一種用于測量微小質量的質量測量設備的制作方法
【專利摘要】本發明提供了一種質量測量設備，該質量測量設備包括：容器（4）、液體（5）、懸浮物（6、7）、載物臺（8）、第一極板（10）、第二極板（11）、第三極板（12）、控制器（21）、支架（25）。本發明采用浮力天平原理，利用質量與電容改變量之間的對應關系，使用差分電容和惠斯通電橋，巧妙的實現了微小質量的自動化測量。本發明的質量測量設備測量精度高、成本低廉、操作簡便、易于實現自動化測量、實用性強。本發明可廣泛用于微小顆粒稱重、危化品及食品安全檢驗以及微生物、細菌或病毒檢測等領域，也可作為大學物理實驗中微小質量的測量裝置。
【專利說明】一種用于測量微小質量的質量測量設備
【技術領域】
[0001]本發明涉及參數測量領域，具體涉及對質量進行測量的質量測量設備。
【背景技術】
[0002]現有技術中，測量微小質量的方法一般包括:分析天平、扭力天平、諧振和激光干涉等。
[0003]分析天平和扭力天平的測量精度都比較高，也比較穩定，但操作繁瑣，不易于自動化，各種接觸摩擦的誤差大，且價格貴。電子天平實現了自動化測量，也能夠精確地測量各種大小的質量，操作簡便，而且將測力轉換成測電量，穩定性大大增強，但是它設計復雜，導致成本高。激光干涉法精度高，穩定性好，但設備龐大，對環境要求苛刻且成本較高，不方便安裝使用。
[0004]因此，希望能夠設計一種操作簡便、響應時間短、成本低廉、測量精度高、實用性強的質量測量設備。
【發明內容】
[0005]針對上述問題，本發明提供了一種測量微小質量的設備，其至少能解決上述問題中的一項。
[0006]具體而言，本發明提供了一種質量測量設備，所述質量測量設備包括:容器、液體、懸浮物、載物臺、第一極板、第二極板、第三極板、控制器、支架，
[0007]所述容器上部，用于容納所述液體；
[0008]所述懸浮物的至少部分侵入在所述液體中；
[0009]所述載物臺用于承載待測物體，并且所述載物臺固定在所述懸浮物露出所述液體的表面的部分上；
[0010]所述第一極板和第三極板彼此平行并且分別安裝在所述支架上，并且其中，所述第一極板和所述第三極板保持固定，所述第二極板能夠上下移動；
[0011]所述第二極板位于所述第一極板和所述第三極板之間，并且與所述載物臺固定連接；
[0012]所述第一極板、第二極板和第三極板分別與所述控制器中的測量電路相連接；
[0013]所述測量電路基于來自所述第一極板、第二極板和第三極板的輸出確定所述待測物體的質量。
[0014]優選地，所述的質量測量設備還包括平衡栓和中間極板連接件，所述中間極板連接件用于連接所述中間極板和所述載物臺，所述中間極板連接件的一段穿過所述平衡栓的中心孔洞，所述平衡栓的中心孔洞的尺寸與所述中間極板連接件的尺寸匹配，從而通過限制所述中間極板連接件的取向來保持所述中間極板處于水平狀態。
[0015]優選地，所述測量電路基于所述第一極板與第二極板二者構成的電容的大小以及所述第二極板與第三極板二者所構成的電容的大小，來確定所述待測物體的質量。[0016]優選地，所述懸浮物包括上下兩個部分，所述懸浮物的上部分為懸浮連桿，下部分為平衡塊，所述懸浮連桿沿水平方向的截面小于所述平衡塊沿水平方向的截面。
[0017]優選地，所述平衡塊的密度大于所述液體的密度，所述懸浮連桿的密度小于所述液體的密度，并且所述平衡塊與所述懸浮連桿作為整體的平均密度小于所述液體的密度。
[0018]優選地，所述懸浮連桿分成若干段，每段的直徑彼此不同。
