مسافت سنج کم هزینه: 11 مرحله (همراه با تصاویر)

2024 نویسنده: John Day | [email protected]. آخرین اصلاح شده: 2024-01-30 08:51

هدف از این دستورالعمل ایجاد یک رئومتر کم هزینه برای یافتن تجربی ویسکوزیته سیال است. این پروژه توسط تیمی از دانشگاه براون و دانشجوی کارشناسی ارشد در کلاس ارتعاش سیستم های مکانیکی ایجاد شد.

رئومتر یک دستگاه آزمایشگاهی است که برای اندازه گیری ویسکوزیته مایعات استفاده می شود (مایع چقدر ضخیم یا چسبناک است - فکر کنید آب در مقابل عسل). رئومترهای خاصی وجود دارد که می توانند ویسکوزیته مایعات را با اندازه گیری واکنش سیستم ارتعاشی غوطه ور در سیال اندازه گیری کنند. در این پروژه رئومتر کم هزینه ، ما یک سیستم ارتعاشی از یک کره و فنر متصل به بلندگو ایجاد کردیم تا پاسخ را در فرکانس های مختلف اندازه گیری کنیم. از این منحنی پاسخ می توانید ویسکوزیته سیال را پیدا کنید.

تدارکات:

مواد مورد نیاز:

مجمع مسکن:

• تخته ذرات (11 اینچ * 9 اینچ H) (اینجا) 1.19 دلار
• پیچ 12 * 8-32 * 3/4 اینچی (شش ضلعی) (در اینجا) 9.24 دلار مجموع
• مهره شش ضلعی 12 * 8-32 (اینجا) 8.39 دلار
• 4 پیچ 6 6 6-32 ½ اینچی سر شش ضلعی (اینجا) 9.95 دلار
• 4 عدد 6-32 مهره شش ضلعی (اینجا) 5.12 دلار
• 9/64 "آلن کلید (اینجا) 5.37 دلار

الکترونیک:

• منبع تغذیه 12 ولت (اینجا) 6.99 دلار
• تقویت کننده (اینجا) 10.99 دلار
• کابل Aux (اینجا) 7.54 دلار
• Jumper Wire (به پایین مراجعه کنید)
• کلیپ های تمساح (اینجا) 5.19 دلار
• بلندگو (اینجا) 4.25 دلار
• درایور پیچ (اینجا) 5.99 دلار

راه اندازی بهار و کره:

• رزین چاپگر سه بعدی (متغیر)
• 2 عدد شتاب سنج (ما از اینها استفاده کردیم) 29.90 دلار
• 10 عدد کابل رنگین کمان زن و مرد (اینجا) 4.67 دلار
• 12 عدد کابل رنگین کمان مرد و مرد (اینجا) 3.95 دلار
• Arduino Uno (اینجا) 23.00 دلار
• کابل USB 2.0 نوع A تا B (اینجا) 3.95 دلار
• تخته نان (اینجا) 2.55 دلار
• فنرهای فشرده سازی (ما از اینها استفاده کردیم) ؟؟
• 2 عدد اتصالات سفارشی (چاپ سه بعدی)
• 2 x ⅜’’-16 مهره شش گوش (اینجا) 1.18 دلار
• 4 پیچ 8-32 پیچ (این جا) 6.32 دلار
• 4 x ¼’’-20 مهره شش گوش (آلومینیوم) (اینجا) 0.64 دلار
• 2 x ¼’’-20’’ Threaded Rod (Aluminium) (اینجا) 11.40 دلار
• 7/64 "" آلن کلید
• 5/64 "" آلن کلید
• 4 پیچ 5x2mm 3/16''x1/8 '' (در اینجا) 8.69 دلار

دیگر

• جام پلاستیکی (اینجا) 6.99 دلار
• مایع برای آزمایش ویسکوزیته (ما شربت کارو ، گلیسیرین گیاهی ، شربت شکلاتی هرشی را آزمایش کردیم)

کل هزینه: 183.45 دلار*

*شامل رزین یا مایع چاپگر سه بعدی نیست

ابزارها

• دستگاه برش لیزری
• چاپگر سه بعدی

نرم افزار مورد نیاز

• متلب
• آردوینو

فایل ها و کد:

• فایل Adobe Illustrator برای مجموعه مسکن (Rheometer_Housing.ai)
• GUI بلندگوی کنترل (ENGN1735_2735_Vibrations_Lab_GUI_v2.mlapp)
• فایل رئومتر آردوینو (rheometer_project.ino)
• فایل های مش کره (cor_0.9cmbody.stl و cor_1.5cmbody.stl)
• فایل هندسی اتصال دهنده سفارشی ASCII (Connector_File.step)
• کد متلب 1 (ff_two_signal.m)
• متلب کد 2 (accelprocessor_foruser.m)
• متلب کد 3 (rheometer_foruser.m)

