CN103364307A

CN103364307A - 游码式固体密度测试仪

Info

Publication number: CN103364307A
Application number: CN2013103390508A
Authority: CN
Inventors: 郑玉龙
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2013-08-07
Filing date: 2013-08-07
Publication date: 2013-10-23

Abstract

一种把固体密度的测量转换为长度的测量并且利用电子数显游标实现长度测量、数据处理和数值显示的游码式固体密度测试仪，它是在杠杆上装置一个游码，且该游码就是一个电子数显游标，先调整游码在杠杆上的位置使杠杆平衡，然后把待测固体悬挂在杠杆的一侧，同时让游码移动一段距离(L₂)使杠杆再次平衡，接着把待测固体浸没在水中，同时让游码再移动一段距离(L₃)使杠杆再次平衡，利用电子数显游标测量并且计算游码先后两次位移的比值(L₂/L₃)，作为待测固体的密度值显示在电子屏幕上，单位是：克/立方厘米。本发明主要用于直接测量固体的密度值，可以在电子屏幕上直接读出待测固体的密度值。

Description

游码式固体密度测试仪

技术领域

本发明涉及一种测量固体密度的计量器具。

背景技术

设体积为

的某一物体的质量为

，则该物体的密度

等于。

目前对于液体或气体的密度值人们已能测得很精确，对于规则形状的固体，密度检测也比较容易实现，可是对于不规则形状的固体的密度测量目前仍是个难题。

过去人们所公知的许多种关于测量固体密度的方法都是间接测量法，也就是说，要由几个直接测得量经已知函数关系式计算出被测固体的密度值，而且其中有些方法所测得的固体密度值很不精确，其中有些方法在测量过程中需要执行比较繁琐的操作步骤，下面举例两个关于间接测量固体密度的典型方法：

1.设待测固体不溶于水，用天平称出固体的质量为

，往量筒中注入适量水，读出体积为

，将固体放入量筒中，浸没，读出体积为

，最后计算固体密度

。该测量方法的过程中要用天平测固体质量，因此操作步骤比较繁琐，而且其中还用到量筒测量体积，因此测量结果会出现较大误差，被测固体的体积越小，测量结果的误差越大；

2.设被测固体不溶于水，在空气中用弹簧秤称出固体的重量为，然后用细线将固体悬吊在水中，读出弹簧秤的称衡值为

,又设已知水的密度为

，最后计算固体的密度

。该测量方法的过程中有用到弹簧秤进行称重，测量误差会比较大，被测固体的重量越小，测量结果误差越大。

在地球物理探矿、建筑行业钢材、水泥材质分析或矿石标本成分含量分析中，密度参数测量是衡量其质量或成分含量非常重要的依据之一。在需要测量大量矿石样本的场合，过去使用的方法效率非常低下，很容易造成操作人员的疲劳，极易产生较大的误差。很明显，已有的密度参数测量方法已不适应当前的需求，必须用更加先进的测量装置来提高测量的效率和精度。

目前市场上有一种可用于测量固体密度的“密度测试仪”能将待测固体的密度值直接显示在液晶屏幕上，其工作原理概括地讲就是：利用物理学中的阿基米德原理把固体密度的测量转换为重量的测量，再利用桌秤式电子称或电子天平进行测量重量、数据处理和电子显示。为了让人更好地理解现有技术中的这种密度测试仪，有必要在这里先介绍“电子天平”和“电子秤”方面的相关技术。

电子天平和电子秤都是通过作用在物体上的重力来测定该物体质量并且采用数字指示输出结果的计量器具，内部电路都是由称重传感器、放大电路、AD转换电路、单片机电路、显示电路、键盘电路、电源电路组成，电子天平和电子秤的主要区别在于所使用的称重传感器的工作原理不同：以电磁力或电磁力矩平衡原理进行称量的就叫做“电子天平”，以其它种类的称重传感器进行称量的就叫做“电子秤”，目前市场上的大多数电子称都是采用电阻应变式原理的称重传感器。

电子秤是称重台将物体重力传递至称重传感器，使传感器弹性体发生变形，在激励电压作用下输出电压信号，经线性放大器将信号放大，然后转换为数字信号，由微处理器对质量信号进行处理后，在液晶显示屏幕直接显示质量值。相对于电子天平来说，电子秤成本比较便宜，且操作规则简单容易，且对使用环境的要求不高，比如人们可以在环境较差的农贸市场中使用电子秤给各种农贸产品进行称重；且电子秤的量程比较大，例如电子台秤可以用来给成年人称量体重；但是电子称的精准度不高，电子称只是中准确度Ⅲ级的衡器，电子秤在应用中经常会遇到误差问题，只适用于对称量精准度的要求不是非常高的场合。

