液体密度仪的设计与制作

液体密度是表征液体物理性质的参数之一，在生产生活中得到了广泛的关注。石油的交易离不开密度的测量，以此来保证交易的公平性；工程中液体材料的选择离不开密度测量，用以筛选材料的种类；鉴别未知物质，密度是重要的参数之一；因此，液体密度测量的需要十分迫切。本文采用传感技术研究设计与制作的液体密度仪具有稳定性高、快捷实用、适用范围广、测量过程连续等优点，在完成测量任务的同时满足一定的精度要求。

1 设计方案

依据物理原理中的密度公式：

ρ=M/V.

(1)

通过测量待测液体的质量M和待测液体的体积V，间接测出待测液体的密度ρ。

传统的测量方案是用天平测液体质量，用游标卡尺测容器底部尺寸，用米尺测液体的高度，从而得出液体的体积。用米尺测量液体高度，精度不够且与其它物理量的测量精度不匹配；传统测量方案不能够实现实时、自动、连续测量。为此，我们做出如下设计方案，其装置的结构如图1所示。图1中A方向投影如图2所示。

图1 液体密度仪结构图

图2 A方向投影图

1.1 质量M测量设计

压力传感器封装于板材内部，盛放液体的容器的下方，直接感受来自容器的压力信号。在液体未注入容器时，压力传感器采集到压力信号f0；在注入液体后，压力传感器采集到压力信号f1；测量原理图如图3所示。采集到的压力信号将输入单片机，则待测液体的质量：

(2)

其中g为重力加速度，取值9.8 m/s2。

图3 质量测量原理图

1.2 体积V测量设计

为减小系统误差，我们选定圆柱形容器，用于盛装待测液体，则待测液体体积V为：

(3)

其中S表示容器底面积，H表示液体高度，d代表底面直径。直径d是使用游标卡尺经多次测量取平均值，将该值通过键盘输入至单片机用于数据运算；液体的高度通过超声波测距实时采集，注入液体前，超声波测距采集高度信号H0；注入液体后，超声波测距采集高度信号H1，采集到的高度信号H1与H0实时传送至单片机用以数据运算。

待测液体的实际高度为：

H=H0-H1.

(4)

体积测量原理图如图4所示：

图4 体积测量原理图

1.3 液体密度ρ测量设计：

单片机将采集到的高度、压力信息和已预置的直径信息，按照已编写的程序进行数据运算，即可得出待测液体的密度值：

(5)

该数据结果实时传送至液晶显示屏以显示液体密度测量值。

上述设计方案可用原理框图表述，如图5所示。

图5 密度仪原理框图

2 系统组成

为了实现实时快捷测量，本设计采用传感器技术分别采集所需要的信息，并将采集的信息实时传入单片机中，单片机按照已编写好的程序进行数据运算，并将运算结果送至液晶显示屏实时显示测量结果。系统组成框图如图6所示。

图6 系统框图

2.1 单片机

单片机选用STM32作为该系统的主控芯片，STM32是一种低功耗，具有最大集成度、结构简单、易用的微控制器；具有兼容5 V的I/O管脚，优异的安全时钟模式，带唤醒功能的低功耗模式，内嵌复位电路等特点，完全满足本系统的要求。

2.2 压力传感器

采用电阻应变式压力传感器，它主要由力敏性弹性元件、电阻应变片等组成。内部电路组成采用惠更斯电桥，由力的变化引起的电阻变化将转换为测量电路的电压变化,再通过换算即可得到所测量物体的重量。此传感器灵敏度为1.0 mV/V，具有电路简单、结构紧凑、精度较高且工作性能相对比较稳定的特点。

2.3 超声波测距(US-015)

超声波测距模块选用US-015 可实现2 cm～4.5 m 的非接触测距功能，拥有2.4～5.5 V的宽电压输入范围，静态功耗低于2 mA，自带温度传感器对测距结果进行校正。