[0019]優選地，所述懸浮連桿下部具有一個圓臺，該圓臺直徑遠大于所述懸浮連桿上部的直徑。優選地，該圓臺直徑大于平衡塊的直徑。
[0020]優選地，所述測量電路為差分電容檢測電路。
[0021]本發明的質量測量設備測量精度高、成本低廉、操作簡便、易于實現自動化測量、實用性強。可廣泛用于微小顆粒稱重、危化品及食品安全檢驗以及微生物、細菌或病毒檢測等領域，也可作為大學物理實驗中微小質量的測量裝置。
[0022]本發明采用浮力天平原理，利用質量與電容改變量進行轉換的設計思想，使用差分電容和惠斯通電橋，巧妙的實現了微小質量的自動化測量。該發明原理清晰，操作簡便，響應時間短，成本低廉，測量精度高，實用性強。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0023]圖1是根據本發明的一個實施例的質量測量設備的示意圖；
[0024]圖2是從圖1中所示的實驗設備的右側看去所述質量測量設備的極板附近結構的局部放大示意圖；
[0025]圖3是根據本發明一個實施例的測量電路的示意圖；
[0026]圖4是根據本發明一個實施例對采用測量電路測得的結果進行處理的流程圖。【具體實施方式】
[0027]由阿基米德原理知，浸在靜止液體中的物體受到液體作用的合力大小等于物體排開的液體的重力。所以如果知道物體排開液體的體積和液體的密度，就可算出物體的重力，進而得出物體的質量。
[0028]基于這種原理，本發明將載物臺與懸浮于液體中的懸浮物相連接。當微小質量的物體放在載物臺上時，載物臺向下產生微小位移，帶動懸浮物向下移動，從而排開更大體積的液體。再將載物臺與電容的一個極板相連接，載物臺的移動將帶來電容的一個極板與其他極板之間的相對位置變化。利用電容量隨極板間距變化的性質，測量電容的變化就可以實現對載物臺上所放置物體的質量的測量。
[0029]此外，因為本發明旨在針對微小質量進行測量，所以載物臺產生的位移也很小，為了更精確地對電容進行測量，本發明設計了特定的結構和電路來實現微小質量的測量。
[0030]下面將結合附圖對本發明的一個實施例進行具體描述。
[0031]如圖1所示，圖中的質量測量設備包括底板1、調平旋鈕2、水平儀3、容器4、液體5 (其密度已知)、平衡塊6、懸浮連桿7 (其截面積為S)、載物臺8、電容下極板10、中間極板
11、電容上極板12、用于連接載物臺與中間極板的連接件9、上極板固定桿13 (中間裝有導線)、上極板固定桿調整旋鈕14、平衡栓15、用于連接件9的連接桿16 (中間裝有導線)、緊固件17、下極板固定桿18 (中間裝有導線)、下級板固定桿調整旋鈕19、控制器21、測量電路22、數碼管顯示23、按鍵24、支撐桿25、連接線纜20。
[0032]如圖1所示，在進行質量測量前，首先利用水平儀3進行底板I的調平，S卩，觀察水平儀3并通過調整調平旋鈕2使底板I水平。然后系統上電，觀察數碼管數值，然后調節旋鈕14和19以及液體5的液面高度，使數碼管顯示為零，此時中間極板11正好位于上、下極板的中間位置。通過采用平衡栓15和固定桿13、18，該設備可保持上下極板和中間極板在鉛直平面嚴格對齊。
[0033]上極板固定桿13、連接桿16、下極板固定桿18分別固定至支架25，從上至下依次排列。支架25為豎直的立桿,其可以與實驗臺底板I固定連接在一起，中間極板11通過連接件9與載物臺8連接，載物臺8與懸浮物相連。在本實施例中，懸浮物包括懸浮連桿7和平衡塊6，懸浮連桿7與平衡塊6連接在一起，靠浮力保持平衡，以維持為圖中所示狀態。
