[科普中国]-表观密度

表观密度是指材料的质量与表观体积之比。表观体积是实体积加闭口孔隙体积。一般直接测量体积，对于形状非规则的材料，可用蜡封法封闭孔隙，然后再用排液法测量体积**。**

表观密度是指材料在自然状态下（长期在空气中存放的干燥状态），表观密度=M（实体）/V（实体+闭口空隙）。

简要信息对于形状规则的材料，直接测量体积；对于形状非规则的材料，可用蜡封法封闭孔隙，然后再用排液法测量体积；对于混凝土用的砂石骨料，直接用排液法测量体积，此时的体积是实体积与闭口孔隙体积之和，即不包括与外界连通的开口孔隙体积。由于砂石比较密实，孔隙很少，开口孔隙体积更少，所以用排液法测得的密度也称为表观密度，过去称为视密度。材料的含水状态变化时，其质量和体积均发生变化。通常表观密度是指材料在干燥的状态下的表观密度，其他含水情况应注明。多数材料为多孔物质，具有与外部相通的开口孔和不通的闭孔，将含有闭孔材料的密度称为“表观密度”。表观密度=材料的质量/（实质部分的容积+闭孔容积）炭材料通常用比重瓶法（Pycnometer），以甲苯或正丁醇作标准液进行测定，也有用氦气充填微孔直到几乎不再吸附的气体介质置换法进行测定的。有时也用水银压入微孔中进行充填测定。随测定方法以及浸透或置换的程度不同，所得数值也不一样。1

石的表观密度试验（1）仪器设备：鼓风烘箱：能使温度控制在（105±5）℃；

天平：称量2 kg，感量1 g；

广口瓶：1 000 mL，磨口，带玻璃片；

方孔筛：孔径为4.75 mm的筛一只；

温度计、搪瓷盘、毛巾等。

（2）实验步骤

A. 按规定取样，并缩分至略大于 规定的数量，风干后筛余小于4.75 mm的颗粒，然后洗刷干净，分为大致相等的两份备用。

表1 表观密度试验所需试样数量

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B. 将试样浸水饱和，然后装入广口瓶中。装试样时，广口瓶应倾斜放置，注入饮用水，用玻璃片覆盖瓶口。以上下左右摇晃的方法排除气泡；

C. 气泡排尽后，向瓶中添加饮用水直至水面凸出瓶口边缘。然后用玻璃片沿瓶口迅速滑行，使其紧贴瓶口水面。擦干瓶外水分后，称出试样、水、瓶和玻璃片总质量，精确至1 g。

D. 将瓶中试样倒入浅盘，放在烘箱中于（105±5）℃下烘干至恒量，待冷却至室温后，称出其质量，精确至1g。

E. 将瓶洗净并重新注入饮用水，用玻璃片紧贴瓶口水面，擦干瓶外水分后，称出水、瓶和玻璃片总质量，精确至1g。

注：试验时各项称量可以在15℃～25℃范围内进行，但从试样加水静止的2h起至试验结束，其温度变化不应超过2℃。

④结果计算与评定

A. 表观密度按下式计算，精确至10 kg/m3：

ρ2=[G0/(G0+G2-G1)-at]×1000

At----水温对砂表观密度的修正系数。

式中ρ2——表观密度，kg/m3；G0——烘干后试样的质量，g；G1——试样、水、瓶和玻璃片的总质量，g；G2——水、瓶和玻璃片的总质量，g；ρ水——水的密度，1 000 kg/m3；

B. 表观密度取两次试验结果的算术平均值，两次试验结果之差大于20 kg/m3，须重新试验。对颗粒材质不均匀的试样，如两次试验结果之差超过20 kg/m3，可取4次试验结果的算术平均值。

表观密度和容积密度：表观密度 （又称为视密度、近似密度）表示材料单位细观外形体积（包括内部封闭孔隙）的质量，容积密度 （又称为体积密度、表观毛密度、容重）表示材料单位宏观外形体积（包括内部封闭孔隙和开口孔隙）的质量。

（含闭口孔） 干燥材料浸入水中，待吸水饱和后，测量排开水的体积 V。

计算式 ρ'= m /v '

式中 ρ'--- 材料的表观密度，g/cm3。

m --- 材料在干燥状态下的质量，g 。

v '--- 材料不含开口孔隙的 体积，cm3。

各项密度

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智能磁性液体表观密度仪控制系统纳米磁性液体是一种“固-液”相混胶体溶液，由纳米级磁性颗粒、载液和表面活性剂构成。当磁场一定时，不同深度磁性液体中磁性颗粒的表观密度随着磁性液体深度的不同而变化，深度增加，表观密度增大。利用这种磁性液体中纳米颗粒的密度受磁场梯度影响而分布的非均匀性规律，自主研发了磁性液体表观密度测量仪，主要由单称盘天平和单电磁铁构成，天平一侧为非铁磁材料的测锤和位置标尺，另一侧为单称盘，测锤用细丝悬挂在细长玻璃容器的磁性液体中，可进行某一液层磁性液体的表观密度随磁场的变化以及某一固定液层的磁性液体表观密度随磁场的变化规律。经过实践，发现磁性液体表观密度测量仪还存在一些缺陷，例如:电磁场间的相互干扰、单臂天平的精确度以及大量繁琐、复杂的手工计算，极大地影响了使用效率和效果。

