光电传感器在自制水表流量计中的应用

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1、光电传感器在自制水表流量计中的应用　　摘要：所述流量计是基于机械式水表的齿轮转速与通过封闭管道的流量成线性关系的特点制成的，用于液体流量的测量。主要部件是经改装的水表和带倍率频率计。该流量计具有测量范围广、测量精确，能实时显示流量值等优点。　　关键词：水表；光电传感器；带倍率频率计；流量计　　Homemadewatermeterflowmeter　　HeLiuliang，RenRuoxi，SongZifan，YangHong　　BeijingUniversityofCivilEngineeringandArchit

2、ecture，Beijing，100044，China　　Abstract：Theflowmeterasthepaperdescribedwasmadeforflowmeasurementofliquid.Itwasmadebyusingthelinearrelationshipbetweenthegearspeedofthemechanicalwatermeterandtheflowthroughtheclosedpipeline.Itsmaincomponentsarebandratiofrequencymet

3、ersandamodifiedwatermeter.Thistypeofflowmeterhasadvantagessuchaswidemeasurementrange，accuratemeasurementresults，real-timedatadisplay.　　Keywords：watermeter；photosensor；bandratiofrequencymeter；flowmeter　　第三届北京市大学生物理实验竞赛题目二为“基于物理学原理，自行设计并制作一流量计，用于测量流量不超过10L/min，不

4、均匀流速的自来水流量”。所谓流量，是指单位时间内流经封闭管道或明渠有效截面的流体量。当流体量以体积表示时称体积流量；当流体量以质量表示时称质量流量。流量计是用于流量测量的仪表，市场上用于流量测量的产品很多，如电磁流量计、超声波流量计、涡轮流量计等，这些流量计都较为昂贵。本文所述的水表流量计具有成本低，测量精确，测量范围大等优点，作为参赛作品，在竞赛中获三等奖。　　1设计原理与方法　　拆解一只普通机械式水表可知，水流冲击带动水表中的叶轮转动，叶轮转速和流经水表的液体流量有线性关系。叶轮带动机芯上的齿轮旋转，二者之间的

5、转速比为固定值。因此机芯上齿轮的转速和流量存在线性关系。测量出机芯上齿轮的转速，就可以测出流量值。齿轮转速的测量通过光电传感器和带倍率频率计数器共同完成。　　光电传感器一般由光源、光学通路和光电元件3部分组成[1]。本装置中的光电传感器由一只发光管和一只光敏电阻组成，发光管置于齿轮之上，发出光信号，光敏电阻置于齿轮之下，接收光信号。发光管和光敏电阻的尺寸须小于齿轮相邻叶片之间的间隙，确保发光管发出的光能照射到光敏电阻上。光敏电阻又称光导管，是一种典型的光电导器件。所谓光电导效应是指材料（或器件）受到光辐射后，材料（

6、或器件）的电导率发生变化[2]。光敏电阻常用的制作材料为硫化镉，另外还有硒、硫化铝、硫化铅和硫化铋等。这些材料具有在特定波长的光照射下阻值迅速减小的特性。这是由于光照产生的载流子参与导电，在外加电场的作用下作漂移运动，电子奔向电源的正极，空穴奔向电源的负极，从而使光敏电阻器的阻值迅速下降。　　本装置中的光敏电阻在无光照射时电阻为150kΩ，有光照射时电阻为5kΩ。有光照时，回路中电阻小，电流大，触发带倍率频率计工作。假设齿轮有3片叶片，则齿轮旋转一周，光敏电阻接受3次光照。设定好的频率计自动将光敏电阻受3次光照的时

7、间作为一个周期，计算出齿轮转动的频率。流量Q与频率f成线性关系，即Q=f×K，通过实验可测量出系数K。再对带倍率频率计进行设置，即可使频率计显示的数值为流量值。　　电路的连接如图1所示。发光管“+”端和频率计的U0端相连，其间串联一个型号为5W360RJ的360Ω的水泥电阻，用于限流，保护回路。U0接12V的电源。发光管的“―”端和光敏电阻的一端都连接在频率计的公共端“COM”上。光敏电阻的另一端和频率计的计数端“CNT”相连。水泥电阻是将绕线电阻体放入方形瓷器框内，用特殊不燃性耐热水泥充填密封而成，具有耐热、耐湿

8、和耐腐蚀等特点。带倍率频率计型号为ZN48，它外形小巧，功能强大，具有计数、累计、延时、测频率、测转速等多种功能，并带有液晶显示屏。本装置利用它的测转速功能。　　图1水表流量计电路图　　2实验仪器与装置　　2.1实验器材　　所用实验器材为：家用水表、导线、光电传感器、带倍率频率计、热熔胶、双面胶、万用表、钳子、剪刀、扳子、固定支座、抽水管2根、电钻、360Ω