CN114563307A - 利用步进轮摆共振法测量流体粘滞系数的装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用步进轮摆共振法测量流体粘滞系数的装置和方法。通过共振频摆发生器产生的信号输入步进电机，启动电机带动转盘转动，带动传动框、小车的摆动，进而带动小车下面浸入在流体内的摆球也摆动起来；改变驱动频率待小球进行稳定的简谐振动时，记录摆球摆到最大摆幅时的共振频率，再将此共振频率的值代入公式，测量出摆球在此液体中的粘滞系数。本发明将流体粘滞系数用摆球共振频率的方法实现了转变，再通过激光发生器精确记录小球摆动的极限位置，反映水平位移振幅大小的同时，记录此驱动频率值，即为该粘滞系数下的共振频率，再通过计算获得流体的粘滞系数，实现了准确测量。
Description
技术领域
本发明涉及了流体技术领域的一种流体测量装置和方法，尤其涉及了一种利用步进轮摆共振法测量流体粘滞系数的装置和方法。
背景技术
物理实验中测量粘滞系数的方法较多，主要有落球法、旋转法、毛细管法、阻尼振动法、杯式粘度计法、微流体并流法、多散斑光谱法，等等。准确的粘滞系数测量系统越来越成为各领域研究的内容，因此，增加粘滞系数测量方法有着重要的意义。现有的粘滞系数测量方法大致有3类：机械测量法，热力学测量法，光学测量法等。机械测量法主要应用动量矩守恒原理测量液体粘滞系数。热力学测量法利用流体分子热力学模型，建立一个常压流体黏度方程测量流体粘滞系数。光学测量法主要利用激光采样在液体中运动的物体的速度的原理测量液体粘滞系数。
发明内容
为了解决背景技术中增加粘滞系数测量方法的问题，本发明所提供了一种利用步进轮摆共振法测量流体粘滞系数的装置和方法，主要通过测量共振频率的方法计算流体粘滞系数。
本发明采用的技术方案是：
一、一种利用步进轮摆共振法测量流体粘滞系数的装置：
本发明包括共振频摆发生器、步进轮摆系统和激光定位系统；所述共振频摆发生器通过自身的转盘传动安装在步进轮摆系统的上部，所述激光定位系统设置在步进轮摆系统下方的两侧。
所述共振频摆发生器包括步进电机和转盘，所述步进电机的输出轴与转盘同轴传动连接，所述转盘外侧盘面上固定安装有一个第一导杆，且所述转盘上的第一导杆垂直于转盘的外侧盘面；所述共振频摆发生器通过转盘上的第一导杆与步进轮摆系统进行滑动连接。
所述步进轮摆系统包括水平杆、水平导轨、传动框、四轮小车、滑轨、摆球和第三导杆；所述传动框中间开设有竖直条形槽，所述转盘上的第一导杆沿着传动框中间开设的竖直条形槽进行竖直移动，同时带动传动框进行水平移动，且所述传动框的两侧对称地均固定安装有一个水平杆，两个所述水平杆穿过各自对应的水平导轨进行水平移动，两个所述水平导轨固定安装在传动框的两侧，所述四轮小车通过传动框下部的第二导杆固定安装在传动框的下部且位于传动框的下方，所述滑轨平行于水平导轨水平设置在四轮小车的下方，且四轮小车通过车轮与滑轨滑动连接；所述四轮小车的底面向下安装有第三导杆，所述第三导杆的一端与四轮小车活动连接，所述第三导杆的另一端固定安装有摆球，所述摆球被浸入在待测流体内进行水平摆动。
所述激光定位系统包括光电传感器和激光发生器，所述光电传感器和激光发生器之间通过电连接且分别固定安装在步进轮摆系统的两侧。
所述光电传感器和激光发生器位于步进轮摆系统中滑轨的下方且分布在摆球摆动轨迹的两侧。
所述共振频摆发生器还包括Arduino板和驱动频率仪；所述Arduino板电连接到驱动频率仪，所述驱动频率仪电连接到步进电机。
二、一种利用步进轮摆共振法测量流体粘滞系数的方法，方法具体过程为：
步骤S1：由驱动频率仪产生一个正弦波信号，并将正弦波信号输入步进电机；
步骤S2：启动步进电机带动转盘的第一导杆作匀速圆周运动，所述转盘的第一导杆沿着传动框中间开设的槽进行上下移动，同时带动传动框进行水平移动，进而带动传动框两侧的水平杆沿着水平导轨进行水平运动，从而推动四轮小车摆动，并带动摆球在待测流体内做简谐振动；