下面简要说明电子称的误差的主要来源：

① 电子秤都存在不同程度的四角偏载误差，四角偏载误差是由称重传感器的灵敏度引起的，表现为同一个待测物体在同一个电子秤的称重台上所处的位置的变化会引起称重测量结果的变化；

② 严格地讲，电子秤的称重传感器承受载荷与其相应输出的电压之间并非成直线关系，目前人们通过分段校准电子秤的称量，可以在一定程度上减小传感器非线性造成的称量误差；

③ 电子秤在使用过程中，其称重传感器的受力情况复杂，在使用了一段时间后会最终导致传感器的触点发生改变，使检定时的原始状态产生变化，造成零点漂移，从而产生称量误差；

④ 电子秤的称重台与外壳之间的摩擦或倚靠，会影响力的传递，这样加载负荷时的重量不能完全作用到称重传感器上，称重传感器的输出信号自然偏小，此类情况，往往小称量基本正常，加大负荷后，显示值明显减小；

⑤ 电子秤的称重台和重力传感器等各部件之间的机械连接中的摩擦和应力会造成电子秤的鉴别力误差；

⑥ 如果电子秤的电源供电不稳定，或电源供电电压太低，也会影响电子秤的称量不准确；

⑦ 电子秤每隔一段时间都要重新进行标定，如果没有及时进行校准，电子秤也会出现较大的称量误差；

⑧ 电子秤在运输过程中如果发生撞击导致传感器受外力过大而损坏，或者长时间有重物压在称重台上导致传感器受一定程度的损坏，也会造成电子秤称量不准确的故障。

相对于电子秤来说，电子天平的成本比较昂贵，电子天平的精准度比较高，电子天平是高准确度Ⅱ级的衡器，但是电子天平的量程都比较小，比如目前的常量电子天平的最大称量值一般都是小于0.2kg。电子天平是对使用环境高度敏感的精密电子测量仪器，对使用环境的要求很高，而且电子天平的操作规则较繁，比如：电子天平应放置于稳定的工作台上避免振动、气流及阳光照射，避免在湿度大的环境工作；电子天平在初次接通电源或长时间断电后开机时，至少需要30分钟的预热时间；必须经常对电子天平进行自校或定期外校以保证其处于最佳状态。如果没有严格遵照电子天平的关于环境及操作的要求，电子天平就很可能会表现出称量不准确，甚至受到损坏。

目前市场上的可用于测量固体密度的“密度测试仪”，其实是在桌面式电子秤或电子天平的基础上改造出来的，其内部电路主要也是由称重传感器、放大电路、AD转换电路、单片机电路、显示电路、键盘电路、电源电路组成，这种密度测试仪的外观造形也相似于桌面式电子秤，所以在本发明的下文阐述中我们就把它叫做“桌秤式密度仪”，以区别于本发明所述的“游码式密度仪”。

桌秤式密度仪一般具有两个秤盘，其中一个秤盘位于空气中，另一个浸没于水槽中，这两个秤盘与测试仪内的同一个称重传感器相连，称重传感器与放大电路、AD转换电路、单片机电路相连，测量固体密度的时候，先把待测固体放在空气中的秤盘上称得重量

，再把待测固体放在水槽中的秤盘上称得重量

，测试仪内部的单片机根据

、的值和已知的水的密度值

计算出待测固体的密度值等于

，并且把计算结果直接显示在外面的液晶显示屏上。

桌秤式密度仪通过两次称重操作，实现测量固体密度，测量结果能直接地在液晶屏幕上显示出来。但是，桌秤式密度仪还是存在以下不足：

1.如果桌秤式密度仪内部是采用电子天平的称重传感器，虽然测量精度较高，但是称重量程非常有限，即无法用于测量那些质量超过0.2kg的固体的密度，而且这种桌秤式密度仪的制造成本非常昂贵、对使用环境的要求很高、操作规则较繁，；

