CN103559819A - 测量压强分布的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种测量压强分布的方法及装置，其在充满待测液体的容器中设置运动杆，以所述容器中心线的垂直线为旋转轴，驱动所述容器按照设定角速度旋转；采集所述运动杆距离旋转轴的距离；基于该距离、待测液体的初始密度、运动杆的宽度和质量，计算所述待测液体因所受惯性离心力所产生的压强。本发明能够定量测量转动液体内部的压强分布。另外本发明操作简单，通过其能够生动形象地做演示实验；本发明的测量压强分布的装置可以用作实验仪器，或相关研究领域的基础实验设备。

Description

测量压强分布的方法及装置

技术领域

本发明涉及一种测量技术，尤其涉及一种测量压强分布的方法及装置。

背景技术

液体在运动的时候，其内部的局部运动轨迹通常带有一定的随机性，运动轨迹的曲线成分会导致液体局部产生惯性离心力，从而形成不同的压强分布。由于压强分布会对周围环境产生相应影响，因此需要针对液体研究其运动时的内部压强分布情况。

近年来，在海洋开采和水利建设领域，对液体运动时产生的内部压强分布的研究不断扩展和加强，但是目前仅仅是通过一些物理实验室对液体运动做定性演示实验，不能定量及精确测量转动液体内部压强的具体分布，而且操作繁琐、演示效果不佳。

发明内容

为解决上述现有技术中存在的问题与缺陷，本发明提供一种测量压强分布的方法及装置，通过本发明，能够定量测量转动液体内部的压强分布。

本发明的技术方案如下：

本发明提供一种测量压强分布的方法，其包括：

在充满待测液体的容器中设置运动杆，以所述容器中心线的垂直线为旋转轴，驱动所述容器按照设定角速度旋转；

采集所述运动杆距离旋转轴的距离和容器旋转角速度；

基于该距离、角速度、待测液体的初始密度、运动杆的宽度和质量，计算所述待测液体因所受惯性离心力所产生的压强。

更进一步地，所述容器为柱形容器，所述运动杆为柱形运动杆。

更进一步地，所述旋转轴至所述容器的左右两表面的距离相等。

更进一步地，所述的测量压强分布的方法还包括：根据计算得到的压强数据，分析待测液体因所受惯性离心力所产生的压强分布。

更进一步地，所述的测量压强分布的方法，还包括：将所述压强分布呈现给用户。

本发明还提供一种测量压强分布的装置，其包括：

容纳待测液体的容器；

设置在所述容器所容纳的待测液体中的运动杆；

与所述容器连接且用于驱动容器旋转的驱动单元的，且所述驱动单元的中心轴垂直于所述容器的中心线；

设置在所述容器周围且适于采集所述运动杆距离所述中心轴的距离和容器旋转角速度的采集单元；

单片机控制器，包括：分别连接于所述采集单元和驱动单元的数据接口；适于与所述驱动单元交互命令和参数的信息交互单元；基于采集单元提供的距离、旋转角速度以及待测液体的初始密度、运动杆的宽度和质量参数，计算所述待测液体因所受惯性离心力所产生压强的运算器；与所述运算器相连接，供设置待测液体的初始密度、运动杆的宽度和质量参数的参数设置单元。

更进一步地，所述容器为柱形容器，所述运动杆为柱形运动杆。

更进一步地，所述驱动单元的中心轴至所述容器的左右两表面的距离相等。

更进一步地，所述的测量压强分布的装置还包括：与所述单片机控制器连接的显示器。

由本发明上述方案可以看出，本发明通过在充满待测液体的容器中设置运动杆，并以容器中心线的垂直线为旋转轴，按照设定角速度驱动容器旋转；采集运动杆距离旋转轴的距离；并基于该距离、待测液体的初始密度、运动杆的宽度和质量，计算出转动液体内部的压强分布，因此本发明能够定量测量转动液体内部的压强分布。

另外本发明操作简单，通过其能够生动形象地做演示实验；本发明的测量压强分布的装置可以用作实验仪器，或相关研究领域的基础实验设备。

附图说明

图1是本发明中的一种测量压强分布的方法的流程图;

