CN106596341B - 一种三维激光定位液体粘滞系数测量仪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种三维激光定位调温液体粘滞系数测量仪，属液体粘滞系数测量技术领域，包括量筒、第一激光发射器、第二激光发射器、第三激光发射器、第四激光发射器、第一激光接受器、第二激光接受器、第三激光接受器、第四激光接收器、底座、控温带、控温电路、竖直杆、横梁、钢珠、钢珠释放装置、数字毫秒计、温控器；所有激光发射器和激光接受器密封设置在量筒侧壁开设的通孔中，每组激光发生器和接收器之间没有量筒阻隔，激光直接通过待测液体，避免了激光多次折射后还需再次调整接受器位置的繁琐操作，提高了测量精度和效率。

Description

一种三维激光定位液体粘滞系数测量仪

技术领域

本发明涉及液体粘滞系数测量技术领域，也属于实验仪器领域，具体涉及一种三维激光定位可调温液体粘滞系数测量装置。

背景技术

液体粘度就是液体粘滞性大小的量度，是描述液体内摩擦性质的一个重要物理量，与液体的性质、温度和流速( 非牛顿液体) 有关。它表征液体反抗形变的能力，只有在液体内存在相对运动时才表现出来。工农业生产和科学研究中，常需要了解液体粘度。液体粘度常用于各种润滑油的质量鉴别和用途确定，及判断各种燃料用油的燃烧性能及用途，同时在材料科学中占据重要地位。斯托克斯法是测定液体粘滞系数的基本方法，大学物理实验教学一般采用落球法进行测量。

如申请公布号为CN 2529243Y的专利文献，公开了一种落球法粘滞系数测定仪，提供了一种使用激光发射器与接收器组成的光电传感器测量钢珠下落时间的测量装置，比秒表手工计时精确度高。目前此实验普遍存在着以下问题：

1）光电门的激光发射器与激光接收器相对180°安置，两者要靠螺丝固定在支架上，支架杆儿为圆柱形，螺丝很难将发射器（接收器）稳固在支架上，易松动。发射器与接收器，必须保持处于同一水平位置上；另外，上下两束激光必须在同一个竖直平面内，下落的钢珠才能依次遮挡两束光，测出下落时间，上述过程，调节步骤多，要求较高，耗时耗力。

2）两对激光光电门均设置在量筒的外部，在空气中直线传播；在光电门之间放置装有液体的量筒后，激光穿过盛有液体的玻璃量筒会发生4次折射现象，不再是直线传播，接受器无法接收到信号，此时需要再次调整两个接收器的位置，直到再次均接收到信号为止，且两个激光线必须在同一个竖直平面上，实验需反复多次调整，调整过程耗时耗力,甚至2-3两个小时都调整不到位，无法按时完成实验测量；最终同学只能用秒表手动计时，造成实验结果误差大。

3）投掷的钢珠应沿量筒中心轴下落。传统仪器是在仪器横梁中间放重锤，重锤尖儿的位置作为量筒中心点，然后取出重锤，再将量筒放入，此种做法无法准确无误地将量筒放置中心位置，难以判断钢珠是否沿着量筒中心轴下落，钢珠不能从中心轴线下落，恰恰是实验误差的一个来源。

4）无法判定钢珠在液体中是否处于匀速运动。

5）所测液体粘滞系数均为某一温度下的粘滞系数。实验的内容单一,技术含量低,学生收益较小。

基于上述原因设计三维激光定位可调温液体粘滞系数测量仪。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明是提供一种三维激光定位可调温液体粘滞系数测量仪，包括量筒、第一激光发射器、第二激光发射器、第三激光发射器、第四激光发射器、第一激光接受器、第二激光接受器、第三激光接受器、第四激光接收器、底座、控温带、控温电路、竖直杆、横梁、钢珠、钢珠释放装置、数字毫秒计、温控器；所述竖直杆设于底座上，所述横梁设于所述竖直杆上，所述钢珠释放装置设于所述横梁上；所述第一激光发射器、第二激光发射器、第三激光发射器、第一激光接受器、第二激光接受器、第三激光接受器均联接所述数字毫秒计；直线等间距排列的所述第一激光发射器、第二激光发射器、第三激光发射器密封设置在所述量筒侧壁开设的通孔中，直线等间距排列的所述第一激光接受器、第二激光接受器、第三激光接受器密封设置在所述量筒相对侧壁开设的通孔中；所述第四激光发射器密封设置在所述量筒底部开设的通孔中，所述第四激光接收器设置在所述横梁上，二者大致沿量筒中心线设置；所述量筒外侧设置多条控温带，所述控温带与控温电路联接。