2.如果桌秤式密度仪内部是采用电子秤的称重传感器，虽然电子秤的称重量程比较大，能够测量质量很大的固体的密度，但是由于电子秤的称量误差较大，所以这种桌秤式密度仪最终测得的固体密度值误差也会比较大，待测固体的体积越小，其测量误差越大。目前的有些桌秤式密度仪在电子屏幕上显示出来的待测固体的密度值的分辨率达0.0001g/cm³,但是实际上其测量结果的准确度却远远达不到0.0001g/cm³,这里举一个例子：如果我们用桌秤式密度仪测量一个实际密度值约7.85 g/cm³的大头针的密度，测量结果显示值为7.7926 g/cm³,显然，其测量结果所得密度数值，第3位数字就已不准确，那些显示在第3位数字后面的那几个数字就都没有任何意义。

为了让人更好地理解本发明，有必要在这里介绍一些关于“数显游标”的背景技术。数显游标卡尺，是一种用于测量长度和内外径的且能以数字显示测量示值的长度测量工具，读数直观清晰、测量效率高。目前的数显游标卡尺一般是采用光栅、容栅或磁栅等测量***。数显游标卡尺的游标上安装有一个带有液晶显示屏幕的电子表头，表头的里面有电池、电路和液晶显示屏等部件，表头的外面有电源开关按键、归零按键、单位切换按键等功能按键，表头和游标在结构上合成为一体，我们把它叫做“电子数显游标”，简称为“数显游标”。归零按键能让数显游标将卡尺上的任意一个位置作为位移测量的起点位置；单位切换按键能让数显游标以不同的长度单位显示测量结果。数显游标的电子测量***能将所测量的位移量转换为电信号，数显游标内部的AD转换电路能将模拟电子信号转换为数字电子信号，数字信号再经过数据处理后，就在液晶显示屏上直接显示所测量的长度值。数显游标测量长度的分辨率一般是0.01毫米，也有分辨率为0.001mm的数显千分卡尺。数显游标的测量量程大，比如利用容栅传感器的数显游标的测量量程可达1米。总之，数显游标主要具有电子测量、数据处理和数字显示的功能，而且测量精度高、量程大。

为了让人更好地理解本发明的内容，有必要在这里介绍一些关于“游码”的背景技术。众所周知，普通的机械天平在称重的时候，如果通过加减砝码无法让天平达到平衡状态，就要通过移动刻度尺上的一个“游码”以实现天平平衡，游码在刻度尺上左右移动就可以得到大小连续变化的力矩，该力矩的大小与游码的质量和游码在刻度尺上移动的距离有关，因为游码的质量大小是固定的，所以该力矩的大小就与游码在刻度尺上移动的距离成正比，因此刻度尺上的刻度线是均匀的。显然，游码的作用实际上就是利用杠杆原理把重量的测量转换成为长度的测量，游码的功能已在人类社会的生产生活中得到了广泛应用：人们所公知的机械台秤也是通过砝码和游码相结合的方式进行称重的；人们所公知的杆秤在称重的时候要让秤砣在刻度均匀的秤杆上左右移动以实现杆秤平衡，杆秤的称砣其实也是一种游码。

发明内容

过去人们所公知的间接测量固体密度的方法，不但要将几个直接测得量经人工计算后才能得到待测固体的密度值，而且有的方法测量结果误差较大，或者有的方法测量过程中要执行繁琐的操作。在待测固体体积不是非常小也不是非常大的情况下且对测量结果的精准度的要求不是非常高的情况下，桌秤式密度仪基本上能够克服上述的间接测量固体密度的方法的不足。

但是，桌秤式密度仪如果采用电子天平的称重传感器，不但造价昂贵，而且不能测量质量比较大一些的待测固体，只适用于检测重量很轻的固体，而且它的操作规则较繁,对使用环境的要求很高；桌秤式密度仪如果采用电子秤的称重传感器，由于电子秤的称量误差较大，所以最终测得的固体密度值的误差也会比较大。

桌秤式密度仪的上述缺点，主要是源自称重传感器的问题，因为称重传感器本身就是一个很不完美的部件，所以桌秤式密度仪也很不完美,这是桌秤式密度仪永远无法克服的弱点，因为桌秤式密度仪实现测量密度的原理就是把密度的测量转换为重量的测量，再利用称重传感器实现重量的测量，所以桌秤式密度仪离不开称重传感器这个功能部件。

