CN103076509A - 基于精密扭秤周期法的微电量测量装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于精密扭秤周期法的微电量测量装置及方法，所述测量装置包括精密扭秤、激光器、透镜、PSD光位移传感器、数字存储示波器和计算机；所述精密扭秤包括两个金属小球、玻璃棒、平面反射镜以及两块相互平行且正对的金属板；所述数字存储示波器与PSD光位移传感器的输出端相连接，所述计算机与数字存储示波器连接；所述测量方法是带微电量小球的玻璃棒在静电场力矩和钨丝回复力矩的共同作用下做周期性的摆动，平面反射镜将激光器光束反射到PSD光位移传感器的光敏面上，将精密扭秤的摆动转化为光点位移的周期性运动。本发明的微电量测量装置采用的是动态周期法的测量技术，可以通过摆动周期的测量来获得小球微电量。
Description
技术领域
本发明涉及一种微电量测量装置及方法，尤其是一种基于精密扭秤周期法的微电量测量装置及方法，属于微电量测量技术领域。
背景技术
微电量的测量使物理分析从定性跨越到定量计算和精密测量，而目前对微电量的测量，特别是元电荷e的检测一直是困扰实验物理学家的一个难题，直到1907-1913美国物理学家密立根所做的测定电子电荷的实验才将这个问题解决。但随后实现微电量测量的方案不多，电子全息法实现约10-16库仑的微电量测量，但需要特制检测样品；电解水法可测量电子电荷量；扭秤法一般用于验证库仑定律，根据同种电荷互相排斥，扭秤法通过测量扭丝的扭转角或摆幅获得电量的大小。但测量微电量时扭转角极小，受空气扰动及环境各种因素影响，扭秤平衡位置漂移不定，导致扭转角或摆幅测量准确度低。
发明内容
本发明的目的，是为了解决上述现有技术的缺陷，提供一种受环境影响的程度低，测量精度高的基于精密扭秤周期法的微电量测量装置。
本发明的另一目的在于提供一种基于精密扭秤周期法的微电量测量方法。
本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：
基于精密扭秤周期法的微电量测量装置，其特征在于：包括精密扭秤、激光器、透镜、PSD光位移传感器、数字存储示波器和计算机；其中，
所述精密扭秤，包括两个金属小球、两端各粘贴一个金属小球的玻璃棒、与金属小球位于同一平面的平面反射镜，以及两块相互平行且正对、与玻璃棒和平面反射镜垂直、用于接通高压静电发生器在正对区域产生均匀电场的金属板；
所述激光器，用于向平面反射镜发射激光光束；
所述透镜，用于汇聚经过平面反射镜反射的激光光束；
所述PSD光位移传感器，用于接收经过平面反射镜反射和透镜汇聚的激光光源的激光信号，并转换为电压信号输出；
所述数字存储示波器，与PSD光位移传感器的输出端相连接，用于接收PSD光位移传感器输出的电压信号，并转换为数字信号进行存储；
所述计算机，与数字存储示波器连接，用于接收数字存储示波器存储的数字信号。
作为一种优选方案，所述精密扭秤还包括钨丝、夹具、套管、螺母、磁铁、底板以及玻璃罩体，所述钨丝的上、下两端分别通过夹具和套管固定，所述夹具固定在玻璃罩体的顶部，所述套管通过螺母固定在磁铁上，所述磁铁放置在底板上；所述玻璃棒系在钨丝上，所述平面反射镜粘贴在钨丝上，所述两块金属板位于玻璃罩体内且固定在底板上。
作为一种优选方案，所述玻璃棒的长度l为6cm，直径φ为50μm；所述钨丝的长度l为(260±1)mm，直径φ为25μm。
作为一种优选方案，所述底板由上层玻璃板和下层木板组成，所述金属板通过螺钉固定在上层玻璃板上。
作为一种优选方案，所述玻璃罩体由三块长度为350mm、宽度为350mm、厚度为4mm的玻璃板组成，其中一块玻璃板位于顶部，另外两块玻璃板位于两侧；所述顶部的玻璃板开有直径为80mm的圆孔，所述夹具放置在该圆孔上并由螺钉固定。
