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液体密度仪的设计与制作

焦瑞豪;孙丽媛;王紫欣;杨佳怡;王家勇

【期刊名称】《《大学物理实验》》

【年(卷),期】2019(032)005

【总页数】4页(P51-54)

【关键词】密度;传感器技术;单片机

【作者】焦瑞豪;孙丽媛;王紫欣;杨佳怡;王家勇

【作者单位】沈阳航空航天大学理学院辽宁沈阳110136

【正文语种】中文

【中图分类】O4-33

液体密度是表征液体物理性质的参数之一，在生产生活中得到了广泛的关注。石油

的交易离不开密度的测量，以此来保证交易的公平性；工程中液体材料的选择离不

开密度测量，用以筛选材料的种类；鉴别未知物质，密度是重要的参数之一；因此，

液体密度测量的需要十分迫切。本文采用传感技术研究设计与制作的液体密度仪具

有稳定性高、快捷实用、适用范围广、测量过程连续等优点，在完成测量任务的同

时满足一定的精度要求。

1设计方案

依据物理原理中的密度公式：

ρ=M/V.

(1)

通过测量待测液体的质量M和待测液体的体积V，间接测出待测液体的密度ρ。

传统的测量方案是用天平测液体质量，用游标卡尺测容器底部尺寸，用米尺测液体

的高度，从而得出液体的体积。用米尺测量液体高度，精度不够且与其它物理量的

测量精度不匹配；传统测量方案不能够实现实时、自动、连续测量。为此，我们做

出如下设计方案，其装置的结构如图1所示。图1中A方向投影如图2所示。

图1液体密度仪结构图

图2A方向投影图

1.1质量M测量设计

压力传感器封装于板材内部，盛放液体的容器的下方，直接感受来自容器的压力信

号。在液体未注入容器时，压力传感器采集到压力信号f0；在注入液体后，压力

传感器采集到压力信号f1；测量原理图如图3所示。采集到的压力信号将输入单

片机，则待测液体的质量：

(2)

其中g为重力加速度，取值9.8m/s2。

图3质量测量原理图

1.2体积V测量设计

为减小系统误差，我们选定圆柱形容器，用于盛装待测液体，则待测液体体积V

为：

(3)

其中S表示容器底面积，H表示液体高度，d代表底面直径。直径d是使用游标

卡尺经多次测量取平均值，将该值通过键盘输入至单片机用于数据运算；液体的高

度通过超声波测距实时采集，注入液体前，超声波测距采集高度信号H0；注入液

体后，超声波测距采集高度信号H1，采集到的高度信号H1与H0实时传送至单

片机用以数据运算。

待测液体的实际高度为：

H=H0-H1.

(4)

体积测量原理图如图4所示：

图4体积测量原理图

1.3液体密度ρ测量设计：

单片机将采集到的高度、压力信息和已预置的直径信息，按照已编写的程序进行数

据运算，即可得出待测液体的密度值：

(5)

该数据结果实时传送至液晶显示屏以显示液体密度测量值。

上述设计方案可用原理框图表述，如图5所示。

图5密度仪原理框图

2系统组成

为了实现实时快捷测量，本设计采用传感器技术分别采集所需要的信息，并将采集

的信息实时传入单片机中，单片机按照已编写好的程序进行数据运算，并将运算结

果送至液晶显示屏实时显示测量结果。系统组成框图如图6所示。

图6系统框图

2.1单片机

单片机选用STM32作为该系统的主控芯片，STM32是一种低功耗，具有最大集

成度、结构简单、易用的微控制器；具有兼容5V的I/O管脚，优异的安全时钟

模式，带唤醒功能的低功耗模式，内嵌复位电路等特点，完全满足本系统的要求。

2.2压力传感器

采用电阻应变式压力传感器，它主要由力敏性弹性元件、电阻应变片等组成。内部

电路组成采用惠更斯电桥，由力的变化引起的电阻变化将转换为测量电路的电压变

化,再通过换算即可得到所测量物体的重量。此传感器灵敏度为1.0mV/V，具有电

路简单、结构紧凑、精度较高且工作性能相对比较稳定的特点。

2.3超声波测距(US-015)

超声波测距模块选用US-015可实现2cm～4.5m的非接触测距功能，拥有

2.4～5.5V的宽电压输入范围，静态功耗低于2mA，自带温度传感器对测距结果

进行校正。

2.4显示

采用野火3.2寸液晶显示屏。它具有16位并口，8080时序的接口方式，其显示

分辨率为320*240。自带ILI9341控制器，电源电压为3.3V，引脚为40PinFPC、

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