王學(xué)水,姜 浩,祝志浩,李志濤,馬亞楠

(山東科技大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，山東 青島 266590)

落球法通過測量下落小球的終極速度計(jì)算液體黏度[1]，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)儀器通過人工秒表計(jì)時，存在視覺誤差與反應(yīng)誤差. 張海林等利用CCD工業(yè)攝像機(jī)對落球法進(jìn)行改進(jìn)[2]，黃秋萍利用光電門進(jìn)行改進(jìn)[3]，這2種方法都不能測量非透明液體. 王本陽等利用集成霍爾開關(guān)式傳感器進(jìn)行改進(jìn)[4]，雖然解決了非透明液體的黏度測量問題，但磁性小球提供的磁場到達(dá)定值后，傳感器會持續(xù)輸出高電平，影響測量精度.

本文利用線性霍爾傳感器實(shí)時輸出模擬霍爾電壓信號，通過對霍爾信號采集、處理和分析計(jì)算出實(shí)驗(yàn)小球的終極速度. 該方法解決了傳統(tǒng)落球法不能測量非透明液體黏度問題，同時還提高了測量精度，并且拓寬可測量液體黏度的范圍，符合目前黏度測量儀對于傳統(tǒng)測量方法改進(jìn)的要求，使其智能化. 該方向還加強(qiáng)了學(xué)科間交叉滲透，拓寬了學(xué)生視野，豐富了實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，提高了學(xué)生實(shí)驗(yàn)的積極性.

1 基本原理及測量儀器

如圖1所示，磁性小球由圓柱筒頂部下落到底部過程中，在經(jīng)過傳感器正中間時，傳感器輸出的霍爾電壓為最大值或最小值. 因此實(shí)驗(yàn)結(jié)束時，每個傳感器都會輸出具有峰值的波形信號. 若傳感器等間距分布，通過實(shí)驗(yàn)儀得出每個峰值產(chǎn)生的時間，可判斷小球的運(yùn)動狀態(tài)并求出終極速度，求得液體的黏度.

圖1 液體黏度測量儀系統(tǒng)框圖

黏度測量儀由5部分組成：

1)實(shí)驗(yàn)儀主體部分，該部分為傳統(tǒng)落球法實(shí)驗(yàn)儀器.

2)傳感器及信號調(diào)理部分，將傳感器A，B，C和D以10 cm間隔由上至下焊接在電路板上. 傳感器采用恒流源供電方式，保證輸出信號的變化只與小球作用的磁場變化有關(guān). 信號調(diào)理電路用于放大霍爾信號，并轉(zhuǎn)換為可被微控制器采集的單端電壓.

3)電源部分，為微控制器提供3.3 V工作電壓，為恒流源電路提供+12 V工作電壓，為信號調(diào)理電路提供±15 V工作電壓.

4)下位機(jī)部分，使用微控制器內(nèi)部12位A/D轉(zhuǎn)換器采集霍爾信號，轉(zhuǎn)換精度高，轉(zhuǎn)換速率快，最快為1 μs. 使用內(nèi)部定時器計(jì)時，時鐘頻率為72 MHz，計(jì)時準(zhǔn)確. 在每次對霍爾信號轉(zhuǎn)換完成后，將信號與時間數(shù)據(jù)上傳到計(jì)算機(jī).

5)上位機(jī)部分，LabVIEW程序接收和保存下位機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)，并根據(jù)數(shù)據(jù)實(shí)時顯示霍爾信號波形圖. 利用Matlab擬合數(shù)據(jù)，得到每個傳感器輸出的霍爾信號達(dá)到峰值時所對應(yīng)的時間.

實(shí)驗(yàn)時將磁性小球固定在鐵制拉桿中央，套在圓柱筒上. 調(diào)整圓柱筒豎直放置，霍爾傳感器電路板也豎直固定在圓柱筒上. 然后接通電源，上位機(jī)運(yùn)行LabVIEW程序，配置串口通信參量，設(shè)置數(shù)據(jù)文件保存位置. 在配置完成后，點(diǎn)擊運(yùn)行界面的開始按鈕，將鐵制拉桿向上拔起，使小球下落. 待小球下落完成后，點(diǎn)擊運(yùn)行界面的停止按鈕，完成實(shí)驗(yàn).

2 技術(shù)實(shí)現(xiàn)方法

2.1 元器件選型

HG-302C線性霍爾傳感器具有很好的線性度，溫度性能穩(wěn)定，現(xiàn)已作為霍爾效應(yīng)實(shí)驗(yàn)中使用的THS119線性霍爾元件的替代元件.

磁性小球選擇N35燒結(jié)釹鐵硼磁鐵，其具有非常優(yōu)異的磁特性，充磁方向分為軸向與徑向，可排除小球下落過程因自身翻轉(zhuǎn)帶來的實(shí)驗(yàn)誤差.

2.2 恒流源及信號調(diào)理電路

圖2為由運(yùn)放LM324和三極管構(gòu)成的壓控恒流源電路[5]，組態(tài)為電流串聯(lián)負(fù)反饋. 調(diào)節(jié)R15阻值，可實(shí)現(xiàn)0～10 mA恒流變化.

