一种用于测量微小质量的质量测量设备

摘要

本发明提供了一种质量测量设备，该质量测量设备包括：容器（4）、液体（5）、悬浮物（6、7）、载物台（8）、第一极板（10）、第二极板（11）、第三极板（12）、控制器（21）、支架（25）。本发明采用浮力天平原理，利用质量与电容改变量之间的对应关系，使用差分电容和惠斯通电桥，巧妙的实现了微小质量的自动化测量。本发明的质量测量设备测量精度高、成本低廉、操作简便、易于实现自动化测量、实用性强。本发明可广泛用于微小颗粒称重、危化品及食品安全检验以及微生物、细菌或病毒检测等领域，也可作为大学物理实验中微小质量的测量装置。

说明书

技术领域

本发明涉及参数测量领域，具体涉及对质量进行测量的质量测量设备。

背景技术

现有技术中，测量微小质量的方法一般包括：分析天平、扭力天平、 谐振和激光干涉等。

分析天平和扭力天平的测量精度都比较高，也比较稳定，但操作繁琐， 不易于自动化，各种接触摩擦的误差大，且价格贵。电子天平实现了自动 化测量，也能够精确地测量各种大小的质量，操作简便，而且将测力转换 成测电量，稳定性大大增强，但是它设计复杂，导致成本高。激光干涉法 精度高，稳定性好，但设备庞大，对环境要求苛刻且成本较高，不方便安 装使用。

因此，希望能够设计一种操作简便、响应时间短、成本低廉、测量精 度高、实用性强的质量测量设备。

发明内容

针对上述问题，本发明提供了一种测量微小质量的设备，其至少能解 决上述问题中的一项。

具体而言，本发明提供了一种质量测量设备，所述质量测量设备包括： 容器、液体、悬浮物、载物台、第一极板、第二极板、第三极板、控制器、 支架，

所述容器上部，用于容纳所述液体；

所述悬浮物的至少部分侵入在所述液体中；

所述载物台用于承载待测物体，并且所述载物台固定在所述悬浮物露 出所述液体的表面的部分上；

所述第一极板和第三极板彼此平行并且分别安装在所述支架上，并且 其中，所述第一极板和所述第三极板保持固定，所述第二极板能够上下移 动；

所述第二极板位于所述第一极板和所述第三极板之间，并且与所述载 物台固定连接；

所述第一极板、第二极板和第三极板分别与所述控制器中的测量电路 相连接；

所述测量电路基于来自所述第一极板、第二极板和第三极板的输出确 定所述待测物体的质量。

优选地，所述的质量测量设备还包括平衡栓和中间极板连接件，所述 中间极板连接件用于连接所述中间极板和所述载物台，所述中间极板连接 件的一段穿过所述平衡栓的中心孔洞，所述平衡栓的中心孔洞的尺寸与所 述中间极板连接件的尺寸匹配，从而通过限制所述中间极板连接件的取向 来保持所述中间极板处于水平状态。

优选地，所述测量电路基于所述第一极板与第二极板二者构成的电容 的大小以及所述第二极板与第三极板二者所构成的电容的大小，来确定所 述待测物体的质量。

优选地，所述悬浮物包括上下两个部分，所述悬浮物的上部分为悬浮 连杆，下部分为平衡块，所述悬浮连杆沿水平方向的截面小于所述平衡块 沿水平方向的截面。

优选地，所述平衡块的密度大于所述液体的密度，所述悬浮连杆的密 度小于所述液体的密度，并且所述平衡块与所述悬浮连杆作为整体的平均 密度小于所述液体的密度。

优选地，所述悬浮连杆分成若干段，每段的直径彼此不同。

优选地，所述悬浮连杆下部具有一个圆台，该圆台直径远大于所述悬 浮连杆上部的直径。优选地，该圆台直径大于平衡块的直径。

优选地，所述测量电路为差分电容检测电路。

本发明的质量测量设备测量精度高、成本低廉、操作简便、易于实现 自动化测量、实用性强。可广泛用于微小颗粒称重、危化品及食品安全检 验以及微生物、细菌或病毒检测等领域，也可作为大学物理实验中微小质 量的测量装置。

本发明采用浮力天平原理，利用质量与电容改变量进行转换的设计思 想，使用差分电容和惠斯通电桥，巧妙的实现了微小质量的自动化测量。 该发明原理清晰，操作简便，响应时间短，成本低廉，测量精度高，实用 性强。

