CN114720329B - 测量粘滞系数的系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种测量粘滞系数的系统及方法。该系统包括：容器；支点装置，设置于容器内，用于提供转动支点；纵向设置的杠杆，其能够以转动支点为支点做杠杆转动，其下段顶部设置受力球，其上段顶部设置压感球；受力球浸入液体内；压感球位于液体外；测量装置，包括：压力传感器，其侧面被压感球所抵压；驱动装置，用于驱动支点装置、杠杆、受力球、压感球、压力传感器在容器内做运动，运动为圆周运动或直线运动：其中，受力球在运动过程中受到的横向的粘滞阻力在通过杠杆作用传递到压感球后，促使压感球压向压力传感器，并由压力传感器产生与液体的粘滞系数相关的压电信号。本发明系统的可控性更好，操作难度大大降低。

Description

测量粘滞系数的系统及方法

技术领域

本发明涉及液体参数测量领域，尤其涉及一种测量粘滞系数的系统及方法。

背景技术

流体粘滞系数,是表征液体反抗形变压力的重要参数,描述流体内摩擦性质的一个重要物理量。测流体的粘度在化学、医学、水利工程、材料科学、机械工业中都有着重要的意义。测量粘滞系数方法很多，目前实验主流采用的是落球法，即测量小球平衡时经过固定距离的时间间隔，得出粘滞系数。

然而，在实现本发明的过程中，申请人发现落球法测量液体粘滞系数存在如下技术缺陷：(1)小球下落时需要确保对准容器中心，否则所得实验数据无法用于推测无限广延情况下的粘滞系数，然而在缺乏辅助装置情况下这一操作很难实现；(2)多管落球法研究粘滞系数时，在实验时需要准备较多不同直径的量筒，提高了实验成本； (3)在缺乏辅助装置情况下无法测量较混浊或能见度差液体的粘滞系数；(4)对液体进行温度控制不便，需要在不同直径的量筒下分别进行温度控制，难于实现，难于保证精度。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明以期至少部分地解决以上技术问题中的至少之一。

(二)技术方案

为了实现如上目的，本发明提供了一种测量粘滞系数的系统。该系统包括：容器，用于容置待测量粘滞系数的液体；支点装置，设置于容器内，用于提供转动支点；纵向设置的杠杆，其能够以转动支点为支点做杠杆转动，其下段顶部设置受力球，其上段顶部设置压感球；受力球浸入液体内；压感球位于液体外；测量装置，包括：压力传感器，其侧面被压感球所抵压；驱动装置，用于驱动支点装置、杠杆、受力球、压感球、压力传感器在容器内做运动，运动为圆周运动或直线运动：其中，受力球在运动过程中受到的横向的粘滞阻力在通过杠杆作用传递到压感球后，促使压感球压向压力传感器，并由压力传感器产生与液体的粘滞系数相关的压电信号。

在本发明的一些实施例中，支点装置包括：横杆，设置于容器内；环状结构，可自由转动地套设于横杆上；其中，杠杆固定于环状结构的外侧。

在本发明的一些实施例中，环状结构在横杆的位置为可调整设置。

在本发明的一些实施例中，杠杆在环状结构外侧的固定位置为可调整设置，以调整杠杆的上段和上段的长度。

在本发明的一些实施例中，系统还包括：中心杆，沿容器的中心轴线竖直设置；驱动装置包括：驱动电机，固定于中心杆的外侧，其输出转轴纵向设置；传动齿轮，固定于驱动电机的输出转轴上；主轴齿轮，通过轴承套设于中心杆上，其转齿与传动齿轮的转齿相啮合；横杆固定于主轴齿轮上；其中，沿主轴齿轮的径向延伸；驱动电机通过传动齿轮带动主轴齿轮转动，进而带动横杆和压力传感器绕中心杆做圆周运动。

在本发明的一些实施例中，环状结构为可转动轴承，可转动轴承的内圈套设并固定于横杆，杠杆固定于可转动轴承的外圈。

在本发明的一些实施例中，支点装置包括：两段的横杆，对称固定于主轴齿轮的两侧。

在本发明的一些实施例中，受力球和压感球为同种材质的金属球。

在本发明的一些实施例中，受力球的直径大于压感球的直径；杠杆中，上段与下段长度相同。

在本发明的一些实施例中，容器为圆筒形容器，其中心底部设置有固定孔，中心杆的底部插入并固定于固定孔中。

在本发明的一些实施例中，驱动装置还包括：导轨，呈环状设置于容器的内侧，与横杆的高度平齐，用于在横杆转动过程中对其进行支撑和路径引导。

在本发明的一些实施例中，杠杆与水平面所成的角度α满足：75°≤α≤90°。

在本发明的一些实施例中，还包括：温控装置，该温控装置进一步包括：加热机构；温度传感器，其感应头浸入液体内；控温器，信号连接于温度传感器，电性连接于加热机构，用于依据设定的温度以及温度传感器所感应到的液体温度控制加热机构。

