一种管夹光电门测定液体粘滞系数实验仪的制作方法

本发明涉及液体粘滞系数测量技术领域，也属于实验仪器领域，具体涉及一种管夹光电门测定液体粘滞系数实验仪装置。

背景技术：

液体粘度就是液体粘滞性大小的量度，是描述液体内摩擦性质的一个重要物理量，与液体的性质、温度和流速(非牛顿液体)有关。它表征液体反抗形变的能力，只有在液体内存在相对运动时才表现出来。工农业生产和科学研究中，常需要了解液体粘度。液体粘度常用于各种润滑油的质量鉴别和用途确定，及判断各种燃料用油的燃烧性能及用途，同时在材料科学中占据重要地位。斯托克斯法是测定液体粘滞系数的基本方法，大学物理实验教学经常采用落球法进行测量。

如杨洋，富德兰等的“tydg-ⅰ多光电门可调温式液体粘滞系数测试仪”的论文文献，公开了一种落球法粘滞系数测定仪，提供了一种使用激光发射器与接收器组成的光电传感器测量钢珠下落时间的测量装置，比秒表手工计时精确度高。目前此实验仪器普遍存在着以下问题：

1)激光发射器与激光接收器均要靠顶丝固定在圆柱形支杆儿上，不稳固，易松动；且两者难以做到相对180°水平安置。

2)上下两组激光束必须在同一个竖直平面内，下落的钢珠才能依次遮挡两束激光，测出下落时间，上述过程，调节步骤多，耗时耗力。

3)两对激光光电门均设置在量筒的外部，无法保证垂直入射，激光由空气穿过盛有液体的玻璃量筒再射出，发生了4次折射现象，不再是直线传播；此时，需要再次调整两个接收器的位置，直到均接收到信号为止；且两个激光束必须在同一个竖直平面上，实验时反复多次调整激光器与接收器位置，耗时耗力,甚至2-3两个小时都调整不到位，无法按时完成实验测量，最终同学只能用秒表手动计时，造成实验结果误差大。

4)传统仪器是在仪器横梁中间放重锤，重锤尖儿的位置作为量筒中心点，此种定位难以准确无误地将量筒放置在横梁中导管的正下方，投掷的钢珠无法沿量筒中心轴下落。钢珠不能从中心轴线下落，恰恰是实验误差的一个来源。

基于上述原因设计一种管夹光电门测定液体粘滞系数实验仪。

技术实现要素：

为解决上述技术问题，本发明是提供了一种管夹光电门测定液体粘滞系数实验仪，其特征在于，包括钢珠、量筒、量筒盖、至少两个管夹光电门；所述量筒两侧相对设置两个凹槽，所述凹槽内设置至少两对锥槽，所述两个凹槽内锥槽相对设置，锥槽的中心线重合且穿过所述量筒中心线；

所述管夹光电门包括两个夹臂、激光发射器、激光出射头、激光接收器、激光接收头、调节螺丝和固定装置；所述两个夹臂一端相互铰接，另一端可由调节螺丝调节两夹臂张开的角度；所述两个夹臂自由端分别可活动设置激光出射头和激光接收头，所述激光出射头和激光接收头均为圆锥台形，其形状与所述锥槽匹配，所述激光出射头和激光接收头的直径较大的底面分别光学连接所述激光发射器和激光接收器；所述固定装置用于固定所述管夹光电门与所述量筒的相对位置。