作为进一步优化的技术方案，所述钢珠释放装置包括竖直挡板、跷跷板、磁控开关，所述竖直挡板与横梁固定连接，所述跷跷板为软磁性材料，可绕转动轴转动；所述磁控开关在通电状态下，跷跷板一端被吸引，与所述竖直挡板形成能够放置钢珠的三角形沟槽；所述磁控开关在非通电状态下，所述跷跷板能够在重力作用下下落，释放钢珠。

作为进一步优化的技术方案，所述磁控开关为电磁铁。

作为进一步优化的技术方案，所述钢珠释放装置包括设竖直置于所述横梁的导管，所述导管具有上端开口以及缩小的下端开口，下端开口的孔径略大于待测钢珠的直径；所述第四激光发射器发出的光束穿过所述下端开口的中心。

作为进一步优化的技术方案，所述横梁包括上下两层支架，上层支架上固定所述钢珠释放装置，并且设置调节螺丝及水平仪，所述下层支架通过连接件与所述竖直杆连接。

作为进一步优化的技术方案，所述第一激光发射器、第二激光发射器、第三激光发射器、第四激光发射器发射的激光均处于同一竖直平面内。

作为进一步优化的技术方案，还包括温控器，其与所述控温电路联接，用于显示和/或设置温度。

作为进一步优化的技术方案，所述第一激光发射器、第二激光发射器、第三激光发射器、第四激光发射器、第一激光接受器、第二激光接受器、第三激光接受器、第四激光接收器通过螺丝扣拧入所述通孔，所述通孔内设置密封垫圈。

作为进一步优化的技术方案，所述第一激光发射器、第二激光发射器、第三激光发射器、第四激光发射器、第一激光接受器、第二激光接受器、第三激光接受器、第四激光接收器通过粘接固定并密封在通孔内。

作为进一步优化的技术方案，所述四个激光发射器发射的光线不经过所述量筒的侧壁和底壁而到达相应的激光接受器。

本发明相比现有技术，具有显著的技术效果，具体如下：

1)将三组光电门镶嵌于量筒壁内，每组光电门的发射器与接收器设置在同一水平面上,且相距180°，发射器的激光束在液体中传播，不发生折射现象，直接射入接受器，使接收器得到光信号；避免因光线发生折射，需重新调整接收器的位置过程，大大简化操作步骤。

2）量筒壁三组光电门在同一竖直面，且与量筒底部的光电门竖直相交，可以实现三维精准定位。

3）横梁上的磁控开关可以使钢珠自动沿量筒中心轴下落。

4）使用不同的光电门，可以测量钢珠在液体中不同位置的下落速度。

5）测量钢珠直径与下落速度的关系。

6）测量不同温度下的粘滞系数。

附图说明

图1三维激光定位可调温液体粘滞系数测量仪

图2 装磁控开关横梁示意图

图3 装导管横梁示意图

图4导管示意图

附图中各部件的含义：量筒（1）、第一激光发射器（2）、第二激光发射器（3）、第三激光发射器（4）、第四激光发射器（5）、第一激光接受器（6）、第二激光接受器（7）、第三激光接受器（8）、底座（9）、底脚螺丝（10）、控温带（11）、控温电路（12）、竖直杆（13）、横梁（14）、第四激光接收器（15）、钢珠（16）、磁控开关（17）、跷跷板（18）、数字毫秒计（19）、温控器（20）、磁控开关电源（21）、指示灯（22）、液体（23）、激光束（24）、水平仪（25）、调整螺丝（26）、转动轴（27）、导管（28）。