مرحله 1: قسمت 1: تنظیم کنید

نحوه راه اندازی پلت فرم آزمایشی

مرحله 2: چاپ سه بعدی و برش لیزری همه قطعات (اتصالات سفارشی ، حوزه ها و مسکن)

مرحله 3: دستگاه های الکترونیکی را همانطور که در زیر نشان داده شده است وصل کنید

نکته مهم: منبع تغذیه را به پریز وصل نکنید تا تمام مراحل این بخش تکمیل شود! همیشه در صورت ایجاد هرگونه تغییر ، منبع تغذیه را قطع نکنید.

برای شروع ، مطمئن شوید که تقویت کننده با دستگیره رو به رو قرار گرفته است. گیره تمساح و سیم های بلوز را به پایانه های سمت چپ و پایینی تقویت کننده وصل کنید. سیم برق و سیم بلوز آن را به پایانه های سمت چپ بالای تقویت کننده وصل کنید. انتهای اتصال ترمینال را محکم کنید تا پین های سیم محکم شوند. اطمینان حاصل کنید که پایانه های مثبت و منفی به طور صحیح با پایانه های روی آمپ و گیره های تمساح گیره به بلندگو مطابقت دارد. مطمئن شوید که این دو کلیپ با هم تماس پیدا نکنند.

مرحله 4: تنظیم رابط کاربری گرافیکی

اکنون که تجهیزات الکترونیکی راه اندازی شده اند ، می توانیم رابط کاربری گرافیکی را آزمایش کنیم که به ما امکان می دهد بلندگو را هدایت کرده و سیستم ارتعاشی غوطه ور در سیال خود را ایجاد کنیم. اسپیکر توسط سیستم خروجی صدا در رایانه ما کنترل می شود. با بارگیری MATLAB و کد GUI موجود در بالا شروع کنید. توجه: تنظیمات چراغ LED وجود دارد که مورد استفاده قرار نمی گیرد و باید نادیده گرفته شود.

پس از باز کردن MATLAB ، موارد زیر را در پنجره فرمان "info = audiodevinfo" اجرا کرده و بر روی گزینه "خروجی" دوبار کلیک کنید. شماره شناسه گزینه هدفون/بلندگوی خارجی را پیدا کنید. بسته به دستگاه شما چیزی شبیه به "بلندگو / هدفون …" یا "خارجی …" یا "خروجی داخلی …" خواهد بود. "شناسه بلندگوی خارجی" را روی این شماره شناسه تنظیم کنید.

حالا بیایید آزمایش کنیم که سیستم ما به درستی تنظیم شده است. حجم رایانه خود را در تمام مراحل خاموش کنید. کابل صوتی را از رایانه خود جدا کرده و در عوض مجموعه ای از هدفون را وصل کنید. ما اتصال GUI را برای ارسال سیگنال به لرزاننده آزمایش می کنیم. مطابق شکل زیر ، 60 هرتز را به عنوان فرکانس رانندگی در قسمت متن وارد کنید. (این قسمت مقادیر حداکثر تا 150 هرتز را می پذیرد). این فرکانس اجباری تنظیم شما است. سپس دامنه رانندگی را تا مقدار تقریبی 0.05 بکشید. سپس ، دکمه "روشن کردن سیستم" را فشار دهید تا سیگنال به هدفون شما ارسال شود. با این کار یکی از کانال های (چپ یا راست) هدفون شما فعال می شود. صدای رایانه خود را تا زمانی که صدایی شنیده نشود افزایش دهید. با شنیدن صدای قابل شنیدن روی "خاموش کردن سیستم" ضربه بزنید و مطمئن شوید که صدا پخش نمی شود. برای تغییر فرکانس یا دامنه رانندگی سیستم هنگام کار ، دکمه "بازخوانی تنظیمات" را فشار دهید.

مرحله 5: مجموعه توده ارتعاشی را ایجاد کنید

اکنون ما شروع به جمع آوری سیستم جرمی ارتعاشی می کنیم که در سیال خود غوطه ور می شویم. در این مرحله شتاب سنج ها را نادیده بگیرید و روی مونتاژ کره ، اتصالات ، مهره های شش گوش و فنر تمرکز کنید. یک مهره شش گوش فولادی را در هر یک از اتصالات سفارشی با پیچ های تنظیم شده و کلید آلن 5/64 اینچ محکم کنید. یکی از این موارد را با مهره شش ضلعی آلومینیومی و میله نخ آلومینیومی به کره وصل کنید. مطابق شکل بالا هر دو را با هم ترکیب کنید. در نهایت ، میله دوم را به کانکتور بالا بپیچانید و یک مهره شش ضلعی آلومینیومی را تا حدی پیچ کنید.

