测量相同材料之间相对密度差的系统和方法
【技术领域】
[0001] 本公开设及精密测量领域，特别设及一种测量相同材料之间的相对密度差的系统 和方法。
【背景技术】
[0002] 相同材料制成的两个物体之间往往存在微小的密度差，在精密实验中有必要对其 进行测量。目前通常采用传统的定义法测量相同材料之间的相对密度差，即先分别测量两 个物体的密度值，再计算两者之间的差值获得相对密度差。运种方法的缺点是误差太大，因 此期待一种能够准确测量相同材料之间的相对密度差的方法和系统。
【发明内容】
[0003] 本公开提供一种测量相同材料之间相对密度差的系统和方法，克服了现有方法测 量误差较大的缺陷。
[0004] 根据本公开的一方面，一种测量相同材料之间相对密度差的系统，包括：
[0005] 储液单元，用于盛放液体W及由相同材料制成的第一球体和第二球体，储液单元 包括分别控制第一球体和第二球体在液体中的运动的第一保持装置和第二保持装置，且储 液单元能够被密封；图像采集单元，采集第一球体和第二球体的运动状态；W及处理单元， 根据第一球体和第二球体的运动状态，计算第一球体和第二球体之间的相对密度差。
[0006] 优选地，所述系统还包括:压强控制单元，控制所述液体的压强;溫度控制单元，控 制所述液体的溫度;溫度测量单元，测量所述液体的溫度。
[0007] 优选地，所述储液单元中间设置带孔挡板，所述带孔挡板将所述第一球体与第二 球体分隔开。
[000引优选地，所述第一保持装置包括能够上下移动的第一压板和第二压板，所述第一 压板和第二压板分别设置于所述第一球体的上方和下方，所述第二保持装置包括能够上下 移动的第Ξ压板和第四压板，所述第Ξ压板和第四压板分别设置于所述第二球体的上方和 下方。
[0009] 优选地，所述溫度控制单元是水浴溫度控制系统，所述储液单元置于所述水浴溫 度控制系统中。
[0010] 优选地，所述处理单元通过W下公式计算所述第一球体和第二球体之间的相对密 度差：
[0011]
[0012] 其中ai和曰2分别表示第一球体和第二球体在速度为0时的加速度，g表示重力加速 度。
[0013] 根据本公开的另一方面，一种采用上述系统测量相同材料之间相对密度差的方 法，包括W下步骤：
[0014] 步骤1:将所述第一球体和第二球体放入所述储液单元所盛放的液体中，密封所述 储液单元；
[0015] 步骤2:通过所述第一保持装置，将所述第一球体固定在所述储液单元底部，然后 释放第一球体并给第一球体一初始速度，使得第一球体先竖直上升并最终停止，同时通过 所述图像采集单元采集并记录所述第一球体随时间变化的第一竖直位移；
[0016] 步骤3:通过所述第二保持装置，将所述第二球体固定在储液单元底部，然后释放 第二球体并给第二球体一初始速度，使得第二球体先竖直上升并最终停止，同时通过所述 图像采集单元采集并记录所述第二球体随时间变化的第二竖直位移；W及
[0017] 步骤4:基于所述第一竖直位移和第二竖直位移，通过W下公式计算所述第一球体 和第二球体之间的相对密度差：
[001 引
[0019] 其中ai和曰2分别表示第一球体和第二球体在速度为0时的加速度，g表示重力加速 度。
[0020] 优选地，分别对所述第一球体和第二球体的竖直位移进行两次求导，得到所述第 一球体和第二球体在速度为0时的加速度。
[0021] 优选地，所述方法还包括W下步骤:调节所述液体的溫度和压强，使得所述液体的 密度小于所述第一球体或第二球体在常溫常压下的球体密度，且所述液体的密度与所述球 体密度之差小于0.化g/m3。