具体实施方式

本发明是一种落球法粘滞系数测定仪，利用现代半导体激光技术结合单片机计时方法测定直径不同钢珠的下落时间，从而测量出液体的粘滞系数。此实验装置安置了三维精准定位的四组光电门。特点为现象直观、测量数据准确、测量误差小，重复性好。具体技术方案如下：

包括量筒（1）、第一激光发射器（2）、第二激光发射器（3）、第三激光发射器（4）、第四激光发射器（5）、第一激光接受器（6）、第二激光接受器（7）、第三激光接受器（8）、第四激光接收器（15）、底座（9）、控温带（11）、控温电路（12）、竖直杆（13）、横梁（14）、钢珠（16）、钢珠释放装置、数字毫秒计（19）、温控器（20）。

所述竖直杆（13）设于底座（9）上，所述横梁（14）设于所述竖直杆（13）上，所述钢珠释放装置设于所述横梁（14）上；所述第一激光发射器（2）、第二激光发射器（3）、第三激光发射器（4）、第一激光接受器（6）、第二激光接受器（7）、第三激光接受器（8）均联接所述数字毫秒计（19）。

直线等间距排列的所述第一激光发射器（2）、第二激光发射器（3）、第三激光发射器（4）密封设置在所述量筒（1）侧壁开设的通孔中，直线等间距排列的所述第一激光接受器（6）、第二激光接受器（7）、第三激光接受器（8）密封设置在所述量筒（1）相对侧壁开设的通孔中；所述第四激光发射器（5）密封设置在所述量筒（1）底部开设的通孔中，所述第四激光接收器（15）设置在所述横梁（14）上，二者大致沿量筒（1）中心线设置。

所述量筒（1）外侧设置多条控温带（11），所述控温带（11）与控温电路（12）联接。

每一组相对设置的激光发射器和激光接收器构成一组光电门，用于检测被钢珠（16）遮挡的状态，由此记录钢珠（16）经过的时刻。第一激光发射器和接收器构成第一光电门、第二激光发射器和接收器构成第二光电门、第三激光发射器和接收器构成第三光电门，第四激光发射器和接收器构成第四光电门。

带有刻度的量筒（1）可以采用透明的有机玻璃材质，其内盛装待测液体。在量筒壁上竖直位置等间距打三个通孔，通过螺丝扣拧入或者粘接第一、第二、第三激光发射器。在量筒壁的另一侧相距180°对称位置亦打三个通孔，通过螺丝扣拧入或者粘接第一至第三激光接受器。每组激光发生器和接收器之间没有量筒阻隔，激光直接通过待测液体，避免了多次折射给仪器准确调整带来的繁琐步骤。

优选采用所有激光发射器与接收器通过螺丝扣拧入有机玻璃壁上，可拆卸，安装与取出方便，易于维修。

所有激光发射器与接收器的前端与待测液体直接接触，前端均与量筒内壁齐平；钢珠在液体中受力均匀，不影响小钢珠在液体的运动。

所有激光发射器与接收器采购市面上的具有防水功能的组件。

激光在液体中直线传播，不发生折射现象。由于传统仪器光电门在量筒外侧会产生折射现象，需重新调整接收器的位置；内置三组光电门，激光精准入射，大大简化操作环节，节省时间，提高效率。

传统装置为外置光电门，将盛有液体的量筒由于放置于光电门之间，光线由空气进入玻璃再到液体，再由液体内部到玻璃然后再到空气4次折射，已经不是直线传播;需要重新调整接收器（6）、（7）、（8）的位置。因此，量筒放置前后需要调整四次光电门的位置，调整过程繁琐，耗时耗力，测量困难。

激光发射器（2）、（3）、（4）竖直排列，激光接受器（6）、（7）、（8）竖直排列，发出的三组激光在同一竖直平面内，保证了水平面与竖直线三维对准。达到三维激光精准定位。

