基于霍尔传感器的液体粘度测量仪的研究

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液体粘度是表征液体粘滞性强弱的一个重要物理量,是工业生产与科学研究计算的主要参考数据之一。掌握粘度测量理论知识,有利于人才培养和社会进步。国内众多高校物理实验教学将粘度测量实验收录为必修实验,实验方法多采用落球法测量原理,该方法具有操作简便,物理实验现象明显等优点。但也存在实验仪器落后,测量结果不够准确,能测液体种类较少等缺点。因此研究一款新型实验仪器具有很大的现实意义。本文首先对液体的粘度测量方法及相关仪器的国内外研究现状进行介绍,分析比较各自优缺点。总结高校物理课程采用落球法教学的原因,指出传统落球法存在的问题,提出了基于霍尔传感器与落球法相结合的液体粘度测量新方法,解决了传统的落球法不能测量非透明液体粘度的问题,同时提高测量精度和智能化程度。然后本文对霍尔传感器和落球法进行理论研究,给出了新型测量仪器的系统实施方案,以磁性小球代替传统方法的刚性小球。小球下落过程使霍尔传感器产生霍尔电压,通过对霍尔电压信号的处理求得小球的下落速度,进而求得粘度。并对测量系统的元器件进行选型和设计。然后进行硬件电路设计,主要包括电源电路、恒流源电路、霍尔信号放大电路设计,对本文选用的微控制器STM32F103ZET6内部资源进行简要介绍和相关外围电路的设计。然后进行程序设计,本文包括下位机和上位机两部分的程序设计。下位机程序实现对霍尔电压信号的A/D转换,对小球下落过程进行计时,数据的传输与发送功能。上位机通过编写LabVIEW软件程序来将接收到的数据进行接收、处理和保存,同时对霍尔信号实时显示波形,使实验现象更加直观。最后,搭建液体粘度测量实验平台,对液体的粘度进行测量,获得测量数据。为减小实验相关物理量的测量误差,引入测量不准确度理论。通过对霍尔信号测量数据进行曲线拟合,计算出小球匀速下落时的速度。代入各物理量测量数据,计算出液体粘度值。对实验结果进行分析比较,给出本文粘度测量仪器的优越性和影响测量结果的误差来源,验证了实验方案的可行性。
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