在本发明的一些实施例中，加热机构为盘绕设置于容器底部的加热丝。

在本发明的一些实施例中，系统还包括：保温罩，用于在测量过程中盖设于容器的上部。

在本发明的一些实施例中，还包括：下位机、遥控装置、上位机；其中：下位机，电性连接于驱动装置，信号连接于遥控装置、测量装置和上位机，用于依照遥控装置的指令，启动驱动装置；从压力传感器采集压电信号，并将该压电信号进行处理后通过无线方式传输至上位机。

为了实现如上目的，本发明提供了一种测量粘滞系数的方法。该方法利用如上的系统，包括：步骤A，由驱动装置驱动支点装置、杠杆、受力球、压感球、压力传感器在容器内做匀速运动；步骤B，利用压电信号反演压感球压向压力传感器的压力F1；步骤C，由杠杆原理，利用压力F1获取受力球在运动过程中受到的液体的横向的粘滞阻力F2：F1*L1＝F2*L2，其中，L1和L2分别为杠杆的上段和下段的长度；步骤E，由斯托克斯公式F＝-3πηvd，利用粘滞阻力F2计算液体的粘滞系数，其中，v为受力球匀速运动的速度，d为受力球的直径。

在本发明的一些实施例中，系统包括：支点装置包括：横杆，设置于容器内；环状结构，可自由转动地套设于横杆上；其中，杠杆固定于环状结构的外侧，环状结构在横杆的位置为可调整设置；方法还包括：步骤D，改变环状结构在横杆上的位置，重新执行步骤A～C，由不同位置对应的粘滞阻力推演得到径向无限广延情况下液体的粘滞阻力F2'；步骤E中，利用粘滞阻力F2计算液体的粘滞阻力包括：利用无限广延情况下液体的粘滞阻力F2'计算液体的粘滞系数。

(三)有益效果

从上述技术方案可知，本发明至少具有以下有益效果其中之一：

(1)提供了一种全新的粘滞系数测量系统及方法，利用受力球在运动时所受到的横向的粘滞阻力计算液体粘滞系数。相比于与落球法中利用小球在下落过程中所受到的纵向粘滞阻力计算粘滞系数，本发明系统的可控性更好，操作难度大大降低。

(2)由于不像落球法那样需要观测小球下落距离测量时间，本发明只需要测量受力球在匀速转动时所受液体的横向的粘滞阻力，因此本发明可以测量浑浊液体或能见度较差的液体的粘滞阻力，并通过相应的理论非常容易得到浑浊流体粘滞系数。

(3)支点装置、杠杆、受力球、压感球的位置相对固定，避免了落球法测量粘滞系数需要确保小球下落对准容器中心，不易操作，精度难于控制的缺陷。

(4)容器呈圆筒形，驱动装置驱动支点装置和杠杆做圆周运动，相比于做直线运动，整个系统的体积更小，操控更为方便。

(5)下位机采集压力传感器由于感受压力而产生的电信号，本发明的自动化程度更高，可以最大限度地降低人参与的程度，节省了人工，提升了实验的一致性。

(6)沿横杆的径向，环状结构和杠杆可移动设置，从而可以改变受力球在液体内的径向位置，进而可以很方便地测量不同的受力球转动半径的情况下所受到的粘滞阻力，为反演无限广延情况下受力球所受到的粘滞阻力奠定了基础。

(7)杠杆在环状结构的外圈上的固定位置为可调整设置，从而可以改变受力球在液体内的深度，进而可以很方便地测量不同的液体深度情况下所受到的粘滞阻力，为反演无限广延情况下受力球所受到的粘滞阻力奠定了基础。

