測量相同材料之間相對密度差的系統和方法
【技術領域】
[0001] 本公開設及精密測量領域，特別設及一種測量相同材料之間的相對密度差的系統 和方法。
【背景技術】
[0002] 相同材料制成的兩個物體之間往往存在微小的密度差，在精密實驗中有必要對其 進行測量。目前通常采用傳統的定義法測量相同材料之間的相對密度差，即先分別測量兩 個物體的密度值，再計算兩者之間的差值獲得相對密度差。運種方法的缺點是誤差太大，因 此期待一種能夠準確測量相同材料之間的相對密度差的方法和系統。

【發明內容】

[0003] 本公開提供一種測量相同材料之間相對密度差的系統和方法，克服了現有方法測 量誤差較大的缺陷。
[0004] 根據本公開的一方面，一種測量相同材料之間相對密度差的系統，包括：
[0005] 儲液單元，用于盛放液體W及由相同材料制成的第一球體和第二球體，儲液單元 包括分別控制第一球體和第二球體在液體中的運動的第一保持裝置和第二保持裝置，且儲 液單元能夠被密封；圖像采集單元，采集第一球體和第二球體的運動狀態；W及處理單元， 根據第一球體和第二球體的運動狀態，計算第一球體和第二球體之間的相對密度差。
[0006] 優選地，所述系統還包括:壓強控制單元，控制所述液體的壓強;溫度控制單元，控 制所述液體的溫度;溫度測量單元，測量所述液體的溫度。
[0007] 優選地，所述儲液單元中間設置帶孔擋板，所述帶孔擋板將所述第一球體與第二 球體分隔開。
[000引優選地，所述第一保持裝置包括能夠上下移動的第一壓板和第二壓板，所述第一 壓板和第二壓板分別設置于所述第一球體的上方和下方，所述第二保持裝置包括能夠上下 移動的第Ξ壓板和第四壓板，所述第Ξ壓板和第四壓板分別設置于所述第二球體的上方和 下方。
[0009] 優選地，所述溫度控制單元是水浴溫度控制系統，所述儲液單元置于所述水浴溫 度控制系統中。
[0010] 優選地，所述處理單元通過W下公式計算所述第一球體和第二球體之間的相對密 度差：
[0011]
[0012] 其中ai和曰2分別表示第一球體和第二球體在速度為0時的加速度，g表示重力加速 度。
[0013] 根據本公開的另一方面，一種采用上述系統測量相同材料之間相對密度差的方 法，包括W下步驟：
[0014] 步驟1:將所述第一球體和第二球體放入所述儲液單元所盛放的液體中，密封所述 儲液單元；
[0015] 步驟2:通過所述第一保持裝置，將所述第一球體固定在所述儲液單元底部，然后 釋放第一球體并給第一球體一初始速度，使得第一球體先豎直上升并最終停止，同時通過 所述圖像采集單元采集并記錄所述第一球體隨時間變化的第一豎直位移；
[0016] 步驟3:通過所述第二保持裝置，將所述第二球體固定在儲液單元底部，然后釋放 第二球體并給第二球體一初始速度，使得第二球體先豎直上升并最終停止，同時通過所述 圖像采集單元采集并記錄所述第二球體隨時間變化的第二豎直位移；W及
[0017] 步驟4:基于所述第一豎直位移和第二豎直位移，通過W下公式計算所述第一球體 和第二球體之間的相對密度差：
[001 引
[0019] 其中ai和曰2分別表示第一球體和第二球體在速度為0時的加速度，g表示重力加速 度。
[0020] 優選地，分別對所述第一球體和第二球體的豎直位移進行兩次求導，得到所述第 一球體和第二球體在速度為0時的加速度。
[0021] 優選地，所述方法還包括W下步驟:調節所述液體的溫度和壓強，使得所述液體的 密度小于所述第一球體或第二球體在常溫常壓下的球體密度，且所述液體的密度與所述球 體密度之差小于0.化g/m3。