图2是本发明中的一种测量压强分布的方法中所构建的压强测量模型；

图3是本发明中的一种测量压强分布的装置的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明专利的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明专利作进一步地详细描述。

液体在旋转的时候会受到惯性离心力的作用。在惯性离心力的作用下，液体内部会产生挤压，进而导致液体内部产生惯性离心力压强。因为惯性离心力压强主要体现在与旋转轴垂直的平面上，故取半径r处的少量液体作为受力分析对象，设所取液体的质量为m，液体的原始密度为ρ₀，液体旋转角速度为w，所需的向心力为F，则F满足：

F＝mw²r   公式1

在离心力的作用下，液体内部会产生惯性离心力压强，设半径r处的惯性离心力压强为p_r,则p_r满足以下关系式：

P_r＝ρ_r(w²r)r   公式2

由于旋转轴处的液体没有受到离心力的作用，所以该处的液体密度为原始密度，而距离旋转轴任意位置r处（即旋转半径r）的液体，在惯性离心力的作用下，液体内部会受到挤压，液体密度也会随挤压作用发生轻微变化，根据阿基米德离心力的特点，惯性离心力的大小与液体的原始密度、旋转角速度的平方和液体到旋转轴的距离（即旋转半径r）成正比，那么在该惯性离心力的作用下，则r处的液体密度可以表示为：

ρ_r＝ρ₀+Hρ₀w²r   公式3

其中，H为挤压系数（挤压系数表示单位外力产生的液体密度变化的大小，挤压系数与待测溶液相关，是待测液体的固有特性，可测量得到的；挤压系数的单位为m^-1s²r^-2，其中m为米，s为秒，r为转）；ρ₀为液体原始密度；w为旋转角速度；r为旋转半径。

结合公式2和公式3可得距旋转轴r处的液体因所受惯性离心力所产生的压强p_r：

P_r＝ρ₀(1+Hw²r)w²r²   公式4

其中，公式4中的参数与公式3中的参数相同，这里不再详细描述。

基于上述分析，本发明选取一运动杆作为研究对象来测量液体压强，为此本发明第一实施例提供了一种测量压强分布的方法，其流程如图1所示，包括以下步骤：

步骤500，选取充满待测液体的容器，并在该容器中设置运动杆，以该容器中心线的垂直线为旋转轴，驱动该容器按照设定角速度旋转。

如图2所示构建了一测量模型，选取一柱形容器101并将其充满液体；选取圆形横截面半径略小于容器管壁内径的柱形运动杆102，并将柱形运动杆102设置到该充满待测液体的柱形容器101中；在柱形容器中心轴的1/2处选取垂直线，并以此作为旋转的传动轴，使用驱动单元103驱动该柱形容器101做旋转运动。随着柱形容器101的旋转运动，容器内部的柱形运动杆102也会随柱形容器101中的液体一起旋转。因此，可以将该柱形运动杆102作为参考对象来研究待测液体因旋转所受惯性离心力所产生的压强。

步骤600，充满待测液体的容器以设定旋转角速度做旋转运动时，采集运动杆距离旋转轴的距离、旋转角速度，并基于该距离、旋转角速度、待测液体的初始密度、运动杆的宽度和质量，计算该待测液体由于惯性离心力所产生的压强。

设柱形运动杆102的质量为M，柱形运动杆102的圆形截面表面积为S，宽度为B，柱形运动杆102（参见图1中的标记点1021，该标记点距离柱形运动杆两表面的距离相等）距旋转轴的距离设为R，柱形运动杆102的两表面相对旋转轴的距离分别为R_内和R_外，相对应的两表面受到的液面压强设为p_内和p_外，柱形运动杆102所需的向心力F由两表面受到的压强差产生的压力提供：

