CN205209914U - 基于线阵ccd的液体粘滞系数测量装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于线阵CCD的液体粘滞系数测量装置，包括小球以及用于装设待测量液体的样品管，还包括线光源、线阵CCD以及测控模块，所述线光源与线阵CCD分别位于所述样品管的两侧，所述测控模块包括微处理器控制单元以及连接在该微处理器控制单元上的线光源控制单元、线阵CCD控制单元、LCD显示单元、按钮输入单元、串行通讯单元、温度测量单元，其中所述线光源控制单元与所述线光源电连接，所述线阵CCD控制单元与所述线阵CCD电连接。其显著效果是：采用线阵CCD光电传感器测量小球的沉降位置和时间，能有效地减小由于人为因素造成的误差，提高了液体粘滞系数的测量精度；单次下落就能实现多次测量，缩短了测量时间。

Description

基于线阵CCD的液体粘滞系数测量装置

技术领域

本实用新型涉及到液体粘滞系数测量技术领域，具体地说，是一种基于线阵CCD的液体粘滞系数测量装置。

背景技术

液体的粘滞系数又称为内摩擦系数或粘度，是描述液体内摩擦力性质的一个重要物理量，定量描述流体流动性质的基础。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。1867年牛顿首次提出粘滞系数的定义即：单位流体表面所受到的阻力是沿该面法线方向上的速度梯度的比值。液体粘滞系数在工业生产和学术研究上有着重要的应用，小到学生实验大到学术研究都需要简单准确地测量出流体的粘滞系数，并尽量减少测量误差。

目前国内外的研究和新方法有很多，各位学者对其研究的文献也很多，但实验教学中基本都用的传统的沉球法，其原理是利用小球在液体中的沉降速度与液体的粘滞系数相关。要测量液体的粘滞系数需要知道小球下沉的速度，而速度的测量通常是通过小球下降的位移和时间来得到。传统沉降法依赖于人眼读数得到小球通过的路程，同时需手动秒表计时，会造成较大误差。所以若采用微处理器及线阵CCD可大大减小其误差，提高测量精度。

发明内容

针对现有技术的不足，本实用新型的目的是提供一种基于线阵CCD的液体粘滞系数测量装置，提高液体粘滞提高液体粘滞的测量精度，缩短液体粘滞的测量时间的测量精度，缩短液体粘滞系数的测量时间，且有利于缩小液粘滞系数装置的体积。

为达到上述目的，本实用新型采用的技术方案如下：

一种基于线阵CCD的液体粘滞系数测量装置，包括小球以及用于装设待测量液体的样品管，其关键在于：还包括线光源、线阵CCD以及测控模块，所述线光源与线阵CCD分别位于所述样品管的两侧，所述测控模块包括微处理器控制单元以及连接在该微处理器控制单元上的线光源控制单元、线阵CCD控制单元、LCD显示单元、按钮输入单元、串行通讯单元、温度测量单元，其中所述线光源控制单元与所述线光源电连接，所述线阵CCD控制单元与所述线阵CCD电连接。

微处理器控制单元主要实现线光源的光强控制和从线阵CCD读取数据，并根据相应的数据计算出小球的速度，再根据输入的如小球半径、密度等信息，最后计算出液体的粘滞系数，显示在LCD屏上或通过串口传送到电脑；线光源控制单元主要采用恒流的方式实现线光源的亮度控制，在微处理器的控制下发出所需强度的光；线阵CCD控制单元主要从线阵CCD中读取信息，实现对小球位置及下落时间的测量；LCD显示单元主要由液晶显示屏及外围电路构成，在微处理器的控制下显示各种信息；按钮输入单元主要实现各种相关信息及操作的输入；串行通讯单元主要实现与外部设备的通讯，实现与外部设备进行数据互通；温度测量单元主要实现对温度的测量，由高精度模拟温度传感器构成。