圖2 恒流源電路

在實(shí)際測量中發(fā)現(xiàn)，磁性小球下落過程使傳感器輸出的霍爾信號在0～1 mV內(nèi)變動. 微控制器不能采集微弱的信號，因此設(shè)計(jì)了由3個OP07構(gòu)成的儀用放大電路[6]. 如圖3所示，第1級用于信號放大及提高共模抑制比，并且可以改變Rw=R20+R21阻值調(diào)節(jié)放大倍數(shù)；第2級放大用于電壓跟隨，雙端輸入轉(zhuǎn)單端輸出，其輸入與輸出電壓關(guān)系為

(1)

圖3 霍爾信號放大電路

實(shí)驗(yàn)時小球?qū)鞲衅魇┘拥拇艌龇较虿煌?，因此傳感器會輸出正?fù)霍爾電壓，經(jīng)過放大之后，微控制器不能采集負(fù)電壓，因此設(shè)計(jì)了升壓電路. 如圖4所示，該電路為同相輸入求和電路，輸入與輸出電壓關(guān)系為

VADC≈0.4(V分+Vout),

(2)

其中V分為電阻R30的分壓.

升壓電路將霍爾信號提升了約1.5 V，微控制器電壓采集范圍為0～3.3 V，所以霍爾信號的放大范圍為0～1.5 V. 由于未對傳感器存在的不等位電勢進(jìn)行補(bǔ)償，所以信號放大倍數(shù)選為偏小的100倍.

圖4 霍爾信號升壓電路

2.3 微控制器軟件工作流程

微控制器工作流程如圖5所示，先對串口通信參量、內(nèi)部DMA通道參量等進(jìn)行配置，并啟動A/D轉(zhuǎn)換. 在實(shí)驗(yàn)開始時，通過上位機(jī)發(fā)送字符1，微控制器啟動定時器開始計(jì)時，讀取并計(jì)算A/D轉(zhuǎn)換值，然后發(fā)送數(shù)據(jù). 延時5 ms，實(shí)現(xiàn)每5 ms采集1次霍爾信號. 上位機(jī)發(fā)送字符2，關(guān)閉定時器并停止發(fā)送數(shù)據(jù)，結(jié)束本次實(shí)驗(yàn). 上位機(jī)發(fā)送字符3，重置計(jì)時時間，可重新開始實(shí)驗(yàn). 這樣設(shè)計(jì)的目的為實(shí)驗(yàn)時只需在上位機(jī)進(jìn)行操作即可，簡化實(shí)驗(yàn)步驟.

圖5 微控制器工作流程

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)測量及處理

待測液體為蓖麻油，室溫為17.5 ℃. 直接測量量測6次，液體的密度ρ0=(0.959±0.002)×103kg/m3，液面高度H=(596.8±0.5) mm，筒內(nèi)直徑D=(29.47±0.12) mm，磁力小球直徑d=(7.993±0.004) mm，小球密度ρ=(7.497±0.002)×103kg/m3.

點(diǎn)擊LabVIEW面板上的開始、停止、復(fù)位按鈕，對應(yīng)向微控制器發(fā)送字符1，2，3，實(shí)現(xiàn)對下位機(jī)的控制. 實(shí)驗(yàn)過程中波形圖控件會實(shí)時繪制每個傳感器產(chǎn)生的電壓信號，使實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象非常明顯. 其波形顯示如圖6所示，圖中紅、綠、藍(lán)、粉曲線分別代表霍爾傳感器A，B，C和D輸出的霍爾電壓信號.

圖6 LabVIEW程序前面板

通過Matlab對保存的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合，得到霍爾信號峰值所對應(yīng)的時間. 擬合結(jié)果如圖7所示.

圖7 Matlab數(shù)據(jù)擬合

重復(fù)6次實(shí)驗(yàn)，得到小球經(jīng)過每個傳感器所用時間如表1所示. 可以看出小球經(jīng)過每個傳感器的時間基本一致，可以判定小球處于勻速運(yùn)動狀態(tài)，取經(jīng)過傳感器A和D的時間計(jì)算小球的終極速度.tAD測量均值為2.907 s.

將數(shù)據(jù)代入黏度測量公式并做二級修正，

(3)

計(jì)算所得蓖麻油黏度值為η=1.19 Pa·s. 計(jì)算黏度測量不確定度[7]為μC(η)= 0.01 Pa·s，最終測得的蓖麻油黏度為η=(1.19±0.01) Pa·s. 實(shí)際環(huán)境下蓖麻油的黏度值為1.23 Pa·s，本實(shí)驗(yàn)儀測量結(jié)果與其相比較，測量偏差為3.3%.

表1 小球經(jīng)過各傳感器所用時間

4 結(jié)束語

從實(shí)驗(yàn)過程可以看出，該實(shí)驗(yàn)儀器并沒有增加操作難度，在實(shí)驗(yàn)時只需點(diǎn)擊上位機(jī)界面的開始和停止按鈕便可以進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，完成對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的記錄，實(shí)驗(yàn)操作方便. 對測量儀器進(jìn)行重復(fù)性實(shí)驗(yàn)，測量數(shù)據(jù)穩(wěn)定. 本文對于傳統(tǒng)落球法的改進(jìn)，是對其添加硬件電路，這樣可以很方便地對傳統(tǒng)測量儀器進(jìn)行升級改進(jìn).