作为优选的技术方案，还包括竖直杆、底座；所述竖直杆和所述量筒均设置在底座上，所述管夹光电门能够固定在竖直杆上，固定位置可调。

作为优选的技术方案，还包括底脚螺丝、水平仪；所述水平仪设置在底座上，设置在底座的多个所述底脚螺丝用于将底座调节至水平。

作为优选的技术方案，所述管夹光电门还包括顶丝、c型管套、信号线，所述顶丝和c型管套相互配合将所述管夹光电门固定在所述竖直杆。

作为优选的技术方案，还包括电子计时器，其通过信号线与所述激光发射器和激光接收器连接，用于测量钢珠下落至对应管夹光电门的用时。

作为优选的技术方案，通过调节螺丝调节两夹臂张开的角度，以适应不同直径的量筒。

作为优选的技术方案，所述激光出射头和激光接收头插入所述锥槽后，圆锥面相互贴合，所述激光出射头和激光接收头的光轴固定并穿过所述量筒的中心。

作为优选的技术方案，包括两个管夹光电门，所述凹槽内设置两对锥槽，每一对锥槽相对设置。所述量筒壁上的两条竖直凹槽，与量筒中心轴在同一竖直面上，当钢珠下落时依次穿过两束激光，而不需要再调整发射器与激光接收器的相对位置，减少测量步骤。

量筒盖为内嵌式盖在量筒上，与量筒内壁紧密接触，无缝隙；所述量筒盖其上设有上沿可以放置待投入的小钢珠。

量筒盖的中心设置有中心孔，中心孔的大小可以设置为φ1.5mm、φ2.0mm、φ2.5mm。

钢珠直径为φ1.5mm、φ2.0mm、φ2.5mm，与量筒盖中心孔大小相匹配。

钢珠通过量筒盖的中心孔投入盛有液体的量筒中，钢珠能够精准地沿中心轴下落，减少实验误差。

锥槽具有直径较大的底面和直径较小的顶面，顶面朝向量筒内部，底面为开设在凹槽中的开口，顶面直径范围1-5mm，底面直径范围1.5-8mm。激光出射头和激光接收头均为圆锥台形，其形状与锥槽匹配，该圆锥台具有与锥槽相同的顶面直径，直径范围同样为1-5mm，圆锥台高度大于锥槽深度，圆锥台底面直径范围2-10mm。

激光出射头和激光接收头与管夹光电门的两个夹臂分别可活动连接，这样在不同张开角度下，激光出射头和激光接收头均能贴合地插入锥槽，使得同一规格尺寸的管夹光电门能够适用于不同规格的量筒时都能达到激光出射头和激光接收头的精确对准。激光出射头和激光接收头可以通过旋转球头固定在两个夹臂上，也可以使用硅胶或橡胶连接件固定，也可以采用软性胶水固定。激光出射头和激光接收头与夹臂的活动连接方式应当理解为可以采用任何本领域常规的可活动连接方式。

理想情况下，激光出射头和激光接收头插入锥槽后由调节螺丝调节夹紧，激光出射头和激光接收头的圆锥台的顶面与锥槽的顶面完全贴合(之间可以滴入光学耦合液)，二者锥面也完全贴合以锁定朝向。

电子计时器与第一管夹光电门(必要时包含第二管夹光电门、第三管夹光电门，以及更多的管夹光电门)联接；可以显示和存储测量次数、测量时间等。

所述竖直杆设置有刻度，可以读出两个光电门间的距离。

所述底座设有三个底脚螺丝，可以调节底座水平；所述底座设有水平仪。

所述管夹光电门内部安装激光发射器与激光接收器，大致相对设置，出射方向由激光出射头和激光接收头决定；激光出射头和激光接收头可以由透明块形成，也可以为光纤组件。

管夹光电门的两臂左右对称；通过固定螺丝调节开口的大小，内部可以放置直径不同的量筒；管夹光电门的尾部为c型管套，由顶丝固定在竖直杆上，管夹光电门为一整体设计。

量筒为透明的有机玻璃材质，其筒壁上相对位置开设两条竖直凹槽，凹槽用于引导激光出射头和激光接收头的插入，凹槽内等间距设置多组锥槽，每组锥槽等高设置，且中心轴重合，穿过量筒中心。这使得激光束垂直于量筒壁发射，因激光入射角为零，激光通过液体传播几乎不发生折射现象，直接射入接受器；水平方向不需调节激光发射器与接收器的位置，大大简化操作步骤。