三维激光精准定位：利用两束（或三束）可见激光发射器和接受器形成空间平面相交线，通过相交的激光光电门检验钢珠下落的路径的垂直性，此钢珠的下落路径即为量筒底部与横梁安装竖直光电门的激光路径，达到激光三维精准定位。

发射器与接收器均为铜镀镍材料，抗腐蚀性强，以上七个镶嵌孔内均设有密封垫圈，防止液体渗漏。

第一激光发生器（2）与第一激光接收器（6）可以固定在控温圆环圈上，彼此相距180°位置，可以保证第一激光发射器(2)与第一接收器(6)一起移动，始终平行相对；第一激光接收器（6）总可以准确接收到第一激光发生器（2）发射的激光信号，无需调节二者平行。第二激光发射器与接收器、第三激光发射器与接收器采用相同的设置方式。

在量筒底部正中心打一小孔放置第四激光发射器（5），上梁支架放置激光接收器(15)，激光束即在量筒的中轴线由下向上射出。

第四激光发射器(5)对准第四激光接收器(15)后，激发磁控开关（17）断电，翘板(18)下落，金属球(16)在重力作用下沿液体中心轴下落，扫过任意两组光电门，光电计时器记录下落时间。钢珠沿量筒中心轴下降时受力均匀，由毫秒计时器准确测量下落时间。

可测得任意光电门之间的时间，通过测量两光电门之间的距离，计算钢珠的多组下落速度。接通（2）（6）、（4）（8）两组光电门可以测量全程速度，接通（2）（6）、（3）（7）两组光电门可以测量半程速度；接通（3）（7）、（4）（8）两组光电门可以测量两个半程速度，由此判断钢珠是否达到匀速运动；亦可研究钢珠下落的运动规律。

横梁（14）为上下两层支架，上层安置调节螺丝（26），可以调节水平；其上安置水平仪（25），横梁中间设有沟槽内部安装激光接收器（15），及带有跷跷板（18）的磁性开关装置（17）。

磁性开关（17）通电后，跷跷板（18）翘起与横梁内侧形成三角形沟槽；所述跷跷（18）为软磁性材料，可绕转动轴（27）转动，其下端中心位置有定位凹槽，凹槽内部放置不同直径的钢珠（16）。当接收器（15）接收到来自激光发射器（5）信号后，指示灯（22）亮，同时将光信号变成电信号传输到磁性开关（15）上，使其断电，跷跷板（18）在重力作用下下落，其中的钢珠（16）沿量筒中轴线下落。钢珠（16）的大小不限。可以研究粘滞系数η与钢珠直径d的关系。

激光发射器（5）、接收器（15）、磁性开关装置（17）与电源（21）设计为独立路电路。

将盛有液体的量筒（1）放在底座（9）上，通过底脚螺丝（10）使量筒水平，联接发射器（2）与接收器（6)、联接发射器（3）与接收器（11）两组光电门（可以联接三组光电门中的任意两组光电门）。调整螺丝（24）使横梁（14）水平，接通量筒底座的第四激光发射器（5）。

调整量筒的位置，使第四激光发射器（5)的激光束射入第四激光接收器（15）中，此时指示灯（22）亮，此时的光信号变成电信号使磁控开关断电，翘翘板打开，钢珠在重力作用下沿着量筒的中心轴下落。由于液体的粘滞力的作用，钢珠（16）下落一定距离后匀速下落，在匀速下落期间，首先遮挡第一激光光电门，毫秒计时器开始计时，钢珠继续下落遮挡第二光电门，毫秒计时器计时结束，记录下落时间t。测出第一和第二激光光电门之间的距离l，计算出匀速下落速度v。

当金属质量为m钢珠在粘性液体中下落时，它受到三个铅直方向的力：钢珠的重力mg（m为钢珠质量）、液体作用于钢珠的浮力（是钢珠体积，是液体密度）和粘滞阻力根据，斯托克斯公式， ,其中是钢珠的半径，称为液体的粘度，v钢珠下落速度，当钢珠作匀速直线运动时，三个力达到平衡，即

(1)

由上式可得： (2)

