一字型激光-探测器阵列光电门液体黏度智能测量装置

摘要

一字型激光‑探测器阵列光电门液体黏度智能测量装置，包括底座(1)、支架(2)、量筒(3)、光电探测器阵列(4)、一字型激光器(5)和控制器，量筒(3)放置在底座(1)上，量筒内盛放待测黏度液体，支架竖直固定在底座(1)上，光电探测器阵列(4)和一字型激光器(5)分别固定在量筒两边的支架上。本发明通过以一字型激光‑探测器阵列光电门代替点状激光光电门，用平行激光覆盖整个量筒截面，克服了漏检难题；通过在量筒的顶部加装横梁支架，横梁的中间置一电磁铁，通过磁力的释放实现小钢球沿量筒的中心轴线竖直下落，代替人工操作释放，使小球具有稳定的初始状态，克服了人工操作初始状态不稳定的缺陷。

说明书

技术领域

本发明涉及黏度测量装置，具体涉及一种一字型激光-探测器阵列光电门液体黏度智能测量装置。

背景技术

液体黏度的测量在实际工作中有重大意义。水利、热力工程中涉及水、石油、蒸汽、大气等流体在管道中长距离输送时的能量损耗；在机械工业中，各种润滑油的选择；化学上测定高分子物质的分子量；医学上分析血液的黏度等，都需要测量相应液体的黏度。

作为物理学科的基础实验之一，落球法液体黏度测量实验非常重要，而现有仪器采用点状激光光电门检测下落的小钢球，测量中，常存在小钢球跑偏而被漏检，导致测量失败率较高，实际操作难度大。

发明内容

本发明的目的在于提供一种新型的基于一字型激光-探测器阵列光电门的液体黏度智能测量装置，以克服现有技术存在的问题。

为实现上述发明目的，本发明的技术方案具体如下：

一字型激光-探测器阵列光电门液体黏度智能测量装置，包括底座、支架、量筒、光电探测器阵列、一字型激光器和控制器，量筒放置在底座上，量筒内盛放待测黏度液体，支架竖直固定在量筒两边的底座上，相对的一个光电探测器阵列和一个一字型激光器构成一组一字型激光-探测器阵列光电门，光电探测器阵列和一字型激光器分别固定在量筒两边的支架上，且相对的光电探测器阵列和一字型激光器位于支架上的同一水平位置，一字型激光-探测器阵列光电门为两组，各光电探测器阵列、一字型激光器分别与控制器相连。

进一步的，所述支架是精密导轨，精密导轨上具有两个滑座，所述光电探测器阵列、一字型激光器分别固定在滑座上。

进一步的，所述底座上还具有角度传感器，角度传感器与所述控制器相连。

进一步的，所述底座四角还具有调平螺栓。

进一步的，所述量筒内还具有温度传感器，温度传感器与所述控制器相连。

进一步的，所述支架上还具有横梁，横梁中部位于所述量筒正上方，横梁中部具有电磁铁，电磁铁用于吸附和释放实验小球，电磁铁与所述控制器相连。

进一步的，所述控制器是单片机。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

本发明通过以一字型激光-探测器阵列光电门代替点状激光光电门，用平行激光覆盖整个量筒截面，实现百分百测量到小钢球，克服了漏检难题；

通过在量筒的顶部加装横梁支架，横梁的中间置一电磁铁，通过磁力的释放实现小钢球沿量筒的中心轴线竖直下落，代替人工操作释放，使小球具有稳定的初始状态，克服了人工操作初始状态不稳定的缺陷；

采用红色高亮激光提高探测信号的信噪比，免于环境光噪声的影响，同时可见光便于调节对准；

支架采用自带刻度的精密导轨，一字型激光器和探测器阵列都安装于各自滑座的中心，在底座调水平的前提下，两侧支架上的一组光电门的两块滑座处于同一刻度，保证了一字型激光的平行性；

引入预浸润程序，小钢球在清洗后用待测液体预先进行浸润，而后再进行释放，可以减少或避免小钢球落入液面时带入气泡；

在使用本发明装置对蓖麻油黏度的测量中，对蓖麻油黏度温度数据进行多项式拟合，同一温度下的黏度测量值与拟合值进行相对误差计算，多次测量结果验证误差小于3％，甚至能小于1％。

