表觀密度

表觀密度是指材料的質量與表觀體積之比。表觀體積是實體積加閉口孔隙體積。一般直接測量體積，對於形狀非規則的材料，可用蠟封法封閉孔隙，然後再用排液法測量體積。

表觀密度是指材料在自然狀態下（長期在空氣中存放的乾燥狀態），表觀密度=M（實體）/V（實體+閉口孔隙）。

基本介紹

• 中文名：表觀密度
• 外文名：Apparent density
• 描述：材料的質量與表觀體積之比
• 測量方法：排液法測量體積
• 學科：物理

簡要信息

對於形狀規則的材料，直接測量體積；對於形狀非規則的材料，可用蠟封法封閉孔隙，然後再用排液法測量體積；對於混凝土用的砂石骨料，直接用排液法測量體積，此時的體積是實體積與閉口孔隙體積之和，即不包括與外界連通的開口孔隙體積。由於砂石比較密實，孔隙很少，開口孔隙體積更少，所以用排液法測得的密度也稱為表觀密度，過去稱為視密度。材料的含水狀態變化時，其質量和體積均發生變化。通常表觀密度是指材料在乾燥的狀態下的表觀密度，其他含水情況應註明。多數材料為多孔物質，具有與外部相通的開口孔和不通的閉孔，將含有閉孔材料的密度稱為“表觀密度”。表觀密度=材料的質量/（實質部分的容積+閉孔容積）炭材料通常用比重瓶法（Pycnometer），以甲苯或正丁醇作標準液進行測定，也有用氦氣充填微孔直到幾乎不再吸附的氣體介質置換法進行測定的。有時也用水銀壓入微孔中進行充填測定。隨測定方法以及浸透或置換的程度不同，所得數值也不一樣。

石的表觀密度試驗

（1）儀器設備：鼓風烘箱：能使溫度控制在（105±5）℃；

天平：稱量2 kg，感量1 g；

廣口瓶：1 000 mL，磨口，帶玻璃片；

方孔篩：孔徑為4.75 mm的篩一隻；

溫度計、搪瓷盤、毛巾等。

（2）實驗步驟

A. 按規定取樣，並縮分至略大於 規定的數量，風乾後篩余小於4.75 mm的顆粒，然後洗刷乾淨，分為大致相等的兩份備用。

表1 表觀密度試驗所需試樣數量

最大粒徑，mm	小於26.5	31.5	37.5	63.0	75.0
最少試樣質量，kg	2.0	3.0	4.0	6.0	6.0

B. 將試樣浸水飽和，然後裝入廣口瓶中。裝試樣時，廣口瓶應傾斜放置，注入飲用水，用玻璃片覆蓋瓶口。以上下左右搖晃的方法排除氣泡；

C. 氣泡排盡後，向瓶中添加飲用水直至水面凸出瓶口邊緣。然後用玻璃片沿瓶口迅速滑行，使其緊貼瓶口水面。擦乾瓶外水分後，稱出試樣、水、瓶和玻璃片總質量，精確至1 g。

D. 將瓶中試樣倒入淺盤，放在烘箱中於（105±5）℃下烘乾至恆量，待冷卻至室溫後，稱出其質量，精確至1g。

E. 將瓶洗淨並重新注入飲用水，用玻璃片緊貼瓶口水面，擦乾瓶外水分後，稱出水、瓶和玻璃片總質量，精確至1g。

註：試驗時各項稱量可以在15℃～25℃範圍內進行，但從試樣加水靜止的2h起至試驗結束，其溫度變化不應超過2℃。

④結果計算與評定

A. 表觀密度按下式計算，精確至10 kg/m³：

ρ₂=[G₀/(G₀+G₂-G₁)-a_t]×1000

A_t----水溫對砂表觀密度的修正係數。

式中ρ₂——表觀密度，kg/m³；G₀——烘乾後試樣的質量，g；G₁——試樣、水、瓶和玻璃片的總質量，g；G₂——水、瓶和玻璃片的總質量，g；ρ_水——水的密度，1 000 kg/m³；

B. 表觀密度取兩次試驗結果的算術平均值，兩次試驗結果之差大於20 kg/m³，須重新試驗。對顆粒材質不均勻的試樣，如兩次試驗結果之差超過20 kg/m³，可取4次試驗結果的算術平均值。

表觀密度和容積密度：表觀密度 （又稱為視密度、近似密度）表示材料單位細觀外形體積（包括內部封閉孔隙）的質量，容積密度 （又稱為體積密度、表觀毛密度、容重）表示材料單位巨觀外形體積（包括內部封閉孔隙和開口孔隙）的質量。

（含閉口孔） 乾燥材料浸入水中，待吸水飽和後，測量排開水的體積 V。

計算式 ρ'= m /v '

式中 ρ'--- 材料的表觀密度，g/cm³。

m --- 材料在乾燥狀態下的質量，g 。

v '--- 材料不含開口孔隙的 體積，cm³。

各項密度

材料	密度（g/cm3）	表觀密度(kg/m3)	堆積密度(kg/m3)
石灰岩	2.60	1800~2600
砂	2.60		1450~1650
實心黏土磚	2.50	1600~1800
空心黏土磚	2.50	1000~1400
水泥	3.20		1200~1300
普通混凝土		2100~2600
輕骨料混凝土		800~1900
木材	1.55	400~800
鋼材	7.85	7850
泡沫塑膠		20~50

