液体深度测量装置及实验设计

杨宏伟, 高 翔, 邵圣杰, 胡欣瑞, 许恒誉

(1. 南京农业大学 理学院, 江苏 南京 210095;2. 南京农业大学 信息科技学院, 江苏 南京 210095;3. 南京农业大学 食品科学技术学院, 江苏 南京 210095)

仪器设备研制与应用

液体深度测量装置及实验设计

杨宏伟1, 高 翔2, 邵圣杰3, 胡欣瑞3, 许恒誉1

(1. 南京农业大学 理学院, 江苏 南京 210095;2. 南京农业大学 信息科技学院, 江苏 南京 210095;3. 南京农业大学 食品科学技术学院, 江苏 南京 210095)

应用物理学中的液体压强与液体深度的关系,以及物体变形与电阻改变的关系,通过测量一定液体深度处的变形电阻的电流值及该深度下的压强值,从而测出液体深度,再利用单片机计算和显示其液体深度等参数。经检验,达到了较高的测量精度,可以满足一般的工农业生产应用。将该实验应用于物理教学实验,还可以让学生学习和巩固流体力学、电学和固体力学等学科的知识。

液体深度； 压强; 电阻； 单片机

实际中,有相当一部分的液体深度是无法或不易直接用直尺类工具测量的,例如养殖水面、池塘、水箱里的水、较大容器中的液体、大小河流等的深度。本文根据物理学中液体传导压强的帕斯卡原理,液体深度与压强有一定的数学关系,而压强的改变可以使受压物体的形状发生变化,形状的变化又可以使粘贴在此形状上的特定的电阻发生变化,从而导致电压或电流发生改变,根据这些原理,设计制作了该实验装置,其特点是反应灵敏,响应速度快,体积小,测量携带方便,精度可以满足实际使用要求[1-2]。

理工农医类专业的学生,还要继续学习物理学知识,而真正做实验的却很有限,尤其是与现实生活紧密相关的、容易让学生理解的实验较少[3-4]。为了使物理教学达到学以致用、学用结合,使学生在大学学习中能够很快体会到物理学知识的具体应用,结合物理学理论教学实践,开发设计了这一实验装置。

1 工作实验原理

如图1所示,假设容器中所装液体的密度为ρ,液体表面与大气相通,且大气压强为p0,当地重力加速度为g,则液体深度为h处的压强大小p为[5-6]

(1)

图1 液体深度与压强关系

图2为具体的压力传感器(图1中的方框)结构示意图。它的2根引出线与电阻应变片相连,导气孔与大气相通,可以将大气压强p0引导到电阻应变片的上表面；电阻应变片粘贴在硅胶环上,再用黏合剂将硅胶环与玻璃基板相粘连。当压力传感器放入液体中时,液体压强p通导液孔将压强传递到硅胶环的下表面,使其发生变形,同时将变形再传递到电阻应变片的下表面；而电阻应变片的上表面与大气压强p0相连通,这样电阻应变片上下的压强差为[7-8]

(2)

硅胶环的弹性很好,且很薄,玻璃基板和黏合剂也很薄,所以,将其厚度综合考虑,进行适当修正,通过测量其压强差Δp,就可以由公式(2)求出液体深度h。

图2中的电阻应变片的示意图见图3。当压力传感器放入液体中时,作用于电阻应变片上下两测有压强差Δp,它使电阻应变片变形,电阻应变片的长度L和面积S将改变。电阻定律：

(3)

图2 压力传感器结构示意图

图3 电阻应变片示意图

构成电阻应变片的材料一般不会改变,即电阻应变片的电阻率ρ一般不会改变,因而L和S的改变使应变片的电阻R改变。

假如外界给测量装置供给的稳定直流电压为U,根据欧姆定律,当电阻应变片的电阻R改变时,由于电压U不变,所以电流I将发生改变,测得电流的变化,就可以对应地得到电阻的变化,进一步对应找到压强的变化,从而得到液体深度h。

2 结果显示及验证

为了更加清晰地观测测试结果，在本实验中接入单片机控制电路,通过编写计算程序,将结果显示到屏幕上,方便观察。采用ATmega168(Nano2.x)单片机,首先利用proteus仿真软件将电路仿真成功,然后购买零部件焊接,最后显示到12864显示屏上。其显示结果共2行,第一行显示当前电流(mA),第二行显示经过液体深度值(m),如图4所示,直接显示深度值更加直观。经过实际应用直尺等测量工具测量液体的深度,与制作的该仪器测得的深度相比较,表明其测量可靠,精度可以达到厘米级别,一般情况下,对小于3 m深的水,其误差小于5 cm,完全可以满足一般的工农业生产需求,达到了实验目的[9-12]。

图4 测量装置显示结果

图5是本测量装置的整体示意图,电源可以采用10～20 V直流供电,也可以采用交流220 V供电,再经过一个小型变压整流装置,将交流电压变为符合要求的直流电压。从图5可以看出,其使用的零部件很少,体积小,便于携带。带有发光二极管,可以在夜间或昏暗的环境下照常工作。

图5 测量装置整体示意图

图6为测得的流过传感器的电流与液体深度的关系曲线,从图中可以看出,电流与液体深度基本呈现线性关系,这为其今后应用带来了方便。同时,在这套测量装置中,测量深度与传感器的连接线的长度没有直接关系,也就是说,只要传感器能够到达的地方,尽管连接传感器的连接线是弯曲的,也不影响测量结果,这为不易到达的地方的深度测量带来方便。

