利用氣體測量不規(guī)則物體體積的系統(tǒng)的設(shè)計

沈校強(qiáng)

江蘇省宜興中等專業(yè)學(xué)校 江蘇宜興 214206

密度測量是一項非常重要的工作。它廣泛影響著科研、生產(chǎn)和生活。在物理上，測量物體密度的基本原理是ρ=m/V，即只要測定待測物體的質(zhì)量和體積，兩者相除就可以得出密度了。其中物體質(zhì)量的測量相對來說比較簡單，它可以通過采用一些比較簡便的途徑，比如天平、電子秤等進(jìn)行測量來完成。但是，物體體積的測量，尤其是一些不規(guī)則物體的體積測量就顯得麻煩了許多。

針對這一難題，目前最主要采用的是利用水等液體排開的體積進(jìn)行測量的方法。但是，在實際操作過程中，該法還是弊端重重，它更適用于不溶于水或者與水不會發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的物質(zhì)，而對于不能直接放置于水的物體來說則只能另尋其道，比如用細(xì)沙或面粉來替代水，或者給待測物體包上薄膜或涂上油層之后再置于水中完成測量…….類似的種種，不僅過程麻煩，而且誤差極大，甚至有可能會破壞被測物質(zhì)的本來特性，對于一些比較珍貴的、不可恢復(fù)的物體來說是萬萬不可取的。

基于上述問題和種種弊端，我們可以嘗試另辟蹊徑，通過利用氣體測量不規(guī)則物體體積來獲得密度的方法，從而解決現(xiàn)實中的一些困惑。在此，設(shè)計一個比較簡單而又安全的氣體測量不規(guī)則物體體積的自動系統(tǒng)就顯得尤為重要。

一、系統(tǒng)設(shè)計原理

1.設(shè)計原理分析

該系統(tǒng)設(shè)計原理可如圖1所示：

圖1 系統(tǒng)原理圖

據(jù)上圖可見，在一個密閉的氣缸中，活塞環(huán)可以由A點運動到B點。假設(shè)活塞環(huán)在A點時，氣缸內(nèi)的容積是V0（不包括待測物體）；活塞環(huán)在B點時，氣缸內(nèi)的容積是V（不包括待測物體）。由于V0和V可以進(jìn)行嚴(yán)格的測定，所以在本系統(tǒng)中就可作為常數(shù)。當(dāng)氣缸中放入待測物體以后，由于待測物體要占據(jù)空腔中的一定體積Vx，所以活塞環(huán)在A點和B點的時候，實際空腔的體積就分別是 V0-Vx和 V-Vx。

2.實驗操作過程

該系統(tǒng)的操作過程是方便而簡單的。

第一步，將待測物體放入氣缸中，關(guān)閉并密封氣缸。此時，活塞環(huán)處于位置A，用氣體壓力傳感器可以讀出此刻缸內(nèi)氣體的壓力P0，用溫度傳感器則可讀出初始溫度t0，作好記錄。

第二步，將活塞環(huán)運動到B點停下，通過氣體壓力傳感器和溫度傳感器可分別讀出此時缸內(nèi)氣體壓力P和溫度t。根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程可得：。其中，Vx為待測物體的體積。然后求解，得出待測物體的體積。由于氣腔的體積V0和V可以提前嚴(yán)格測定，所以，只要測定A點和B點的氣體壓力和溫度，就可以得到待測物體的體積Vx了。

二、主體設(shè)計分析

1.系統(tǒng)設(shè)計

考慮到系統(tǒng)一旦投入實際使用時在自動化控制、運算方面的需求，本系統(tǒng)設(shè)計了如下構(gòu)成：氣密性良好的氣缸和配套的活塞環(huán)（帶有可開關(guān)的門，以便在測試的時候放入待測物體）、壓力傳感器、溫度傳感器、單片機(jī)（AT89C51即可）、LED顯示電路等。

2.電路設(shè)計

從實驗操作過稱可知，系統(tǒng)需要先測出氣缸中的活塞環(huán)分別在A點和B點時的氣體壓力和溫度，然后據(jù)此數(shù)據(jù)再根據(jù)公式進(jìn)行運算，并由LED顯示電路直接顯示出待測物體的體積。故此，電路的結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)框圖

（1）壓力傳感器：該結(jié)構(gòu)的主要作用是將氣體壓力信號轉(zhuǎn)變成電信號對外輸出，本系統(tǒng)可以采用電容壓力傳感器。其工作原理體現(xiàn)為：氣體壓力作用在測量的微小電容上，通過微小電容就可以將壓力轉(zhuǎn)換成與其成正比的電容值，然后再利用振蕩電路將這個電容值轉(zhuǎn)變成可測量的振蕩頻率，由此，便可利用振蕩頻率計算出所測的壓力。所以，在設(shè)計時需根據(jù)實際情況選擇工作壓力范圍恰當(dāng)、測量精度較高、溫度補償范圍比較合適的電容壓力傳感器為佳。在工作壓力范圍內(nèi)操作時，傳感器輸出的振蕩頻率與壓力之間呈一定的線性度關(guān)系，所以在公式中，就可以直接用傳感器輸出的振蕩頻率來代替壓強(qiáng)的大小，這樣就能省去很多中間過程，系統(tǒng)就可以得到極大的優(yōu)化。此時壓力傳感器所測得的信號是數(shù)字信號，便可以直接送給單片機(jī)進(jìn)行處理。