本实用新型的工作原理为：线光源发出的光通过玻璃圆筒后照射到线阵CCD上，当小球通过中间时，线光源发出的光将被小球遮挡，通过线阵CCD可以准确地检测到小球在不同时刻的位置，并根据已知线阵CCD的像数大小，可得到小球通过不同距离的时间，这样便可获得小球的运动速度。因此，可以在一次小球下落过程中可得到多个一定距离内的时间或一定时间间隔内小球的下落位移，这样在一次下落过程可实现多次测量，从而有利于提高测量精度，缩短检测时间。

进一步的，所述线阵CCD控制单元、LCD显示单元、按钮输入单元、串行通讯单元与微处理器控制单元均直接连接，所述微处理器控制单元的信号输出端通过D/A转换单元与线光源控制单元的信号接收端连接，该线光源控制单元的信号发射端通过A/D转换单元与所述微处理器控制单元的输入端连接，所述温度测量单元也通过所述A/D转换单元与所述微处理器控制单元连接。

进一步的，所述微处理器控制单元由微处理器STM32F103RC和相应的外围元件构成。

进一步的，所述线阵CCD与所述线阵CCD控制单元采用TCD1706D图像传感器。

进一步的，所述温度测量单元采用LMT70模拟输出高精度温度传感器。

进一步的，所述微处理器控制单元、线光源控制单元、线阵CCD控制单元、LCD显示单元、按钮输入单元、串行通讯单元、温度测量单元均由供电单元统一供电。

供电单元主要将输入电压转换为微处理器等各单元所需工作电压，并输送给各单元，从而便于对各单元进行统一管理。

本实用新型的显著效果是：

1、采用线阵CCD光电传感器和微处理器测量小球的沉降位置和时间，能有效地减小由于人为因素如人眼判断是否到位及用秒表计时等造成的误差，从而能有效地提高了液体粘滞系数的测量精度；

2、采用线阵CCD测量位置及距离，能实现小球一次下落能获得多组数据，即单次下落就能实现多次测量，进而能达到有效地提高了测量精度和缩短了测量时间。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图；

图2是所述测控模块的电路框图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的具体实施方式以及工作原理作进一步详细说明。

如图1与图2所示，一种基于线阵CCD的液体粘滞系数测量装置，包括小球1以及用于装设待测量液体的样品管2，还包括线光源3、线阵CCD4以及测控模块5，所述线光源3与线阵CCD4分别位于所述样品管2的两侧，所述测控模块5包括微处理器控制单元以及连接在该微处理器控制单元上的线光源控制单元、线阵CCD控制单元、LCD显示单元、按钮输入单元、串行通讯单元、温度测量单元，其中所述线光源控制单元与所述线光源3电连接，所述线阵CCD控制单元与所述线阵CCD4电连接，所述微处理器控制单元、线光源控制单元、线阵CCD控制单元、LCD显示单元、按钮输入单元、串行通讯单元、温度测量单元均由供电单元统一供电。

如图2所示，所述线阵CCD控制单元、LCD显示单元、按钮输入单元、串行通讯单元与微处理器控制单元均直接连接，所述微处理器控制单元的信号输出端通过D/A转换单元与线光源控制单元的信号接收端连接，该线光源控制单元的信号发射端通过A/D转换单元与所述微处理器控制单元的输入端连接，所述温度测量单元也通过所述A/D转换单元与所述微处理器控制单元连接。

本例中，所述微处理器控制单元由微处理器STM32F103RC和相应的外围元件构成。微处理器STM32F103RC是基于Cortex-M3内核的32位ARM处理器芯片，其工作频率可达72MHz。内置存储器为256KBFlash、48KBSRAM，丰富的增强I/O端口和外设资源，包括2个12通道DMA控制器、5路USART、3路SPI以及12位的ADC、DAC、FSMC、SDIO、USB、CAN总线、FC总线等；具有标准和先进的通信接口；提供可编程电压检测器PVD，使整个系统稳定，有较强的抗干扰能力。该32位微处理器可方便与计算机等外设通信，同时对通过按钮输入的信息进行分析，并向其它部分发送相应的数据或控制信号，实现相应的功能，并控制LCD液晶实现各种相关信息的显示。