2.4 显示

采用野火3.2寸液晶显示屏。它具有16位并口，8080时序的接口方式，其显示分辨率为320*240。自带ILI9341控制器，电源电压为3.3 V，引脚为40Pin FPC、0.5 mm间距，可以显示的英文字符，也可完成图形显示，具有低电压、低功效的特点。

2.5 输入键盘

输入按键采用薄膜式4×4矩阵键盘，可配合各种开发板使用，只占用8个标准IO口，可实现16个按键扫描、独立输入。接口为2.54 mm排母座。能够满足硬件设计时的全部需求，利用键盘按键实现对STM32芯片的实时控制。同时，采用粘贴式薄膜，便于调整键盘位置。

2.6 工作电源

采用5 V外置电源，即从机壳开口，引出USB接口，插入充电器，可通电工作。

3 制作过程

依据设计方案，进行选购元器件、系统组装、机壳制作等工作，设计制作的密度测量仪实物图如图7所示。

此过程工作要点如下：

(1)机壳选材

环氧树脂材料具有优良的耐碱性、耐酸性和耐溶剂性，可以避免在测量过程中液体飞溅对板子造成损伤，同时易于加工，稳定性和耐久性高。为此选用环氧树脂材料做机壳。

图7 液体密度仪实物图

(2)依据选用各元器件的几何尺寸，利用Solidworks、CAD绘图软件绘制机壳模型，以指导加工与装配。

(3)使用数控机床对板材进行加工制作，板材之间的装配选用热熔胶进行固定，考虑到热熔胶连接的不可拆性，左侧面与整体之间采用螺栓连接，以便于拆卸。

(4)超声波测距模块固连于装置顶部，通过排线接至单片机。压力传感器与单片机按照预置位置进行安装。

(5)将选用的矩阵键盘与LCD屏安装于装置正前面，便于操作与显示。

(6)考虑到容器放置的稳定性，在支柱上方添加一个直径略大于圆筒直径的环氧树脂圆板，保证压力传感器实时接收液体的压力信号。

4 使用方法

(1)接通5 V电源。

(2)按下清零键“D”，初始化装置，清零除容器内直径以外的全部数据，以测量待测液体的相关数据。

(3)使用键盘输入容器内直径，按下按键“*”，确认输入。

(4)缓缓向量杯中注入待测液体，通过LCD显示屏观察数据的变化。

(5)静置待测液体一段时间，待液面平稳后，读取密度值。

(6)重复以上步骤，记录多组数据，并进行数据处理，结果如表1所示。

表1 液体密度测量结果

查表得标准水的密度为ρ水=1.00 g/cm3,标准豆油的密度为ρ豆油=0.915 g/cm3。本装置测测量值与标准值相比较，水的密度相对误差为E1=1.666%，豆油的密度相对误差为E2=0.846%。可见设计与制作的液体密度仪准确度较高。

图8 液体高度比与相对误差的关系图

设计与制作的液体密度仪在进行实验时，从注入液体开始，单片机对采集到的数据进行运算，实时显示数值，测量过程是一个实时、自动、连续的过程。实验中，我们发现本装置测量液体密度的相对误差误差随注入液体高度增加而减小，以水为例，液体高度比与相对误差曲线如图8所示。当注入液体的高度达到容器高度的四分之一时，相对误差趋于稳定，其值小于1%。说明本装置在满足一定液体高度范围内测量的精度较高。

分析其原因，在于液体重量与液体高度呈正比，而压力传感器的量程为1 kg，当注入液体的高度比较小时，即注入液体的质量远远小于量程时，会产生较大的测量误差。若能选择精度更高的压力传感器，液体密度测量可不受液体高度的限制。

5 结 论

本设计采用压力传感器测量液体的质量，与普通的天平测量相比较，避免了人为因素造成的测量误差；采用超声波测距模块测量液体液面高度的变化，将不断变化的高度差实时传至单片机进行运算，同时将运算结果传至液晶显示屏以显示测量结果；实现了实时、自动、连续测量。具有简便、快捷、准确的优点，提高了工作效率及测量精度。