(8)驱动装置包括：驱动电机、传动齿轮、主轴齿轮，可以非常方便地实现支点装置和杠杆的圆周运动，减小了系统的体积，提高了整个方案的可实施性。

(9)在容器内侧设置环形的导轨，实现对横杆的自由端的转动路径的引导，可以避免长时间使用后，横杆点水平度变差，导致杠杆侧偏，进而影响测量精度的缺陷。

(10)在系统中加上温控装置对液体温度进行控制，可以对液体温度从当前室温加热到任何所需要的温度，可以测量不同温度下液体所受的粘滞阻力。

(11)通过上位机让驱动装置驱动小球运转，并通过控制程序设计自动对压电信号进行处理，数据自动上传至上位机进行接收和保存，减少了人为主观因素造成的实验误差。

(12)遥控装置通过无线方式与下位机相连，以传递控制信号；下位机通过无线方式与上位机相连，以传递压力数据，能降低人工对驱动装置直接操控所带来的系统摇晃、不稳的情况，减少线缆对驱动装置、测量装置的干扰，可以提高系统的测量精度和可靠性。

附图说明

图1为本发明实施例测量粘滞系数的系统的结构示意图。

图2为图1所示系统中包括横杆、杠杆、受力球、压感球的部分的示意图。

图3为压力传感器内部的电路连接图。

图4为下位机中ESP32模块进行信号采集以及数据上传的流程图。

图5为上位机根据下位机上传数据实时显示的压力信号波形图。

图6为本发明实施例测量粘滞系数的方法的流程图。

图7为图6所示方法中步骤B中利用实验获得的不同r_转/线性拟合径向无限广延情况下小球所受到的粘滞阻力F2'的Matlab拟合过程。

【附图中主要元件符号说明】

11、容器；12、保温罩；

21、横杆；22、环状结构；23、杠杆；24、受力球；25、压感球；

31、压力传感器；

41、中心杆；42、主轴齿轮；43、驱动电机；44、传动齿轮；45、导轨；

51、加热机构；52、温度传感器；53、控温器；

61、下位机；62、电源；63、遥控器；64、上位机；65、平台。

具体实施方式

本发明提供了一种全新的粘滞系数测量系统及方法，利用受力球在运动时所受到的横向粘滞阻力计算液体粘滞系数。相比于与落球法中利用小球在下落过程中所受到的纵向粘滞阻力计算粘滞系数，本发明系统的体积更小，可控性更好。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下文结合将具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。可以理解的是，提供如上实施例的目的仅是使得本发明满足法律要求，而本发明可以用许多不同形式实现，而不应被解释为限于此处所阐述的实施例。

在本发明的一个示例性实施例中，提供了一种测量粘滞系数的系统。图1为本发明实施例测量粘滞系数的系统的结构示意图。如图1所示，本实施例测量粘滞系数的系统包括：

容器11，用于容置待测量粘滞系数的液体；

支点装置，设置于容器内，用于提供转动支点；

纵向设置的杠杆23，其能够以转动支点为支点做杠杆转动，其下段顶部设置受力球24，其上段顶部设置压感球25；受力球24浸入液体内；压感球25位于液体外；

测量装置，包括：压力传感器31，其侧面被压感球25所抵压；

驱动装置，用于驱动支点装置、杠杆、受力球、压感球、压力传感器在容器内做运动，运动为圆周运动或直线运动：其中，受力球24在运动过程中受到的横向粘滞阻力在通过杠杆作用传递到压感球25，促使压感球25压向压力传感器31，并由压力传感器31产生与液体的粘滞系数相关的压电信号，由该压电信号即可反演出横向粘滞阻力，进而得到液体的粘滞系数；

下位机61、遥控装置63、上位机64，其中：下位机61，电性连接于驱动装置，信号连接于遥控装置63、压力传感器31和上位机64，用于依照遥控装置的指令，启动驱动装置；从压力传感器31采集压电信号，并将该压电信号进行处理后通过无线方式传输至上位机64。

可见，本发明提供了不同于传统落球法的一种全新粘滞系数测量系统，其利用受力球在运动时所受到的横向粘滞阻力计算液体粘滞系数。相比于与落球法中利用小球在下落过程中所受到的纵向粘滞阻力计算粘滞系数，本发明系统的可控性更好，操作难度大大降低。另一方面，由于不像落球法那样需要观测小球下落距离测量时间，本发明只需要测量受力球在匀速转动时所受液体的粘滞阻力，因此本发明可以测量浑浊液体或能见度较差的液体的粘滞阻力，并通过相应的理论非常容易得到浑浊流体粘滞系数，可实现几乎所有流体粘滞系数的测量。