附图说明

图1是根据本发明的一个实施例的质量测量设备的示意图；

图2是从图1中所示的实验设备的右侧看去所述质量测量设备的极板 附近结构的局部放大示意图；

图3是根据本发明一个实施例的测量电路的示意图；

图4是根据本发明一个实施例对采用测量电路测得的结果进行处理的 流程图。

具体实施方式

由阿基米德原理知，浸在静止液体中的物体受到液体作用的合力大小 等于物体排开的液体的重力。所以如果知道物体排开液体的体积和液体的 密度，就可算出物体的重力，进而得出物体的质量。

基于这种原理，本发明将载物台与悬浮于液体中的悬浮物相连接。当 微小质量的物体放在载物台上时，载物台向下产生微小位移，带动悬浮物 向下移动，从而排开更大体积的液体。再将载物台与电容的一个极板相连 接，载物台的移动将带来电容的一个极板与其他极板之间的相对位置变化。 利用电容量随极板间距变化的性质，测量电容的变化就可以实现对载物台 上所放置物体的质量的测量。

此外，因为本发明旨在针对微小质量进行测量，所以载物台产生的位 移也很小，为了更精确地对电容进行测量，本发明设计了特定的结构和电 路来实现微小质量的测量。

下面将结合附图对本发明的一个实施例进行具体描述。

如图1所示，图中的质量测量设备包括底板1、调平旋钮2、水平仪3、 容器4、液体5（其密度已知）、平衡块6、悬浮连杆7（其截面积为S）、载 物台8、电容下极板10、中间极板11、电容上极板12、用于连接载物台与 中间极板的连接件9、上极板固定杆13（中间装有导线）、上极板固定杆调 整旋钮14、平衡栓15、用于连接件9的连接杆16（中间装有导线）、紧固 件17、下极板固定杆18（中间装有导线）、下级板固定杆调整旋钮19、控 制器21、测量电路22、数码管显示23、按键24、支撑杆25、连接线缆20。

如图1所示，在进行质量测量前，首先利用水平仪3进行底板1的调 平，即，观察水平仪3并通过调整调平旋钮2使底板1水平。然后系统上 电，观察数码管数值，然后调节旋钮14和19以及液体5的液面高度，使 数码管显示为零，此时中间极板11正好位于上、下极板的中间位置。通过 采用平衡栓15和固定杆13、18，该设备可保持上下极板和中间极板在铅直 平面严格对齐。

上极板固定杆13、连接杆16、下极板固定杆18分别固定至支架25， 从上至下依次排列。支架25为竖直的立杆，其可以与实验台底板1固定连 接在一起，中间极板11通过连接件9与载物台8连接，载物台8与悬浮物 相连。在本实施例中，悬浮物包括悬浮连杆7和平衡块6，悬浮连杆7与平 衡块6连接在一起，靠浮力保持平衡，以维持为图中所示状态。

平衡栓15为中间开孔的圆柱状物体，圆柱的中心开有圆柱形的孔洞， 连接件9的一段穿过平衡栓15的圆柱形孔洞，并且二者尺寸彼此匹配。平 衡栓15的孔洞沿竖直方向，使得连接件9穿过平衡栓15的一段的方向也 沿竖直方向。连接件9与中间极板11刚性连接，并且，连接件9的形状使 得中间极板保持水平方向，例如，如图1中所示，呈中间竖直的弓形。

中间极板11能够上下移动，并且，连接件9穿过平衡栓15的中间孔 洞。连接件9能够在平衡栓15的中间孔洞上下滑动。

中间极板11通过连接件9与载物台8相连接。悬浮连杆7支撑载物台 8。平衡时体积大的平衡块6浸没在液体中，而截面积很小的悬浮连杆7有 一段在液面下，另一段在液面上。

图2是从图1中所示的实验设备的右侧看去所述质量测量设备的极板 及其附近结构的局部放大示意图。从图2中可以看到，上极板固定杆13从 上方连接到上极板12，下极板固定杆18从下方连接到下极板10。中间极 板11通过连接件9连接到载物台8。需要说明的是，为了更直观地将中间 极板与载物台的连接表示出来，图2中突出显示了连接件9，并且，为了显 示的方便，图1和图2中各部件的表示并非按比例绘制，而且存在少许差 异。不过本领域技术人员应该理解，这只是为了对各个部件进行清楚地表 示，并不影响本发明的实施。

如上面所提到的，本发明只在针对微小质量物体进行测量（需要说明 的是，这里所提到的微小质量物体指的是，例如，质量小于10g、5g等的 物体）。因为待测物体质量微小，放置在悬浮于液体的载物台上时，产生的 位移也很微小，因此本发明的发明人设计了本发明中的悬浮物的结构。如 图中所示，悬浮物包括上下两个部分，悬浮物的上部分采用悬浮连杆7，下 部分采用平衡块6，悬浮连杆7沿水平方向的截面小于平衡块的截面。