本例中，所述线阵CCD4与所述线阵CCD控制单元采用TCD1706D图像传感器。它具有7400个有效像元单元，像元大小4.7um×4.7um,中心距为4.7um,阵列长度为34.8mm,4路并行输出，每段的最高工作频率为25MHz，行频达到每秒13000行。

本例中，所述温度测量单元采用LMT70模拟输出高精度温度传感器。LMT70测温范围在20℃到42℃范围内，其精度可达±0.05℃，最大误差为±0.13℃，负温度系数输出斜率：-5.19mV/℃，工作电压为2.0V至5.5V，完成能满足本实验的要求。

在使用过程中，首先将装置参数初始化；通过所述按钮输入单元输入液体粘滞系数的计算公式以及其中可测得的参数；只取TCD1706D的7400个有效像素单元中的5000个像素单元作为测量区域，且每1000个像素点距为一段测量距离，即按像元中心距为4.7um计算则每相距4.7mm为一段距离；通过按钮输入单元输入测量所需的光照强度，所述微处理器控制单元通过线阵CCD控制单元控制线阵CCD4发出所需强度的光；在小球1匀速下沉过程中，分别测量小球1通过每段测量距离的时间，可以获得5个时间间隔，分别计为t1，t2，t3，t4，t5，则根据v＝s/t＝4.7mm/t便可获得对应5个速度值v1，v2，v3，v4，v5；所述微处理器控制单元根据获得的小球1多个的运动速度分别代入液体粘滞系数的计算公式分别多个求得待测量液体的粘滞系数；其中，η为液体粘滞系数，r为小球1的半径，ρ为小球1的密度，ρ′为待测量液体的密度，v为测量出的小球1下沉速度，g为重力加速度。将多个待测量液体的粘滞系数求平均值，作为待测量液体的最终粘滞系数。

这样在一次小球1下降过程中，便获得了5组数据，通过取平均值，可提高测量精度，同时在测量相同组的情况下，也可以缩短测量时间。当然还可以将距离再短一点，这样便可获得更多的组数。因此，可以实现小球1一次下落能获得多组数据，即单次下落就能实现多次测量,进而能达到有效地提高测量精度和缩短测量时间。

如果有必要，进行多次测量，并将每次测得的待测液体粘滞系数进行求取平均值，能够进一步的提高测量精度。

Claims (6)

1.一种基于线阵CCD的液体粘滞系数测量装置，包括小球(1)以及用于装设待测量液体的样品管(2)，其特征在于：还包括线光源(3)、线阵CCD(4)以及测控模块(5)，所述线光源(3)与线阵CCD(4)分别位于所述样品管(2)的两侧，所述测控模块(5)包括微处理器控制单元以及连接在该微处理器控制单元上的线光源控制单元、线阵CCD控制单元、LCD显示单元、按钮输入单元、串行通讯单元、温度测量单元，其中所述线光源控制单元与所述线光源(3)电连接，所述线阵CCD控制单元与所述线阵CCD(4)电连接。

2.根据权利要求1所述的基于线阵CCD的液体粘滞系数测量装置，其特征在于：所述微处理器控制单元的信号输出端通过D/A转换单元与线光源控制单元的信号接收端连接，该线光源控制单元的信号发射端通过A/D转换单元与所述微处理器控制单元的输入端连接，所述温度测量单元也通过所述A/D转换单元与所述微处理器控制单元连接。

3.根据权利要求1或2所述的基于线阵CCD的液体粘滞系数测量装置，其特征在于：所述微处理器控制单元由微处理器STM32F103RC和相应的外围元件构成。

4.根据权利要求1或2所述的基于线阵CCD的液体粘滞系数测量装置，其特征在于：所述线阵CCD(4)与所述线阵CCD控制单元采用TCD1706D图像传感器。

5.根据权利要求1或2所述的基于线阵CCD的液体粘滞系数测量装置，其特征在于：所述温度测量单元采用LMT70模拟输出高精度温度传感器。

6.根据权利要求1或2所述的基于线阵CCD的液体粘滞系数测量装置，其特征在于：所述微处理器控制单元、线光源控制单元、线阵CCD控制单元、LCD显示单元、按钮输入单元、串行通讯单元、温度测量单元均由供电单元统一供电。