以下分别对本实施例测量粘滞系数的系统的各个组成部分进行详细描述。需要说明的是，各个组成部分是相互关联的，其中之一的组成部分需要参照其关联部分进行理解。

从整体结构上，本实施例可以分为两部分：①由支点装置、杠杆、测量装置、驱动装置等组成的物理部分；②由下位机、电源、遥控器和上位机等组成的电学部分。其中，物理部分可以单独体现本发明的发明构思，并且可以独立地制造和使用。

一、物理部分

本实施例中地物理部分将进一步分为3个部分进行详细说明。在本实施例中，采用圆周运动的运动方式，并在此基础上设计受力球、压感球、杠杆、压力传感器等的结构、形状和连接关系。

1、容器、保温罩和温控装置

容器11用于容置待测量粘滞系数的液体。此外，本实施例可以实现对不同温度下液体粘滞系数的精确测量，其是通过温控装置和保温罩来实现的。

请参照图1，容器11呈圆筒形状。保温罩12呈圆筒盖状。在实际测量时，测量装置、支点装置、杠杆、驱动装置等被安装于容器内，液体被注入容器11内，液面高度应该高于受力球的顶部，而后将保温罩12盖在容器11的上部。保温罩12可以保持测量空间内的相对密闭。本领域技术人员能够理解，容器呈圆筒形，驱动装置驱动支点装置和杠杆做圆周运动，相比于做直线运动，系统的体积更小，操控更为方便。

本实施例中，容器11和保温罩12均是采用亚克力材质，其优点在于透明性佳，可以很方便地观察液体的性状以及系统的运行情况。而在本发明的其他实施例中，容器和保温罩还可以采用金属材料制备，其耐高温性能较好，可以测量高温情况下液体的粘滞系数。

温控装置包括：加热机构51；温度传感器52，其感应头浸入液体内；控温器53，信号连接于温度传感器52，电性连接于加热机构51，用于依据设定的温度以及温度传感器所感应到的液体温度控制加热机构51。

其中，加热机构51为盘绕设置于容器底部的加热丝。控温器53为PID控温系统，其可以实现温度从室温加热到高温。

本实施例中，在系统中增加了温控装置对液体温度进行控制，可以对液体温度从当前室温加热到任何所需要的温度，可以测量不同温度下液体所受的粘滞阻力，大大拓展了系统的应用范围。

2、支点装置、杠杆、受力球、压感球和压力传感器

图2为图1所示系统中包括横杆、杠杆、受力球、压感球的部分的示意图。

请参照图1和图2，支点装置包括：横杆21，设置于容器内；环状结构22，可自由转动地套设于横杆21上。

本实施例中，环状结构22为可转动轴承，可转动轴承的内圈套设并固定于横杆21，杠杆23固定于可转动轴承的外圈。

需要说明的是，支点装置的作用是为杠杆提供支点，使其上段和下段能够做杠杆运动。本实施例中支点装置采用可转动轴承，其优点在于能够尽可能地减小摩擦，提高测量的精确性。但是，其他类型的全环或半环结构的支点装置同样可以实现本发明，只要能尽可能地减小支点装置与横杆之间摩擦力即可。

此外，本实施例中，支点装置包括：对称固定于主轴齿轮42两侧的两根横杆，而可转动轴承套设于其中之一的横杆上。设置两根横杆的目的是为了保证支点装置的对称平衡，避免支点装置由于受力不平衡而侧偏甚至倾倒。

本实施例中，杠杆23固定于环状结构22的外侧。环状结构22在横杆21上可自由转动。杠杆的下段顶部设置受力球24，上段顶部设置压感球25；受力球24浸入液体内；压感球25位于液体外；杠杆23能够以环状结构22为支点做杠杆转动；测量装置，包括：压力传感器31，其侧面被压感球25所抵压。

本实施例中，杠杆23垂直于水平面方向。但在实验过程中，由于横向粘滞阻力的作用，可能会稍有倾斜。但是，本领域技术人员应当理解，本实施例中垂直于水平面只是优选方式。在本发明其他实施例中，杠杆可以是纵向设置，此处的“纵向设置”并非严格意义上的垂直于水平面，只要杠杆延伸的方向存在纵向的分量即可。一般情况下，杠杆与水平面所成的角度α满足：75°≤α≤90°。

本实施例中，受力球和压感球为不锈钢球，并且，受力球的直径为压感球直径的1.4倍，从而保证受力球始终在杠杆的下方。并且，在杠杆23中，下段的长度和上段长度相等，从而保证能够把受力球所受流体粘滞阻力通过杠杆作用传递到压感球并通过压力传感器转化为压电信号。当然，在本发明其他实施例中，也可以采用其他材质的受力球和压感球，并且，可以根据需要来设置杠杆的下段和上段的长度。

