一种基于反射式光纤位移传感器的液体体胀系数测量仪的制作方法

本发明涉及一种物理实验装置领域，具体的讲是一种测量液体体胀系数的装置，特别是一种基于反射式光纤位移传感器的液体体胀系数测量仪。

背景技术：

液体的体积膨胀系数(简称体胀系数)是一个表征液体受热时体积变化的重要物理量。液体受热膨胀时体积增量不但与温度有关,而且与初始体积有关。体胀系数通常用⍺表示，其公式表示为，⍺给出在压强保持不变的条件下，温度升高1K所引起的体积变化百分率。在一些有关热力学的工程或实验中，需要考虑不同液体的体胀系数，根据环境温度的变化选择不同的工作液体，因此测定液体的体胀系数具有重要的意义。

通常，测量液体体胀系数的常用方法有光杠杆法、干涉法、CCD法等，这些测量方法均存在一定问题。如：（1）操作复杂。光学方法测量的装置调节精度通常要求较高。例如：光杠杆法则需要在望远镜中观察到标尺的像；干涉法则需要微调光学镜面的角度位置以使两束光发生干涉。如果不能准确调节，满足实验要求，则会出现较大的误差。（2）精度较低。光学方法通常较难读数。液体体胀系数的测量是在加热过程中，读取液体温度变化前后的体积变化量。不管是读取标尺的刻度，还是观察干涉条纹的变化，都有较大的误差，也非常容易出现读取数据错误的情况。

综上所述，传统的光杠杆法、干涉法等测量液体体胀系数的方法存在着操作复杂，稳定性差，精度低等方面的缺点。

技术实现要素：

为克服现有技术的不足，本发明旨在提供一种基于反射式光纤位移传感器的液体体胀系数测量仪，来实现对待测液体随温度变化而发生体积膨胀的精确测量。

解决其技术问题采用的技术方案：

一种基于反射式光纤位移传感器的液体体胀系数测量仪，包括光纤位移测量系统、温度测量系统和加热系统。光纤位移测量系统[1]与传感探头[2]连接，光纤位移测量系统[1]包括A/V转换器、LED驱动器、单片机控制器、显示屏，传感探头[2]通过光纤与A/V转换器、LED驱动器、单片机控制器、显示屏连接；温度测量系统包括温度传感探头[10]和温度显示屏，温度传感器的温度传感探头[10]插于待测液体[11]中，连接的温度显示屏可以实时显示待测液体[11]的温度；加热系统包括玻璃直管[7]、加热水套[8]，玻璃直管[7]盛放待测液体[11]，且玻璃直管[7]放置于加热水套[8]内，采用循环水浴加热。

测量时，先用温度传感探头[10]测量待测液体[11]的初始温度；在位移变化量的测量中，将反射薄膜[9]轻轻放置于液体上表面，调节好传感探头[2]和反射薄膜[9]间的相对位置，保持探头静止不动，使待测液体[11]受热膨胀带动反射薄膜向上移动，反射薄膜[9]与传感探头[2]间产生相对位移，传感探头[2]输出端接收的信号通过光纤位移测量系统[1]转换为位移的变化量，通过显示屏显示出来；最后在利用温度传感探头[10]读取此时待测液体[11]的温度。通过所测位移变化量及温度的相对变化即可计算出待测液体的体胀系数。

与现有技术相比具有的有益效果：

本发明的结构改进带来的有益效果是：本实验装置首先利用传感探头中入射光纤端射出的光，照射到反射薄膜上，反射薄膜反射回来的光经接收光纤输出到光纤位移测量系统进行处理，通过检测输出光强来间接计算出反射薄膜与传感探头的相对位移量。根据反射式光纤位移传感器精确测量出的待测液体的位移变化量，以及温度传感器测出的待测液体的温度变化量，即可计算出待测液体体胀系数。该实验装置具有稳定性好、精度高、安全可靠等优点，可以减小用光杠杆法、干涉法、CCD法等测量方法在操作方面带来的麻烦，也能进一步拓宽这种光纤传感器的应用范围。

附图说明

图1：本发明的系统架构示意图；

图2：本发明中光纤位移测量系统的系统架构示意图。

具体实施方式

如图一所示，传感探头[2]和A/V转换器、LED驱动器通过光纤连接组成光纤位移测量系统[1]，其中传感探头[2]与测微螺杆[3]均固定在聚丙烯塑料板[4]上，聚丙烯塑料板[4]通过测微螺杆[3]固定在支架[5]的水平杆[6]上，水平杆[6]可上下移动；待测液体[11]装在玻璃直管[7]内，反射薄膜[9]置于待测液体[11]上表面，温度传感探头[10]的测温探头插于待测液体[11]中，玻璃直管[7]放置于加热水套[8]内，为了使待测液体[11]受热均匀，采用水浴循环加热，水从进水口[12]流入，从出水口[13]流出。由液体的体胀系数定义式可知，要想得出液体的体胀系数，我们必须测出待测液体初始的体积，受热膨胀后的体积及待测液体最初温度和加热后的温度。所以通过反射式光纤位移传感器及温度传感器分别对待测液体的体积及温度进行测量。

具体操作如下：测量前，将测量装置及待测装置安装好。首先将装有待测液体[11]的玻璃直管[7]放入加热水套[8]中，然后将传感探头[2]和测微螺杆[3]与聚丙烯塑料板[4]固定，聚丙烯塑料板[4]通过测微螺杆[3]固定在支架[5]的水平杆[6]上，最后将加热水套[8]放在水平杆[6]下方，正好使得传感探头[2]正对加热水套[8]及玻璃直管[7]的上方开口处。

测量时，首先将温度传感探头[10]插入装有待测液体[11]的玻璃直管[7]内，打开与温度传感探头[10]连接的温度显示屏，测量待测液体[11]的最初温度，温度通过温度显示屏读取；然后开始向加热水套[8]中加水，为了使待测液体受热均匀，本装置采用循环水浴加热。将水从进水口[12]流入加热水套[8]，对玻璃直管[7]内的待测液体[11]进行加热，再通过出水口[13]流出。随着循环水浴不断加热，温度显示屏可以实时显示待测液体的温度示数；之后将反射薄膜[9]放在待测液体[11]的上表面，打开与光纤位移测量系统[1]输出端连接的A/V转换器和LED驱动器，此时LED驱动器驱动LED发出的光经入射光纤传到传感探头[2]，传感探头[2]与反射薄膜[9]之间的距离记为d，LED发出的光照射在反射薄膜[9]上，反射薄膜[9]会随着液体受热膨胀向上移动，从而使传感探头[2]与反射薄膜[9]之间的距离d发生变化，接收光纤输出的光强也会发生相应变化，通过检测输出光强测出反射薄膜[9]或光纤探头[2]的相对位移量，记为。其中反射薄膜[9]反射回来的光会经接收光纤输出到光电接收器件上，光电接收器件将光信号转换为电信号经滤波放大等电路进行处理，再经过A/V转换器将模拟信号转换为数字信号，最后通过单片机进行运算处理，将测得的结果显示在显示屏上，即为位移的输出值。此时，记录下该时刻待测液体的温度，记为。

因为V=S×d，本装置采用玻璃直管对待测液体进行体胀系数测量，加热前后玻璃直管的底面积不变，即S不变，故V的变化可等效替换为d的变化，所以液体的体胀系数可以通过测量、、、，然后计算出待测液体的体胀系数。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。