摘 要 运用电子技术及磁性液体的特性自制了一套磁性液体演示仪。该演示仪利用激光传感器来检测磁性液体悬浮高度，添加数码管实时显示电路，可以测量磁性液体液面凸起高度变化与磁场的关系，能精确而直观地演示磁性物液体的悬浮特性。该仪器具有操作简单、性能稳定、效果明显等特点，能广泛应用于课堂演示、课程设计等场合，在实际应用中取得了良好的效果。

　　中国论文网 http://www.xzbu.com/8/view-4723146.htm关键词 激光传感器； 磁性液体； 数码管显示中图分类号TN249 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2013）91-0068-02磁性液体是一种由包覆有表面活性剂的纳米铁磁性或亚铁磁性颗粒分散于液态载液中形成的稳定的胶态悬浮液。以其优越的独特性能在航空航天、机械、冶金、环保和生物医疗等领域得到广泛的应用。目前磁性液体演示仪器种类较多，本文率先采用基于激光传感器的磁性液体演示仪并且引入单片机转换信号并由LED实时显示液面高度，能够演示其液面凸起高度与电流的变化关系，检测简单，容易实时控制。用于实验教学中可以激发学生对新材料的兴趣，培养学生的创新思维，对于未知磁场检测的磁性液体传感器的研制开发及非磁性物体密度的测量均有意义。

　　1 激光传感器的原理激光传感器主要是利用激光技术进行测量。由测距探头向目标发射激光脉冲，在目标表面被反射产生回波信号，回波信号中包含有相应的待测信息，接收系统接收信号并由信号处理系统进行分析，即可获得距离的测量。

　　2 实验装置和控制方法激光传感器磁性液体演示仪结构如图1所示，其中1为激光传感器测距探头，用来探测其与磁性液体凸起的距离、2为磁性液体、3为励磁线圈、4为单片机、5为直流电源、6为LED显示屏、7为底座、8为探头架。显示电路由单片机根据传感器输出的位移信号通过LED显示屏显示磁性液体凸起高度，用于演示其凸起液面高度的变化与电磁铁电流的大小关系。演示时，打开电源开关，缓慢加大电压便可实现相关现象的观测。

　　3 电路组成3.1 脉冲激光测距系统该系统主要由脉冲半导体激光发射管、接收系统、时间转换芯、光电二极管、单片机构成。测量时由脉冲半导体激光发射管发射激光脉冲， 在磁性液体表面产生反射，由接收系统接收，并成像到光电二极管上。光电二极管可将微弱的光信号转化为相应的电信号。从开始到停止脉冲之间的时差由时间转换芯记录，用该时差计算液体表面与发射端的距离。 单片机对传回的时间测量结果进行分析与处理，最终将结果送给液晶显示出来。

　　3.2 LED显示电路本演示仪的特色功能之一就是添加了LED显示电路，它主要是显示液面凸起的高度。在调整电磁铁电流的过程中，显示电路实时显示液面高度的变化。由于该装置添加了较精确的数字显示电路，可以直观显示调整过程中的瞬态磁性液体高度的变化，提供了直观的实验数据 。

　　4 试验分析及讨论把磁性液体看成连续流体，其任一点的动能、位能、压力产生的能量与磁能之和总是恒定的，在常情况下磁性流体的Bernoulli方程：

　　式中为磁性液体某点密度，h为高度，P为压强，v为流速，g为重力加速度，M为磁性液体的磁化强度，H为外磁场的磁场强度 。

　　设液体凸起部分体积为V，由于磁性液体静止，动能项为零，外磁场平行于竖直方向的Z轴（方向向上），并且在体积范围内，磁场梯度和磁化强度为常量，dh与dz相同，并微分可得：

　　线圈上部区域向上场强越来越弱，所以若是增大电流，减小，凸起磁性液体所受的浮力f增大，浮起的高度增加。

　　5 结论本仪器独创性地将激光传感器、LED显示引入到磁性液体演示实验装置的研制中，实现了测量磁性液体凸起高度与电流之间的关系，同时也能够测量非磁性液体浮出液面的高度随磁场的变化。在物理演示实验教学中能让学生学会如何运用知识，培养学生的创新思维。进一步深入研究可用于研制价格便宜且性能更高的未知磁场检测的磁性液体传感器。

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