CN103969158A - 一种激光面捕捉式液体粘滞系数测定装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种粘度测定仪，特别是一种激光面捕捉式液体粘滞系数测定装置。一种激光面捕捉式液体粘滞系数测定装置，其包括容器(1)、第一激光发射器(2)、第二激光发射器(3)、导管(4)、第一激光接收器(5)、第二激光接收器(6)、单片机(7)、支架(8)、基座(9)，其特征在于：第一激光接收器(5)、第二激光接收器(6)之上布置有沿水平方向延伸的条状光源接收器(10)；第一激光发射器(2)、第二激光发射器(3)的光源发射端(11)直接发射激光到第一激光接收器(5)、第二激光接收器(6)的光源接收器(10)。

Description

一种激光面捕捉式液体粘滞系数测定装置及方法

技术领域

本发明涉及一种粘度测定仪，特别是一种激光面捕捉式液体粘滞系数测定装置及方法。

背景技术

液体的粘度就是粘滞性大小的量度。在工农业生产和科学研究中，常需要了解液体的粘度。测量粘度有各种方法，目前大学实验教学中采用落球法进行测量，比较传统的是采用目测的方式进行测量，但是这个带来的人为误差很大，作为教学实验不太适合。

落球法测量粘滞系数是国内高校采取的主要粘滞系数测量方法，相对而言，采用的激光测量方式是较为精确的一种测量方式。

激光测量方式的粘滞系数测定仪，利用激光发射器来测量小球下落的过程中所用的时间，并利用单片机的计数功能在数码管上显示下落过程中所使用的时间。主要原理为：两组激光发射器和接收器。一组在量筒上方，一组在量筒下方。小球在量筒的上部释放，由于重力向量筒下部运动。量筒中的介质为待测液体。当小球下落挡住第一组激光发射器所发射的激光，使得第一组激光接收器不能接收到，将使得电压发生跳变，从而使单片机的计数器开始计数。当小球继续下落，挡住第二组激光发射器发射的激光，使得第二组激光接收器不能接收到时，那么电压的变化会停止单片机的计数功能。而单片机连接到数码管上显示这个计数结果，其值等于小球下落过程中所使用的时间。

但现有的激光测量方式的粘滞系数测定仪采用点光源挡光计时。即，激光发射器所发射的激光为一条线。在实际操作中，由于光束过窄捕捉不到小球，而无法进行实验。引起这种现象的主要原因有：1、量筒不严格竖直，即基座不平；2、小球初速度有横向分量；3、小球在粘滞流体中受阻力作用存在横向漂移。这些因素造成小球在粘滞流体中的运动轨迹并不是理想向下的垂线，在横向有一定的宽度分布。

发明内容

本发明的目的是提供一种小球下落信号的捕捉概率可以大大提高、仪器的可操作性和精确程度提高的激光面捕捉式液体粘滞系数测定装置与小球下落过程中所使用的时间的测定方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种激光面捕捉式液体粘滞系数测定装置，其包括容器1、第一激光发射器2、第二激光发射器3、导管4、第一激光接收器5、第二激光接收器6、单片机7、支架8、基座9，其中，

容器1固定在基座9上，导管4固定在支架8的顶部，导管4对应于容器1的顶部开口中心；

第一激光发射器2、第一激光接收器5固定于支架8上，第一激光发射器2、第一激光接收器5处于同一水平面，并相互对应；第二激光发射器3、第二激光接收器6也固定于支架3上，第二激光发射器3、第二激光接收器6处于同一水平面，并相互对应；所述第一激光发射器2、第一激光接收器5所在的水平面处于第二激光发射器3、第二激光接收器6所在的水平面的上方；

第一激光发射器2、第一激光接收器5与第二激光发射器3、第二激光接收器6分别连接一单片机7；

第一激光接收器5、第二激光接收器6之上布置有沿水平方向延伸的条状光源接收器10；

第一激光发射器2、第二激光发射器3的光源发射端11直接发射激光到第一激光接收器5、第二激光接收器6的光源接收器10。

所述第一激光发射器2、第二激光发射器3的光源发射端11沿水平方向分别布置有两个挡光片，并且两个挡光片之间有一定间距的水平缝隙。

所述第一激光接收器5和第二激光接收器6的光源接收器10为2mm×10mm的硅光电池。第一激光接收器5的电路输出端口与单片机7的定时器端口之间、以及第二激光接收器6的电路输出端口与单片机7的中断端口之间布置有放大电路；

所述放大电路包括第一运算放大器A1和第二运算放大器A2；

所述第一运算放大器A1的同向输入端接地；反相输入端通过定值电阻和电位器调节放大倍数，接收输入信号；信号输出端输出的信号输入到第二运算放大器A2的反相输入端；

第二运算放大A2的同相输入端限位为正，并通过定值电阻和电位器调节放大倍数；信号输出端输出放大电路的输出信号。

第一激光接收器5或第二激光接收器6的电路输出端口与第一运算放大器A1的反向输入端连接；第一运算放大器A1的同向输入端接地；其信号输出端与反向输入端通过电阻R1和电位器R2连接；