[0022] 优选地，所述第一保持装置包括能够上下移动的第一压板和第二压板，所述第一 压板和第二压板分别设置于所述第一球体的上方和下方，所述第二保持装置包括能够上下 移动的第Ξ压板和第四压板，所述第Ξ压板和第四压板分别设置于所述第二球体的上方和 下方;控制所述第一压板下压，将所述第一球体固定在所述储液单元底部，控制所述第一压 板和第二压板上升，释放所述第一球体并给其一初始速度，使得所述第一球体先竖直上升 并最终停止，同时通过所述图像采集单元采集并记录所述第一球体随时间变化的第一竖直 位移;控制所述第Ξ压板下压，将所述第二球体固定在所述储液单元底部，控制所述第Ξ压 板和第四压板上升，释放所述第二球体并给其一初始速度，使得所述第二球体先竖直上升 并最终停止，同时通过所述图像采集单元采集并记录所述第二球体随时间变化的第二竖直 位移。
[0023] 本公开利用由相同材料制成的两个球体在相同条件下竖直运动位移的差异，计算 两个球体之间的相对密度差，克服了现有的定义法测量相对密度差所存在的误差较大的缺 陷。
【附图说明】
[0024] 通过结合附图对本公开示例性实施例进行更详细的描述，本公开的上述W及其它 目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本公开示例性实施例方式中，相同的参考标号 通常代表相同部件。
[0025] 图1示出了根据示例性实施例的测量相同材料之间的相对密度差的系统示意图；
[0026] 图2示出了根据示例性实施例的测量相同材料之间的相对密度差的方法的流程 图。
【具体实施方式】
[0027] 下面将参照附图更详细地描述本公开的优选实施例。虽然附图中显示了本公开的 优选实施例，然而应该理解，可各种形式实现本公开而不应被运里阐述的实施例所限 审IJ。相反，提供运些实施例是为了使本公开更加透彻和完整，并且能够将本公开的范围完整 地传达给本领域的技术人员。
[0028] 本公开提出一种测量相同材料之间的相对密度差的方法。由相同材料制成的两个 球体之间密度可能有微小差异。当两个球体在密度与其相近的液体中竖直运动时，竖直运 动的加速度可能不同，体现为沿竖直方向的随时间变化的位移曲线不同。对位移求导可W 得到球体速度为零时的加速度，根据两个球体加速度的差异可W获得两个球体之间的相对 密度值。具体原理说明如下：
[0029] 在液体中运动的球体受到Ξ种力的作用一-浮力、重力和液体阻力，其中液体阻 力与液体的粘度、球体的半径和球体的速率成正比：
[0030] ma=化Vg-PsVg-Fn(1)
[0031 ]Fn=6：mi；rv(2)
[0032]其中m是球体质量，a是球体加速度，V是球体体积，r是球体半径，PL是液体密度，PS是球体密度，町是所受液体阻力，η是液体粘度，V是球体运动速率，g是重力加速度。两个球 体之间的相对密度差为：
[00削
《3)
[0034]其中Δρ是两个球体之间的相对密度差，PS1，PS2分别是两个球体的密度值。
[0035] 将两个球体分别固定在容器底部，然后给球体一个很小的初始速度，球体上升，并 逐渐在重力和液体阻力的作用下减速为零，即
[0036] VI二V2 二 0 (4)
[0037] 由公式(1)-(4)可^得到两个球体之间的相对密度差为：
[00 測
（5)
[0039] 其中ai和32分别表示两个球体在速度为0时的加速度。
[0040] 因此只需测得两个球体在速度为0时的加速度即可获得两个球体之间的相对密度 差，而球体的加速度可W通过记录球体的竖直位移曲线，然后进行两次求导得到。
[0041] 基于上述原理，本公开提供一种测量相同材料之间相对密度差的系统和方法。根 据示例性实施例的测量相同材料之间的相对密度差的系统包括：
[0042] 储液单元，用于盛放液体W及由相同材料制成的第一球体和第二球体，储液单元 包括分别控制第一球体和第二球