基于传感器的液体密度计的设计
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【摘要】本文介绍了一种根据U型振动管液体密度传感器的工作原理而设计的液体密度检测电路。该电路弥补了以前此类检测电路的许多不足之处，具有使用方便，性能稳定，精确度高，测量范围宽等优点，并利用单片机来实现对信号的采集，根据振动频率与密度的关系进行数据处理，最终达到了实时检测液体密度的目的。
【关键词】液体密度振动管传感器密度测量
液体密度是液体的重要性质之一。随着科学技术的发展，密度测量在众多领域得到了日益广泛的应用。例如通过实时测量密度变化以控制物质组成和成分，是实现医药、食品、石油化工等方面现代质量控制的重要手段之一。测量液体密度还可以得到液体的其它一些重要属性，如状态等式、热膨胀属性、压缩性能等，这些属性对研究碳水化合物、蛋白质等的分子结构、参数组成有重要的价值。可见改进液体密度的测量手段、提高其测量精度对工业生产的质量检测控制、计量管理水平、科学研究及贸易的发展都有着重要的意义。
一、基本元器件介绍
1.1U型振动管式传感器的结构及工作原理
单U型振动管式液体密度传感器由单U型振动管、拾振器、信号处理电路和激振器等部分组成。振动管的位移振动信号由拾振器拾取，经信号处理电路放大处理后，再送到激振器的电磁线圈，维持振动管稳定的持续振动。当振动管内有被测液体时，被测液体将随着振动管一起振动，使振动系统的总质量发生变化，从而改变了系统的固有振动频率。经适当校准，谐振频率与被测液体密度之间将有确定的对应关系，通过测定振动管的自激振动频率，即可确定待测液体的密度值。
1.289C51单片机
89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压，高性能CMOS 8位微处理器，俗称单片机。
二、硬件电路设计
振动管式密度计基本原理基于系统的固有频率与其质量的关系。当振动管的几何尺寸、形状和材质一定时，物体的固有振动频率仅由振动系统的质量决定，振动系统由振动管及管内的液体组成，振动管的质量固定不变，振动管内的液体质量取决于液体密度，因此测出振动管的固有振动频率的变化即可计算出液体密度变化[1]。
2.1总体结构设计
液体密度检测电路的原理方框图如图1所示。振动管传感器输出的频率信号经放大电路放大后，再送到测频电路测频，经过单片机对测得的数字信号进行运算处理后，得到液体的密度值，并将测得的密度值送到LED显示器显示出来。
2.4显示电路
LED（Light Emitting Diode，发光二极管）显示器[5]是由发光二极管构成的最为常用的显示器件。P0口输出段选码，P2口输出位选码，位选码占用输出口的线数决定于显示器位数，比如4位就要占4条。75452（或7406）是反相驱动器（30V高电压，OC门），这是因为89C51 P2口正逻辑输出的位控与共阴极LED要求的低电平点亮正好相反，即当P2口位控线输出高电平时，点亮一位LED。7407是同相OC门，作段选码驱动器[4]。
2.5总电路图
总电路图如图2所示。当振动管内有被测液体时，被测液体随着振动管一起振动。U型管的位移振动信号由拾振器拾取，经信号处理电路处理后，一路经相位调整和功率放大后送激振器电磁线圈以产生满足相位和幅值要求的激振力，一路变为标准脉冲信号输出。输出的脉冲信号，通过放大电路对信号的幅值进行放大，又分为两路信号，一路作为D触发器的时钟信号，一路送入单片机计数。单片机分别对系统时钟定时、对被测脉冲计数，通过对D触发器的控制实现了计数与定时的同步。然后通过P0口和P2口控制4位共阴极LED显示电路。P0口输出段选码，接7407同相OC门，7407作段选码驱动器。P2口输出位选码，接7406反相驱动器，当P2口位控线输出高电平时，点亮一位LED。单片机对测得的数字信号进行处理后，计算出液体密度值。最后调用显示程序，密度值通过LED数码管显示。
三、结论
设计的U型振动管液体密度计硬件结构简单，软件设计灵活，充分发挥了单片机结构紧凑、功能强大的优点，并且具有体积小、重量轻，携带使用方便、性能稳定、测量精度高且样品种类广等优点，可广泛用于各类高精度密度测量场合。
参考文献
[1]魏新华.液体密度计量装置的研制与开发：[硕士学位论文].北京：中国农业大学. 2002.
[2]魏新华，喻谷源.一种基于单片机的智能化便携式振动管式液体体密度计的研制[J].仪表技术与传感器，2002（7）：12-14.
[3]魏新华，龚家伟，喻谷源等.振动管式液体密度传感器机理的研究[J].农业机械学报，2001，9（5）：89-93.
[4] Hermarn KP.Neubert.Instrument Transducers-An Introduction to their Performance and Design.2nd Ed.Clarendon Press.Oxford.1975.