[0022] 優選地，所述第一保持裝置包括能夠上下移動的第一壓板和第二壓板，所述第一 壓板和第二壓板分別設置于所述第一球體的上方和下方，所述第二保持裝置包括能夠上下 移動的第Ξ壓板和第四壓板，所述第Ξ壓板和第四壓板分別設置于所述第二球體的上方和 下方;控制所述第一壓板下壓，將所述第一球體固定在所述儲液單元底部，控制所述第一壓 板和第二壓板上升，釋放所述第一球體并給其一初始速度，使得所述第一球體先豎直上升 并最終停止，同時通過所述圖像采集單元采集并記錄所述第一球體隨時間變化的第一豎直 位移;控制所述第Ξ壓板下壓，將所述第二球體固定在所述儲液單元底部，控制所述第Ξ壓 板和第四壓板上升，釋放所述第二球體并給其一初始速度，使得所述第二球體先豎直上升 并最終停止，同時通過所述圖像采集單元采集并記錄所述第二球體隨時間變化的第二豎直 位移。
[0023] 本公開利用由相同材料制成的兩個球體在相同條件下豎直運動位移的差異，計算 兩個球體之間的相對密度差，克服了現有的定義法測量相對密度差所存在的誤差較大的缺 陷。
【附圖說明】
[0024] 通過結合附圖對本公開示例性實施例進行更詳細的描述，本公開的上述W及其它 目的、特征和優勢將變得更加明顯，其中，在本公開示例性實施例方式中，相同的參考標號 通常代表相同部件。
[0025] 圖1示出了根據示例性實施例的測量相同材料之間的相對密度差的系統示意圖；
[0026] 圖2示出了根據示例性實施例的測量相同材料之間的相對密度差的方法的流程 圖。
【具體實施方式】
[0027] 下面將參照附圖更詳細地描述本公開的優選實施例。雖然附圖中顯示了本公開的 優選實施例，然而應該理解，可各種形式實現本公開而不應被運里闡述的實施例所限 審IJ。相反，提供運些實施例是為了使本公開更加透徹和完整，并且能夠將本公開的范圍完整 地傳達給本領域的技術人員。
[0028] 本公開提出一種測量相同材料之間的相對密度差的方法。由相同材料制成的兩個 球體之間密度可能有微小差異。當兩個球體在密度與其相近的液體中豎直運動時，豎直運 動的加速度可能不同，體現為沿豎直方向的隨時間變化的位移曲線不同。對位移求導可W 得到球體速度為零時的加速度，根據兩個球體加速度的差異可W獲得兩個球體之間的相對 密度值。具體原理說明如下：
[0029] 在液體中運動的球體受到Ξ種力的作用一-浮力、重力和液體阻力，其中液體阻 力與液體的粘度、球體的半徑和球體的速率成正比：
[0030] ma=化Vg-PsVg-Fn(1)
[0031 ]Fn=6：mi；rv(2)
[0032]其中m是球體質量，a是球體加速度，V是球體體積，r是球體半徑，PL是液體密度，PS是球體密度，町是所受液體阻力，η是液體粘度，V是球體運動速率，g是重力加速度。兩個球 體之間的相對密度差為：
[00削
《3)
[0034]其中Δρ是兩個球體之間的相對密度差，PS1，PS2分別是兩個球體的密度值。
[0035] 將兩個球體分別固定在容器底部，然后給球體一個很小的初始速度，球體上升，并 逐漸在重力和液體阻力的作用下減速為零，即
[0036] VI二V2 二 0 (4)
[0037] 由公式(1)-(4)可^得到兩個球體之間的相對密度差為：
[00 測
（5)
[0039] 其中ai和32分別表示兩個球體在速度為0時的加速度。
[0040] 因此只需測得兩個球體在速度為0時的加速度即可獲得兩個球體之間的相對密度 差，而球體的加速度可W通過記錄球體的豎直位移曲線，然后進行兩次求導得到。
[0041] 基于上述原理，本公開提供一種測量相同材料之間相對密度差的系統和方法。根 據示例性實施例的測量相同材料之間的相對密度差的系統包括：
[0042] 儲液單元，用于盛放液體W及由相同材料制成的第一球體和第二球體，儲液單元 包括分別控制第一球體和第二球