作为一种优选方案，所述两块金属板是长度为30cm、宽度为20cm的铁板，两块铁板之间的间距为10cm。
本发明的另一目的可以通过采取如下技术方案达到：
基于精密扭秤周期法的微电量测量方法，其特征在于包括以下步骤：
1）在精密扭秤中，对玻璃棒两端的金属小球充电，使金属小球形成带微电量的金属小球；
2）激光器向平面反射镜发射激光光束，光束经过平面反射镜反射后，由透镜汇聚在PSD光位移传感器的光敏面上形成光点；
3）带微电量的金属小球在均匀电场中受静电力作用后，玻璃棒在电场力矩和钨丝回复力矩的作用下，绕钨丝做周期性的往返摆动，使钨丝扭转，带动平面反射镜往返摆动，同时平面反射镜的往返摆动使光点在PSD光位移传感器的光敏面上做周期往返的简谐运动；
4）PSD光位移传感器将光点位移信号转换为连续的电压信号输出，由数字存储示波器接收，并转为数字信号进行存储；
5）计算机读取和处理数字存储示波器存储的数字信号，根据数字信号获得精密扭秤1的摆动周期，从而计算出金属小球的微电量。
作为一种优选方案，步骤2）中，玻璃棒绕钨丝摆动后，钨丝扭转产生的扭角θ与光点在光敏面上产生的位移Δx成线性比例关系，玻璃棒摆动的周期与光点简谐运动的周期相同。
作为一种优选方案，步骤5）所述计算机对数字信号的读取及处理采用MATLAB软件搭建的图形用户界面来实现。
本发明相对于现有技术具有如下的有益效果：
1、本发明的微电量测量装置是扭秤验证库伦定律实验的改进，采用的是动态周期法的测量技术，利用精密扭秤对测量弱力高灵敏度特性，当电场力矩发生改变时，其摆动周期发生相应变化，因此，可以通过摆动周期的测量来获得小球微电量，克服了传统的通过测量带同种等量电荷互相排斥后扭丝扭转的角度或摆幅获得小球微电量的测量技术中扭秤扭转角度或摆幅等静态参数测量受环境影响，测量准确度低的缺点。
2、本发明的微电量测量装置能测量10-14或以上数量级的微电量，如果对摆动周期的测量精度提高，微电量测量的精度也能相应提高。
3、本发明的微电量测量装置的玻璃罩体不仅可以固定夹具以悬挂钨丝，还可以减少外界的干扰，使环境影响的程度减到最低。
4、本发明的微电量测量装置通过计算机采用MATLAB软件搭建的图形用户界面来读取和处理数字存储示波器存储的数字信号，从而根据获得的精密扭秤的摆动周期，计算出金属小球的微电量，减少了人力物力，提高了计算的效率。
5、本发明的微电量测量装置还可以实现精密扭秤转动惯量、钨丝扭转系数、玻璃棒极化电荷等参数的测量。
附图说明
图1为本发明的微电量测量装置的结构原理示意图。
图2为本发明的精密扭秤的正面结构示意图。
图3为本发明的PSD光位移传感器工作原理示意图。
具体实施方式
实施例1：
如图1所示，本实施例的微电量测量装置包括精密扭秤1、激光器2、透镜3、PSD光位移传感器4、数字存储示波器5和计算机6；所述精密扭秤1包括两个金属小球1-1、石英玻璃棒1-2、平面反射镜1-3以及两块相互平行且正对的铁板1-4；所述玻璃棒1-2的长度l为6cm、直径φ为50μm，两个金属小球1-1分别粘贴在玻璃棒1-2两端；所述平面反射镜1-3的反射面与两个金属小球1-1处于同一平面；所述两块铁板1-4的长度为30cm、宽度为20cm，两块铁板1-4之间的间距为10cm，与玻璃棒1-2和平面反射镜1-3垂直，而且相对于金属小球1-1来说足够大，接通高压静电发生器后，在正对区域会产生均匀电场。所述激光器2用于向平面反射镜1-3发射激光光束；所述透镜3用于汇聚经过平面反射镜1-3反射的激光光束；所述PSD光位移传感器4用于接收经过平面反射镜1-3反射和透镜3汇聚的激光光源的激光信号，并转换为电压信号输出；所述数字存储示波器5用于接收PSD光位移传感器4输出的电压信号，并转换为数字信号进行存储；所述计算机6用于接收数字存储示波器5存储的数字信号。