作为优选的技术方案，量筒上设置高度刻度，刻度优选设置在凹槽附近，锥槽设置2-20组，优选在刻度的整数刻度线处设置锥槽。

设置多个管夹光电门，可以改变多个管夹光电门的设置位置，可以测量半程速度、全程速度，由此判断钢珠是否达到匀速运动，亦可研究钢珠下落的运动规律。

量筒内盛装待测液体，当钢珠下落时依次穿过每个管夹光电门的激光。

量筒盖设有上、下沿；上沿内部可以放置待投入的小钢珠，下沿与量筒内壁紧密接触，无缝隙；所述量筒盖设有中心孔，中心孔的大小设置为φ1.5mm、φ2.0mm、φ2.5mm。钢珠直径为φ1.5mm、φ2.0mm、φ2.5mm，与量筒盖中心孔大小相匹配。投掷直径不同的钢珠，可以研究下落速度v与钢珠直径d的函数关系。

本发明取得了显著的技术效果，具体如下：

(1)创造性地设置管夹光电门，省去了激光发射器和接收器的对准操作，显著提高了测量效率。并且如果将激光出射头和激光接收头完全固定设置，则可能由于夹臂结构形变，制造精度等问题而导致激光发射器和接收器对准失效。本发明采用激光出射头和激光接收头与锥槽的匹配自动实现激光对准量筒中心，这大大简化了对准操作，将对准用时减少了至少10倍。

(2)夹臂结构容易形变，而量筒结构稳定性极高，因此激光出射头和激光接收头与夹臂的活动连接方式，使得激光出射头和激光接收头的朝向主要由量筒上的锥槽决定，进一步使得对准操作更加精确，也使得管夹光电门的制造精度要求降低，能有效控制制造效率，节约劳动成本。

(3)钢珠通过量筒盖的中心孔投入盛有液体量筒中，钢珠能够精准地沿中心轴下落，减少实验误差。

(4)本装置取消了横梁、导管、铅锤等钢珠释放装置。量筒盖的设计可以使钢珠能够精准地沿中心轴下落，减少实验误差。此种设计构思巧妙，简化了实验装置，降低制作成本，减少了实验步骤，提高了实验效率。

附图说明

图1管夹光电门测定液体粘滞系数实验仪示意图

图2管夹光电门示意图

图3量筒盖立体示意图

图4量筒盖俯视示意图

附图说明：量筒盖(1)、中心孔(2)、钢珠(3)、量筒(4)、凹槽(5)、锥槽(6)、第一管夹光电门(7)、第二管夹光电门(8)、第一激光出射头(9)、第一激光接收头(10)、第二激光出射头(11)、第二激光接收头(12)、调节螺丝(13)、顶丝(14)、信号线(15)、竖直杆(16)、底座(17)、底脚螺丝(18)、水平仪(19)、电子计时器(20)。

具体实施方式

本发明是一种落球法粘滞系数测定仪，利用现代半导体激光技术结合单片机计时方法测定直径不同钢珠的下落时间，利用斯托克斯公式，从而测量出液体的粘滞系数。特点为仪器结构简明扼要、操作简便、现象直观、测量数据准确、测量误差小，重复性好，造价低廉。具体技术方案如下：

以包括两个管夹光电门的技术方案为例。根据图1可知，该测试仪包括量筒盖(1)、中心孔(2)、钢珠(3)、量筒(4)、凹槽(5)、锥槽(6)、第一管夹光电门(7)、第二管夹光电门(8)、第一激光出射头(9)、第一激光接收头(10)、第二激光出射头(11)、第二激光接收头(12)、调节螺丝(13)、顶丝(14)、信号线(15)、竖直杆(16)、底座(17)、底脚螺丝(18)、水平仪(19)、电子计时器(20)。

所述带有刻度的竖直杆(16)通过螺丝固定于底座(17)上；量筒(4)置于底座(17)上。所述底座(17)安装三个底脚螺丝(18)，可以调整底座水平；水平仪(19)安装在底座(17)上。