待测液体必须盛于容器中，故不能满足无限深广的条件，若钢珠沿筒的中心轴线下降，式(2)须做如下修正：

(3)

其中为钢珠材料的密度，为钢珠匀速下落的距离，为钢珠下落距离所用的时间。

为容器内径，为液柱高度。利用（3）可以测得液体的粘滞系数。

本装置可用于但不限于以下研究内容：

1.投掷直径不同的钢珠，可以研究下落速度v与直径d的函数关系。

2.接不同的光电门，测出全程v₁及半程速度v₂，判断钢珠下落速度是否为匀速运动；研究钢珠在液体中的运动速度v与下落高度h的函数关系。

3.测量不同温度T下的粘滞系数η。

作为优选的技术方案

该仪器的横梁可采用双层相机支架，带有水平仪（25），调节螺丝（26）可以调节横梁水平，横梁水平才可以确保钢珠竖直下落。横梁上插入专用导管（孔径为2.5mm,2.0mm,1.5mm等），

调整量筒位置，使量筒底激光器（5）激光能够从下到上穿过导管，钢珠（16）从导管下落时，保证了保钢珠（16）精准沿量筒中轴线下落。激光器（5）的作用是精准确定投放钢珠的位置，钢珠（16）依次通过任意两组在同一竖直面的激光束，保证钢珠遮光概率，由数字毫秒计（19）精确测得钢珠下落时间t。

三组光电门任意组合，可以测出其中两组光电门之间钢珠的下落时间t，可以判断钢珠（16）是否达到匀速运动；研究钢珠下落速度v与粘滞系数η关系。

激光光电门：用可见激光和光敏传感器组成的激光光电门来检测钢珠经过特定的位置，作为单片机计时开始或停止计时的信号。

仪器使用的激光发射的激光以可见红色激光为好。

该仪器采用了电子控温, 设置量筒外侧等间距设置三条控温带（11），封闭在有机玻璃壁内，有利于磁铁在光滑的量筒滑动,顺利取出液体内部钢珠；所述控温带（11）与控温器（20）联接，使管内液体加热到设定温度值，可以测量不同温度下的液体粘滞系数η。

该装置设计方法科学，可以激光三维精准定位，温控加热，多组速度测量，功能齐全；仪器稳固，美观；具有操作方便，测量误差小的优点，可广泛应用于科研、教学和生产中。

Claims (9)

1.一种三维激光定位液体粘滞系数测量仪，其特征在于，包括量筒(1)、第一激光发射器(2)、第二激光发射器(3)、第三激光发射器(4)、第四激光发射器(5)、第一激光接受器(6)、第二激光接受器(7)、第三激光接受器(8)、第四激光接收器(15)、底座(9)、控温带(11)、控温电路(12)、竖直杆(13)、横梁(14)、钢珠(16)、钢珠释放装置、数字毫秒计(19)、温控器(20)；

所述竖直杆(13)设于底座(9)上，所述横梁(14)设于所述竖直杆(13)上，所述钢珠释放装置设于所述横梁(14)上；所述第一激光发射器(2)、第二激光发射器(3)、第三激光发射器(4)、第一激光接受器(6)、第二激光接受器(7)、第三激光接受器(8)均联接所述数字毫秒计(19)；

直线等间距排列的所述第一激光发射器(2)、第二激光发射器(3)、第三激光发射器(4)密封设置在所述量筒(1)侧壁开设的通孔中，直线等间距排列的所述第一激光接受器(6)、第二激光接受器(7)、第三激光接受器(8)密封设置在所述量筒(1)相对侧壁开设的通孔中；所述第四激光发射器(5)密封设置在所述量筒(1)底部开设的通孔中，所述第四激光接收器(15)设置在所述横梁(14)上，二者大致沿量筒(1)中心线设置；

