CN108956373B - 一种密度自动测量装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种密度自动测量装置及方法，其包括底座、支撑柱和连接杆，支撑柱固接于底座的上端面，连接杆与支撑柱铰接，连接杆相对于支撑柱对称布置，还包括控制器、水平测量仪、升降机构、第一直线滑台、第二直线滑台、丝杠调平机构、位移传感器、升降板、中央处理器和显示器。本发明结构简单、使用方便，其通过在底座、支撑柱和连接杆的杠杆结构上增加一套调平系统、一套游码系统、一套显示系统从而实现了液体或者固体的密度的全自动测量。
Description
技术领域
本发明涉及一种密度测量装置及方法，属于密度测量设备技术领域，尤其涉及一种全自动的密度测量装置及方法。
背景技术
目前，学校实验室测密度的方法有两种，比重瓶法和流体静力称衡法。其共同特点是先用天平称出所测物体的质量，然后直接或间接的测出该物体的体积，再由密度公式ρ＝m/v求出密度。操作较为复杂，存在一定的误差。在中国专利CN85203504U、CN103364307A及CN204064846U中均公开了一种密度天平，其包括底座、支撑柱和连接杆，支撑柱固接于底座的上端面，连接杆与支撑柱铰接，连接杆上设置有标尺和游码，该装置通过天平原理、杠杆原理、阿基米德定律等知识简单直观第测出物体的密度，但是该装置由于均为人工操作，故不便于操作、测试精度不易保证。
发明内容
针对上述现有技术存在的缺陷，本发明要解决的技术问题是提供一种密度自动测量装置，其不仅能够准确地测量出液体或固体的密度，而且能够实现全自动化操作，提高密度测试的精度。
为解决上述技术问题，本发明采用了这样一种密度自动测量装置，包括底座、支撑柱和连接杆，所述支撑柱固接于所述底座的上端面，所述连接杆与所述支撑柱铰接，所述连接杆相对于所述支撑柱对称布置，还包括控制器、水平测量仪、升降机构、第一直线滑台、第二直线滑台、丝杠调平机构、位移传感器、升降板、中央处理器和显示器；所述升降板设置于所述底座上端且与所述支撑柱滑动配合连接，所述支撑柱与所述底座之间设置有所述升降机构，所述升降板的上端面安装有与所述连接杆平行布置的所述第一直线滑台，所述第一直线滑台的活动端固接有烧杯；所述连接杆的上端固接有所述水平测量仪，所述连接杆的两个端部固接有与其同轴布置的所述丝杠调平机构，所述连接杆的中部固接有两个与其平行布置的所述第二直线滑台，两个所述第二直线滑台相对于连接杆的对称轴线对称布置，所述第二直线滑台的活动端固接有挂钩，每个所述第二直线滑台旁设置有所述位移传感器；所述水平测量仪和所述位移传感器与所述中央处理器的输入端电连接，所述中央处理器的输出端与所述控制器的输入端及所述显示器电连接，所述控制器的输出端与所述升降机构、所述第一直线滑台、所述第二直线滑台和所述丝杠调平机构电连接。
在本发明的一种优选实施方案中，述升降机构为竖直方向布置的升降气缸，所述升降气缸的缸体与所述底座固接，所述升降气缸的活塞杆与所述升降板固接。
在本发明的一种优选实施方案中，所述升降气缸为4个，4个升降气缸相对于所述支撑柱旋转对称布置。
在本发明的一种优选实施方案中，所述丝杠调平机构包括驱动电机、丝杠和配重螺母，所述驱动电机和所述丝杠同轴固接于所述连接杆的端部，所述驱动电机的输出端与所述丝杠连接，所述配重螺母配合连接于所述丝杠上。
在本发明的一种优选实施方案中，所述升降板的中心安装有用于配合所述支撑柱的直线轴承。
在本发明的一种优选实施方案中，所述水平测量仪的对称轴线与所述连接杆的对称轴线共线。
在本发明的一种优选实施方案中，所述支撑柱的上端固接有2个支撑座，2个支撑座之间连接有一个铰轴，所述连接杆的中部设置有一个用于连接铰轴的铰接孔。
在本发明的一种优选实施方案中，所述铰接孔内安装有轴承。
在本发明的一种优选实施方案中，所述升降机构包括驱动电机、传动机构、丝杠和螺母，所述驱动电机、所述传动机构和所述螺母安装于所述底座内，所述驱动电机的输出端通过所述传动机构与所述螺母连接，所述螺母在所述驱动电机作用下可绕自身轴线回转，所述丝杠一端与所述螺母配合连接，另一端与所述升降板配合连接。
