智能密度测量仪

王秀霞

（菏泽学院物理系，山东菏泽274015）

1 引 言

密度在日常生产生活中具有广泛的应用：可鉴别组成物体的材料，可计算物体中所含各种物质的成分，可计算某些很难称量的物体的质量或形状比较复杂的物体的体积，可判定物体是实心还是空心，可计算液体内部压强以及浮力等，可测量未知液体密度，可测量已知液体纯度和液体杂质类型，等等.对于鉴别未知物质，密度是一个重要的依据.由此对密度测量尤其是高精度的密度的测量更是当今生产与生活过程中的迫切需要.本文研制的高精度密度测量仪器具有实用、便携、精度高、稳定性好、适用范围广等特点，能够满足日常生产与生活的需要.

2 设计原理

使用天平和量筒测量不规则固体的密度，被测量物体密度的相对误差的平方为质量相对误差与体积相对误差的平方和[1]，由于质量和体积为不同测量条件下的2个不同物理量，测量误差相差很远，因此用直接测量物体质量和体积的方法测量物体密度相对误差比较大.若在测量物质密度时采用间接测量，在同一测量条件下测量2个相同物理量，这样相对误差就会大大减小.基于上述思想，设计了智能密度测量仪，其测量密度的相对误差为被测系统产生压力相对误差的倍.

2.1 测量固体密度

如图1所示，设烧杯＋液体重力为G0＝m0g，被测物体重量为G1＝m1g，则所测物体＋烧杯＋液体的压力N0为

图1 物体重力测定示意图

如图2所示，设绳子的拉力为F拉，将被测物体全部浸入液体中，则所测物体＋烧杯＋液体水的压力N1为

由（2）和（3）式得

由于在测量中将m0g初始化为0，则N0与N1将变为

图2 固体物体密度测定示意图

式中，ρ0是液体密度（实验中一般使用水），V1是排开液体体积，即被测物体体积.由（5）和（6）式得出被测物体密度ρ1为

由误差传递公式，可得被测物体密度ρ1的相对误差为[1]

ρ0为标准值可不计误差，所以使用密度测量的改进测量误差Δγρ1为

当ΔγN0＝ΔγN1时，（9）式有最小值，

当待测物体密度小于水的密度时采用在物体下面加一重物配重，测量方法同上.

2.2 测量液体密度

把已知物体（小球）的密度ρ1作为标准量，如图3所示，设小球＋烧杯＋被测液体的压力为N2（＝m2g），把小球放入被测液体中，小球＋烧杯＋被测液体的压力为N3，由上述的方法可得出被测液体的密度ρ液为

图3 液体密度测量示意图

则所测液体的相对误差Δγρ液为

同理，当ΔγN2＝ΔγN3时，

基于上述思想，本系统的密度测量原理如图4所示.

图4 系统测量密度原理框图

3 系统硬件设计

为了表现整体性和便于检测调试，在制作电路时采用了模块化，将电源模块、显示模块以及传感器模块分开设计，然后将多个模块同时放在同一块电路板中.系统整体框图如图5所示[2－4].

图5 系统整体框图

1）微控制器模块.8位AT89S52单片机作为该系统的主控芯片，AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器[5]，完全满足本系统的要求.

2）数据采集模块.数据采集模块采用电阻应变式压力传感器.电阻应变式压力传感器主要由弹性体、电阻应变片电缆线等组成，内部线路采用惠更斯电桥，当弹性体承受载荷产生变形时，电阻应变片（转换元件）受到拉伸或压缩应变片变形后，它的阻值将发生变化（增大或减小），从而使电桥失去平衡，产生相应的差动信号，经过放大和模数转换电路即得出所需物理量.此传感器具有电路简单，体积小，结构紧凑，工作性能稳定，精度和灵敏度高且对测量的环境要求不太严格等特点.