本发明所要解决的技术问题是：实现测量固体密度，不但要克服过去人们所公知的间接测量固体密度方法的不足，而且一定要去掉称重传感器这个功能部件，以克服桌秤式密度仪的不足。

为了达成上述目的，显然不能再把密度的测量转换为重量的测量，而是要另辟蹊径创造出新颖的测量固体密度的方法，以实现把密度的测量转换为除了重量以外的更容易测量的其它物理量之后再进行测量,比如把密度的测量转换为长度的测量。

本发明所采用的技术方案，概括地讲，就是利用物理学中的阿基米德原理、杠杆原理和游码的功能，把固体的密度的测量转换为长度的测量，再利用电子数显游标实现长度测量、数据处理和数值显示。

本发明所采用的技术方案，具体地讲，就是在杠杆上装置一个游码，且该游码就是一个电子数显游标，先调整游码在杠杆上的位置使杠杆平衡，然后把待测固体悬挂在杠杆的一侧，同时让游码移动一段距离L₂使杠杆再次平衡，接着把待测固体浸没在水中，同时让游码再移动一段距离L₃使杠杆再次平衡，利用电子数显游标测量并且计算游码先后两次位移的比值L₂ /L₃，作为待测固体的密度值显示在电子屏幕上，单位是：克/立方厘米。

下面结合图1详细介绍本发明的技术方案所依据的科学原理，我们要先描述一个物理实验，然后利用阿基米德原理和杠杆原理对该实验进行分析，从而得到本发明的科学依据：

如图1所示，有一个能绕支点O自由转动的杠杆，待测固体先不要系在杠杆上，只把放有砝码的砝码盘通过细线挂在杠杆右边（补充解释：在本实验中我们用悬挂在杠杆上的砝码盘和砝码代表游码），调整砝码盘在杠杆上的悬挂点的位置使杠杆平衡，假设砝码盘悬挂在A点位置的时候杠杆恰好实现平衡（补充解释：图1中的A点和O点并不重合，说明杠杆的重心并不在支点O处，而是在O点左侧的某个位置，我们有意地要让A点和O点区分开来，就是为了让图1能够更直观更明确地表现其中的科学原理）；

将待测固体通过细线系紧在杠杆左边的D点位置，调整杠杆右边的砝码盘的悬挂点的位置使杠杆再次平衡，假设砝码盘的悬挂点向右移动到B点位置的时候杠杆恰好再次实现平衡；

然后，让待测固体完全悬吊在水中，调整杠杆右边的砝码盘的悬挂点的位置使杠杆再次平衡，假设砝码盘的悬挂点向左移动到C点位置的时候杠杆恰好再次实现平衡。

设待测固体的密度为，待测固体的体积为

，细线的质量和体积忽略不计，当地的重力加速度为

，当前温度下水的密度为

，当前温度和气压下的空气密度为

，砝码盘和砝码的重力和空气浮力的合力为。接下来我们利用杠杆原理和阿基米德原理对上述实验进行分析：

因为砝码盘挂在A点时杠杆已经处于平衡状态，再把待测固体系在D点的同时将砝码盘向右移动到B点则杠杆再次处于平衡状态，所以根据杠杆原理，显然可知下面这个等式成立：

①式

为了便于阐述，我们把上面这个等式叫做①式，并且遵照代数学的惯用做法，把等式的编号标识在等式的右边，在下文中我们将继续这样给所有的等式进行编号；

又因为让待测固体完全悬吊在水中的同时将砝码盘的悬挂点移到C点则杠杆再次平衡，所以根据杠杆原理和阿基米德原理，显然可知下面这个等式成立：

②式

把①式代入②式，化简后就可得到下式：

③式

把①式的左右两边分别除以③式的左右两边，化简后就可得到下式：

④式。

现在我们已经获得了一个密度与长度之间的关系式，即④式，此式说明，在ρ_水和ρ_气的值已知的条件下，通过测量L₂和 L₃的值就可以计算出固体密度的值：

⑤式。

众所周知，常温常压下水的密度是空气密度的七百七十多倍，所以在对固体密度值的测量精度要求不是非常高的情况下，可以忽略待测固体的空气浮力对测量结果的影响，相当于是把空气密度看作是零，即：