在一个实施例中，悬浮连杆7为圆柱体形状，下面在利用公式对质量 进行计算时，将主要参照这种结构进行描述。

在另一个优选实施例中，所述悬浮连杆7为中空的圆柱形，该中空的 圆柱形的侧壁开有开口，以允许液体从该开口进入中空的圆柱形的内部。 更优选地，该所述开口为弧形，弧形的长度等于圆柱形的截面的三分之一。 换言之，在该实施例中，圆柱形的截面为三分之二的圆弧。

在另一个实施例中，悬浮连杆7分成若干段，例如，分成三段，每段 均为圆柱体结构，并且每段的横截面积彼此不同。在测量过程时，针对不 同质量量级的待测物体，可以通过调节载物台配重、调节液面高度等方式， 使悬浮连杆7的不同段位于液体5的液面处。本领域技术人员应该理解， 实际上在质量测量过程中，对质量测量的精度带来影响的主要为悬浮连杆 在液面处截面积。因此，采用这种结构，能够调节本发明的测量设备的测 量精度。

另外，由于本发明是利用悬浮物的浮力来平衡待测物体的质量，所以， 采用比较细的悬浮连杆使得，悬浮物对于待测物体的质量更加敏感。

另外，平衡块6的密度稍大于液体5的密度，悬浮连杆7的密度小于 液体5的密度，并且平衡块6与悬浮连杆7作为整体的平均密度小于液体5 的密度。这样，当平衡块6与悬浮连杆7固定在一起并放置于液体中时， 悬浮连杆7自动上浮、平衡块6自动下沉，而且悬浮连杆7的上部露出液 面。

在本发明的设备使用时，调节图1中的旋钮14和19以及液体5的液 面高度，使得，当载物台上没有待测物体时，中间极板11与上极板12和 下极板10二者的距离相等。换言之，此时，中间极板位于上极板与下极板 中间。

设调零时上下极板与中间板的间距均为d，上极板与中间板构成的电容 值为C1，下级板与中间板构成的电容为C2，则电容初始值为C1=C2，液 体的密度为ρ，悬浮连杆7的横截面积为a，三个极板的相对面的面积为s， 当质量m的物体放置于载物台8时，中间板向下移动距离Δd，当中间极板 稳定后，测量由上极板与中间极板形成的电容C1和由中间极板与下极板形 成的电容C2。根据极板电容的计算公式：

$C=\frac{\mathrm{ϵS}}{d}---\left(1\right)$

放置待测物体后，电容变为$C1=\frac{\mathrm{ϵS}}{d+\mathrm{\Delta d}}---\left(2\right)$

$C2=\frac{\mathrm{ϵS}}{d-\mathrm{\Delta d}}---\left(3\right)$

采用差分算法，可得：

$\frac{C2-C1}{C2+C1}=\frac{\frac{\mathrm{ϵS}}{d-\mathrm{\Delta d}}-\frac{\mathrm{ϵS}}{d+\mathrm{\Delta d}}}{\frac{\mathrm{ϵS}}{d-\mathrm{\Delta d}}+\frac{\mathrm{ϵS}}{d+\mathrm{\Delta d}}}=\frac{(d+\mathrm{\Delta d})-(d-\mathrm{\Delta d})}{2d}=\frac{2\mathrm{\Delta d}}{2d}=\frac{\mathrm{\Delta d}}{d}---\left(4\right)$

另外，由阿基米德原理知：mg=ρgΔV    （5）

即m=ρΔV    （6）

其中ΔV为悬浮连杆7在放置了待测物体后，多排开的液体的体积。 所以ΔV=aΔd，    （7）

因此，m=ρΔV=ρaΔd，考虑到上面基于差分算法得到的公式

可知为了确定质量m，关键是要知道的值。

利用差分电容电桥的性质可以测出的值，所以，本发明的测量电 路采用差分电容电桥电路，该电路如图3所示。

图3示出了控制器中的测量电路的电路示意图。该测量电路包括：交 流电源、变压器，其将上极板与中间板构成的电容C1、下极板与中间板构 成的电容C2接入其中。

在图3中示出了交流电源26、变压器初级线圈27、磁芯28、变压器次 级线圈29、上极板与中间板构成的电容C1、下极板与中间板构成的电容 C2、电桥输出电压Uo、电桥电流I。如图所示，电容C1和C2串联接在变 压器次级线圈29的两端，从电容C1和C2中间的连接点处引出输出电压 Uo的正极，从变压器次级线圈29的中间位置引出电桥输出电压Uo的负极。

本领域技术人员基于电路原理可知该差分电容电桥中：

$i=\frac{2\stackrel{·}{E}}{\frac{1}{{\mathrm{j\omega C}}_2}+\frac{1}{{\mathrm{j\omega C}}_1}}---\left(8\right)$