所述第一管夹光电门(7)两夹臂左右对称；通过调节螺丝(18)调节开口的大小，内部可以放置直径不同的量筒；所述第一管夹光电门(7)的两臂夹头分别设置第一激光出射头(9)、第一激光接收头(10)，内部安装第一激光发射器与第一激光接收器，与第一管夹光电门构成一整体；第一激光发射器(9)发出的激光直接射入第一激光接收器(10)中。

第一管夹光电门(7)的尾部为c型管套，由顶丝(14)固定在竖直杆(16)上。所述第一管夹光电门(7)的尾部为c型管套，由顶丝固定在竖直杆(16)上。量筒(4)，其筒壁上相对位置开设两条竖直凹槽。量筒盖为内嵌式盖在量筒(4)上，与量筒(4)内壁紧密接触，无缝隙；所述量筒盖(1)其上设有上沿可以放置待投入的小钢珠(3)。量筒盖的中心设置有中心孔(2)，中心孔(2)的大小可以设置为φ1.5mm、φ2.0mm、φ2.5mm。钢珠(3)直径为φ1.5mm、φ2.0mm、φ2.5mm，与量筒盖中心孔(2)大小相匹配。钢珠(3)通过量筒盖的中心孔(2)投入盛有液体的量筒(4)中，钢珠(3)能够精准地沿中心轴下落，减少实验误差。

锥槽(6)具有直径较大的底面和直径较小的顶面，顶面朝向量筒(4)内部，底面为开设在凹槽中的开口，顶面直径范围1-5mm，底面直径范围1.5-8mm。激光出射头和激光接收头均为圆锥台形，其形状与锥槽(6)匹配，该圆锥台具有与锥槽(6)相同的顶面直径，直径范围同样为1-5mm，圆锥台高度大于锥槽(6)深度，圆锥台底面直径范围2-10mm。锥槽(6)的底面和顶面均与激光光束方向垂直。

激光出射头和激光接收头与管夹光电门(7)的两个夹臂分别可活动连接，这样在不同张开角度下，激光出射头和激光接收头均能贴合地插入锥槽(6)，使得同一规格尺寸的管夹光电门(7)能够适用于不同规格的量筒(4)时都能达到激光出射头和激光接收头的精确对准。激光出射头和激光接收头可以通过旋转球头固定在两个夹臂上，也可以使用硅胶或橡胶连接件固定，也可以采用软性胶水固定。激光出射头和激光接收头与夹臂的活动连接方式应当理解为可以采用任何本领域常规的可活动连接方式。

理想情况下，激光出射头和激光接收头插入锥槽(6)后由调节螺丝(13)调节夹紧，激光出射头和激光接收头的圆锥台的顶面与锥槽(6)的顶面完全贴合(之间可以滴入光学耦合液)，二者锥面也完全贴合以锁定朝向。

电子计时器(20)与第一管夹光电门(7)(必要时包含第二管夹光电门、第三管夹光电门，以及更多的管夹光电门)联接；可以显示和存储测量次数、测量时间等。

所述竖直杆(16)设置有刻度，可以读出两个光电门间的距离。

所述底座(17)设有三个底脚螺丝(18)，可以调节底座水平；所述底座设有水平仪(19)。

所述管夹光电门(7)内部安装激光发射器与激光接收器，水平相对设置，出射方向由激光出射头和激光接收头决定；激光出射头和激光接收头可以由透明块形成，也可以为光纤组件。

管夹光电门(7)的两臂左右对称；通过固定螺丝调节开口的大小，内部可以放置直径不同的量筒(4)；管夹光电门(7)的尾部为c型管套，由顶丝(14)固定在竖直杆(16)上，管夹光电门(7)为一整体设计。

量筒(4)为透明的有机玻璃材质，其筒壁上相对位置开设两条竖直凹槽，凹槽用于引导激光出射头和激光接收头的插入，凹槽内等间距设置多组锥槽(6)，水平一对为一组，每组锥槽(6)等高设置，且中心轴重合，连线与量筒(4)中心垂直。这使得激光束垂直于量筒(4)壁发射，因激光入射角为零，激光通过液体传播几乎不发生折射现象，直接射入接受器；水平方向不需调节激光发生折射器与接收器的位置，大大简化操作步骤。