第一运算放大器A1的信号输出端通过电阻R5接到第二运算放大器A2的反相输入端；

正5V电压通过电位器R3和电阻R4进行分压，其中滑动变阻器的滑头部分通过电阻R6接到第二运算放大器A2的同向输入端，而且第二运算放大器A2的信号输出端与同向输入端通过电阻R7连接；

第二运算放大器A2的信号输出端为整个放大电路的信号输出端，该信号输出端与单片机7连接。

本发明的有益效果在于：

1.本发明利用半导体激光器扩束角大的特性，通过展宽激光发射器的光源，并对该光源进行约束，减少了杂散光，提高了本装置的信噪比。

2.本发明利用2mm×10mm硅光电池对光线进行接收，提高了信号采集面积。

3.本发明通过重新设计放大电路，使输出信号能够触发单片工作和停止。

4.本发明利用量筒与油体构成的凸透镜效应，增大了光信号的采集面积。

5.本发明展宽后的光源对小球下落信号的捕捉概率可以提高到90％以上，大大增强了本装置的可操作性和精确程度。

6.本发明制作成本较低，并且设计思想简单实用，能够结合发明教学，解决实际教学问题。

附图说明

图1是本发明一种激光面捕捉式液体粘滞系数测定装置的结构示意图；

图2是本发明一种激光面捕捉式液体粘滞系数测定装置的激光发射器的侧视图；

图3是本发明一种激光面捕捉式液体粘滞系数测定装置的激光发射器的正视图；

图4是本发明一种激光面捕捉式液体粘滞系数测定装置的激光接收器的侧视图；

图5是本发明一种激光面捕捉式液体粘滞系数测定装置的激光接收器的正视图；

图6是本发明一种激光面捕捉式液体粘滞系数测定装置的放大电路的线路示意图。

附图标记：

1容器 2第一激光发射器 3第二激光发射器

4导管 5第一激光接收器 6第二激光接收器

7单片机 8支架 9基座

10光源接收器 11光源发射端

具体实施方式

由图1可知，本发明一种激光面捕捉式液体粘滞系数测定装置，包括容器1、第一激光发射器2、第二激光发射器3、导管4、第一激光接收器5、第二激光接收器6、单片机7、支架8、基座9、条状光源接收器10以及光源发射端11。

其中，容器1固定在基座9上，导管4固定在支架8的顶部，导管4对应于容器1的顶部开口中心。第一激光发射器2、第一激光接收器5固定于支架8上，并处于同一水平面，相互对应。第二激光发射器3、第二激光接收器6也固定于支架3上，并处于同一水平面，相互对应。所述第一激光发射器2、第一激光接收器5所在的水平面处于第二激光发射器3、第二激光接收器6所在的水平面的上方。第一激光发射器2、第一激光接收器5与第二激光发射器3、第二激光接收器6分别连接一单片机7。第一激光接收器5的电路输出端口连接到单片机7的定时器端口，第二激光接收器6的电路输出端口连接到单片机7的中断端口上。

在现有技术中，第一激光发射器2、第二激光发射器3的光源发射端11使用了聚焦透镜，将光源发射端11发出的光束聚焦为线状。而在本发明的实施例中，如图2、3所示，利用了光束扩束角较大的特点，未使用聚焦透镜，光源发射端11直接发射激光到光源接收器10，因而，光源发射端11发出的光束为平面状。在另一实施例中，还可以对光源宽度作简单约束，所述简单约束是采用两个挡光片沿水平方向固定在激光发射器的光源发射端11，并且两个挡光片之间有一定间距的水平缝隙，进而使光源发射端11发出的光束为宽度适中的平面状。

如图4、5所示，第一激光接收器5、第二激光接收器6之上布置有沿水平方向延伸的条状光源接收器10，即光敏传感器，该条状光源接收器为2mm×10mm的硅光电池。

所述激光面捕捉式液体粘滞系数测定装置还包括放大电路，共布置有两组同样的放大电路。第一激光接收器5的电路输出端口与单片机7的定时器端口之间布置有所述放大电路；第一激光接收器5的输出电压为相应的放大电路的输入信号，该放大电路的输出信号为单片机7的定时器端口的输入信号。第二激光接收器6的电路输出端口与单片机7的中断端口之间也布置有所述放大电路；第二激光接收器6的输出电压为相应的放大电路的输入信号，该放大电路的输出信号为单片机7的中断端口的输入信号。

所述放大电路包括第一运算放大器A1和第二运算放大器A2；所述第一运算放大器A1的同向输入端接地；反相输入端通过定值电阻和电位器调节放大倍数，接收输入信号；信号输出端输出的信号输入到第二运算放大器A2的反相输入端；第二运算放大器A2的同相输入端通过定值电阻和电位器调节放大倍数；信号输出端输出放大电路的输出信号。