F＝(P_外-P_内)S   公式5

由公式4可以推导出柱形运动杆102两表面所受压强差ΔP为：

ΔP＝ρ₀(1+Hw²R_外)w²R_外 ²-ρ₀(1+Hw²R_内)w²R_内 ²   公式6

其中，R_外＝R+B/2；R_内＝R-B/2；H为挤压系数；ρ₀为液体的原始密度；w为旋转角速度。

结合公式1，将公式5解析可得：

ΔP＝F/S＝Mw²R/S   公式7

公式7中，M为柱形运动杆的质量；S为柱形运动杆的圆形截面表面积；R为柱形运动杆距旋转轴的平均距离；w为旋转角速度。

根据公式4、6和7可以得到，距离旋转轴r处的液体因受惯性离心力所产生的压强计算公式：

   公式8

其中，R_外＝R+B/2；R_内＝R-B/2；R为柱形运动杆距旋转轴的平均距离；M为柱形运动杆的质量；S为柱形运动杆的圆形截面表面积，B为柱形运动杆的宽度；ρ₀为液体的原始密度；w为旋转角速度；r为液体距离旋转轴的任意距离。

根据惯性离心力压强计算公式8，只要采集到柱形运动杆在旋转角速度w下的旋转半径R，即可计算出在距离旋转轴任意r处的液体因受惯性离心力所产生的压强。

步骤700，依据计算出的压强数据，分析待测液体因所受惯性离心力所产生的压强分布。

步骤800，将所得的压强分布呈现给用户。

可以选取多个压强数据，并基于这些压强数据绘制出压强分布曲线，并通过显示器等设备呈现给用户。

本发明的第二实施例提供了一种测量压强分布的装置，该装置的结构示意如图3所示，包括：柱形容器101；柱形运动杆102；驱动单元103；采集单元104；单片机控制器105；显示器106。

其中，液体充满柱形容器101；柱形运动杆102设置在柱形容器101中。

驱动单元103包括数据接口和旋转轴。通过数据接口分别与柱形容器101和单片机控制器105相连，并按照上述单片机控制器命令和设定的角速度参数驱动该柱形容器101沿着其旋转轴做旋转运动，并将实时数据参数传输给上述单片机控制器105。

采集单元104设置在上述柱形容器101的图像采集区域，并与上述单片机控制器105连接，以将采集到相应旋转角速度下柱形运动杆距离旋转轴的距离等信息，传输到上述单片机控制器105中。

单片机控制器105，根据驱动单元103输出的旋转角速度w、柱形运动杆102距驱动单元103输出轴中心的距离（即柱形运动杆的旋转半径R）、液体的原始密度ρ₀、柱形运动杆的圆形截面的表面积S，利用公式8计算距离旋转轴任意r处的液体因所受惯性离心力所产生的压强。

   公式8

其中，R_外＝R+B/2；R_内＝R-B/2；R为柱形运动杆距旋转轴的平均距离；M为柱形运动杆的质量，S为柱形运动杆的圆形截面表面积，B为柱形运动杆的宽度；ρ₀为液体的原始密度；w为旋转角速度；r为液体距离旋转轴的任意距离。

上述单片机控制器105包括三个数据接口、参数设置单元、与所述驱动单元交互命令和参数的信息交互单元、运算器；其中三个数据接口分别连接于采集单元104、驱动单元103和显示器106；参数设置单元，用于设置待测液体的初始密度、运动杆的宽度和质量等参数；信息交互单元将上述单片机控制器的命令以及设定的角速度参数传输给所述驱动单元103；运算器分别与采集单元和参数设置单元相连，其基于采集单元提供的距离以及参数设置单元中的参数计算所述待测液体因所受惯性离心力所产生的压强。

显示器106具有连接单片机控制器105的数据接口，并通过该数据接口接收单片机控制器105传输给的信息并呈现给用户。

使用该测量压强分布的装置时，需要事先给柱形容器内部充满待测液体。然后启动单片机控制器，在单片机控制器的控制下，驱动单元以设定角速度w开始旋转，当旋转转速稳定时，柱形运动杆的位置也固定在半径R处。由于视觉暂留效应，运动杆上的标记点会形成一个环状运动轨迹，形成圆环。此时，单片机控制器控制图像采集设备进行图像采集，经过图像处理得到上述圆环的半径R，也就是柱形运动杆的旋转半径。知道w和R的大小后，单片机控制器可通过公式8计算出待测液体在旋转角速度w下因受惯性离心力所产生的压强分布。最后，单片机控制器将计算结果显示到屏幕上，供用户查看和分析。