步骤S3：待摆球进行稳定地简谐振动时，启动光电传感器和激光发生器对摆球的最大摆幅进行定位和测量；同时记录摆球水平位移最大时对应的驱动频率大小，即共振频率，将此共振频率的值代入给定的公式，最终计算出摆球在待测流体中的粘滞系数。
所述步骤S1中输入步进电机的正弦波信号的频率变化通过所述Arduino开发板实现，所述步进轮摆系统的共振频率将随时间进行改变，所述Arduino开发板的功能是自动扫频，其中，设定扫频间隔时间为ΔT，所述间隔时间ΔT大于小球从改变频率到实现稳定地简谐振动时的弛豫时间。
具体采用以下公式获得所述流体粘滞系数：
μ＝-a*ωm+b
其中，μ表示流体粘滞系数值；ωm表示摆球达到最大摆幅时测量得到的共振频率，即驱动频率大小；a、b分别表示第一和第二拟合参数。
本发明的有益效果是：
本发明构建了步进轮摆共振法测量流体粘滞系数的装置，并通过共振频率和摆球最大摆幅定位来测量，提高了测量精度，得了较好效果。
本发明把粘滞系数转化为共振频率进行测量，使粘滞系数的测量精度得到了提高，并利用激光和光电传感器测量摆球最大摆幅，并分析处理，准确进行了粘滞系数的测量。
本发明利用了光电式传感器和Arduino板对共振频率的测量，测量误差进一步减小。
附图说明
图1是实验仪器系统示意图；
图2是系统构件3D打印图；
图3是实施例的数据组的μ-ωm关系曲线图。
图4是本发明系统测量的粘滞系数与粘滞系数理论值误差分析图。
图中所示：1-步进电机，2-转盘，3-水平杆，4-水平导轨，5-传动框，6-四轮小车，7-滑轨，8-摆球，9-光电传感器，10-激光发生器，11-第三导杆。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，本装置包括共振频摆发生器、步进轮摆系统和激光定位系统；如图2所示，共振频摆发生器通过自身的转盘2传动安装在步进轮摆系统的上部，激光定位系统设置在步进轮摆系统下方的两侧。
具体的，共振频摆发生器包括步进电机1和转盘2，步进电机1的输出轴与转盘2同轴传动连接，转盘2外侧盘面上固定安装有一个第一导杆，且第一导杆垂直于转盘2的外侧盘面；共振频摆发生器通过转盘2上的第一导杆与步进轮摆系统进行滑动连接。
具体的，步进轮摆系统包括水平杆3、水平导轨4、传动框5、四轮小车6、滑轨7、摆球8和第三导杆11；传动框5中间开设有竖直条形槽，转盘2上的第一导杆沿着传动框5中间开设的竖直条形槽进行竖直移动，同时带动传动框5进行水平移动，且传动框5的两侧对称地均固定安装有一个水平杆3，两个水平杆3穿过各自对应的水平导轨4进行水平移动，两个水平导轨4固定安装在传动框5的两侧，四轮小车6通过传动框5下部的第二导杆固定安装在传动框5的下部且位于传动框5的下方，滑轨7平行于水平导轨4水平设置在四轮小车6的下方，且四轮小车6通过车轮与滑轨7滑动连接；四轮小车6底面向下安装有第三导杆11，第三导杆11的一端与四轮小车6活动连接，第三导杆11的另一端固定安装有摆球8，摆球8被浸入在待测流体内进行水平摆动。
具体的，激光定位系统包括光电传感器9和激光发生器10，光电传感器9和激光发生器10之间通过电连接且分别固定安装在步进轮摆系统的两侧。光电传感器9和激光发生器10位于步进轮摆系统中滑轨7的下方且分布在摆球8摆动轨迹的两侧。
另外，共振频摆发生器还包括Arduino板和驱动频率仪；Arduino板电连接到驱动频率仪，驱动频率仪电连接到步进电机1。
测量流体粘滞系数的方法的具体过程为：
步骤S1：由驱动频率仪产生一个频率可调的正弦波信号，并将正弦波信号输入步进电机1；
步骤S2：启动步进电机1带动转盘2的第一导杆作匀速圆周运动，转盘2的第一导杆沿着传动框5中间开设的槽进行上下移动，同时带动传动框5进行水平移动，进而带动传动框5两侧的水平杆3沿着水平导轨4进行水平运动，从而推动四轮小车6摆动，并带动摆球8在待测流体内做简谐振动；
