岩矿石密度仪的设计

　　引　言

　　在地球物理探矿、建筑行业钢材、水泥材质分析或矿石标本成分含量分析中,密度参数测量是衡量其质量或成分含量非常重要的依据之一[1, 2]。密度测量涉及液体、气体、固体密度测量。固体材料的密度测量方法有多种。如利用放射性原理测量法、不等臂天平法、微波技术测量法等方法。这些测量方法都存在测量精度不高,人工记录、测量速度相对慢的缺点。对于规则形状的固体,密度检测一般比较容易实现,而对于不规则形状的固体,密度测量目前还是个难题,特别是在需要测量大量矿石样本的场合,过去使用的方法效率非常低下,很容易造成操作人员的疲劳,极易产生误差。很明显,已有的密度参数测量方法已不适应当前的需求,必须用更加先进的测量装置来提高测量的效率和精度。

　　1　测量原理

　　在物理学中,密度的定义为物体单位体积的质量数。在测量密度时,首先测量固体标本在空气中的重量,再将固体标本浸没在装有水的容器中,测量固体受水浮力后的重量,根据阿基米德浮力定律,可求出固体的密度值[3~5]。

　　设固体标本的质量为M、体积为V,测量密度为σ,根据密度定义,有σ=M /V。如果固体标本在空气中的重量P1=Mg;在水中的重量P2=(M-M0) g;则浸没在水中前后的重量差P1-P2=M0g,其中g为重力加速度, M0表示与固体标本同体积水的质量。根据阿基米德浮力定律,不规则固体体积

　　其中σ0为水的密度,因为σ0=1 g/cm³,于是所测固体的密度σ=P1P1-P2可见,只要分别求出P1和P2,就可得到被测物的密度值。

　　2　硬件电路设计

　　固体密度测试装置由荷重传感器及其支架、测量电路、微处理器、键盘、显示器、接口电路等部分

　　组成,如图1所示。其中荷重传感器采用两个以上的荷重传感器与测量电路连接,两个以上的荷重传感器采用置换的办法,提高被测物体的重量范围和密度测量精度;测量电路采用放大、模数转换一体的集成电路,简化了模拟处理电路的成本,提高了模拟测量电路测量精度;微处理器采用芯片内具有大容量存储器的低功耗、高性能单片机MSP430F149,芯片内的大容量存储器可保存大量的测量结果,省略了每次测量需要人工记录的过程,减少了人工记录的人为偏差[6~8];键盘、液晶显示器是该测量装置的监控部分,显示器采用点阵液晶显示器,处理过程使用菜单方式;采用USB接口将微处理器芯片内保存的大量测量结果传送给计算机,以便于计算机进行数据处理[9, 10]。

　　固体密度测试装置采用先进的传感器、单片机技术及嵌入式操作系统编程,解决了不规则形状固体密度测量的难题,使固体密度测试装置具有检测精度高、测量速度快、不需人工记录检测结果等优点。