上述实施例中，是以容纳待测液体的容器以及运动杆为柱形、驱动单元的中心轴至容器的左右两表面的距离相等为例进行说明的，但是本发明并不局限于此，例如，驱动单元的中心轴至容器的左右两表面的距离不相等时，本发明依然可以实现精确测量转动液体内部的压强分布。

由本发明上述方案可以看出，本发明通过在充满待测液体的容器中设置运动杆，并以容器中心线的垂直线为旋转轴，按照设定角速度驱动容器旋转；采集运动杆距离旋转轴的距离；并基于该距离、旋转角速度以及待测液体的初始密度、运动杆的宽度和质量，计算出转动液体内部的压强分布，因此本发明能够定量测量转动液体内部的压强分布。

另外本发明中所用设备操作简单，通过其能够生动形象地做演示实验；本发明的测量压强分布的装置可以用作实验仪器，或相关研究领域的基础实验设备。

本领域技术人员将理解本发明可以以本文中所述的那些以外的、没有偏离本发明的精神和本质特性的特定形式来执行。因此，所有方面的上述实施方式应当被解释为例示的而不是限制性的。本发明的范围应当由所附权利要求书和它们的法律等同物来确定，而不是由上述描述来确定，并且所有落入所附权利要求书的含义和等同范围之内的改变都将包括进来。

对于本领域技术人员来说显而易见的是，在所附权利要求书中没有显示地互相引用的权利要求可以组合起来，作为本发明的示例性实施方式，或者被包括而在提交本申请之后通过之后的修改而成为新权利要求。

本发明的方式

以用于执行本发明的最佳方式已经描述了各种实施方式。

工业应用性

如根据上述描述所显而易见的，对于本领域技术人员来说显而易见的是，可以对本发明做出各种修改和变型，而不偏离本发明的精神或范围。因此，旨在本发明覆盖落入所附权利要求书和它们的等同物的范围之内的修改例和变型。

Claims (9)

1.一种测量压强分布的方法，其特征在于，包括：

在充满待测液体的容器中设置运动杆，以所述容器中心线的垂直线为旋转轴，驱动所述容器按照设定角速度旋转；

采集所述运动杆距离旋转轴的距离和容器旋转角速度；

基于该距离、角速度、待测液体的初始密度、运动杆的宽度和质量，计算所述待测液体因所受惯性离心力所产生的压强。

2.根据权利要求1所述的测量压强分布的方法，其特征在于，所述容器为柱形容器，所述运动杆为柱形运动杆。

3.根据权利要求1或2所述的测量压强分布的方法，其特征在于，所述旋转轴至所述容器的左右两表面的距离相等。

4.根据权利要求3所述的测量压强分布的方法，其特征在于，所述的测量压强分布的方法还包括：

根据计算得到的压强数据，分析待测液体因所受惯性离心力所产生的压强分布。

5.根据权利要求4所述的测量压强分布的方法，其特征在于，还包括：

将所述压强分布呈现给用户。

6.一种测量压强分布的装置，其特征在于，包括：

容纳待测液体的容器；

设置在所述容器所容纳的待测液体中的运动杆；

与所述容器连接且用于驱动容器旋转的驱动单元，且所述驱动单元的中心轴垂直于所述容器的中心线；

设置在所述容器周围且适于采集所述运动杆距离所述中心轴的距离和容器旋转角速度的采集单元；

单片机控制器，包括：分别连接于所述采集单元和驱动单元的数据接口；适于与所述驱动单元交互命令和参数的信息交互单元；基于采集单元提供的距离、角速度以及待测液体的初始密度、运动杆的宽度和质量参数，计算所述待测液体因所受惯性离心力所产生压强的运算器；与所述运算器相连接，供设置待测液体的初始密度、运动杆的宽度和质量参数的参数设置单元。

7.根据权利要求6所述的测量压强分布的装置，其特征在于，所述容器为柱形容器，所述运动杆为柱形运动杆。

8.根据权利要求6或7所述的测量压强分布的装置，其特征在于，所述驱动单元的中心轴至所述容器的左右两表面的距离相等。

9.根据权利要求8所述的测量压强分布的装置，其特征在于，所述的测量压强分布的装置还包括：

与所述单片机控制器连接的显示器。

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