，这时⑤式就可以简化成为下式：

⑥式

我们令⑥式中的

和的计量单位使用“克/立方厘米”，众所周知，水的密度大约是1克/立方厘米，所以现在我们就把水的密度认为是等于1克/立方厘米，同时把“

1克/立方厘米”代入⑥式，并且不考虑等式两边的物理量的单位，只考虑等式两边的数值大小，那么⑥式就可以被进一步简化成为下面这个等式：

⑦式

到此为止，我们已经成功获得了一个密度与长度之间的极其简单的关系式！即⑦式。⑦式表明，我们可以把固体密度的测量转化为长度的测量，而且这种测量固体密度的方法不需要考虑游码质量的具体大小，我们完全可以随意地拿一样东西作为游码使用，只要在每一次测量过程中游码的质量大小不会发生变化即可。⑦式就是本发明的技术方案的科学依据。接下来我要详细解释从⑥式到⑦式的等式变换。

从⑥式到⑦式的等式变换是非同寻常的等式变换，因为⑦式左右两边的物理量的单位计算结果不相等，所以在理论物理学的角度严格地说，⑦式左右两边之间是不能划等号的，⑦式违反了“物理等式两边的物理量单位计算必须相等”的规则。可是如果换一个角度来看，从⑥式到⑦式的等式变换就是合理的：⑦式并不是一系列等式变换过程里的中间式子，⑦式只是一系列等式变换过程后得到的最终式子，也就是说，⑦式不会再用来代入其它的式子，⑦式也不会再用来跟其它式子进行运算，所以我们可以不考虑等式两边的物理量的单位，而只考虑等式两边的数值大小。我们从⑥式变换到⑦式，目的只是为了研制一款具体的计量器具，而并不是为了开展物理学理论研究，我们只关心这款计量器具在测量结束后所得到的读数数值大小，而并不关心⑦式在其它的物理场合是否能够成立，所以我们可以完全不顾“物理等式两边的物理量单位计算必须相等”的规则。也可以这样说：⑦式就是为游码式密度测试仪专门量身定制的一个等式，我是先发明⑦式，然后再发明游码式密度测试仪的。

从⑥式到⑦式的等式变换，之所以能够把⑥式中的

这个物理量直接消灭掉，连一个常数都不留下来，是因为我们把水的密度认为是等于1克/立方厘米。众所周知，水的密度严格地讲并不等于1克/立方厘米，假如我们认为水的密度是0.99克/立方厘米，那么就不能把⑥式中的

直接去掉了，而是要用一个常数0.99来替代⑥式中的

这个物理量。

众所周知，水是地球上最常见的一种液体，纯净水的密度，在0℃时密度是0.99987g/cm³, 在4℃时密度是0.99997g/cm³, 在25℃时密度是0.99706g/cm³, 在50℃时密度是0.9881g/cm³,在100℃时密度是0.9584g/cm³。可见纯净水的密度都略小于1 g/cm³，纯净水在4℃时的密度值最大，纯净水在常温下的密度值已是相当地接近于1 g/cm³，在温度高于4℃时水的温度越高水的密度越小。实际生活中所接触到的水，水中难免会含有杂质，水中的杂质越多，水的密度就越大，含有较多杂质的水的密度值也可能会略大于1 g/cm³。

在对测量结果的精度要求不是非常高的情况下，即在要求测量结果的精确度仅为0.01 g/cm³的情况下，我们可以忽略水的温度和水中杂质对水的密度值的影响，即认为水的密度就是等于1 g/cm³，同时可以忽略空气浮力对测量结果的影响，即认为空气的密度值是零。

众所周知，在常温下1个标准大气压下的空气密度大于0.001 g/cm³，在对测量结果的精度要求非常高的情况下，即在要求测量结果的精确度达0.001 g/cm³的情况下，甚至在要求测量结果的精度超过0.001 g/cm³的情况下，我们就必须考虑空气浮力对测量结果的影响，以及必须考虑水的实际密度值与1 g/cm³之间的偏差。但是在使用游码密度仪测试固体密度的过程中，我们可以依旧认为水的密度就是等于1 g/cm³，我们只需在测量结束后，按照实际的水密度值和空气密度值，对测量值进行校正即可。由于我们事先把水的密度值认为是等于1 g/cm³，所以该校正方法会因此变得相当简单，下面介绍该校正方法：

