基于电磁感应的液体粘度测量系统设计

处理，从而得到对应的被测液体的粘度值。

定时器在计数状态下是每个机器周期计数一次，由于单片机采用的晶振的频率是11.0592MHz，所以定时器的计数一次的时间为：

（4-1）

即定时器的计数值为n时，活塞往复运动的时间为：

（4-2）

再根据第三章中推导出的被测液体粘度与活塞的往复运动时间的关系，即式（3-54），便可求得被测液体的粘度值。

上位机程序既是把通过串口从单片机接收到的数据根据以上公式进行计算处理，得到被测液体的粘度值，并在程序界面上进行显示。

第5章 测量系统可行性验证实验

本论文之前的内容介绍了基于电磁感应的液体粘度测量方法的原理，分析了测量方法的理论基础，并设计了测量系统的各个模块。本章根据以上原理和理论基础，搭建了基于电磁感应的液体粘度测量系统，并进行了测量系统的可行性验证实验，且对测量结果进行了数据分析和探讨。

5.1 系统实验装置

在前面几章的基础上，依据基于电磁感应的液体粘度测量方法的工作原理、理论分析和设计方案搭建了系统试验平台。

其实物图如图5-1所示。

图5-1 系统实验平台

本系统中，电路板与装在探头中的两个电磁线圈进行连接，控制电磁线圈交替通电，从而驱动探头内的柱状永磁铁活塞往复运动。同时，电路板检测由于活塞的往复运动而对电磁线圈产生的感应电压信号，并记录活塞的往复运动时间，然后通过串口传送到PC机进行数据处理和显示。

本系统用到三个电源，其中单片机使用USB供电，活塞驱动电压使用一个可调电压的电源供电，感应电压信号检测模块的电压比较器使用12V固定电压电源供电。

5.2 系统实验与分析

5.2.1 活塞固定周期运动实验

首先进行的是活塞以固定周期往复运动的实验。利用单片机产生固定周期的方波信号，控制柱状永磁铁活塞以固定周期往复运动^[54]。此时，可以观察电磁线圈上的电压波形的特点。

当探头中不放入柱状永磁铁活塞时，即没有活塞做往复运动时，电磁线圈上也就没有感应电压信号。此时，电磁线圈上只有驱动电压的方波信号。

其波形图如图5-2所示。

图5-2 驱动电压波形图

当柱状永磁铁活塞放入探头中后，在驱动电压下，活塞就会在两个电磁线圈之间以固定周期做往复运动。而活塞的运动就会在电磁线圈上产生感应电压，此时电磁线圈上的电压信号就是驱动电压信号和感应电压信号的叠加。

其波形图如图5-3所示。

图5-3 感应电压波形图

5.2.2 活塞实时运动实验

由以上感应电压与驱动电压叠加的电压波形图，可以看出感应电压信号的大致幅度。根据感应电压信号的大小和特点，则可以对感应电压信号检测模块的电压比较器的输入参考电压值进行设置。本系统中是通过电位器对电压比较器的电源电压进行分压，通过调节电位器便可以得到合适的参考电压值。

通过对活塞在实验中需要测量的几种液体中运动时产生的感应电压信号波形图进行观察，感应电压信号的幅值大致在500mV-1V的范围之间。而驱动电压的电压值为9V时，对所要测量的几种液体都能实现活塞往复运动对驱动力的需求，所以驱动电压设置为9V。

根据以上所述，本系统将电压比较器的输入参考电压值设置为9.1V，这样便能对活塞在实验中需要测量的几种液体的运动时产生的感应电压信号进行检测，并且还留有一定的裕量。

设置好参考电压，启动感应电压检测模块后，活塞实现实时往复运动。

此时，其波形图如图5-4所示。

图5-4 实时运动电压波形图

5.2.3 系统标定实验

实现活塞的实时往复运动之后，就可以测量活塞在不同液体中的实时往复运动的时间。本系统中通过单片机定时器的计数功能来记录活塞往复运动的时间，其计数一次为单片机的一个机器周期。

根据以上所述，系统试验平台可以将探头浸入被测液体液体中，使活塞在被测液体中做往复运动，并通过单片机定时器的计数功能来记录活塞往复运动的时间。

由第三章中的理论推导得出的被测液体粘度和活塞往复运动时间的关系以及定时器计数值和时间的关系，便可以得到被测液体的粘度。

由于公式（3-54）中含有一未知数F₁，所以需要利用几种液体的测量结果，对公式中的未知数F₁进行标定。

本实验中选取了空气、水、谷物调和油、花生油、葵花油和芥花油几种介质。实验时间为2010年4月10日，实验条件为室温（18-22℃）。使用图5-1所示的实验平台，对上述几种介质进行测量。当机械探头浸入被测液体中时，活塞便在液体中往复运动，此时单片机定时器的计数值记录了活塞的往复运动时间。

其测量结果如表5-1所示。

表5-1 活塞往复运动时间测量结果