步骤S3：待摆球8进行稳定地简谐振动时，启动光电传感器9和激光发生器10对摆球8的最大摆幅进行定位和测量，激光定位系统可精确记录小球摆动的左右水平极限位置，反映水平位移的振幅大小；同时记录摆球8水平位移最大时对应的驱动频率大小，即共振频率，将此共振频率的值代入给定的公式，最终计算出摆球8在待测流体中的粘滞系数，其中，稳定地简谐振动为最大摆幅不变的简谐振动。
步骤S1中输入步进电机1的正弦波信号的频率变化通过Arduino开发板实现，步进轮摆系统的共振频率将随着时间稳步改变，Arduino开发板的功能是自动扫频，其中，设定扫频间隔时间为ΔT，间隔时间ΔT大于小球从改变频率到达到稳定平衡的弛豫时间。打开Arduino开发板启动按键，步进轮摆的稳定振动频率便会随着时间稳步改变，不需要再手动改变频率，可以使测量者更加关注于最大振幅测量本身。
具体采用以下公式获得流体粘滞系数：
μ＝-a*ωm+b
其中，μ表示流体粘滞系数值；ωm表示摆球达到最大摆幅时测量得到的共振频率，即驱动频率大小；a、b分别表示第一和第二拟合参数。
本发明的一个实施例的数据处理过程具体如下：
在一定的粘滞系数区间内，应用线性公式求得粘滞系数的测量值。根据图3，得到的线性经验公式为：
μ＝-0.313*ωm+1.844 (1)
满足关系公式：
μ＝-a*ωm+b
之后运用本发明装置测量出摆球的共振频率ωm，带入公式(1)计算得到流体粘滞系数μ。
表1是在摆长l＝0.20m的条件下，分别进行六次重复实验获得的10组不同粘度流体的粘滞系数。
表1不同黏度流体的粘滞系数
| 标准值(Pa·s) | 第一组 | 第二组 | 第三组 | 第四组 | 第五组 | 第六组 | 实验结果值μ(Pa·s) |
| 0.99 | 2.52 | 2.60 | 2.58 | 2.62 | 2.60 | 2.56 | 1.04±0.04 |
| 0.90 | 2.94 | 2.96 | 2.86 | 2.90 | 2.88 | 2.86 | 0.93±0.03 |
| 0.83 | 3.16 | 3.04 | 3.06 | 3.04 | 3.18 | 3.06 | 0.87±0.04 |
| 0.75 | 3.36 | 3.42 | 3.42 | 3.40 | 3.36 | 3.38 | 0.77±0.03 |
| 0.69 | 3.64 | 3.68 | 3.64 | 3.62 | 3.68 | 3.64 | 0.70±0.02 |
| 0.60 | 3.82 | 3.88 | 3.88 | 3.88 | 3.84 | 3.86 | 0.63±0.02 |
| 0.53 | 4.14 | 4.10 | 4.08 | 4.12 | 4.12 | 4.10 | 0.553±0.018 |
| 0.47 | 4.40 | 4.38 | 4.34 | 4.38 | 4.40 | 4.40 | 0.475±0.012 |
| 0.42 | 4.54 | 4.56 | 4.56 | 4.56 | 4.54 | 4.54 | 0.424±0.014 |
| 0.40 | 4.64 | 4.64 | 4.62 | 4.64 | 4.68 | 4.64 | 0.396±0.013 |
由表1数据绘制关系图，获得图4。从实验数据分析发现用线性公式得到的粘滞系数测量值与粘滞系数标准值偏差较小，不确定度平均为±0.02Pa·s。验证了实验系统的正确性。本发明将流体粘滞系数用摆球共振频率的方法实现了转变，再通过激光发生器精确记录小球摆动的极限位置，反映水平位移振幅大小的同时，记录此驱动频率值，即为该粘滞系数下的共振频率，再通过计算获得流体的粘滞系数，实现了准确测量。
Claims (9)
1.一种利用步进轮摆共振法测量流体粘滞系数的装置，其特征在于：包括共振频摆发生器、步进轮摆系统和激光定位系统；所述共振频摆发生器通过自身的转盘(2)传动安装在步进轮摆系统的上部，所述激光定位系统设置在步进轮摆系统下方的两侧。