假设我们利用游码密度仪测量待测固体密度所得到的测量值是

，又设经过校正之后所得到的校正值是，实际的水密度值

，空气密度值

，并且所有密度值所使用的单位都是：克/立方厘米，把⑦式代入⑤式，就可得到下面这个校正式（注意该式中只考虑各密度量的数值大小，不考虑物理量的单位）：

。

本发明的有益效果是：

1)对照过去人们所使用的间接测量固体密度的方法，使用该游码密度仪检测固体的密度，不需要执行繁琐的操作步骤，不需要测量固体体积，也不需要专用的砝码，就能够相当准确地测得固体的密度值，测量结果不需要再经过人工计算，待测固体的密度值可以在电子屏幕上直接显示出来；

2)对照桌秤式密度仪，本发明成功地去掉了称重传感器这个比较贵重的功能部件，不但缩小了产品内电路的体积，而且减小了产品制造成本；

3)对照桌秤式密度仪，本发明的所有电路部分都集成在一个体积小巧的电子数显游标里面，耗电功率很小，只要用一个体积微小的钮扣式电池供电就可以了，这又进一步节省了产品制造成本；

4)对照桌秤式密度仪，本发明成功地去掉了称重传感器这个功能部件，不再有称重传感器的那些称量误差情况和四角偏载误差情况，本发明是利用电子数显游标测量位移，测量值与位移之间具有良好的线性关系，因此使用本发明测量固体密度值的测量结果误差较小；

5)本发明可以通过调整杠杆力臂的长度来调整固体密度测量结果的精度。我们可以通过增大待测固体与杠杆支点的距离，以增大游码位移的距离，这样也有利于提高固体密度测量结果的精确度。目前人们所公知的的数显千分卡尺的数显游标测量位移的精度达0.001毫米，如果游码在杠杆上最大位移的距离接近1米，可想而知在这种情况下，本发明根据游码的位移值计算出的待测固体的密度值就可以达到相当高的精度。总之，电子数显游标测量位移的精度越高，游码在杠杆上位移的距离越大，那么本发明测量固体密度的精度也就越高；

6)对照桌秤式密度仪，本发明成功地去掉了称重传感器这个功能部件，允许待测固体的重量不受限制,不论待测固体的重量是大还是小，只需通过调整待测固体在杠杆上的悬挂点的位置，就可以让游码在测量过程中的位移距离的大小不会因待测固体的重量不同而发生太大变化。因为待测固体在游码密度仪上的悬挂点位置并不是固定的，所以，如果待测固体的重量很大，就把它悬挂在比较靠近杠杆的支点的位置，以缩小待测固体的力矩；如果待测固体的重量非常微小，就把它悬挂在远离杠杆支点的位置，以扩大待测固体的力矩,确保固体密度测量结果的精度不会受太大影响；

7) 本发明所述的游码式密度测试仪，还可用于测量密度小于水的待测固体的密度，比如木块、塑料块等，在测量过程中的浸水步骤，只要用水中的抗浮架把待测固体压在水底就可以了，其它操作方法不变。

附图说明

图1是本发明的技术方案中的把固体密度的测量转化为长度的测量所依据的科学原理示意图。图1中，1.杠杆，2.待测固体块，3.砝码盘和砝码，4.装有纯净水的容器。

图1中的O点是杠杆的支点，A点是O点右边的杠杆上的一个位置点，B点是A点右边的杠杆上的一个位置点，C点是A点和B点之间的杠杆上的一个位置点，D点是代表杠杆左边的一个位置点，L₁所标注的是D点和O点之间的距离长度，L₂所标注的是A点和B点之间的距离长度，L₃所标注的是B点和C点之间的距离长度。图1中，待测固体块通过细线系在杠杆上的D点，砝码放在砝码盘中，砝码盘通过细线挂在杠杆上的B点，悬挂砝码盘的细线能在杠杆的右边自由移动，即砝码盘通过细线挂在杠杆上的悬挂点可以从B点移到C点，也还可以移动到其它的位置点。图1中，装有纯净水的容器能让待测固体块完全悬吊在水中，即能让待测固体块完全被水浸没且不碰到容器的底和壁。

图2是本发明的具体实施例的构造图。图2中，5.杠杆，6.紧固螺丝，7.套环，8.吊耳，9.细线，10.空气中的秤盘，11. 盛水的容器，12. 悬吊在水中的秤盘，13.刀口，14.刀承，15.止动架，16.指针，17.立柱，18.标尺，19.止动旋钮，20.圆气泡水准器，21.底脚螺丝，22.电子数显游标，23. 紧固螺丝，24.液晶显示屏幕，25.电源开关按键，26.归零功能按键，27.密度功能按键，28.滚轮，29.调平螺丝。