其中，当横杆21带动环状结构22做圆周运动时，浸入液体内的受力球24受到圆周运动方向切向的粘滞阻力F2，由于杠杆作用，该粘滞阻力被传递至压感球25，压感球25向压力传感器31传递压力F1。根据杠杆原理，F1和F2满足：F1*L1＝F2*L2，其中，L1和L2分别为杠杆的上段和下段的长度。因此，由压力传感器所感受到的压力F1即可反推受力球24所受到的粘滞阻力F2。

本实施例中，压力传感器采用压阻传感器。其中，电阻应变片是压阻传感器的核心元件，其工作原理是基于材料的电阻应变效应。当系统运行时，电阻应变片把机械应变信号转换为ΔR/R后，再采用转换电路把应变片的△R/R变化转换成电压或电流变化。其中，ΔR为应变片接受到压力之后改变的电阻值，R为应变片固有电阻值。图3为压力传感器内部的电路连接图。如图3所示，Ein和Eout分别为直流电源输入电压和直流电源输出电压，Ra、Rb、Rc和Rd为电桥四个电阻。其中，Ra和Rc为可调电阻，R_b和R_d为固定电阻。

本实施例中，环状结构22在横杆21的位置为可调整设置。换句话说，在某一次的测量过程当中，环状结构22在横杆21上的位置是不变的。在进行另一次测量前，可以改变环状结构22在横杆21上的位置，而后进行该次测量。通过如上设置，可以获得环状结构22不同径向位置，受力球24在不同转动半径下所受到的粘滞阻力，从而为反演无限广延情况下小球所受到的粘滞阻力奠定了基础。

此外，本实施例中，杠杆23在环状结构22外侧的固定位置为可调整设置，以调整杠杆的上段和上段的长度。通过如上设置，可以改变受力球24在液体内的深度，进而可以很方便地测量不同的液体深度情况下所受到的粘滞阻力，为反演无限广延情况下小球所受到的粘滞阻力奠定了基础。

3、驱动装置

请参照图1和图2，本实施例测量粘滞系数的系统还包括：中心杆41，沿容器的中心轴线竖直设置。具体地，容器中心底部设置有固定孔，中心杆41的底部插入并固定于固定孔中。

驱动装置包括：驱动电机43，固定于中心杆41的外侧，其输出转轴纵向设置；传动齿轮44，固定于驱动电机的输出转轴上；主轴齿轮42，通过轴承套设于所述中心杆上，其转齿与传动齿轮的转齿相啮合。横杆21固定于主轴齿轮42上，沿主轴齿轮的径向延伸。驱动电机43通过传动齿轮44带动所主轴齿轮42转动，进而带动横杆 21和压力传感器绕中心杆41做圆周运动。

本实施例中，主轴齿轮42和传动齿轮44均是采用3D打印技术制备。具体而言，先采用solidworks建立模型，再利用3D打印技术对齿轮模型进行打印，这样保证了从动齿轮和主齿轮完全啮合，系统会更加稳定，驱动效率也更高。

请参照图1，驱动装置还包括：导轨45，呈环状设置于容器的内侧，与横杆的高度平齐，用于在横杆转动过程中对其外端进行支撑和路径引导。通过导轨，可以保证横杆21始终处于水平状态，避免由于横杆长时间使用后水平度变差导致杠杆侧偏，进而影响测量精度的缺陷。

4、需要说明的其他问题

首先，本发明适用场景不限于实施例中的受力球做圆周运动，其同样可以应用于受力球做直线运动场景。

本发明的发明构思在于利用受力球在水平方向所受到粘滞阻力，该粘滞阻力通过杠杆作用传递至压感球，进而由压力传感器获得与粘滞系数相关的压力信息，从而可以获得与粘滞系数相关的压力信息，进行粘滞系数的反演。

在上述实施例中，主要针对容器为圆筒形容器，杠杆、受力球等在驱动装置的驱动下做圆周运动为例进行说明，如此所带来的有效效果为体积小，容易操控和实现。但本领域技术人员应当能够理解，驱动支点装置、杠杆、受力球、压感球、压力传感器在容器内做直线运动同样可以实现该目的，以下给出一种可行的技术方案：容器呈长方体形状，内部容置待测量粘滞系数的液体；在容器的底部设置直线导轨；在驱动机构的驱动下，支撑机构可以在导轨上匀速直线行进，受力球在直线运动过程中所受到的粘滞阻力通过杠杆作用传递至压感球，并由压力传感器获得与粘滞系数相关的压力信息，从而实现对粘滞系数的测量。基于上述，无论是圆周运动和直线运动，只要是横向水平的运动，均可以实现本发明。

