張玉璞，馮偉龍，于曉威

（1.遼寧工業(yè)大學 理學院，遼寧 錦州121001；2.楓葉國際學校，遼寧 大連116000）

基于51單片機的固體液體密度測量儀

張玉璞1，馮偉龍1，于曉威2

（1.遼寧工業(yè)大學 理學院，遼寧 錦州121001；2.楓葉國際學校，遼寧 大連116000）

通過對傳統(tǒng)密度測量儀器和測量方法的改進，研制了利用壓力傳感器與單片機制成的密度測量儀。壓力傳感器由4個應變電阻集成一個微型的惠斯通電橋，測量儀通過模數(shù)轉換模塊將模擬信號轉換成數(shù)字信號，輸出數(shù)字電壓信號后傳輸給51單片機進行數(shù)據(jù)處理，精確計算出物體密度值。

密度測量；51單片機；壓力傳感器

密度在科學研究和生產生活中有著廣泛的應用。對于鑒別未知物質，密度是一個重要的依據(jù)。傳統(tǒng)的密度測量方法存在著操作繁瑣、過程復雜、計算麻煩的缺點，研制設計一種價格便宜、操作簡單、可以直接讀數(shù)的新型密度測量儀在生產生活中有著重要意義。目前，市場上一些密度測量儀器價格昂貴，而本文設計的儀器采用了將模擬信號轉變成數(shù)字信號進行測量的方法，實現(xiàn)了數(shù)字測量，提高了測量精度，操作方便，成本低廉。

1 基本原理

壓力傳感器是利用半導體壓阻效應，同時采用半導體集成電路和精細加工工藝，將輸出電路、信號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 壓力傳感器內部電橋原理圖

壓力傳感器的輸出電壓與荷重呈線性關系，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，電壓的改變值；B為傳感器的靈敏度。

2 壓力傳感器的定標

將傳感器固定在鐵架臺上，接通電路，預熱2 min。將標準砝碼依次用細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 壓力傳感器的定標數(shù)據(jù)

表中M為定標砝碼的質量，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系，設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為懸掛砝碼時電壓的測量值，BMi為真值，當兩者差值的平方和最小時，測量值最接近于真值，即A=0，得到的B值即為傳感器的靈敏度系數(shù)。

3 實驗裝置與方法

3.1 實驗裝置

如圖2所示，本固體液體密度測量儀主要由鐵架臺、升降臺、燒杯、壓力傳感器、LCD顯示屏、模數(shù)轉換器[2]、單片機、矩陣鍵盤、待測物體組成。

圖2 固體液體密度測量儀裝置圖

3.2 實驗方法

(1)將定標后的壓力傳感器安裝在鐵架臺上，將升降機、燒杯、待測物體等按圖1所示組裝完 。用溫度計測量25℃時水的溫度后，查表得水的密度為0.997 g/cm3，通過USB接口將水的密度儲存到單片機中。

(2)測量固體密度時，先按下清零鍵進行清零，再將待測固體通過細絲掛在壓力傳感器的掛鉤上[3]，按下矩陣鍵盤上的U1鍵，LCD顯示屏將顯示待測固體在空氣中的電壓值U1。升高載物臺，使待測固體完全浸沒于燒杯內的水中，按下矩陣鍵盤上的U2鍵，LCD顯示屏將顯示待測固體在水中的電壓值U2，單片機將自動儲存U1、U2的值。按下矩陣鍵盤上的J1鍵，單片機自動計算待測固體的密度并顯示在LCD屏上[4]。

(3)測量液體密度時，升高載物臺，將實驗方法2中的已測固體作為探子完全浸沒到待測液體(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在待測液體中的電壓值U3,單片機將自動儲存U3的值。按下矩陣鍵盤上的J2鍵，單片機自動計算待測液體的密度值并顯示在LCD顯示屏上。

4 測量

4.1 固體密度的測量

物體密度公式為：

將待測物體銅柱掛在壓力傳感器上，得到固體在空氣中重量G1及所對應的電壓值U1。將待測物體完全沉沒于水中，得到固體在水中的視重G2及此時對應的電壓值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系為：

式中：ρ固即為待測固體的密度，ρ水是水的密度（查表獲得25℃下水的密度，輸入單片機后直接從單片機調用）。

用測量儀分別測出銅、不銹鋼、鋁等待測樣品在空氣中及浸沒在25℃水中的電壓值，并顯示在LCD屏上。所得測量數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 固體密度的測量數(shù)據(jù)

4.2 液體密度的測量

測量待測液體的密度時，將已經(jīng)測得密度的固體銅柱作為探子完全浸入待測液體中，此時固體在待測液體中的視重G3對應的電壓值為U3,電壓改變值為：

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

將公式(9)、(10)兩端同時乘以傳感器的靈敏度系數(shù)B得：

將銅柱逐次浸沒在25℃的酒精、汽油、植物油中，分別測出銅柱完全浸沒在相應液體中LCD顯示屏上的電壓讀數(shù)U3，按下矩陣鍵盤J2鍵，自動計算出待測液體密度。將計算值與各液體密度的標準值進行比較，實驗測量結果如表3所示。

表3 液體密度的測量數(shù)據(jù)

5 不確定度計算

銅的A類不確定度計算：

銅的B類不確定度計算：

銅的合成不確定度為：

結果：

不銹鋼的A類不確定度計算[6]：

不銹鋼的B類不確定度計算：

不銹鋼的合成不確定度為：

結果：

鋁的A類不確定度計算：

鋁的B類不確定度計算：

鋁的合成不確定度為：

結果：

6 結論

本測量儀能分別測量固體的密度和液體的密度，采用壓力傳感器和單片機進行數(shù)據(jù)的分析與計算，實現(xiàn)了密度測量的自動化，極大地減小了測量數(shù)據(jù)的誤差，密度測量的最大相對誤差僅為0.7%，能夠滿足教學與一般科研的要求。

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

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

[3]劉建國,劉 .用電子稱測量固體和液體的密度[J].云南民族學院學報:自然科學版,2002(4):217-219.

[4]鐘 .MCS-51單片機原理及應用開發(fā)技術[M].北京:中國鐵道出版社,2006:145-174.

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

[6] 忠 .大學物理實驗[M].3版.沈陽:東北大學出版社,2005:4-20.

責任編校：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