智慧型磁性液體表觀密度儀控制系統

納米磁性液體是一種“固-液”相混膠體溶液，由納米級磁性顆粒、載液和表面活性劑構成。當磁場一定時，不同深度磁性液體中磁性顆粒的表觀密度隨著磁性液體深度的不同而變化，深度增加，表觀密度增大。利用這種磁性液體中納米顆粒的密度受磁場梯度影響而分布的非均勻性規律，自主研發了磁性液體表觀密度測量儀，主要由單稱盤天平和單電磁鐵構成，天平一側為非鐵磁材料的測錘和位置標尺，另一側為單稱盤，測錘用細絲懸掛在細長玻璃容器的磁性液體中，可進行某一液層磁性液體的表觀密度隨磁場的變化以及某一固定液層的磁性液體表觀密度隨磁場的變化規律。經過實踐，發現磁性液體表觀密度測量儀還存在一些缺陷，例如:電磁場間的相互干擾、單臂天平的精確度以及大量繁瑣、複雜的手工計算，極大地影響了使用效率和效果。

智慧型磁性液體表觀密度儀控制系統利用力敏感測器代替傳統的單臂天平，利用計算機控制單片機對各種物理量進行記測量、跟蹤。研究針對各種所測物理量的要求和步驟，自行開發出計算機實測軟體，用以記錄、分析，更為準確地獲取實驗的動態信息。通過控制系統實現了數據處理快捷化、精確化，數據、圖、結論一體化。同時，在實驗儀器上採用PC機控制，也極大地提高了儀器的使用效率和市場價值。

硬體平台

（1）開發控制系統的體系結構

智慧型磁性液體表觀密度儀控制系統以SPCE061A單片機為控制核心，利用力敏感測器將非電量信號轉換為電信號，再經AD轉換為數字量，傳到計算機上。通過自行設計的實測軟體進行測量控制，設計框圖如圖1所示。

圖 1 系統設計總框圖

（2）硬體組成

①電源模組。首先，單片機系統中最重要的干擾源來自於電源。為了提高供電系統的質量，防止竄入干擾，採用交流電源220V，通過交流濾波、交流穩壓、電源變壓器後轉化為9V，經過整流、濾波，再穩到5V，為整個硬體系統提供電源。

②硬體組成。在智慧型磁性液體表觀密度儀的研發中，把感測器輸出的模擬信號經A/D轉換為數位訊號，並經過單片機處理，輸出給計算機。整個接口分為：

感測器設計單元。把電容、電阻、放大器等元器件獨立放置，自主選擇放大器的型號、電阻和電容的大小，並構成完整的電路，以實現所需功能。具體可以實現放大器、比較器和濾波器等基本檢測電路。實現對所需物理量轉化成電量的過程，並提供穩定、準確的信號。

單片機單元。採用凌陽16位單片機SPCE061A的A/D轉換電路，它的功能是將模擬信號轉換為與其相應的數位訊號，通過串口傳給計算機。另外，通過連線線操作，自主設計外圍電路，自主編寫程式。增強自主設計性，可以方便地調試程式單片機程式。

單片機與計算機的數據通信單元。單片機的電平標準為TTL標準，計算機標準電平為232電平。為了完成正常的數據通信，研發中，採用MAX232C完成RS-232標準與TTL電平轉換使PC機可與單片機交換信息。

計算機單元。計算機單元主要完成數據的接受和處理。軟體用VB編寫，其操作簡單，並且具有較強的邏輯性，根據實驗的標準步驟一步步操作，也可以學生自主設計實驗操作步驟。

軟體設計

（1）軟體程式設計

軟體程式是整個控制系統的核心部分，智慧型磁性液體表觀密度儀實測軟體採用VB語言編寫。利用單片機串口中斷接收和傳送數據信息，實現與計算機的實時數據信息傳輸。利用RS-232將計算機和單片機連線起來完成數據的串列通信，具體流程如圖2所示。

圖 2 流程圖

（2）軟體的功能及步驟

根據自主開發設計的程式界面，可實現實驗項目的選擇、實驗室及實驗注意事項的介紹。可使用計算器、文本、公室編輯器等計算工具，同時可根據實驗項目的要求自主選擇實驗操作步驟，實現信息的實時採集及保存。通過印表機出口輸出測量結果。

①自檢軟、硬體連線。

②設定“測量初始設定”，填寫測量起始、間隔刻度、測量方向等。

③取U(空氣)、U(水)鍵值，為鐵錘在空氣、水中起的電壓值。

④活“操作區域”的開關按鍵，綠色為工作狀態。

⑤實驗操作步驟，也可自主設計操作步驟，通過“採集定點數據”進行數據的採集，既可在繪圖區中看到該點的密度值繪製情況。橫坐標為刻度，縱坐標為磁性液體表觀密度值。

⑥測錘浸沒在下一刻度的磁性液體中後，重複⑥操作。

⑦如果在重複⑤、⑥操作中，認為當前點數據有誤，需要重新測量。點擊“重新測量”，系統自動刪除上一點數據。若遇到嚴重錯誤，點擊“系統歸零”，即可重新開始測量。

⑧測量完成後，得到曲線圖，可點擊“理論值比較”按鈕與設定好的理論值進行曲線對比。完成的曲線圖的繪圖並進行保存，退出。

研究結論

利用計算機對各種物理量進行記測量、跟蹤，自行開發計算機實測軟體用以記錄、分析，更為準確獲取實驗動態信息已成為時代的潮流。在此基礎上進行實驗教學可以提高學生動手的實驗興趣，培養學生創新意識。並可在設計的過程中鍛鍊學生，如何選擇設計系統中穩定性的好壞，功耗和成本的高低，結構是否清楚，從而設計出安裝簡單，使用方便，造價低廉的電子產品。通過開發研製的智慧型磁性液體表觀密度儀已投入生產使用，節約了資金，更為教學科研工作提供了一個高效率的平台。