مرحله 6: شتاب سنج ها و آردوینو را اضافه کنید

با استفاده از نمودار بالا ، آردوینو را به شتاب سنج ها وصل کنید. برای ایجاد کابلهای رنگین کمان بلند ، از سیمهای مرد-مرد (در نمودار به شکل سفید ، خاکستری ، بنفش ، آبی و سیاه) استفاده کنید و آنها را به سیمهای زن-مرد (قرمز ، زرد ، نارنجی ، سبز و رنگ قهوه ای). انتهای دوم به شتاب سنج ها متصل می شود. مطمئن شوید که درگاه های شتاب سنج "GND" (Ground) و "VCC" (3.3 ولت) با تخته نان مطابقت داشته باشد و پورت "X" با پورت های A0 و A3 در آردوینو مطابقت داشته باشد.

شتاب سنج های نهایی را با استفاده از پیچ های 5x3mm 3/16”x1/8” اینچ به مجموعه Vibrating Mass وصل کنید. شما باید مطمئن شوید که شتاب سنج TOP به A0 و شتاب سنج BOTTOM به A3 متصل است تا کد Arduino کار کند.

برای راه اندازی خود Arduino ، ابتدا نرم افزار arduino را روی رایانه خود بارگیری کنید. آردوینو را با استفاده از کابل USB 2.0 به رایانه خود وصل کنید. فایل ارائه شده را باز کنید یا آن را کپی کرده و در یک فایل جدید جایگذاری کنید. برای انتخاب Arduino Uno ، به نوار بالای ابزار بروید و روی "Board:" حرکت دهید. یکی پایین ، روی "Port" حرکت کرده و Arduino Uno را انتخاب کنید.

مرحله 7: تنظیم سیستم نهایی

مرحله نهایی راه اندازی-جمع آوری همه چیز در کنار هم! با بازکردن گیره های تمساح از بلندگو و پیچاندن بلندگو به قسمت بالای محفظه با پیچ های 6-32 x ½”” شش ضلعی ، مهره شش ضلعی 6-32 و کلید آلن 9/64”شروع کنید. در مرحله بعد ، مجموعه جرمی ارتعاشی (با شتاب سنج ها) را داخل بلندگو پیچ کنید. برای بهترین نتیجه ، توصیه می کنیم بلندگو را بچرخانید تا از در هم پیچیدن سیم های شتاب سنج جلوگیری شود. با مهره شش ضلعی آلومینیومی جرم را به اسپیکر محکم کنید.

در نهایت ، سه طرف مجموعه محفظه را در قسمت بالا قرار دهید. با استفاده از پیچ های سر شش ضلعی 8-32 3 3/4 اینچی و مهره های شش ضلعی 8-32 ، مجموعه محفظه را محکم کنید. در نهایت ، گیره تمساح را دوباره به بلندگو وصل کنید. شما آماده شروع آزمایش هستید!

مایع مورد نظر خود را انتخاب کرده و فنجان پلاستیکی خود را تا زمانی که کره به طور کامل غوطه ور شود پر کنید. شما نمی خواهید کره تا حدی غوطه ور شود ، اما همچنین مراقب باشید که کره آنقدر زیر آب نرود که سیال به مهره شش ضلعی آلومینیومی برخورد کند.

مرحله 8: قسمت 2: اجرای آزمایش

اکنون که مونتاژ ما به پایان رسید ، می توانیم داده های خود را ثبت کنیم. فرکانسهای بین 15 تا 75 هرتز را در یک دامنه رانندگی تنظیم می کنید. ما افزایش 5 هرتز را توصیه می کنیم ، اما برای نتایج دقیق تر می توان آن را تغییر داد. آردوینو هم شتاب را برای بلندگو (شتاب سنج بالا) و هم کره (شتاب سنج پایین) را که در یک فایل csv ضبط می کنید ، ثبت می کند. کد MATLAB 1 و 2 ارائه شده در مقادیر csv به عنوان ستون های جداگانه خوانده می شود ، تبدیل دو سیگنال به چهار حالت را برای نویز سیگنال انجام می دهد و نسبت دامنه حاصله شتاب سنج بالا و پایین را چاپ می کند. کد MATLAB 3 این نسبت های دامنه و یک ویسکوزیته حدس زده اولیه را می پذیرد و نسبت تجربی و محاسبه شده در برابر فرکانس ها را ترسیم می کند. با تغییر ویسکوزیته حدس زده شده خود و مقایسه بصری این حدس با داده های تجربی ، می توانید ویسکوزیته مایع خود را تعیین کنید.

