池中的水深等,這些都是學(xué)生的基本功。

5 結(jié)語

利用大學(xué)物理學(xué)課程中的帕斯卡原理,根據(jù)液體深度與壓強的關(guān)系、材料變形與電阻改變的關(guān)系,設(shè)計制作了便攜式液體深度探測裝置。在該儀器中,利用單片機知識,制作了計算和顯示電路,可以將測量結(jié)果適時顯示到屏幕上,方便觀察。該深度探測裝置在小范圍內(nèi)進行了應(yīng)用,取得了比較好的實驗效果,使學(xué)生感受到了物理學(xué)知識的具體應(yīng)用,物理學(xué)基礎(chǔ)理論與專業(yè)相結(jié)合的可能性。該儀器組成簡單,使用的元器件少,成本低,其測量精度可以達到厘米級,完全可以滿足一般的工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需要。

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Liquid depth measuring device and experimental design

Yang Hongwei1, Gao Xiang2, Shao Shengjie3, Hu Xinrui3, Xu Hengyu1

(1. College of Sciences,Nanjing Agricultural University,Nanjing 210095,China; 2. College of Information Science and Technology,Nanjing Agricultural University,Nanjing 210095,China; 3. College of Food Science and Technology,Nanjing Agricultural University,Nanjing 210095,China)

By applying the relation of liquid pressure to liquid depth in physics and the relationship between deformation and resistance change,and through measuring the current value of deformation resistance at a certain depth and the pressure at this depth,the depth of the liquid is measured. Then by using SCM,the liquid depth and other parameters are calculated and displayed. It has been proved that the measurement accuracy is higher and can meet the general applications of the industrial and agricultural production. When this experiment is applied to physics teaching,it can help students to learn and consolidate the knowledge of fluid mechanics,electricity and solid mechanics.

liquid depth; pressure; resistance; SCM

10.16791/j.cnki.sjg.2017.07.019

2016-12-08

南京農(nóng)業(yè)大學(xué)理學(xué)院教育教學(xué)改革項目(201510)

楊宏偉(1963—)，男,河南汝州,博士,教授,博士生導(dǎo)師,研究方向為計算物理學(xué)和物理學(xué)教學(xué).

E-mail：phd_hwyang@126.com

O4-34

A

1002-4956(2017)07-0069-03