CN203849127U - 一种快速密度测量仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种快速密度测量仪，它含密度测量仪主机、测量杯、测量架、液体和测量小球，测量仪主机上设置有测量盘、液晶屏、功能和数字输入按键、测量按键，测量仪主机内设置有压力传感器及微处理器，数据采集、A/D转换和液晶显示电路；其测量仪主机置于测量架底座上，挂钩上有轻质细线，一端系住测量物体或测量小球，调节升降支架可将测量物体或测量小球放置于测量杯外，或将它浸没悬挂于置于测量盘上的测量杯中的液体里，不与测量杯接触，测量仪结合压力传感器和高性能微处理器，能实现对固体和液体密度的快速测量和显示的功能，同时能对各测量信息进行储存，适合于各级学校的物理等课程的实验测量与实际应用。

Description

一种快速密度测量仪

技术领域

本实用新型涉及一种快速密度测量仪，属于电子技术应用和实验应用的领域。

背景技术

实验在理工科学生的教学中是相当重要的，它锻炼学生独立操作的同时，又能直观的将理论与实践相结合，让学生更加深刻的理解理论。物体密度测量是物理实验中很基础的一个实验，目前对物体密度的测量，一般采用质量体积法，即先用天平测出物体质量，再用量筒测量体积，然后根据密度公式计算。这种方法需要操作两步，并且不能进行快速的测量和实时显示。

密度在日常生产生活中具有广泛的应用，可鉴别组成物体的材料，可计算物体中所含各种物质的成分，可计算形状比较复杂的物体的体积，可判定物体是实心还是空心，可计算液体内部压强以及浮力等，对于鉴别未知物质，密度也是一个重要的依据。由此对密度测量尤其是快速和高精度的密度测量更是当今实验与生活过程中的需要。

本实用新型采用了高性能微处理器，通过压力传感器的力电转换和微处理器的计算，结合液晶屏的显示，可以快速、直观的进行物体密度的实验测量，同时它也可以在日常生活中应用。

实用新型内容

针对现有的测量和实验仪器的不足，本实用新型对传统的密度测量方法进行了改进，本实用新型结合了高性能微处理器和压力传感器，通过简单地测量物体与测量杯一起的压力及再将物体用轻质细线悬挂并浸没于液体中时的总压力，通过微处理器的计算，可快速地测量固体或液体密度。测量仪通过桥式电路准确将压力信号转换为电信号，并由微处理器进行数据参数的计算，最后由液晶屏输出密度测量结果。

本实用新型它含密度测量仪主机、测量杯、测量架、液体和测量小球，密度测量仪主机上设置有测量盘、液晶屏、功能和数字输入按键、测量按键，密度测量仪主机内设置有压力传感器及微处理器，数据采集、A/D转换和液晶显示电路；其测量仪主机置于测量架底座上，挂钩上有轻质细线，一端系住测量物体或测量小球，调节升降支架可将测量物体或测量小球放置于测量杯外，或将它浸没悬挂于置于测量盘上的测量杯中的液体里，不与测量杯接触，通过测量出物体与内装液体的测量杯的总压力，及物体悬挂浸没入液体时的压力就可求出测量物体的密度，所述的压力传感器设置在测量盘下部，压力电信号通过数字采集电路得到，并经A/D转换后，传输给微处理器，处理后的测量数据由液晶屏显示。

测量仪主机内的微处理器采用的是TI公司新推出的一款高性能16位的微处理器MSP430F2012。它内置工作频率最高达16MIPS，超低功耗，平时工作在睡眠状态节省电能，中断发生时能够在不足1μs的时间内从超低功耗500nA待机模式唤醒到全速工作模式。在***功能器件方面，MSP430F2012还集成了10位AD、16位定时器、捕获比较器、看门狗定时器、掉电检测、USI通讯模块等，MSP430F2012可满足对低功耗高性能的需要。

本实用新型的数据采集电路采用四片电阻应变式压力传感器。电阻应变式压力传感器主要由弹性体、电阻应变片等组成，电路采用惠斯通电桥，当弹性体承受载荷产生变形时，电阻转换元件受到拉伸或压缩应变片变形后，它的阻值将发生变化，从而使电桥失去平衡，产生相应的差动信号，经过放大和模数转换电路即得出所需物理量。电阻应变式传感器具有电路简单、体积小、结构紧凑、性能稳定、精度和灵敏度高且对测量的环境要求不太严格等特点。

本实用新型的液晶显示电路采用低电压、低功耗带中文字库、采用ST7920控制器的128×64液晶显示屏。它具有4/8位并行、2线或3线串行多种接口方式，其显示分辨率为128×64，内置8192个16×16点汉字和128个16×8点ASCII字符集。该模块接口方式灵活，操作指令简单、方便，可以显示8×4行16×16点阵的汉字，也可完成图形显示，可构成全中文人机交互图形界面。

