液体密度在线监测系统设计

PAGEPAGE1液体密度在线监测系统设计作者：曹晓娇黄海波指导教师：王锁明摘要目前的光电信号及超声波的理论已经相当成熟，对于超声波的控制已经非常准确，光信号与电信号的转化也已经不再困难，可以说光电技术与超声波技术的广泛应用已经成为一种趋势，而目前，对于液体密度的测定和监控基本有以下两种测定方法：（1）采用固定体积的情况下，监测对应质量的办法得到其密度；（2）采用力敏器件测液体内的压差。我们设想，利用精密的光电仪器和超声波产生，控制仪器来测量液体密度，必将使结果更加精确。此项目拟采用光电手段实现液体密度的实时、在线监测。液体密度的测定较多情况下基本采用固定体积的情况下，监测对应质量的办法得到其密度，国内目前还没有采用光电手段监测液体密度的仪器设备。关键词：液体密度监测光电CCD1.测量原理超声波在液体中传播时，其声速与液体的密度之间遵从下面的关系式：式中k为压缩系数。对于特定的液体，压缩系数是常数，只要测得超声波在液体中的传播速度，就可以得出液体的密度。超声波声速的测量可由下式确定式中Λ为超声波波长（即超声光栅常数），f为超声波激励频率。2.超声光栅将超声波换能器置于方形样品池中构建超声光栅如下图1所示：超声波纵波在盛有液体的玻璃槽中传播时，液体被周期性地压缩与膨胀，形成驻波，其作用会使液体折射率也呈周期变化，称“超声光栅”当单色平行光沿着垂直于超声波传播方向通过液体时，因折射率的周期变化将使光波通过液体后，产生衍射，经透镜聚焦，即可在焦平面上观察到衍射条纹。在系统几何结构一定的条件下，已知单色光波长通过分析观察到衍射条纹，可求得超声光栅常数（即超声波长Λ）3.超声波频率控制主要由单片机，LFG液晶屏和DDS等组成。利用单片机编写相关程序进行控制DDS来实现我们所需的频率，输出正弦波激励超声池。DDS的工作原理如下图：4．光信号的接收及处理实验设计用线性CCD进行光信号的接收，转换为电信号，并用相关的软件进行诉局的采集，成像以及处理，最终得出超声波在待测液体中的传播速度，并经过再一步的计算得到液体密度，计算方式如下：由如下光栅方程：在调好的分光计上，且当很小时，有：其中，为衍射零级谱至k级的距离；为透镜焦距。所以超声波波长：超声波在液体中的传播速度：其中是振荡器的共振频率，为同一色光衍射条纹间距。由以上，可以通过采集CCD图像中的峰值，即光栅亮纹的位置，并对数据进行处理，得到最终结果。5.实验总光路实验系统：图中，（1）为激光器，（2）为平行光管，（3）为超声池，（4）为频率控制，（5）为CCD，（6）为为微型计算机6.数据处理及分析实验最终选取的两组数据如下表：液体密度监测数据表实验监测到的图样：数据编号123456第一组445953434688第二组465565476165不同温度下的液体密度测量表（f=10.27MHz）数据编号12345680℃52486248535470℃52475155575860℃46495257535750℃51485558575940℃52555358576630℃445953434688试验相关的数据：超声波频率：第一组10.32MHz第二组10.18MHz凸透镜焦距：f=75mm液体压缩系数：β=5.4e-10（查得）两组实验的最终结果：第一组ρ=(1.02±0.03)g/ml（p=68.3%）第二组ρ=(1.14±0.03)g/ml（p=68.3%）实验数据分析：以上数据中，第一组为纯水，第二组是密度为1.15的食用碘盐水，由数据可以看出，实验结果基本与事实相吻合。产生了大约4%的误差，主要是由于实验设备略显简陋，系统构架中的各仪器均是实验室的仪器，导致不论是仪器的拼接部分，还是仪器本身的精度，都不够精确，另外，液体密度随温度的变化也不得不考虑在其中，毕竟，每一次实验所处的温度都是不同的，我们使用的压缩系数却是相同的参考文献：1.《超声光栅衍射测量液体中声速的研究》唐煌；2.大学物理实验光学部分；3.《超声光栅实验原理及衍射条纹特点》谢丽莎；4.《使用多个线阵CCD-计算机系统实时监控多界面位置》阮耀平，熊政辉；5.《CCD测量系统的室内试验》周家颖