[0034]平衡栓15為中間開孔的圓柱狀物體，圓柱的中心開有圓柱形的孔洞，連接件9的一段穿過平衡栓15的圓柱形孔洞，并且二者尺寸彼此匹配。平衡栓15的孔洞沿豎直方向，使得連接件9穿過平衡栓15的一段的方向也沿豎直方向。連接件9與中間極板11剛性連接，并且，連接件9的形狀使得中間極板保持水平方向，例如，如圖1中所示，呈中間豎直的弓形。
[0035]中間極板11能夠上下移動，并且，連接件9穿過平衡栓15的中間孔洞。連接件9能夠在平衡栓15的中間孔洞上下滑動。
[0036]中間極板11通過連接件9與載物臺8相連接。懸浮連桿7支撐載物臺8。平衡時體積大的平衡塊6浸沒在液體中，而截面積很小的懸浮連桿7有一段在液面下，另一段在液面上。
[0037]圖2是從圖1中所示的實驗設備的右側看去所述質量測量設備的極板及其附近結構的局部放大示意圖。從圖2中可以看到，上極板固定桿13從上方連接到上極板12，下極板固定桿18從下方連接到下極板10。中間極板11通過連接件9連接到載物臺8。需要說明的是，為了更直觀地將中間極板與載物臺的連接表示出來，圖2中突出顯示了連接件9，并且，為了顯示的方便，圖1和圖2中各部件的表示并非按比例繪制，而且存在少許差異。不過本領域技術人員應該理解，這只是為了對各個部件進行清楚地表示，并不影響本發明的實施。
[0038]如上面所提到的，本發明只在針對微小質量物體進行測量(需要說明的是，這里所提到的微小質量物體指的是，例如，質量小于10g、5g等的物體)。因為待測物體質量微小，放置在懸浮于液體的載物臺上時，產生的位移也很微小，因此本發明的發明人設計了本發明中的懸浮物的結構。如圖中所示，懸浮物包括上下兩個部分，懸浮物的上部分采用懸浮連桿7，下部分采用平衡塊6，懸浮連桿7沿水平方向的截面小于平衡塊的截面。
[0039]在一個實施例中，懸浮連桿7為圓柱體形狀，下面在利用公式對質量進行計算時，將主要參照這種結構進行描述。
[0040]在另一個優選實施例中，所述懸浮連桿7為中空的圓柱形，該中空的圓柱形的側壁開有開口，以允許液體從該開口進入中空的圓柱形的內部。更優選地，該所述開口為弧形，弧形的長度等于圓柱形的截面的三分之一。換言之，在該實施例中，圓柱形的截面為三分之二的圓弧。
[0041]在另一個實施例中，懸浮連桿7分成若干段，例如，分成三段，每段均為圓柱體結構，并且每段的橫截面積彼此不同。在測量過程時，針對不同質量量級的待測物體，可以通過調節載物臺配重、調節液面高度等方式，使懸浮連桿7的不同段位于液體5的液面處。本領域技術人員應該理解，實際上在質量測量過程中，對質量測量的精度帶來影響的主要為懸浮連桿在液面處截面積。因此，采用這種結構，能夠調節本發明的測量設備的測量精度。
[0042]另外，由于本發明是利用懸浮物的浮力來平衡待測物體的質量，所以，采用比較細的懸浮連桿使得，懸浮物對于待測物體的質量更加敏感。
[0043]另外，平衡塊6的密度稍大于液體5的密度，懸浮連桿7的密度小于液體5的密度，并且平衡塊6與懸浮連桿7作為整體的平均密度小于液體5的密度。這樣，當平衡塊6與懸浮連桿7固定在一起并放置于液體中時，懸浮連桿7自動上浮、平衡塊6自動下沉，而且懸浮連桿7的上部露出液面。
[0044]在本發明的設備使用時，調節圖1中的旋鈕14和19以及液體5的液面高度，使得，當載物臺上沒有待測物體時，中間極板11與上極板12和下極板10 二者的距離相等。換言之，此時，中間極板位于上極板與下極板中間。