附图说明

图1是密度测量仪主机外观图，其中的1是测量盘、2是液晶屏、3是功能和数字输入按键、4是测量按键。

图2是测量示意图，其中的5是测量架底座，6是测量架支架，7是升降支架，8是挂钩，9是轻质细线，10是被测物体或测量小球，11是测量杯，12是密度测量仪主机。

图3是测量仪***电路原理图。

图4是测量仪的电桥电路图

具体实施方式

结合附图，下面具体说明一种快速密度测量仪的电路和工作情况。

为了测量仪的整体性和便于检测调试，在制作电路时采用了模块化，将电源模块、数据处理模块、显示模块以及传感器模块分开设置，然后将多个模块同时放在同一块电路板中。

在密度测量仪主机内采用了四片性能完全相同的电阻应变式压力传感器，并组成惠斯通电桥电路，在压力传感器上是测量盘，通过压阻效应实现压力到电阻的转换，再由桥式电路转换为电压，微处理器接收到电压信号，经过计算和转换显示为被测物的密度，其桥式电路中，电桥输出电压的变化与各臂电阻变化率的代数和成正比，Vout为传感器桥式电路输出电压。

本实用新型的输入按键模块采用4×4的矩阵键盘。矩阵按键具有使用操作方便，占用I/O口少等特点，能够满足硬件设计的需要。数字键用于输入已知液体或测量小球的密度，输入按键中的N0，N1，N2功能键，用于快速地将物体与测量杯及液体的压力和物体受浮力后的总压力存储于存储器中，以方便微处理器后期的计算。

本实用新型的A/D转换电路采用高精度的HX711芯片，HX711是一款专为高精度电子秤而设计的24位A/D转换器芯片。芯片内提供的稳压电源可以直接向外部传感器和芯片内的A/D转换器提供电源，***板上无需外加电源，芯片内时钟振荡器的上电自动复位功能简化了开机的初始化过程。

本测量仪可方便地测量固体和液体密度，通过调节升降支架，可以将测量物体或测量小球放于测量杯外，也可以将测量物体或测量小球浸没悬挂在测量杯中的液体中，但不与测量杯接触。

实验中，在测量固体密度时，设被测物体的重力为：G＝mg，在实际实验测量中，测量杯一般装入水，测量杯与里面的水的总重力为：G₀＝m₀g

则将被测物体与内装液体的测量杯共同放于测量盘上时的压力为：N₀＝mg+m₀g

如测量示意图，将被测物体系于轻质细线并悬挂浸没于液体中，则被测物体受到重力和浮力作用，测量盘受到压力为：N₁＝mg+m₀g-(mg-F_浮)＝m₀g+F_浮

而在实验操作时，将测量杯及液体放于测量盘上时，将测量值置为0，即使m₀g＝0，则N₀与N₁则化为：N₀＝mg；N₁＝F_浮＝ρ_水gV，其中的V是被测物体排开液体的体积，也即是物体体积。

结合两式，测量出物体与内装液体的测量杯的总压力N₀及物体悬挂浸没入液体时的压力N₁，也即两次测量数值和已知的水的密度就可求出被测物体密度，并由液晶屏显示：

同理，在测量液体的密度时，使用一个已知密度的测量小球，将测量杯及液体置于测量盘时的测量值置0，将测量小球与测量杯共同放于测量盘上的压力值记为N₀，将测量小球悬挂浸没入被测液体时的压力值记为N₂，则液体的密度为：

本测量仪结合了压力传感器和高性能微处理器来测量固体和液体密度，与机械式的天平等仪器相比更加方便和快捷，且避免了人为因素造成的误差，提高了效率，从而提高了测量精度。同时测量仪能对各测量信息进行储存，适合于各级学校的物理等课程的实验测量与实际应用。

Claims (3)

1.一种快速密度测量仪，它含密度测量仪主机、测量杯、测量架、液体和测量小球，其特征是：密度测量仪主机上设置有测量盘(1)、液晶屏(2)、功能和数字输入按键(3)、测量按键(4)，密度测量仪主机内设置有压力传感器及微处理器，数据采集、A/D转换和液晶显示电路；其测量仪主机置于测量架底座(5)上，挂钩(8)上有轻质细线，一端系住测量物体或测量小球，调节升降支架(7)可将测量物体或测量小球放置于测量杯外，或将它浸没悬挂于置于测量盘上的测量杯中的液体里，不与测量杯接触；其压力传感器设置在测量盘下部，压力电信号通过数字采集电路得到，并经A/D转换后，传输给微处理器，处理后的测量数据由液晶屏显示。

2.根据权利要求1所述的一种快速密度测量仪，其特征是：其密度测量仪主机内的微处理器采用TI公司的MSP430F2012芯片。

3.根据权利要求1所述的一种快速密度测量仪，其特征是：其密度测量仪主机内的压力传感器采用四片性能完全相同的电阻应变式压力传感器，并组成惠斯通电桥电路。