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1、2019年辽宁省普通高等学校本科大学生物理实验竞赛项目说明书 参赛学校 大连交通大学 参赛题目 基于快速高精恒温控制及 自动检测的粘度系数测量仪 指导教师 组队成员 辽宁省普通高等学校本科大学生物理实验竞赛组委会制2019年4月参赛题目基于快速高精度恒温控制及自动检测的粘度系数测量仪1、 设计原理与方法：液体粘度系数是液体的重要性质之一，它反映了液体流动特性。而液体粘度系数的性质、温度和流量的准确测量，在工程上具有广泛的实用价值。如机械润滑、管道输送油、油漆、卫生、医药等，都需要确定粘度系数。测量液体粘度系数的方法有很多，其中落球法(也称为Stokes法)是最基本的一种，它可以用来测量较大的蛋
2、白或半蛋白液体的粘度，如芝麻油、变压器油、甘油等，其中甘油是最常见的一类。一个在液体中运动的物体会受到一个与其速度反方向的摩擦力，这个力的大小与物体的几何形状、物体的速度以及液体的内摩擦力有关液体的内摩擦力可用粘滞系数来表征对于一个在无限扩展液体中以速度v运动的半径为r的球形物体，斯托克斯（G.G.Stokes）推导出该球形物体受到的摩擦力即粘滞力为 当一个球形物体在液体中垂直下落时，它要受到三种力的作用，即向上的粘滞力F1、向上的液体浮力F2和向下的重力F3球体受到液体的浮力可表示为 上式中1为液体的密度，g为重力加速度球体受到的重力为 式中2为球体的密度当球体运动某一时间后，上述三种力将达
3、到平衡，即 此时，球体将以匀速v运动(v也称为终端速度)。因此，通过测量球体的下落速度v可以确定液体的粘度系数: 这里，我们可以从球下落到一定距离s的时间t得到，所以粘度为 在实际测量中，液体不会无限扩展，容器的边界效应会对球体上的粘性力产生影响。因此公式(1)需要考虑这些因素进行必要的修正。对于球体落在无限长、半径为R的圆柱液体轴上，修正后的粘滞力为 这样公式(6)变为 由于甘油难以均匀加热的问题导致了甘油粘度系数实验仪器有着加热缓慢、受热不均的问题，对此我们尝试了一下改进。我们对此采用了FPGA+stm32架构来进行多路PID温控系统来实现对整个甘油粘度系数实验仪器的温度的高响应高精度控制
4、，来保证整个落球法甘油粘度系数实验仪器系统的多点温控，相对以往的单点PID控制，温度更加均匀，而且多点的PID控制有着更多的加热装置，有着更高效高速的加热功率，可以使整个落球法甘油粘度系数实验仪器系统更快的实现目标温度，减少升温时间。PID调节器是应用最为广泛的一种自动控制器。它具有原理简单，易于实现，适用面广，控制参数相互独立，参数的选定比较简单等优点；而且在理论上可以证明，对于过程控制的典型对象“一阶滞后+纯滞后”与“二阶滞后+纯滞后”的控制对象，PID控制器是一种最优控制。PID调节规律是连续系统动态品质校正的一种有效方法，它的参数整定方式简便，结构改变灵活。在工程实际中，应用最为广泛的
5、调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。PID控制器问世至今已有近70年历史，它 以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的 其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象，或 不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用PID控制技术。PID控制，实际中也有PI和PD控制。PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、 积分、微分计算出控制量进行控制的。比例（P）控制比
6、例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差（Steady-state error）。积分（I）控制在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的 或简称有差系统（System with Steady-state Error）。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即便误差很小，积 分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到接近于零
7、。因此，比例+积分（PI）控制器，可以使系统在进入稳态后几乎无稳 态误差。微分（D）控制在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大惯性组件（环节）或有滞后（delay）组件，具有抑制误差的作用， 其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。这就是说，在控制器中仅引入 “比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例+微分的控制器，就能 够提