其次，本发明中的支点装置、驱动装置可以为实现相关功能的任何形式，而不限于上述实施例所限定的具体形式。

驱动装置的主要作用是为驱动支点装置、杠杆的运动，适应于所采用的圆周运动，上述实施例中驱动装置由驱动电机、传动齿轮来构成，传动齿轮将扭矩通过主轴齿轮传递至横杆、杠杆、测量装置，最后驱动受力球做圆周运动。本领域技术人员应当理解，如果采用受力球做直线运动，驱动装置应当为能够拉动中心杆、横杆、杠杆、测量装置和受力球做直线运动的驱动方式。本领域技术人员应当清楚具体的实现方式，此处不再详细描述。

驱动装置的作用之一是为支点装置和杠杆提供支撑。上述实施例中，驱动装置采用中心杆、主轴齿轮、横杆的方式，其优点在于结构简单，对称性好。但是，其他类型的结构同样能够实现为支点装置和杠杆提供支撑的目的。例如，还可以在杠杆的外侧设置环状的支撑环，在容器的中心线位置设置驱动电机，驱动电机带动支撑环，进而带动支点装置和杠杆转动，同样可以实现本发明。

最后，本发明中支点装置、杠杆、测量装置、驱动装置等组成的物理部分可以单独于由下位机、电源、遥控器和上位机等组成的电学部分制造和使用，解决相应的技术问题，并且，除了上述实施例中的实现方式之外，还可以采用其他的下位机设置方位、下位机与上位机的数据传输方式等，而不局限于上述实施例中所示。

二、电学部分

请参照图1，测量粘滞系数的系统的电学部分包括：下位机61、电源62、遥控装置63、上位机64。在图1中，虚线表示部件之间的电性或信号连接。其中，下位机 61，电性连接于驱动装置，信号连接于遥控装置62、压力传感器31和上位机64，用于依照遥控装置62的指令，启动驱动装置；从压力传感器31采集压电信号，并将该压电信号进行处理后通过无线方式传输至上位机64。

本实施例中，在中心杆41上通过轴承固定有水平的平台65。该平台65的高度高于主轴轴承42的高度。该平台65的外缘与两根横杆对应的位置，通过金属丝与横杆相连。从而在横杆转动的同时，带动上方的平台一起转动。而压力传感器31通过连接结构连接至平台65的底部，从而可以随着横杆的转动而一同转动。

本实施例中，下位机61、电源62均固定在平台上。电源为下位机61提供能量，间接为驱动电机43提供能量。下位机61为单片机模块，上位机64为PC电脑。其中，下位机61与压力传感器31之间采用有线连接。下位机61和遥控装置63之间，下位机61与上位机64之间采用WIFI方式信号连接。

在测量过程中，下位机61对驱动装置进行驱动、对压力传感器31所受压力数据进行实时采集、对数据进行模数转换、对转换后的数据进行上传、把数据传输到PC 电脑进行存储。

下位机61包括：HX711AD转换模块和ESP32模块。其中，HX711AD转换模块用于将压力传感器31获得的模拟信号转换为数字信号。ESP32模块用于对数字信号进行保存和上传。

图4为下位机中ESP32模块进行信号采集以及数据上传的流程图。请参照图4，ESP32模块首先对传感器进行初始化，在系统开始运行并产生数据后，将HX711AD 转换模块输出的数据进行获取并保存。之后等待200ms，防止因连续工作导致传感器过热。与此同时，等待上位机的HTTP请求，当上位机发起HTTP请求时对其进行响应，将最后保存的传感器数据进行返回操作，上传至上位机64的数据保存程序中。根据数据实时显示压力信号波形图，如图5所示。在后续程序中，即可利用这些数据计算液体的粘滞系数。

本发明中，通过上位机让驱动装置驱动小球运转，并通过控制程序设计自动对压电信号进行处理，数据自动上传至上位机进行接收和保存，减少了人为主观因素造成的实验误差。另一方面，遥控装置通过无线方式与下位机相连，以传递控制信号；下位机通过无线方式与上位机相连，以传递压力数据，能降低人工对驱动装置直接操控所带来的系统摇晃、不稳的情况，减少线缆对驱动装置、测量装置的干扰，可以提高系统的测量精度和可靠性。