如图6所示的实施例的放大电路，使硅光电池的输出信号能够触发和关闭单片机的计数功能。

第一激光接收器5或第二激光接收器6的电路输出端口与第一运算放大器A1的反向输入端连接；第一运算放大器A1的同向输入端接地；其信号输出端与反向输入端通过10K电阻R1和100K电位器R2连接。

第一运算放大器A1的信号输出端通过10K电阻R5接到第二运算放大器A2的反相输入端。

正5V电压通过100K电位器R3和100K电阻R4进行分压，其中滑动变阻器的滑头部分通过10K电阻R6接到第二运算放大器A2的同向输入端，而且第二运算放大器A2的信号输出端与同向输入端通过3.9M的电阻R7连接。

第二运算放大器A2的信号输出端为整个放大电路的信号输出端，该信号输出端与单片机7连接。

操作时，在导管4中放入钢球，由于液体粘滞力的作用，钢球下落一定距离后匀速下落，在匀速下落期间，首先遮挡第一激光接收器5中硅光电池接收的由第一激光发射器2发射的激光束，第一激光接收器5启动单片机7计时开始；当钢球下落一定距离，钢球遮挡第二激光接收器6中硅光电池接收由第二激光发射器3发射的激光束，第二激光接收器6启动单片机7计时结束。单片机7记录钢球通过该距离所用的时间，从而得到钢球的匀速下落速度，再通过液体粘滞系数的计算公式获得所需的粘滞系数。所述的单片机7上有控制开关、显示板等，由单片机7进行数据处理，可以从单片机上直接读出钢球通过该距离所用的时间。

Claims (5)

1.一种激光面捕捉式液体粘滞系数测定装置及方法，其包括容器(1)、第一激光发射器(2)、第二激光发射器(3)、导管(4)、第一激光接收器(5)、第二激光接收器(6)、单片机(7)、支架(8)、基座(9)，其中，容器(1)固定在基座(9)上，导管(4)固定在支架(8)的顶部，导管(4)对应于容器(1)的顶部开口中心；

第一激光发射器(2)、第一激光接收器(5)固定于支架(8)上，第一激光发射器(2)、第一激光接收器(5)处于同一水平面，并相互对应；第二激光发射器(3)、第二激光接收器(6)也固定于支架(3)上，第二激光发射器(3)、第二激光接收器(6)处于同一水平面，并相互对应；所述第一激光发射器(2)、第一激光接收器(5)所在的水平面处于第二激光发射器(3)、第二激光接收器(6)所在的水平面的上方；第一激光发射器(2)、第一激光接收器(5)与第二激光发射器(3)、第二激光接收器(6)分别连接一单片机(7)；

其特征在于：

第一激光接收器(5)、第二激光接收器(6)之上布置有沿水平方向延伸的条状光源接收器(10)；

第一激光发射器(2)、第二激光发射器(3)的光源发射端(11)直接发射激光到第一激光接收器(5)、第二激光接收器(6)的光源接收器(10)。

2.如权利要求1所述的一种激光面捕捉式液体粘滞系数测定装置，其特征在于：所述第一激光发射器(2)、第二激光发射器(3)的光源发射端(11)沿水平方向分别布置有两个挡光片，并且两个挡光片之间有一定间距的水平缝隙。

3.如权利要求1或2所述的一种激光面捕捉式液体粘滞系数测定装置，其特征在于：所述第一激光接收器(5)和第二激光接收器(6)的光源接收器(10)为2mm×10mm的硅光电池。

4.如权利要求1或2所述的一种激光面捕捉式液体粘滞系数测定装置，其特征在于：

第一激光接收器(5)的电路输出端口与单片机(7)的定时器端口之间、以及第二激光接收器(6)的电路输出端口与单片机(7)的中断端口之间布置有放大电路；

所述放大电路包括第一运算放大器(A1)和第二运算放大器(A2)；

所述第一运算放大器(A1)的同向输入端接地；反相输入端通过定值电阻和电位器调节放大倍数，接收输入信号；信号输出端输出的信号输入到第二运算放大器(A2)的反相输入端；

第二运算放大器(A2)的同相输入端限位为正，并通过定值电阻和电位器调节放大倍数；信号输出端输出放大电路的输出信号。

5.如权利要求4所述的一种激光面捕捉式液体粘滞系数测定装置，其特征在于：

第一激光接收器(5)或第二激光接收器(6)的电路输出端口与第一运算放大器(A1)的反向输入端连接；第一运算放大器(A1)的同向输入端接地；其信号输出端与反向输入端通过电阻(R1)和电位器(R2)连接；

第一运算放大器(A1)的信号输出端通过电阻(R5)接到第二运算放大器(A2)的反相输入端；

正5V电压通过电位器(R3)和电阻(R4)进行分压，其中滑动变阻器的滑头部分通过电阻(R6)接到第二运算放大器(A2)的同向输入端，而且第二运算放大器(A2)的信号输出端与同向输入端通过电阻(R7)连接；

第二运算放大器(A2)的信号输出端为整个放大电路的信号输出端，该信号输出端与单片机(7)连接。