本发明本公开了一种使用如权利要求1-9任意一项权利要求所述的密度自动测量装置测试密度的方法：包括如下步骤，步骤一：将本装置的底座放置于工作台面，连接杆上的第二直线滑台和丝杠调平机构均处于理论零位，连接杆上的水平测量仪工作判断连接杆是否处于水平状态，若显示屏器显示连接杆处于水平状态，则进入步骤二；若显示屏器示连接杆处于非水平状态，则连接杆两端的丝杠调平机构在控制器作用下工作调平连接杆后，进入步骤二；步骤二：测量人员分别在2个第二直线滑台的挂钩上悬挂待测物和配重块，此时连接杆处于非水平态，然后控制器控制连接杆上的2个第二直线滑台工作第二次调平连接杆，位移传感器将配重块的第一调平点距离理论零点的距离记录并传输给中央处理器，进入步骤三；步骤三：测量人员在第一直线滑台的烧杯内倒入已知密度的液体，并在显示屏的提示下键入该液体的密度，该密度数据存入中央处理器后，测量人员控制第一直线滑台沿水平方向移动至待测物正下方后，控制第一直线滑台沿竖直方向上升使待测物完全浸没在液体内，此时连接杆处于非水平态，然后控制器控制挂有配重块的第二直线滑台工作第三次调平连接杆，位移传感器将配重块的第二调平点距离理论零点的距离并传输给中央处理器，进入步骤四；步骤四：中央处理器通过第一调平点距离理论零点的距离、第二调平点距离理论零点的距离和液体密度计算出待测物体的密度并由显示屏显示，测量人员直接在显示屏上读出测量结果后，通过复位键将第二直线滑台、丝杠调平机构、第一直线滑台和升降机构复位，进入步骤一开始下一次测量。
本发明的有益效果是：本发明结构简单、使用方便，其通过在底座、支撑柱和连接杆的杠杆结构上增加一套调平系统、一套游码系统、一套显示系统从而实现了液体或者固体的密度的全自动测量，测试人员全程只需认为将待测物件及游码加载于直线滑台上，所有的数据信息经中央处理器处理后由控制器驱动设备整体工作从而直接在显示器上获取待测液体或固体的密度，从而极大地提高了密度测量装置的自动化程度和测试精度。
附图说明
图1是本发明实施例一种密度自动测量装置的示意图；
图2是本发明实施例一种密度自动测量装置的原理图；
图中：1-底座；2-支撑柱；3-连接杆；4-控制器；5-水平测量仪；6-升降机构；7-第一直线滑台；8-第二直线滑台；9-丝杠调平机构；10-位移传感器；11-显示器；12-升降板；13-中央处理器；14-烧杯。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
由说明书附图所示的一种密度自动测量装置，包括底座1、支撑柱2和连接杆3，支撑柱2固接于底座1的上端面，连接杆3与支撑柱2铰接，连接杆3相对于支撑柱2对称布置，还包括控制器4、水平测量仪5、升降机构6、第一直线滑台7、第二直线滑台8、丝杠调平机构9、位移传感器10、升降板12、中央处理器13和显示器11；升降板12设置于底座1上端且与支撑柱2滑动配合连接，支撑柱2与底座1之间设置有升降机构6，升降板12的上端面安装有与连接杆3平行布置的第一直线滑台7，第一直线滑台7的活动端固接有烧杯14；连接杆3的上端固接有水平测量仪5，连接杆3的两个端部固接有与其同轴布置的丝杠调平机构9，连接杆3的中部固接有两个与其平行布置的第二直线滑台8，两个第二直线滑台8相对于连接杆3的对称轴线对称布置，第二直线滑台8的活动端固接有挂钩，每个第二直线滑台8旁设置有位移传感器10；水平测量仪5和位移传感器10与中央处理器13的输入端电连接，中央处理器13的输出端与控制器4的输入端及显示器11电连接，控制器4的输出端与升降机构6、第一直线滑台7、第二直线滑台8和丝杠调平机构9电连接。
进一步的，升降机构6为竖直方向布置的升降气缸，升降气缸的缸体与底座1固接，升降气缸的活塞杆与升降板12固接。
进一步的，升降气缸为4个，4个升降气缸相对于支撑柱2旋转对称布置。
进一步的，丝杠调平机构9包括驱动电机9.1、丝杠9.2和配重螺母9.3，驱动电机9.1和丝杠9.2同轴固接于连接杆3的端部，驱动电机9.1的输出端与丝杠9.2连接，配重螺母9.3配合连接于丝杠9.2上。