基于如上系统，本发明还提供了一种测量粘滞系数的方法。图6为根据本发明实施例测量粘滞系数的方法的流程图。如图6所示，本实施例测量粘滞系数的方法包括：

步骤A，由驱动装置驱动支点装置、杠杆、受力球、压感球、压力传感器在容器内做匀速圆周运动；

本实施例中，采用蓖麻油作为待测量粘滞系数的液体。

步骤B，利用压电信号反演压感球压向压力传感器的压力F1；

步骤C，由杠杆原理，利用压力F1获取受力球在运动过程中受到的液体的粘滞阻力F2：F1*L1＝F2*L2，其中，L1和L2分别为杠杆的上段和下段的长度；

步骤D，改变环状结构在横杆上的位置，重新执行步骤A～C，由不同位置对应的粘滞阻力推演得到径向无限广延情况下液体的粘滞阻力F2'；

如下表所示，r(转)为小球的转动半径，R为管壁半径，实验设置了6/12—9/12，7个不同r_转/R的比值作为实验组，通过多次测量不同比值情况下小球所收到的粘滞阻力得到实验数据，处理后得到不同比值情况下小球所受的平均粘滞阻力，之后多次重复上述实验并对结果取均值。以下以25℃为例展示实验数据：

之后通过Matlab对上述实验所求平均粘滞阻力进行线性拟合，求得在径向无限广延情况下小球所受到的粘滞阻力F2'，拟合过程如图7所示。

步骤E，由斯托克斯公式F＝-3πηvd，利用所述无限广延情况下液体的粘滞阻力F2'计算液体的粘滞系数，其中，v为受力球匀速运动的速度，d为受力球的直径。

对上述25℃数据进行处理，通过修正后的相关参数及公式计算得出待测液体的粘滞系数为0.585Pa·s。

已知：

绝对误差

相对误差

所以25℃时，待测液体粘滞系数：

为了确保实验数据的准确性，使小球在20℃-30℃温度下进行三次实验并分别取平均值，以求得在无限广延情况下平均粘滞力。下表为我们的实验装置测量得到不同温度下的蓖麻油液体粘滞系数。

至此，已经结合附图对本发明实施例进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本发明有了清楚地认识。

综上所述，本发明提供一种全新的自动化程度比较高的液体粘滞系数测量的系统及方法：其利用驱动电机驱动支点装置、杠杆、受力球、压感球、压力传感器等匀速运动，使用自主设计程序并结合单片机实现对实验数据的采集、上传及存储；使用温控装置实现对温度的调控，通过环状装置在横杆上的移动实现对受力球转动半径的调控，并由此可以得到无限广延液体中流体所受的粘滞阻力，最后通过PC端的WIFI接收模块实现对数据的接收和保存。本发明的系统及方法可以不受液体能见度的影响，方便测量非透明液体的粘滞系数，具有较好的实用价值。

需要说明的是，对于某些实现方式，如果其并非本发明的关键内容，且为所属技术领域中普通技术人员所熟知，则在附图或说明书正文中并未对其进行详细说明，此时可参照相关现有技术进行理解。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。

还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“内”、“外”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本发明的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本发明的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。

并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本发明实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语的具体含义。

除非明确指明为相反之意，本发明的说明书及权利要求中的数值参数可以是近似值，能够根据通过本发明的内容改变。具体而言，所有使用于说明书及权利要求中表示组成的含量、反应条件等的数字，应理解为在所有情况中是受到“约”的用语所修饰，其表达的含义是指包含由特定数量在一些实施例中±10％的变化、在一些实施例中±5％的变化、在一些实施例中±1％的变化、在一些实施例中±0.5％的变化。

再者，单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了详细说明，应当理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，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，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种测量粘滞系数的系统，其特征在于，包括：

容器，用于容置待测量粘滞系数的液体；

中心杆，沿所述容器的中心轴线竖直设置；

支点装置，设置于所述容器内，用于提供转动支点；所述支点装置包括：横杆，设置于所述容器内；环状结构，可自由转动地套设于所述横杆上；

纵向设置的杠杆，其能够以所述转动支点为支点做杠杆转动，其下段顶部设置受力球，其上段顶部设置压感球，所述杠杆固定于所述环状结构的外侧；所述受力球浸入液体内；所述压感球位于液体外；