图2中的液晶显示屏幕(24)在左边显示数值、右边显示单位，如图2中液晶屏幕(24)左边有显示了随意一个数字19.321，图2中还同时把长度单位“mm”和密度单位“g/cm³” 画在了液晶屏幕(24)的右边，实际使用中的液晶屏幕(24)不会同时显示两种不同的单位，而是根据电子数显游标(22)实际所处的工作状态选择显示其中的一种单位。

图3是描述本发明的电子数显游标的功能按键相应的单片机程序的算法的程序流程图。关于图3的具体内容在具体实施方式部分有作详细的说明。

具体实施方式

图2中的套环(7)套在杠杆(5)上并且紧贴着杠杆的表面并且能在杠杆上自由滑动。套环(7)上面有一个紧固螺丝(6)，当把紧固螺丝旋松的时候，套环才能在杠杆上自由滑动，当把紧固螺丝旋紧的时候，套环就被暂时地固定在杠杆上。吊耳(8)的两个耳端分别悬挂在套环(7)的前后两侧，吊耳与套环之间通过活铆相连，不论套环(7)是否已被紧固螺丝(6)固定，吊耳(8)都能绕着活铆沿着顺时针方向或者逆时针方向自由转动。细线(9)的一端穿过吊耳(8)的底部正中央的一个小孔并固定，细线(9)上悬挂有两个秤盘，其中一个秤盘(10)在空气中，另一个秤盘(12)浸没在水中且不碰到容器(11)的底和壁。

图2中的刀口(13)放在刀承(14)上，作为杠杆(5)的支点。指针(16)与杠杆(5)相连，当杠杆绕支点摆动的时候，指针就会随之摆动，当杠杆平衡的时候，指针的尖端就会指向标尺(18)中间的刻度线。通过调整底座下面的底脚螺丝(21)，同时观察圆气泡水准器(20)的气泡位置，可将立柱(17)调至铅直状态。通过调节杠杆右端的调平螺丝(29)，可以调节游码式密度仪空载时杠杆的平衡。旋转止动旋钮(19)可以使杠杆(5)升起或落下，当杠杆(5)落下的时候止动架(15)就能支撑杠杆(5)，以防在取放待测固体、移动套环(7)和移动电子数显游标(22)的时候杠杆(5)受到大的震动而损伤刀口(13)。

图2中的电子数显游标(22)套在杠杆(5)上并且紧贴着杠杆的表面并且能在杠杆上自由滑动，滚轮(28)用来辅助数显游标在杠杆上左右滑动；数显游标上有一个紧固螺丝(23)，当把紧固螺丝旋松的时候，数显游标才能在杠杆上自由滑动，当把紧固螺丝旋紧的时候，数显游标就被暂时地固定在杠杆上；数显游标(22)内部由钮扣电池供电，数显游标(22)外面有电源开关按键 (25)和归零功能按键(26)。如果按下归零功能按键(26)，数显游标就把当前位置作为接下来的位移测量的起点，并且使液晶屏幕(24)处于显示长度值的状态，之后数显游标在杠杆上滑动的时候其内部的位移传感器就把位移量转化为电信号，经数据处理后在液晶屏(24)上显示该位移长度数值。图2中的数显游标(22)的以上结构特点和工作方式与数显游标卡尺是一样的。接下来再说明图2中的数显游标(22)与数显游标卡尺不同之处。

液晶屏幕(24)的左边显示数值，右边显示单位，有长度单位“mm”和密度单位“g/cm³”这两种单位，液晶屏幕(24)不会同时显示这两种的单位，而是根据数显游标(22)实际所处的工作状态选择显示其中的一种单位。由于在忽略空气密度的情况下测量结果精确到0.01 g/cm³，所以本发明认为液晶屏幕(24)显示的数值最好是精确到小数点后3位数字，小数点后的第3位数字虽然不精确，但是可以作为供参考的有效数字。

数显游标(22)外面有一个密度功能按键(27)，简称为“密度键”，用来实现把液晶屏(24)从显示长度值的状态切换到显示密度值的状态。为了便于区分识别图2中的电源开关按键(25)、归零功能按键(26)和密度功能按键(27)这三个按键，所以这三个功能按键分别印有键名字符“P”、“Z”和“M”。