进一步的，升降板12的中心安装有用于配合支撑柱2的直线轴承。
进一步的，水平测量仪5的对称轴线与连接杆3的对称轴线共线。
进一步的，支撑柱2的上端固接有2个支撑座，2个支撑座之间连接有一个铰轴，连接杆3的中部设置有一个用于连接铰轴的铰接孔。
进一步的，铰接孔内安装有轴承。
进一步的，升降机构6包括驱动电机、传动机构、丝杠和螺母，驱动电机、传动机构和螺母安装于底座1内，驱动电机的输出端通过传动机构与螺母连接，螺母在驱动电机作用下可绕自身轴线回转，丝杠一端与螺母配合连接，另一端与升降板12配合连接。
使用本发明时，测量人员只需手动开启本发明，本发明的连接杆3上的水平测试仪5工作将信号传递给中央处理器13，当水平测试仪5测试连接杆3不水平时，中央处理器13将获取的数据传递给控制器4，制器4驱动位于连接杆3两端的丝杠调平机构9工作使得配重螺母位置变化从而保证连接杆3平衡，然后将一个待测物体吊挂于一侧第二直线滑台8的挂钩上、一个标准配重吊挂于另一侧第二直线滑台8的挂钩上，中央处理器13获取并记录上述位移传感器10的数据后，测量人员在第一直线滑台7的烧杯中倒入已知密度的液体，而后利用控制器4控制升降机构6及第一直线滑台7使得烧杯中的液体完全浸没待测物体，此时控制器4控制第二直线滑台8的挂钩上的标准配重移动以重新平衡连接杆3同时中央处理器13第二次获取并记录位移传感器10的数据后，通过计算处理直接在显示器11上显示待测物体的密度。
本发明中央处理器的工作原理是：
设被测物体的质量为M物，体积为V物,根据杠杆平衡的条件可知：
M物gL1＝GL2
由此可得：M物＝GL2/gL1 (1)
当物体完全浸没在水里，根据阿基米德定律，物体除受到本身重力的作用外，同时还受到水对它的浮力。
F浮＝ρ水gV物
当第二次重新平衡时，显然L1＝GL’2 (3)
联立解得V物＝G(L2-L’2)/(ρ水gL1)
ρ物＝M物/V物＝L2ρ水/(L2-L’2) (4)
由上式可知，通过本实验装置测量物体的密度，只需测量位于第二直线滑台上平衡配重距离铰轴的距离，即可方便的得出待测物的密度。也可以用其它液体代替水，注意物体密度应大于液体密度，
ρ物＝M物/V物＝L2ρ液/(L2-L’2)
若知道某物体的密度，则本仪器也可用来测定末知液体的密度。
应当理解的是，以上仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本发明所揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种使用密度自动测量装置测试密度的方法：其特征在于：
密度自动测量装置包括底座(1)、支撑柱(2)和连接杆(3)，所述支撑柱(2)固接于所述底座(1)的上端面，所述连接杆(3)与所述支撑柱(2)铰接，所述连接杆(3)相对于所述支撑柱(2)对称布置，其特征在于：还包括控制器(4)、水平测量仪(5)、升降机构(6)、第一直线滑台(7)、第二直线滑台(8)、丝杠调平机构(9)、位移传感器(10)、升降板(12)、中央处理器(13)和显示器(11)；所述升降板(12)设置于所述底座(1)上端且与所述支撑柱(2)滑动配合连接，所述支撑柱(2)与所述底座(1)之间设置有所述升降机构(6)，所述升降板(12)的上端面安装有与所述连接杆(3)平行布置的所述第一直线滑台(7)，所述第一直线滑台(7)的活动端固接有烧杯(14)；所述连接杆(3)的上端固接有所述水平测量仪(5)，所述连接杆(3)的两个端部固接有与其同轴布置的所述丝杠调平机构(9)，所述连接杆(3)的中部固接有两个与其平行布置的所述第二直线滑台(8)，两个所述第二直线滑台(8)相对于连接杆(3)的对称轴线对称布置，所述第二直线滑台(8)的活动端固接有挂钩，每个所述第二直线滑台(8)旁设置有所述位移传感器(10)；所述水平测量仪(5)和所述位移传感器(10)与所述中央处理器(13)的输入端电连接，所述中央处理器(13)的输出端与所述控制器(4)的输入端及所述显示器(11)电连接，所述控制器(4)的输出端与所述升降机构(6)、所述第一直线滑台(7)、所述第二直线滑台(8)和所述丝杠调平机构(9)电连接；