作为优选的技术方案，量筒(4)上设置高度刻度，刻度优选设置在凹槽附近，锥槽(6)设置2-20组，优选在刻度的整数刻度线处设置锥槽(6)。

设置多个管夹光电门(7)，可以改变多个管夹光电门(7)的设置位置，通过测量两光电门之间的距离，可以测量半程速度、全程速度，由此判断钢珠是否达到匀速运动，亦可研究钢珠下落的运动规律。

量筒(4)内盛装待测液体，当钢珠(3)下落时依次穿过每个管夹光电门(7)的激光。

量筒盖(1)设有上、下沿；上沿内部可以放置待投入的小钢珠(3)，下沿与量筒(4)内壁紧密接触，无缝隙；所述量筒盖(1)设有中心孔(2)，中心孔(2)的大小设置为φ1.5mm、φ2.0mm、φ2.5mm。钢珠(3)直径为φ1.5mm、φ2.0mm、φ2.5mm，与量筒盖中心孔(2)大小相匹配。投掷直径不同的钢珠，可以研究下落速度v与钢珠直径d的函数关系。

激光发射器(9)、(11)竖直排列，激光接收器(10)、(12)竖直排列，且与量筒(4)中心轴在同一竖直平面内；激光发射器(9)与激光接受器(10)、激光发射器(11)与激光接受器(12)发出的两组激光平行排列，保证了水平线与竖直线三维对准。

钢球(3)沿量筒(4)中心轴下落时受力均匀，扫过任意两组光电门，电子计时器(20)准确测量下落时间。

所述钢珠(3)的直径改变时，可以研究粘滞阻力f与钢珠直径d的关系。

所述管夹光电门(7)、管夹光电门(8)通过信号线(15)与电子计时器(20)连接。

将盛有液体的量筒(4)放在底座(17)上，调节底脚螺丝(16)使量筒(4)水平。

所述底座(17)上设置有水平仪(19)。

粘滞系数计算方法：

从量筒中心孔(2)投入钢珠(3)，钢珠(3)在重力作用下沿着量筒(4)的中心轴下落。由于液体的粘滞阻力的作用，钢珠(3)下落一定距离后匀速下落，在匀速下落期间，首先遮挡第一激光光电门，电子计时器开始计时，钢珠继续下落遮挡第二光电门，电子计时器计时结束，记录下落时间t。测出第一和第二激光光电门之间的距离l，计算出匀速下落速度v。

当金属质量为m钢珠在粘性液体中下落时，它受到三个铅直方向的力：钢珠的重力mg(m为钢珠质量)、液体作用于钢珠的浮力ρgv(v是钢珠体积，ρ是液体密度)和粘滞阻力f根据，斯托克斯公式，f＝6πηrv,其中r是钢珠的半径，η称为液体的粘度，v钢珠下落速度，当钢珠作匀速直线运动时，三个力达到平衡，即

mg＝ρgv+6πηvr(1)

由上式可得：

待测液体必须盛于容器中，故不能满足无限深广的条件，若钢珠沿筒的中心轴线下降，式(2)须做如下修正：

其中ρ'为钢珠材料的密度，l为钢珠匀速下落的距离，t为钢珠下落l距离所用的时间。

d为容器内径，h为液柱高度。利用(3)可以测得液体的粘滞系数。

本发明的实验仪可用于但不限于以下研究内容：

1.投掷直径不同的钢珠，可以研究下落速度v与直径d的函数关系。

2.改变光电门的相对位置，测出全程v1及半程速度v2，判断钢珠下落速度是否达到匀速运动；

3.研究钢珠在液体中的运动速度v与下落高度h的函数关系。

4.测量不同液体的粘滞系数η。

5.测量不同浓度的液体的粘滞系数η。

该装置设计结构简洁明了，构思巧妙，造价低廉；可以三维精准定位，多组速度测量，操作方便快捷，提高了实验精度和实验效率。可广泛应用于科研、教学和生产中。