液晶屏幕(24)处于显示长度值的状态时，如果密度键(27)被按下，数显游标(22)就把当前的屏幕所显示的长度值储存在存储器中（为了便于阐述，我把这个暂存在存储器中的长度值用L₂表示），然后将当前所在位置作为起点重新测量位移长度（为了便于阐述，我把这个重新测量的位移长度值用L₃表示），此后液晶屏(24)就处于显示密度值的状态，数显游标(22)内的单片机执行运算L₂和L₃的比值并将运算结果数值显示在液晶屏幕(24)左边，在液晶屏幕(24)右边只显示密度单位“g/cm³”；由于L₃的值会随着数显游标(22)的移动而变化，所以单片机要不断地反复运算L₂和L₃的比值并将最新的运算结果数值显示在液晶屏幕(24)左边；在再次按下归零功能按键(26)之前单片机暂不响应密度功能按键(27)，即这时的密度键(27)即使有被按下则内部程序也不予理会。

液晶屏幕(24)处于显示密度值的状态时，如果归零功能键(26)被按下，数显游标(22)就将当前所在位置作为起点重新测量位移，并将所测得的位移长度数值显示在液晶屏幕(24)左边，在液晶屏幕(24)右边只显示长度单位“mm”，此后液晶屏幕(24)就处于显示长度值的状态。

接下来要介绍使用游码式密度仪测试密度大于水的固体密度值的操作步骤，最后再介绍密度小于水的待测固体密度值的测试方法。

测试密度之前的准备工作：

① 调节底脚螺丝(21)，将立柱(17)调至铅直状态；

② 移动套环(7)至恰当的位置：如果待测固体较重，就使套环(7)距杠杆的支点近些，如果待测固体较轻，就使套环(7)距杠杆的支点远些，之后再旋紧紧固螺丝(6)；

③ 让细线下面的秤盘(12)悬吊在水中，移动数显游标至靠近支点的位置，调节调平螺丝(29)让杠杆在空载状态下平衡。

测试密度的过程：

① 稍微调节数显游标(23)在杠杆上的位置，确认杠杆平衡，然后按一下归零键(26)；

② 把待测固体放在空气中的秤盘(10)中，向右移动数显游标(23)，让杠杆再次平衡；

③ 按一下密度键(27)；

④ 把待测固体移放在水中的秤盘(12)中，向左移动数显游标(23)，让杠杆再次平衡，这时液晶屏幕上显示的就是待测固体的密度值；

⑤ 测试完后，从水中的秤盘(12)中取走待测固体，将数显游标(23)向左移动至靠近杠杆支点的位置，按一下归零键(26)，测试固体密度的过程到此结束。

如果待测固体的密度小于水，比如蜡块、木块或塑料块等待测固体的密度测量，只要在上述测试过程中的第④步，将密度小于水的待测固体放置在水中秤盘(12)的下面，利用称盘(12)在水中的重量把待测固体压在水里（注意不要碰到容器的底和壁）即可，其余的操作步骤不变。这种情况下水中秤盘起到了抗浮架的作用，如果待测固体的浮力太大以致水中秤盘无法把待测固体压在水里，可以在测试密度之前的准备工作阶段的第③步时在水中秤盘(12)中先放置几个铁块（注意要确保都有被水浸没）以增大水中秤盘的抗浮能力，其余的测试步骤不变。

Claims

1.游码式固体密度测试仪，在测量固体密度的过程中有一个步骤是需要把待测固体浸没在水中，最后可以在电子屏幕上直接读出待测固体的密度值，其特征是：在杠杆上装置一个游码，且该游码就是一个电子数显游标，先调整游码在杠杆上的位置使杠杆平衡，然后把待测固体悬挂在杠杆的一侧，同时让游码移动一段距离(L₂)使杠杆再次平衡，接着把待测固体浸没在水中，同时让游码再移动一段距离(L₃)使杠杆再次平衡，利用电子数显游标测量并且计算游码先后两次位移的比值(L₂ /L₃)，作为待测固体的密度值显示在电子屏幕上，单位是：克/立方厘米。

2.根据权利要求1所述的游码式固体密度测试仪，其特征是：电子数显游标的电子屏幕所显示的密度数值精确到小数点后的3位数字。

3.根据权利要求1所述的游码式固体密度测试仪，其特征是：电子数显游标上面有三个功能按键分别是电源开关按键、归零功能按键和密度功能按键。