测量装置，包括：压力传感器，其侧面被所述压感球所抵压；

驱动装置，用于驱动所述支点装置、杠杆、受力球、压感球、压力传感器在容器内做运动，所述运动为圆周运动：所述驱动装置包括：驱动电机，固定于所述中心杆的外侧，其输出转轴纵向设置；传动齿轮，固定于所述驱动电机的输出转轴上；主轴齿轮，通过轴承套设于所述中心杆上，其转齿与所述传动齿轮的转齿相啮合；所述横杆固定于所述主轴齿轮上，沿主轴齿轮的径向延伸；

其中，所述驱动电机通过所述传动齿轮带动所述主轴齿轮转动，进而带动所述横杆和压力传感器绕所述中心杆做圆周运动；

其中，在中心杆上通过轴承固定有水平的平台；该平台的高度高于主轴齿轮的高度；该平台的外缘与两根横杆对应的位置，通过金属丝与横杆相连，从而在横杆转动的同时，带动上方的平台一起转动，压力传感器通过连接结构连接至平台的底部，随着横杆的转动而一同转动；

其中，所述受力球在运动过程中受到的横向的粘滞阻力在通过杠杆作用传递到所述压感球后，促使所述压感球压向所述压力传感器，并由所述压力传感器产生与液体的粘滞系数相关的压电信号；

其中，所述杠杆在所述环状结构外侧的固定位置为可调整设置，以调整所述杠杆的上段和下段的长度。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：

所述环状结构在所述横杆的位置为可调整设置。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：

所述环状结构为可转动轴承，所述可转动轴承的内圈套设并固定于所述横杆，所述杠杆固定于所述可转动轴承的外圈；和/或

所述支点装置包括：两段的所述横杆，对称固定于所述主轴齿轮的两侧；和/或

所述受力球和压感球为同种材质的金属球；和/或

所述受力球的直径大于所述压感球的直径；所述杠杆中，上段与下段长度相同；和/或

所述容器为圆筒形容器，其中心底部设置有固定孔，所述中心杆的底部插入并固定于所述固定孔中；和/或

所述驱动装置还包括：导轨，呈环状设置于所述容器的内侧，与所述横杆的高度平齐，用于在所述横杆转动过程中对其进行支撑和路径引导；和/或

所述杠杆与水平面所成的角度α满足：75°≤α≤90°。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括：温控装置，该温控装置进一步包括：

加热机构；

温度传感器，其感应头浸入所述液体内；

控温器，信号连接于所述温度传感器，电性连接于所述加热机构，用于依据设定的温度以及所述温度传感器所感应到的液体温度控制所述加热机构。

5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于：

所述加热机构为盘绕设置于容器底部的加热丝；和/或

所述系统还包括：保温罩，用于在测量过程中盖设于所述容器的上部。

6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括：下位机、遥控装置、上位机；其中：

所述下位机，电性连接于所述驱动装置，信号连接于所述遥控装置、测量装置和上位机，用于依照所述遥控装置的指令，启动所述驱动装置；从所述压力传感器采集压电信号，并将该压电信号进行处理后通过无线方式传输至所述上位机。

7.一种测量粘滞系数的方法，其特征在于，利用权利要求1至6中任一项所述的系统，包括：

步骤A，由所述驱动装置驱动所述支点装置、杠杆、受力球、压感球、压力传感器在容器内做匀速运动；

步骤B，利用所述压电信号反演所述压感球压向所述压力传感器的压力F1；

步骤C，由杠杆原理，利用所述压力F1获取受力球在运动过程中受到的液体的横向的粘滞阻力F2：F1*L1＝F2*L2，其中，L1和L2分别为杠杆的上段和下段的长度；

步骤E，由斯托克斯公式F＝-3πηvd，利用所述粘滞阻力F2计算液体的粘滞系数η，其中，v为所述受力球匀速运动的速度，d为受力球的直径。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：

所述系统包括：所述支点装置包括：横杆，设置于所述容器内；环状结构，可自由转动地套设于所述横杆上；其中，所述杠杆固定于所述环状结构的外侧，所述环状结构在所述横杆的位置为可调整设置；

所述方法还包括：

步骤D，改变所述环状结构在所述横杆上的位置，重新执行步骤A～C，由不同位置对应的粘滞阻力推演得到径向无限广延情况下液体的粘滞阻力F2'；

所述步骤E中，所述利用粘滞阻力F2计算液体的粘滞阻力包括：利用所述无限广延情况下液体的粘滞阻力F2'计算液体的粘滞系数。