8、前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例+微分（PD）控制器能改善系统在 调节过程中的动态特性。我们采用了两个openmv+ov7725的摄像头来实现小球的起点与终点的检测，利用openmv高精确度与开发周期短、成本低，来使本项目更加快捷的完成。与光电门法类似，当摄像头检测到了小球的时候，会对FPGA发出电平信号，FPGA会对次信号的时间间隔进行记录，完成小球的时间检测。二、实验仪器与装置:我们采用了细条状处理的硅橡胶加热板来对整个落球法甘油粘度系数实验仪器系统外壁进化环绕状多圈处理，这样能最大的保证单个系统平面上的温度均匀，
9、每圈都可独立进行PID温控，保证了在一个立体的系统上的温度均匀且高效率。由于我们需要的采集与温度控制需要很多引脚和很大的程序运算量，我们选择了FPGA多线程控制方案。与传统模式的芯片设计进行对比，FPGA 芯片并非单纯局限于研究以及设计芯片，而是针对较多领域产品都能借助特定芯片模型予以优化设计。从芯片器件的角度讲，FPGA 本身构成 了半定制电路中的典型集成电路，其中含有数字管理模块、内嵌式单元、输出单元以及输入单元等。在此基础上，关于FPGA芯片有必要全面着眼于综合性的芯片优化设计，通过改进当前的芯片设计来增设全新的芯片功能，据此实现了芯片整体构造的简化与性能提升。在性能上FPGA有着超越D
10、SP的数据处理能力，可以进行多路数据同时的接受及处理，运算的同时有着很高的稳定性，同时可以进行多路数据同时进行处理，在本项目中可以完美发挥它的优点。随着现代仪器的发展，微型化、集成化、数字化正成为传感器发展的一个重要方向。美国DALLAS半导体公司推出的数字化温度传感器DS18B20测量温度范围为-55+125，精度为0.5。现场（实时）温度直接以“单总线”的数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰性。它能直接读出被测温度，并且可根据实际要求通过简单的编程实现9l2位的数字值读数方式。它工作在35.5V的电压范围，采用多种封装形式，从而使系统设计灵活、方便，设定分辨率及用户设定的报警温度存储在EE
11、PROM中，掉电后依然保存。DS18B20采用单总线协议，即与FPGA接口仅需占用一个I/O端口，无须任何外部元件，直接将环境温度转化成数字信号，以数字码方式串行输出，从而大大简化了传感器与FPGA的接口设计。加热装置我们采用了硅橡胶加热板，硅橡胶加热板很薄，份量轻盈兼有灵活性。有了这种加热器，可以与被加热物体完全紧密接触，能够让热传递至任何所需的地方，在处理中改善热传递，加速升温和减少功率需要。它具有防水性能好、发热快、温度均匀、热效率高、韧性好、符合美国UL94-V0级之耐燃标准、使用方便、安全寿命长达十年，不易老化的特点。 硅橡胶加热板质量稳定，防潮湿和抗化学腐蚀，温度使用范围能从-62
12、235，最大可以提供的功率负荷达3.1W/c，由于本产品非常薄，传热效果好，实际发热元件非常接近工件。 目前有两种电路形式，一种是蚀刻电路法，最大宽度可以做到360mm，长度不限；发热元件为片状电热元件结构，它比丝状电热元件提供更均匀的热场，升温时间段和响应时间快，与丝状电热元件相比，功率负荷低，使用寿命更长。另一种是圆丝发热元件排布法。在工业领域、医疗、实验室、食品和航空领域有着非常广泛地运用。小球的下落检测及及时系统我们由FPGA配合两块openmv H7系列的摄像头来完成的。OpenMV项目创造一款低价，可扩展，支持Python的机器视觉模块，这个模块的目标是成为“机器视觉世界的Ardu
13、ino”，OpenMV搭载MicroPython解释器，这允许在嵌入式上使用Python来编程(Python 3 to be precise). Python使机器视觉算法的编程变得简单得多。比如，直接调用find_blobs()方法，就可以获得一个列表，包含所有色块的信息。使用python遍历每一个色块，就可以获取他们所有信息，而这些，只需要两行代码！并且可以使用OpenMV专用的IDE，它有自动提示，代码高亮，而且有一个图像窗口可以直接看到摄像头的图像，有终端可以debug，还有一个包含图像信息的直方图！三、数据测量与分析:加热温度可以在很快的时间让落球法甘油粘度系数实验仪器系统中的甘油内
14、升温到30、40及50摄氏度。而摄像头部分会因为外界环境光线的影响与小球过小检测难度较大产生误判或漏判，需要给予一个合适的恒定空间保证光线的稳定。我们进行了六次下落时间的检测实验，如下所示：次数 时间1 9.42562 9.43283 9.48124 9.46185 9.41046 9.4394四、结论：根据实验测试，本设计有效的实现了落球法甘油粘度系数实验仪器的升温，解决了落球法甘油粘度系数实验仪器升温缓慢的问题。摄像头方面我们需要搭建一个合适的遮光空间来保证光线的恒定。五、制作成本（明细）：亚格力液体槽 60元硅橡胶加热片 150元Openmv摄像头 500元*2大功率供电电源 300元大功率驱动模块 20元*5整个硬件架构耗材 400元
