低功耗智能岩(矿)石密度测定仪的研制

1　引　言

应用地球物理是以岩(矿)石与其围岩的物理性质差异为物质基础,通过专用仪器设备的观测,进而研究其天然存在或人工形成的物理场的变化规律,达到查明地质构造、寻找矿产资源和解决工程地质以及环境监测等问题的目的[1]。表征岩(矿)石物理性质的密度,是地球物理学领域不可缺少的实验教学和科研内容。

传统的岩(矿)石密度测定有天平测定、密度计测定和专用的岩(矿)石密度仪测定等方法。这些测定方法中有的为机械式装置,工作效率低,测定的精度也往往不高,目前已基本淘汰;有的虽为电子式测量产品,但由于仪器体积较大、智能化程度低、功耗大等原因,同样在目前的地球物理实验教学和野外科学研究中往往产生不便。为此,本文在前人研究的基础上,研制出低功耗、轻便且智能化高的高精度岩(矿)石密度测定仪。该仪器硬件部分主要由高精度称重传感装置和一小型控制盒组成,与计算机连接即可工作;软件部分采用Delphi作开发平台,界面美观大方、操作简单方便,提高了岩(矿)石密度测量效率,并内嵌有C语言数据采集子程序,免去了较复杂的单片机控制过程,缩减了开发成本,提高了仪器的性价比,成为现代实验教学、野外实习和科研生产较好的物性测定设备。

2　设计方案

2. 1　密度仪测量原理

岩(矿)石密度测定方法的原理常用静水称重法。该方法既可以对不透水的岩(矿)石直接测定其密度大小(简称密度1),还可以对透水的岩(矿)石标本,先用石蜡将其封好,然后再进行测量(简称密度2),同时还可以间接求出岩(矿)石标本的体积V。由密度ρ=m /V可知,测定岩石密度的关键是测出岩石标本的质量。根据阿基米德原理,物体在水中减轻的重量等于它所排开的同体积水的重量。对于不透水岩石,将其放入水中,水减轻的质量是m0,岩石标本在空气中的重量是P1(mg),在水中的重量是P2[mg-m0g=(m-m0)g],则质量m和P1与P2的关系为

利用这2个参数和水的密度ρ0,可将体积写成

另外,m=P1/g。将式(1)、(2)代入到密度的定义式,并考虑对于水有ρ0=1 g/cm3,则可得出:

　　对于孔隙性岩石,为了防止水的侵入而影响测量结果,通常是先在空气中称得标本重量P1,然后将标本涂上一层石蜡,称得的标本重量是P2,最后在液体中称得的标本重量是P3。设石蜡密度是ρk,则石蜡的体积为

　　标本在封蜡后排开水的体积为

蜡封后排开水的体积减去石蜡的体积是标本的体积,即

由于标本的质量m=P1/g,故标本密度[2,3]为