（2）溫度傳感器：在設(shè)計中，該結(jié)構(gòu)則可直接選用由美國DALLAS公司生產(chǎn)的、集成了測量系統(tǒng)和存儲器于一體的芯片DS1624，該芯片集中了諸多優(yōu)點：數(shù)字接口電路簡單，并且能和I2C總線兼容；輸出的數(shù)字溫度可達(dá)13位；測量范圍為-55℃-+125℃，精度達(dá)到0.03125℃，測量溫度的典型轉(zhuǎn)換時間為1秒；在系統(tǒng)氣缸中，還可按照一定的排放方式同時在單片機(jī)上掛載幾片DS1624，以便在測量的時候取其平均值，提高了測量的準(zhǔn)確度。

（3）單片機(jī)：建議在設(shè)計時可采用AT89C51。在這個系統(tǒng)中，單片機(jī)最主要的作用是將兩次所測量的頻率信號和溫度信號進(jìn)行存儲、分析，并結(jié)合預(yù)先測定的參數(shù)（），利用公式運算得出待測物體的體積。這樣，LED顯示電路才可以在單片機(jī)的控制下把最后得出的結(jié)果直接顯示輸出。

三、對減小系統(tǒng)誤差的幾點思考

1.理想氣體的選取和使用。系統(tǒng)工作的原理是建立在理想氣體的條件上的，但是，實際情況是不可能存在完全理想狀態(tài)的氣體。一般情況下，我們可以考慮直接使用干燥的空氣進(jìn)行測量，因為在溫度不太低、壓強(qiáng)不太大的條件下，氣體的性質(zhì)比較接近理想狀態(tài)，而且使用干燥的空氣還可以簡化系統(tǒng)的設(shè)計和減小成本。但是，這也意味著本系統(tǒng)在投入使用時，必須采取一定的措施干燥氣缸里的空氣。當(dāng)然，如果能采用純凈的氮氣或者惰性氣體就更理想了，非但能提高測量的準(zhǔn)確度，還可以起到保護(hù)待測物體的作用。

2.氣缸必須確保良好的氣密性。為此，我們必須考慮到待測物體的體積、活塞環(huán)運動后改變的體積和缸體的體積相互之間大小不能懸殊過大，建議將氣缸設(shè)計成體積可調(diào)的形式。

3.確保測量精度的提高。在系統(tǒng)設(shè)計時，可以將活塞環(huán)設(shè)成A點、B點和C點3個狀態(tài)，這樣，便可確保氣缸中的壓力傳感器和溫度傳感器的選取范圍不止一個，無論活塞環(huán)是在A點、B點還是C點，傳感器測量出來的值都可取其平均值；然后，由于活塞環(huán)有3個位置，就可以有2個的計算值，最后的結(jié)果也可以取其平均值。經(jīng)過這樣處理后的測量精度便可得到很大的提高。

4.工作過程的科學(xué)合理。在系統(tǒng)程序設(shè)計的時候，應(yīng)該考慮到壓力傳感器和溫度傳感器在自身處理時也需要一定的時間，同一組數(shù)據(jù)的測量和讀取要在盡可能短的時間里完成，以防由于溫度的變化而導(dǎo)致系統(tǒng)的準(zhǔn)確度下降，所以系統(tǒng)的工作過程要科學(xué)合理地進(jìn)行安排。

5.系統(tǒng)調(diào)零工作的測試。在測量之前，可以采用一些標(biāo)準(zhǔn)體積去進(jìn)行類似于系統(tǒng)調(diào)零工作的測試，以減小系統(tǒng)的測量誤差。

總之，本系統(tǒng)采用通過氣體測量不規(guī)則物體體積的方式來完成待測物體的密度應(yīng)該是具有可推行性的，它的測量過程可以全自動進(jìn)行，可以對范圍更廣的待測物體進(jìn)行測量，而且具有測量簡單、測量數(shù)據(jù)可以直接顯示、對待測物體沒有損害等優(yōu)點。如果能夠合理設(shè)計和使用，可以達(dá)到較高的測量準(zhǔn)確度和精度。故本系統(tǒng)是具有一定的實用價值的。

[1]《大學(xué)物理學(xué)》，張三慧主編，清華大學(xué)出版社，2007年第一版.

[2]《傳感器與傳感器技術(shù)》，何道清張禾諶海云主編，科學(xué)出版社，2014年第三版.

[3]《單片機(jī)原理及應(yīng)用》，馮文旭主編，機(jī)械工業(yè)出版社，2008年第一版.