[0045]設調零時上下極板與中間板的間距均為d，上極板與中間板構成的電容值為Cl，下級板與中間板構成的電容為C2，則電容初始值為C1=C2，液體的密度為P，懸浮連桿7的橫截面積為a，三個極板的相對面的面積為S，當質量m的物體放置于載物臺8時，中間板向下移動距離△ d，當中間極板穩定后，測量由上極板與中間極板形成的電容Cl和由中間極板與下極板形成的電容C2。根據極板電容的計算公式:
【權利要求】
1.一種質量測量設備，其特征在于，所述質量測量設備包括:容器(4)、液體(5)、懸浮物(6、7)、載物臺(8)、第一極板(10)、第二極板(11)、第三極板(12)、控制器(21)、支架(25)， 所述容器(4)上部開口，用于容納所述液體(5 ); 所述懸浮物(6、7)的至少部分侵入在所述液體(5)中； 所述載物臺(8)用于承載待測物體，并且所述載物臺(8)固定在所述懸浮物露出所述液體(5)的表面的部分上； 所述第一極板(10)和第三極板(12)彼此平行并且分別安裝在所述支架(25)上，并且其中，所述第一極板(10)和所述第三極板(12)保持固定，所述第二極板(11)能夠上下移動； 所述第二極板(11)位于所述第一極板(10 )所述第三極板(12 )之間，并且與所述載物臺(8)固定連接； 所述第一極板(10)、第二極板(11)和第三極板(12)分別與所述控制器(21)中的測量電路相連接； 所述測量電路基于來自所述第一極板(10)、第二極板(11)和第三極板(12)的輸出確定所述待測物體的質量。
2.如權利要求1所述的質量測量設備，其特征在于，還包括平衡栓(15)和中間極板連接件(9 )，所述中間極板連接件(9 )用于連接所述中間極板(11)和所述載物臺(8 )，所述中間極板連接件(9)的一段穿過所述平衡栓(15)的中心孔洞，所述平衡栓(15)的中心孔洞的尺寸與所述中間極板連接件(9)的尺寸匹配，從而通過限制所述中間極板連接件(9)的取向來保持所述中間極板(11)處于水平狀態。
3.如權利要求1所述的質量測量設備，其特征在于，所述測量電路基于所述第一極板(10)與第二極板(11) 二者構成的電容的大小以及所述第二極板(11)與第三極板(12) 二者所構成的電容的大小，來確定所述待測物體的質量。
4.如權利要求3所述的質量測量設備，其特征在于，所述懸浮物包括上下兩個部分，所述懸浮物的上部分為懸浮連桿(7)，下部分為平衡塊(6)，所述懸浮連桿(7)沿水平方向的截面小于所述平衡塊(6)沿水平方向的截面。
5.如權利要求4所述的質量測量設備，其特征在于，所述平衡塊(6)的密度大于所述液體(5)的密度，所述懸浮連桿(7)的密度小于所述液體(5)的密度，并且所述平衡塊(6)與所述懸浮連桿(7)作為整體的平均密度小于所述液體(5)的密度。
6.如權利要求4所述的質量測量設備，其特征在于，所述懸浮連桿(7)分成若干段，每段的直徑彼此不同。
7.如權利要求4所述的質量測量設備，其特征在于，所述懸浮連桿(7)下部具有一個圓臺，該圓臺直徑遠大于所述懸浮連桿(7)上部的直徑。
8.如權利要求3所述的質量測量設備，其特征在于，所述測量電路為差分電容檢測電路。
【文檔編號】G01G5/02GK103557915SQ201310504514
【公開日】2014年2月5日 申請日期:2013年10月23日 優先權日:2013年10月23日
【發明者】黃耀雄, 王啟銀, 岳金城, 楊洪波, 李學勤, 郭鵬飛, 尚文 申請人:國家電網公司, 山西省電力公司大同供電分公司