图6 传感器电流与液体深度的关系曲线

3 具体实验过程

(1) 将实验装置按照图5连接好,预热5 min。其中的直流电源是10～20 V,一是保证实验人员的用电安全,特别是作为初学者的学生的安全,二是为了给单片机和显示器供电,三是为了外出方便携带。如果是在实验室内,则可以考虑用220 V交流,经过变压器和整流后变成直流供电。

(2) 在容器中装入没有腐蚀性的液体,将传感器放入此液体中(确保液体与传感器不会发生化学反应),不断改变传感器在液体中的深度位置时,12864显示屏幕上的电流和液位深度值在不断改变。当传感器所在液体中的深度不变时,显示屏上的数值则保持稳定。为了验证其准确性,这时可以用直尺直接测量液体深度,并与该装置测得的结果进行比较。

(3) 保持传感器底部的深度不变,改变传感器底部的朝向,可以发现,显示屏上的电流和深度值不会改变,这可以体会压强向各个方向传递的帕斯卡原理。

(4) 传感器与单片机和电源的连接线的长度,在有限范围内,不会影响测量结果,只要此连接线不是特别长,例如3 m以内,则此连接线在液体中的弯曲和盘旋都不影响测量结果,这种现象,可以让学生思考解答,通过具体实验帮助学生巩固所学知识。

4 实验价值分析

本实验的实验原理很简单,但它融合了不少物理学知识和原理。至少有如下的实验使用价值[13-14]：

(1) 验证流体力学知识、压强传递和帕斯卡原理，可以让学生体会这些知识和原理的应用价值。

(2) 电阻定律与欧姆定律的灵活应用。学生通过实际操作,知道了电阻应变片的变化规律和电阻的一种具体应用,体会了电阻定律,这对扩大学生视野,将书本知识灵活应用于实际工作,都有很好的启发作用。

(3) 可以结合学生专业实际开展教学工作。农业院校中,有相当一部分专业的学生将来会与液体打交道,难免要测量液体的物理学参数,例如深度等。例如水产养殖专业要测量鱼塘水深、农学专业要测量稻田水渠的水深、动物医学和动物科学的要测量水池中的水深等,这些都是学生的基本功。

5 结语

利用大学物理学课程中的帕斯卡原理,根据液体深度与压强的关系、材料变形与电阻改变的关系,设计制作了便携式液体深度探测装置。在该仪器中,利用单片机知识,制作了计算和显示电路,可以将测量结果适时显示到屏幕上,方便观察。该深度探测装置在小范围内进行了应用,取得了比较好的实验效果,使学生感受到了物理学知识的具体应用,物理学基础理论与专业相结合的可能性。该仪器组成简单,使用的元器件少,成本低,其测量精度可以达到厘米级,完全可以满足一般的工农业生产需要。

References)

[1] 程守洙,江之永.普通物理学[M].5版.北京:高等教育出版社,2002.

[2] 马文蔚.物理学[M]. 5版.北京:高等教育出版社,2006.

[3] 杨宏伟.物理教学中提高学生主动学习的措施[J].实验室研究与探索,2010,29(3):124-126.

[4] 杨宏伟.太阳能光伏应用创新性实验的实践[J].实验技术与管理,2013,30(9):22-24.

[5] 霍剑青.大学物理实验[M].北京:高等教育出版社,2002.

[6] 杨宏伟.物理学[M].3版.北京:中国农业出版社,2012.

[7] 胡晓新,王伟,朱骏.快速液深测量尺的研究[J].检验检疫科学,2001,11(6):14-16.

[8] 彭晓钧,冯学超.海水深度测量系统研究[J].压电与声光,2013,25(2):293-296.

[9] 程国钢.案例解说单片机C语言开发:基于PIC+Proteus仿真[M].北京:电子工业出版社,2013.

[10] 陈忠平.ATmega16单片机C语言程序设计经典实例[M].北京:电子工业出版社,2013.

[11] Blum R.Arduino程序设计指南[M].北京:电子工业出版社,2015.

[12] 凯姆·卡尔文,泰勒·卡尔文. Arduino与电子制作[J].电子制作,2012(8):68-73.

[13] 杨宏伟.大学物理学教学中的实证研究[J].教育教学论坛,2014(4):92-93.

[14] 李斌,谭鹏,陈国杰,等.自制物理实验仪器的探索与实践[J].实验技术与管理,2013,30(6):46-49.

Liquid depth measuring device and experimental design

Yang Hongwei1, Gao Xiang2, Shao Shengjie3, Hu Xinrui3, Xu Hengyu1

(1. College of Sciences,Nanjing Agricultural University,Nanjing 210095,China; 2. College of Information Science and Technology,Nanjing Agricultural University,Nanjing 210095,China; 3. College of Food Science and Technology,Nanjing Agricultural University,Nanjing 210095,China)

By applying the relation of liquid pressure to liquid depth in physics and the relationship between deformation and resistance change,and through measuring the current value of deformation resistance at a certain depth and the pressure at this depth,the depth of the liquid is measured. Then by using SCM,the liquid depth and other parameters are calculated and displayed. It has been proved that the measurement accuracy is higher and can meet the general applications of the industrial and agricultural production. When this experiment is applied to physics teaching,it can help students to learn and consolidate the knowledge of fluid mechanics,electricity and solid mechanics.

liquid depth; pressure; resistance; SCM

10.16791/j.cnki.sjg.2017.07.019

2016-12-08

南京农业大学理学院教育教学改革项目(201510)

杨宏伟(1963—)，男,河南汝州,博士,教授,博士生导师,研究方向为计算物理学和物理学教学.

E-mail：phd_hwyang@126.com

O4-34

A

1002-4956(2017)07-0069-03