智能磁性液体表观密度仪控制系统利用力敏传感器代替传统的单臂天平，利用计算机控制单片机对各种物理量进行记测量、跟踪。研究针对各种所测物理量的要求和步骤，自行开发出计算机实测软件，用以记录、分析，更为准确地获取实验的动态信息。通过控制系统实现了数据处理快捷化、精确化，数据、图、结论一体化。同时，在实验仪器上采用PC机控制，也极大地提高了仪器的使用效率和市场价值。

硬件平台（1）开发控制系统的体系结构

智能磁性液体表观密度仪控制系统以SPCE061A单片机为控制核心，利用力敏传感器将非电量信号转换为电信号，再经AD转换为数字量，传到计算机上。通过自行设计的实测软件进行测量控制，设计框图如图1所示。

（2）硬件组成

①电源模块。首先，单片机系统中最重要的干扰源来自于电源。为了提高供电系统的质量，防止窜入干扰，采用交流电源220V，通过交流滤波、交流稳压、电源变压器后转化为9V，经过整流、滤波，再稳到5V，为整个硬件系统提供电源。

②硬件组成。在智能磁性液体表观密度仪的研发中，把传感器输出的模拟信号经A/D转换为数字信号，并经过单片机处理，输出给计算机。整个接口分为：

传感器设计单元。把电容、电阻、放大器等元器件独立放置，自主选择放大器的型号、电阻和电容的大小，并构成完整的电路，以实现所需功能。具体可以实现放大器、比较器和滤波器等基本检测电路。实现对所需物理量转化成电量的过程，并提供稳定、准确的信号。

单片机单元。采用凌阳16位单片机SPCE061A的A/D转换电路，它的功能是将模拟信号转换为与其相应的数字信号，通过串口传给计算机。另外，通过连接线操作，自主设计外围电路，自主编写程序。增强自主设计性，可以方便地调试程序单片机程序。

单片机与计算机的数据通信单元。单片机的电平标准为TTL标准，计算机标准电平为232电平。为了完成正常的数据通信，研发中，采用MAX232C完成RS-232标准与TTL电平转换使PC机可与单片机交换信息。

计算机单元。计算机单元主要完成数据的接受和处理。软件用VB编写，其操作简单，并且具有较强的逻辑性，根据实验的标准步骤一步步操作，也可以学生自主设计实验操作步骤。

软件设计（1）软件程序设计

软件程序是整个控制系统的核心部分，智能磁性液体表观密度仪实测软件采用VB语言编写。利用单片机串口中断接收和发送数据信息，实现与计算机的实时数据信息传输。利用RS-232将计算机和单片机连接起来完成数据的串行通信，具体流程如图2所示。

（2）软件的功能及步骤

根据自主开发设计的程序界面，可实现实验项目的选择、实验室及实验注意事项的介绍。可使用计算器、文本、公室编辑器等计算工具，同时可根据实验项目的要求自主选择实验操作步骤，实现信息的实时采集及保存。通过打印机出口输出测量结果。

①自检软、硬件连接。

②设置“测量初始设置”，填写测量起始、间隔刻度、测量方向等。

③取U(空气)、U(水)键值，为铁锤在空气、水中起的电压值。

④活“操作区域”的开关按键，绿色为工作状态。

⑤实验操作步骤，也可自主设计操作步骤，通过“采集定点数据”进行数据的采集，既可在绘图区中看到该点的密度值绘制情况。横坐标为刻度，纵坐标为磁性液体表观密度值。

⑥测锤浸没在下一刻度的磁性液体中后，重复⑥操作。

⑦如果在重复⑤、⑥操作中，认为当前点数据有误，需要重新测量。点击“重新测量”，系统自动删除上一点数据。若遇到严重错误，点击“系统归零”，即可重新开始测量。

⑧测量完成后，得到曲线图，可点击“理论值比较”按钮与设定好的理论值进行曲线对比。完成的曲线图的绘图并进行保存，退出。

研究结论利用计算机对各种物理量进行记测量、跟踪，自行开发计算机实测软件用以记录、分析，更为准确获取实验动态信息已成为时代的潮流。在此基础上进行实验教学可以提高学生动手的实验兴趣，培养学生创新意识。并可在设计的过程中锻炼学生，如何选择设计系统中稳定性的好坏，功耗和成本的高低，结构是否清楚，从而设计出安装简单，使用方便，造价低廉的电子产品。通过开发研制的智能磁性液体表观密度仪已投入生产使用，节约了资金，更为教学科研工作提供了一个高效率的平台。2

本词条内容贡献者为:

李航 - 副教授 - 西南大学