2.根据权利要求1所述的一种利用步进轮摆共振法测量流体粘滞系数的装置，其特征在于：所述共振频摆发生器包括步进电机(1)和转盘(2)，所述步进电机(1)的输出轴与转盘(2)同轴传动连接，所述转盘(2)外侧盘面上固定安装有一个第一导杆，且所述转盘(2)上的第一导杆垂直于转盘(2)的外侧盘面；所述共振频摆发生器通过转盘(2)上的第一导杆与步进轮摆系统进行滑动连接。
3.根据权利要求2所述的一种利用步进轮摆共振法测量流体粘滞系数的装置，其特征在于：所述步进轮摆系统包括水平杆(3)、水平导轨(4)、传动框(5)、四轮小车(6)、滑轨(7)、摆球(8)和第三导杆(11)；所述传动框(5)中间开设有竖直条形槽，所述转盘(2)上的第一导杆沿着传动框(5)中间开设的竖直条形槽进行竖直移动，同时带动传动框(5)进行水平移动，且所述传动框(5)的两侧对称地均固定安装有一个水平杆(3)，两个所述水平杆(3)穿过各自对应的水平导轨(4)进行水平移动，两个所述水平导轨(4)固定安装在传动框(5)的两侧，所述四轮小车(6)通过传动框(5)下部的第二导杆固定安装在传动框(5)的下部且位于传动框(5)的下方，所述滑轨(7)平行于水平导轨(4)水平设置在四轮小车(6)的下方，且四轮小车(6)通过车轮与滑轨(7)滑动连接；所述四轮小车(6)的底面向下安装有第三导杆(11)，所述第三导杆(11)的一端与四轮小车(6)活动连接，所述第三导杆(11)的另一端固定安装有摆球(8)，所述摆球(8)被浸入在待测流体内进行水平摆动。
4.根据权利要求1所述的一种利用步进轮摆共振法测量流体粘滞系数的装置，其特征在于：所述激光定位系统包括光电传感器(9)和激光发生器(10)，所述光电传感器(9)和激光发生器(10)之间通过电连接且分别固定安装在步进轮摆系统的两侧。
5.根据权利要求3和4所述的一种利用步进轮摆共振法测量流体粘滞系数的装置，其特征在于：所述光电传感器(9)和激光发生器(10)位于步进轮摆系统中滑轨(7)的下方且分布在摆球(8)摆动轨迹的两侧。
6.根据权利要求2所述的一种利用步进轮摆共振法测量流体粘滞系数的装置，其特征在于：所述共振频摆发生器还包括Arduino板和驱动频率仪；所述Arduino板电连接到驱动频率仪，所述驱动频率仪电连接到步进电机(1)。
7.应用于权利要求1-6任一所述装置的一种利用步进轮摆共振法测量流体粘滞系数的方法，其特征在于：方法具体过程为：
步骤S1：由驱动频率仪产生一个正弦波信号，并将正弦波信号输入步进电机(1)；
步骤S2：启动步进电机(1)带动转盘(2)的第一导杆作匀速圆周运动，所述转盘(2)的第一导杆沿着传动框(5)中间开设的槽进行上下移动，同时带动传动框(5)进行水平移动，进而带动传动框(5)两侧的水平杆(3)沿着水平导轨(4)进行水平运动，从而推动四轮小车(6)摆动，并带动摆球(8)在待测流体内做简谐振动；
步骤S3：待摆球(8)进行稳定地简谐振动时，启动光电传感器(9)和激光发生器(10)对摆球(8)的最大摆幅进行定位和测量；同时记录摆球(8)水平位移最大时对应的驱动频率大小，即共振频率，将此共振频率的值代入给定的公式，最终计算出摆球(8)在待测流体中的粘滞系数。
8.根据权利要求7所述的一种利用步进轮摆共振法测量流体粘滞系数的方法，其特征在于：所述步骤S1中输入步进电机(1)的正弦波信号的频率变化通过所述Arduino开发板实现，所述步进轮摆系统的共振频率将随时间进行改变，所述Arduino开发板的功能是自动扫频，其中，设定扫频间隔时间为ΔT，所述间隔时间ΔT大于小球从改变频率到实现稳定地简谐振动时的弛豫时间。
9.根据权利要求7所述的一种利用步进轮摆共振法测量流体粘滞系数的方法，其特征在于：具体采用以下公式获得所述流体粘滞系数：
μ＝-a*ωm+b
其中，μ表示流体粘滞系数值；ωm表示摆球达到最大摆幅时测量得到的共振频率，即驱动频率大小；a、b分别表示第一和第二拟合参数。
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