برای توضیح دقیق کد MATLAB ، به اسناد فنی پیوست مراجعه کنید.

مرحله 9: ثبت داده ها در CSV

برای شروع ضبط داده ها ، ابتدا مطمئن شوید که تنظیمات شما مطابق قسمت 1 انجام شده است. مطمئن شوید که آمپلی فایر به پریز برق وصل است. با کلیک روی دکمه "بارگذاری" در گوشه بالا سمت راست ، کد Arduino خود را در دستگاه خود بارگذاری کنید. پس از بارگذاری موفقیت آمیز ، به "Tools" بروید و "Serial Monitor" را انتخاب کنید. مطمئن شوید که وقتی Serial Monitor یا Serial Plotter را باز می کنید ، عدد baudd برابر با عدد baudd در کد (115200) باشد. دو ستون از داده ها را مشاهده می کنید که قرائت شتاب سنج بالا و پایین است.

GUI MATLAB را باز کرده و دامنه رانندگی را برای آزمایش خود انتخاب کنید (ما از 0.08 آمپر و 0.16 آمپر استفاده کردیم). فرکانس های 15 - 75 هرتز را جابجا می کنید و داده ها را هر 5 هرتز ضبط می کنید (در کل 13 مجموعه داده). با تنظیم فرکانس رانندگی بر روی 15 هرتز شروع کنید و سیستم را با ضربه زدن روی "روشن کردن سیستم" روشن کنید. با این کار اسپیکر شما روشن می شود و باعث ایجاد ارتعاش کره و تنظیمات بالا و پایین می شود. به مانیتور سریال Arduino خود بازگردید و "Clear Output" را فشار دهید تا جمع آوری داده های جدید شروع شود. اجازه دهید این تنظیمات حدود 6 ثانیه اجرا شود و سپس Arduino را از رایانه خود جدا کنید. مانیتور سریال ضبط را متوقف می کند ، به شما این امکان را می دهد که حدود 4 ، 500-5 ، 000 ورودی داده را به صورت دستی در یک فایل csv کپی و جایگذاری کنید. دو ستون داده را به دو ستون جداگانه تقسیم کنید (ستون 1 و 2). این csv را به "15hz.csv" تغییر نام دهید.

Arduino خود را مجدداً به رایانه خود وصل کنید (مطمئن شوید که پورت را مجدداً تنظیم کرده اید) و این فرایند را برای فرکانس های 20 هرتز ، 25 هرتز ، … و 75 هرتز تکرار کنید و مطابق قوانین نامگذاری فایل های CSV عمل کنید. برای اطلاعات بیشتر در مورد نحوه خواندن این فایل ها توسط MATLAB ، به سند فنی مراجعه کنید.

اگر می خواهید تغییرات نسبت دامنه را در رفت و برگشت فرکانس مشاهده کنید ، می توانید از Arduino Serial Plotter برای مشاهده بصری این تفاوت استفاده کنید.

مرحله 10: داده های خود را با کد MATLAB پردازش کنید

هنگامی که داده های تجربی در قالب فایل های CSV به دست آمد ، مرحله بعدی استفاده از کد ارائه شده ما برای پردازش داده ها است. برای دستورالعمل های دقیق در مورد استفاده از کد و توضیح ریاضیات اساسی ، به سند فنی ما مراجعه کنید. هدف بدست آوردن دامنه شتاب برای شتاب سنج بالا و پایین و سپس محاسبه نسبت دامنه پایین به دامنه بالا است. این نسبت برای هر فرکانس رانندگی محاسبه می شود. سپس نسبت ها به عنوان تابعی از فرکانس رانندگی ترسیم می شود.

پس از به دست آوردن این نمودار ، مجموعه دیگری از کد (که مجدداً در سند فنی توضیح داده شده است) برای تعیین ویسکوزیته سیال استفاده می شود. این کد از کاربر می خواهد حدس اولیه ویسکوزیته را وارد کند ، و ضروری است که این حدس اولیه از ویسکوزیته واقعی کمتر باشد ، بنابراین مطمئن شوید که ویسکوزیته بسیار پایینی را حدس بزنید در غیر این صورت کد به درستی کار نخواهد کرد. هنگامی که کد ویسکوزیته ای پیدا کرد که با داده های تجربی مطابقت دارد ، یک نمودار مانند آنچه در زیر نشان داده شده تولید می کند و مقدار ویسکوزیته نهایی را نشان می دهد. تکمیل آزمایش را به شما تبریک می گویم!

مرحله 11: فایل ها

متناوبا، از سوی دیگر:

drive.google.com/file/d/1mqTwCACTO5cjDKdUSCUUhqhT9K6QMigC/view؟usp=sharing