所述量筒(1)外侧设置多条控温带(11)，所述控温带(11)与控温电路(12)联接；

其中，所述钢珠释放装置包括竖直挡板、跷跷板(18)、磁控开关(17)，所述竖直挡板与横梁(14)固定连接，所述跷跷板(18)为软磁性材料，可绕转动轴(27)转动；所述磁控开关(17)在通电状态下，跷跷板(18)一端被吸引，与所述竖直挡板形成能够放置钢珠(16)的三角形沟槽；所述磁控开关(17)在非通电状态下，所述跷跷板(18)能够在重力作用下下落，释放钢珠(16)。

2.根据权利要求1所述的一种三维激光定位液体粘滞系数测量仪，其特征在于，所述磁控开关(17)为电磁铁。

3.根据权利要求1所述的一种三维激光定位液体粘滞系数测量仪，其特征在于，所述横梁(14)包括上下两层支架，上层支架上固定所述钢珠释放装置，并且设置调节螺丝(26)及水平仪(25)，所述下层支架通过连接件与所述竖直杆(13)连接。

4.根据权利要求1所述的一种三维激光定位液体粘滞系数测量仪，其特征在于，所述第一激光发射器(2)、第二激光发射器(3)、第三激光发射器(4)、第四激光发射器(5)发射的激光均处于同一竖直平面内。

5.根据权利要求1所述的一种三维激光定位液体粘滞系数测量仪，其特征在于，还包括温控器(20)，其与所述控温电路(12)联接，用于显示和/或设置温度。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的一种三维激光定位液体粘滞系数测量仪，其特征在于，所述第一激光发射器(2)、第二激光发射器(3)、第三激光发射器(4)、第四激光发射器(5)、第一激光接受器(6)、第二激光接受器(7)、第三激光接受器(8)、第四激光接收器(15)通过螺丝扣拧入所述通孔，所述通孔内设置密封垫圈。

7.根据权利要求1-5中任一项所述的一种三维激光定位液体粘滞系数测量仪，其特征在于，所述第一激光发射器(2)、第二激光发射器(3)、第三激光发射器(4)、第四激光发射器(5)、第一激光接受器(6)、第二激光接受器(7)、第三激光接受器(8)、第四激光接收器(15)通过粘接固定并密封在通孔内。

8.根据权利要求1-5中任一项所述的一种三维激光定位液体粘滞系数测量仪，其特征在于，所述四个激光发射器发射的光线不经过所述量筒(1)的侧壁和底壁而到达相应的激光接受器。

9.一种三维激光定位液体粘滞系数测量仪，其特征在于，包括量筒(1)、第一激光发射器(2)、第二激光发射器(3)、第三激光发射器(4)、第四激光发射器(5)、第一激光接受器(6)、第二激光接受器(7)、第三激光接受器(8)、第四激光接收器(15)、底座(9)、控温带(11)、控温电路(12)、竖直杆(13)、横梁(14)、钢珠(16)、钢珠释放装置、数字毫秒计(19)、温控器(20)；

所述竖直杆(13)设于底座(9)上，所述横梁(14)设于所述竖直杆(13)上，所述钢珠释放装置设于所述横梁(14)上；所述第一激光发射器(2)、第二激光发射器(3)、第三激光发射器(4)、第一激光接受器(6)、第二激光接受器(7)、第三激光接受器(8)均联接所述数字毫秒计(19)；

直线等间距排列的所述第一激光发射器(2)、第二激光发射器(3)、第三激光发射器(4)密封设置在所述量筒(1)侧壁开设的通孔中，直线等间距排列的所述第一激光接受器(6)、第二激光接受器(7)、第三激光接受器(8)密封设置在所述量筒(1)相对侧壁开设的通孔中；所述第四激光发射器(5)密封设置在所述量筒(1)底部开设的通孔中，所述第四激光接收器(15)设置在所述横梁(14)上，二者大致沿量筒(1)中心线设置；

所述量筒(1)外侧设置多条控温带(11)，所述控温带(11)与控温电路(12)联接；

其中，所述钢珠释放装置包括设竖直置于所述横梁(14)的导管(28)，所述导管(28)具有上端开口以及缩小的下端开口，下端开口的孔径略大于待测钢珠的直径；所述第四激光发射器(5)发出的光束穿过所述下端开口的中心。