包括如下步骤，
步骤一：将本装置的底座(1)放置于工作台面，连接杆(3)上的第二直线滑台(8)和丝杠调平机构(9)均处于理论零位，连接杆(3)上的水平测量仪(5)工作判断连接杆(3)是否处于水平状态，若显示器(11)显示连接杆(3)处于水平状态，则进入步骤二；若显示器(11)示连接杆(3)处于非水平状态，则连接杆(3)两端的丝杠调平机构(9)在控制器(4)作用下工作调平连接杆(3)后，进入步骤二；
步骤二：测量人员分别在2个第二直线滑台(8)的挂钩上悬挂待测物和配重块，此时连接杆(3)处于非水平态，然后控制器(4)控制连接杆(3)上的2个第二直线滑台(8)工作第二次调平连接杆(3)，位移传感器(10)将配重块的第一调平点距离理论零点的距离L2记录并传输给中央处理器(13)，进入步骤三；
步骤三：测量人员在第一直线滑台(7)的烧杯(14)内倒入已知密度的液体，并在显示器(11)的提示下键入该液体的密度，该密度数据存入中央处理器(13)后，测量人员控制第一直线滑台(7)沿水平方向移动至待测物正下方后，控制第一直线滑台(7)沿竖直方向上升使待测物完全浸没在液体内，此时连接杆(3)处于非水平态，然后控制器(4)控制挂有配重块的第二直线滑台(8)工作第三次调平连接杆(3)，位移传感器(10)将配重块的第二调平点距离理论零点的距离L’2并传输给中央处理器(13)，进入步骤四；
步骤四：中央处理器(13)通过第一调平点距离理论零点的距离、第二调平点距离理论零点的距离和液体密度计算出待测物体的密度并由显示器(11)显示，测量人员直接在显示器(11)上读出测量结果后，通过复位键将第二直线滑台(8)、丝杠调平机构(9)、第一直线滑台(7)和升降机构(6)复位，进入步骤一开始下一次测量；本实验装置测量物体的密度应大于液体密度，若知道某物体的密度，则本仪器也可用来测定末知液体的密度；ρ物＝L2ρ液/(L2-L’2)。
2.根据权利要求1所述的使用密度自动测量装置测试密度的方法，其特征在于：所述升降机构(6)为竖直方向布置的升降气缸，所述升降气缸的缸体与所述底座(1)固接，所述升降气缸的活塞杆与所述升降板(12)固接。
3.根据权利要求2所述的使用密度自动测量装置测试密度的方法，其特征在于：所述升降气缸为4个，4个升降气缸相对于所述支撑柱(2)旋转对称布置。
4.根据权利要求1所述的使用密度自动测量装置测试密度的方法，其特征在于：所述丝杠调平机构(9)包括驱动电机(9.1)、丝杠(9.2)和配重螺母(9.3)，所述驱动电机(9.1)和所述丝杠(9.2)同轴固接于所述连接杆(3)的端部，所述驱动电机(9.1)的输出端与所述丝杠(9.2)连接，所述配重螺母(9.3)配合连接于所述丝杠(9.2)上。
5.根据权利要求1所述的使用密度自动测量装置测试密度的方法，其特征在于：所述升降板(12)的中心安装有用于配合所述支撑柱(2)的直线轴承。
6.根据权利要求1所述的使用密度自动测量装置测试密度的方法，其特征在于：所述水平测量仪(5)的对称轴线与所述连接杆(3)的对称轴线共线。
7.根据权利要求1所述的使用密度自动测量装置测试密度的方法，其特征在于：所述支撑柱(2)的上端固接有2个支撑座，2个支撑座之间连接有一个铰轴，所述连接杆(3)的中部设置有一个用于连接铰轴的铰接孔。
8.根据权利要求7所述的使用密度自动测量装置测试密度的方法，其特征在于：所述铰接孔内安装有轴承。
9.根据权利要求1所述的使用密度自动测量装置测试密度的方法，其特征在于：所述升降机构(6)包括驱动电机、传动机构、丝杠和螺母，所述驱动电机、所述传动机构和所述螺母安装于所述底座(1)内，所述驱动电机的输出端通过所述传动机构与所述螺母连接，所述螺母在所述驱动电机作用下可绕自身轴线回转，所述丝杠一端与所述螺母配合连接，另一端与所述升降板(12)配合连接。
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