附图说明

图1是本发明的一字型激光-探测器阵列光电门液体黏度智能测量装置的结构示意图；

图2是本发明的液体黏度智能测量装置的工作原理图；

图3是本发明实施例中小钢球通过光电门时的信号电压波形图；

图4是蓖麻油黏度温度关系拟合曲线；

图5是本发明的电路设计图；

图1中，1底座；2精密导轨；3量筒；4光电探测器阵列；5一字型激光器；6横梁；7电磁铁；8角度传感器；9温度传感器；10调平螺栓。

具体实施方式：

下面将结合附图和具体实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1：

如图1所示，一字型激光-探测器阵列光电门液体黏度智能测量装置，包括底座1、支架、量筒3、光电探测器阵列4、一字型激光器5和单片机，量筒3放置在底座1上，量筒内盛放待测黏度液体，支架竖直固定在量筒两边的底座1上，相对的一个光电探测器阵列4和一个一字型激光器5构成一组一字型激光-探测器阵列光电门，光电探测器阵列4和一字型激光器5分别固定在量筒两边的支架上，且相对的光电探测器阵列4和一字型激光器5位于支架上的同一水平位置，一字型激光-探测器阵列光电门为2组，各光电探测器阵列、一字型激光器5分别与单片机相连。光电探测器阵列4采用以下光电探测器构成一维线阵探测器，包括但不限于光敏电阻、光电二极管、光电三极管、电荷耦合器件等。

所述支架是精密导轨2，精密导轨2上具有2个滑座，所述光电探测器阵列4、一字型激光器5分别固定在滑座上。所述底座1上还具有角度传感器8，角度传感器8与单片机相连。所述底座1四角还具有调平螺栓10。量筒3内还具有温度传感器9，温度传感器9与单片机相连。温度传感器9伸入量筒3内待测液体液面之下，可直接测量液体温度。所述支架上还具有横梁6，横梁6中部位于所述量筒3正上方，横梁6中部具有电磁铁7，电磁铁7用于吸附和释放小钢球，电磁铁7与单片机相连。

通过STM32单片机对装置进行系统集成，72MHz超高速脉冲捕获电路，可准确获取小钢球竖直通过两个光电门的时间，提高时间测量精度。

图5所示是本发明的电路设计图，其中，DC是5V直流供电口，SW是开关，Las1、Las2是一字型激光器的供电口，ADC1、ADC2是光电探测器阵列信号采集口，DS18B20是温度传感器信号采集口，Q1、Q2是晶体三极管，MAG是电磁铁控制口，IMU-U1是角度传感器接口，UART3是程序下载串口，FPC-U2是液晶触控显示器接口，IO是单片机引脚，Beep是蜂鸣器。

工作原理：

首先通过底座上的角度传感器8判断和调整底座1的水平性，使玻璃量筒3竖直；通过温度传感器9获得待测液体温度；然后由单片机系统控制电磁铁7释放小钢球，当小钢球经过第一个一字激光照射平面时，阻挡探测器阵列上的部分光线，引起检测电路上电压的变化，触发计时器开始计时，当经过第二个一字激光平面时触发计时器停止计时(小钢球通过光电门时的信号电压波形如图3所示)，通过单片机系统进行数据的计算与存储，最终实现黏度的测量、显示。

具体操作步骤：

一、调整底座1的水平度，打开单片机集成系统的液晶触控面板校准界面，根据角度传感器8反馈的数据调节底座1四角的调平螺栓10，使触控面板中显示的水平仪气泡对准中心位置。

将精密导轨支架2上的两个一字型激光器5接通电源，并进行调节，使其红色激光线平行对准对面的光电探测器阵列4，精密导轨2上两个相对的滑座中心处于同一刻度，保证一字激光的平行度。

将盛有待测液体的量筒3放置于底座1中央，并且量筒3位于精密导轨支架2中央，操作中量筒3位置保持不变。

二、在自带刻度的精密导轨支架2上直接读取上下两个光电门的间距l，用电子天平称取小钢球质量m，用螺旋测微器测量小钢球直径d，用游标卡尺测量量筒内径D，用钢直尺测量量筒内液柱的高度H，计算小钢球的密度ρ′，从液体试剂的铭牌上读取液体密度ρ，一并输入单片机触控面板的参数页面。

三、小钢球用酒精清洗干净，并用滤纸吸干，放入预先盛有待测液体的玻璃皿浸润，然后用镊子将小钢球放入电磁铁7中心。液体温度由温度传感器9直接测量，并在单片机触控面板上读取。

四、在触控面板上控制电磁铁释放小钢球，当小钢球落下，经过上部光电门时，通过单片机控制系统进行记时，当小钢球下落至下部光电门时，单片机控制系统停止记时，读取参数，重复5次，并记录数据，根据下式计算液体黏度η：

其中，t为小钢球在液体中竖直下落l距离所需的时间，g为重力加速度。

图4是蓖麻油的黏度温度关系多项式拟合曲线，并给出了拟合公式及系数。表1给出了蓖麻油黏度测量的各项参数，表2是蓖麻油黏度的实测数据，并对同一温度下的实测值与拟合值进行了相对误差计算，可以看出黏度测量受液体温度的影响较大。

表1

表2

(η

本发明的一字型激光-探测器阵列光电门液体黏度智能测量装置，使用方便，操作友好，测量有效性高，配有大尺寸液晶触控屏显示时间、公式、温度、平台倾斜度等信息，集成多种功能于一体。在提高操作者动手能力的基础上，又加深了操作者对测量原理、仪器结构的理解。装置具备推广的应用价值，甚至可以应用在工程上快速测定液体黏度。