$\left(\begin{array}{c}{U}_o=\stackrel{·}{I}·\frac{1}{{\mathrm{j\omega C}}_1}-E=\frac{2E}{\frac{1}{{\mathrm{j\omega C}}_2}+\frac{1}{{\mathrm{j\omega C}}_1}}·\frac{1}{{\mathrm{j\omega C}}_1}-E\\ =\frac{2E}{\frac{C_1}{C_2}+1}-E=(\frac{{2C}_2}{C_{1+}{C}_2}-1)E=\frac{C_2-C_1}{C_2+C_2}·E\end{array}\right)---\left(9\right)$

所以$\frac{C_2-C_1}{C_2+C_1}=\frac{U_o}{E}=\frac{\mathrm{\Delta d}}{d},---\left(10\right)$

即$\mathrm{\Delta d}=\frac{U_o}{E}d.---\left(11\right)$

结合上述分析m=ρΔV=ρaΔd，可知：

$m=\mathrm{\rho a\Delta d}=\mathrm{\rho a}\frac{U_o}{E}d---\left(12\right)$

上述公式中：

d为调零时上、下极板分别与中间极板的间距，二者相同，单位为米 （m）；

C1为上极板与中间板构成的电容值，单位为法（F）；

C2为下极板与中间板构成的电容值，单位为法（F）；

ρ为液体密度，单位为千克/立方米（kg/m³）；

a为悬浮连杆的横截面积，单位为平方米（m²）；

s为平行板相对面的面积，单位为平方米（m²）；

m为待测物体的质量，单位为千克（kg）；

g为重力加速度，单位为牛/千克（N/Kg）；

Δd为当质量m的物体放置于载物台8时，中间极板向下移动距离， 单位为米（m）；

ε为极板间介质（本发明中为空气）的介电常数，单位为法拉/米（F/m）；

ΔV为悬浮连杆7在放入待测物体后由于向下位移而多排开的液体的 体积，单位为立方米（m3）；

I为差分电容检测电路电流，单位为安（A）；

E为1/2次级线圈感应电压，单位为伏特（V）；

Uo表示差分电容检测电路输出电压，单位为伏特（V）。

基于上述公式可知，只要测得输出电压Uo就可算出待测物体的质量。

结合图1和图3可知，上、中、下三个电极板通过相应导线接入实验 箱中的测量电路，从而将电容C1和C2接入测量电路。电容C1和C2首先 接入电路中的差分电容检测电路，即上述的差分电容电桥电路，见图3。差 分电容检测电路输出Uo，由Uo便可计算出待测物体的质量。但Uo值太 小，无法直接用AD转换，因此需要接放大电路。将Uo经放大电路放大后 再通过AD转换接入处理器（例如，单片机），处理器按照公式（12）计算 出待测物体的质量的大小后在数码管上显示。

图4中示出了本发明的质量测量设备对差分电容检测电路的输出进行 放大并最终显示所得结果的流程图。如图所示，首先，采用放大电路对差 分电容检测电路的输出Uo进行放大，然后通过模数转换器对经放大的信号 进行模数转换。接下来采用处理器（例如，单片机）基于所测得的输出Uo、 根据上述公式来确定待测物体的质量，最后，处理器将所确定的质量通过 数码管进行显示。

附图中的各个部件的形状均是示意性的，不排除与其真实形状存在一 定差异，附图1-4仅用于对本发明的原理进行说明，并非意在对本发明进行 限制。而且，本领域技术人员应该理解，虽然上述实施例中画出了底板、 调平旋钮等部件，但是，这些部件并非必须的，在一定条件下是可以省略 的。

本领域技术人员将理解本发明可以以本文中所述的那些以外的、没有 偏离本发明的精神和本质特性的特定形式来执行。因此，所有方面的上述 实施方式应当被解释为例示的而不是限制性的。本发明的范围应当由所附 权利要求书和它们的法律等同物来确定，而不是由上述描述来确定，并且 所有落入所附权利要求书的含义和等同范围之内的改变都将包括进来。

对于本领域技术人员来说显而易见的是，在所附权利要求书中没有显 示地互相引用的权利要求可以组合起来，作为本发明的示例性实施方式， 或者被包括而在提交本申请之后通过之后的修改而成为新权利要求。

本发明的方式

以用于执行本发明的最佳方式已经描述了各种实施方式。

工业应用性

如根据上述描述所显而易见的，对于本领域技术人员来说显而易见的 是，可以对本发明做出各种修改和变型，而不偏离本发明的精神或范围。 因此，旨在本发明覆盖落入所附权利要求书和它们的等同物的范围之内的 修改例和变型。