3）A／D转换模块.A／D转换模块采用高精度的HX711.HX711是一款专为高精度电子秤而设计的24位A／D转换器芯片.芯片内提供的稳压电源可以直接向外部传感器和芯片内的A／D转换器提供电源，系统板上无需外加电源，芯片内的时钟振荡器上电自动复位功能简化了开机的初始化过程.

4）显示模块.采用带中文字库的12864液晶显示屏.它具有4位／8位并行、2线或3线串行多种接口方式，其显示分辨率为128×64，内置8192个16×16点汉字，和128个16×8点ASCII字符集.该模块接口方式灵活，操作指令简单、方便，可以显示8×4行16×16点阵的汉字，也可完成图形显示，可构成全中文人机交互图形界面.低电压、低功耗也是其又一显著特点.

5）输入按键模块.输入按键采用4×4的矩阵键盘.矩阵按键具有使用操作方便，占用I／O口少等特点，能够满足硬件设计的需要.利用按键实现对芯片的实时控制.

6）电源模块.采用手机变压器，再经7805稳压模块稳压为单片机、压力传感器、12864液晶等额定电压为5V器件供电.这样单片机和传感器工作稳定，重量较轻.

4 密度测量仪的使用方法

4.1 固体密度的测量

1）将仪器打开，放上烧杯加入适量水，初始化模块，利用温度传感器测量出水的温度，计算得出该温度下水的密度.

2）选择测试模式，进入密度测量.

3）将待测物体放在仪器上记录下数据.

4）将待测物体全部没入水中，但不能接触容器底壁和侧壁，记录下数据，通过LCD显示出压力N1.

5）重复以上步骤，并进行数据处理，结果如表1所示.

如测量固体密度小于水的密度时，须在固体下加一配重物体.

纯铝的密度ρ铝＝2.702g·cm－3，改进型密度仪测出ρ1＝2.702 5g·cm－3，相对偏差E1＝0.18%.

表1 纯铝密度测量结果

4.2 液体密度测量

1）将仪器打开，放上烧杯加注液体，进入初始化模块.

2）选择测试模式，将已知物体小球（体积已知）放在仪器上测量出它的质量.

3）将小球没入未知液体，不能接触容器底壁和侧壁，然后测量出所受压力.

4）重复以上步骤，记录数据，进行数据处理.浓盐水密度测量结果如表2所示.

表2 浓盐水密度测量结果

在28℃下浓盐水的密度为ρ盐水＝1.30g·cm－3，改进型密度测量测出ρ液＝1.300 5g·cm－3，相对偏差为E2＝0.34%.

5 结束语

采用数字集成化的传感器测量质量，其与机械式的天平等仪器相比更加方便、快捷，且避免了人为因素造成的误差.采用自制数字温度计，避免了水银式温度计人为因素引起的读数错误，克服水的密度ρ随温度变化造成测量出的物体密度不准确的缺点，还可以对水温进行实时监测.精确测量的各个参量，通过单片机的无误计算并显示结果提高了效率，避免了人为数据获取和数据处理时产生的错误.智能密度测量仪对固体、液体均可测量，使测量物体范围更加广泛，测量方法更加便捷.使用智能密度测量仪测量密度没有中间步骤，避免了中间步骤产生的误差，从而提高了测量精度.

[1] 杨述武.普通物理实验（一、力学及热学部分）[M].3版.北京：高等教育出版社，2005：11－18.

[2] 张华林.电子设计竞赛实训教程[M].北京：北京航空航天大学出版社，2007：152－164.

[3] 罗志勇，刘子勇，刘吉萍，等.便携式空气密度精密测量仪的研制[J].计量学报，2001，22（1）：52－56.

[4] 黄智伟.全国大学生电子设计竞赛训练教程[M].2版.北京：北京航空航天大学出版社，2007：89－105.

[5] AT89S52中文资料[DB／OL].http／／www.wonreal.net.

[6] 杨卫平，赵锦奇，申志荣.使用载荷传感器测量液体密度[J].物理实验，2006，26（9）：38－40.

[7] 邢海根.固体密度秤[J].物理实验，2006，26（10）：29－30.