如图2所示，所述精密扭秤1的具体构造还包括：一玻璃罩体1-11，在所述玻璃罩体1-11的中心悬挂一长度l为(260±1)mm、直径φ为25μm的钨丝1-5，所述钨丝1-5的上、下两端分别通过一专用夹具1-6和一金属套管1-7固定，所述夹具1-6可以调节钨丝1-5松紧，所述玻璃罩体1-11由三块长度为350mm、宽度为350mm、厚度为4mm的玻璃板组成，其中一块玻璃板位于顶部，另外两块玻璃板位于两侧，在顶部的玻璃板开有直径为80mm的圆孔，所述夹具1-6放置在该圆孔上并由螺钉固定，所述套管1-7通过螺母1-8固定在磁铁1-9上，所述磁铁1-9放置在一底板1-10上，该底板1-10由上层玻璃板和下层木板组成。
所述玻璃棒1-2系在钨丝1-5上，当金属小球1-1不受力时，玻璃棒1-2处于平衡位置，当金属小球1-1受外力时，玻璃棒1-2绕钨丝1-5摆动，由于钨丝1-5很细，很小的力也能使玻璃棒1-2位置发生明显摆动，钨丝1-5在自然伸长的状态下固定，扭转系数k为(6.175±0.002)×10-9Nm·rad-1，其测量弱力的灵敏度非常高；所述平面反射镜1-3粘贴在钨丝1-5上，用来反映和放大钨丝1-5扭转的角度；所述两块铁板1-4位于玻璃罩体1-11内且固定在底板1-10的上层玻璃板上。
如图1和图2所示，本实施例的微电量测量方法如下：
1）在精密扭秤1中，对玻璃棒1-2两端的金属小球1-1充电，使金属小球1-1形成带微电量的金属小球1-1；
2）激光器2向平面反射镜1-3发射激光光束，光束经过平面反射镜1-3反射后，由透镜3汇聚在PSD光位移传感器4的光敏面上形成光点；
3）带微电量的金属小球1-1在均匀电场中受静电力作用后，玻璃棒1-2在电场力矩和钨丝1-5回复力矩的作用下，绕钨丝1-5做周期性的往返摆动，当改变两端金属小球1-1的微电量时，电场力矩发生改变，其摆动周期也发生相应的改变，通过玻璃棒1-2的摆动使钨丝1-5扭转，带动平面反射镜1-3往返摆动，如图3所示，钨丝1-5扭转产生了扭角θ，设θ角度较小，同时光点在PSD光位移传感器4的光敏面产生了位移Δx，扭角θ和位移Δx成线性比例关系，因此巧妙地将玻璃棒1-2往返的摆动的状态转化为光点在光敏面上做往返的简谐运动，其运动周期与玻璃棒1-2的摆动周期一致；
4）PSD光位移传感器4将光点位移信号转换为连续的电压信号输出，由数字存储示波器5接收，并转为数字信号进行存储；
5）计算机6采用MATLAB软件搭建的图形用户界面读取和处理数字存储示波器5存储的数字信号，根据数字信号获得精密扭秤1的摆动周期，用刚体转动的力学分析进行分析和公式推导，从而计算出金属小球1-1的微电量。
以上所述，仅为本发明优选的实施例，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明所公开的范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都属于本发明的保护范围。
Claims (9)
1.基于精密扭秤周期法的微电量测量装置，其特征在于：包括精密扭秤（1）、激光器（2）、透镜（3）、PSD光位移传感器（4）、数字存储示波器（5）和计算机（6）；其中，
所述精密扭秤（1），包括两个金属小球（1-1）、两端各粘贴一个金属小球（1-1）的玻璃棒（1-2）、与金属小球（1-1）位于同一平面的平面反射镜（1-3），以及两块相互平行且正对、与玻璃棒（1-2）和平面反射镜（1-3）垂直、用于接通高压静电发生器在正对区域产生均匀电场的金属板（1-4）；
所述激光器（2），用于向平面反射镜（1-3）发射激光光束；
所述透镜（3），用于汇聚经过平面反射镜（1-3）反射的激光光束；
所述PSD光位移传感器（4），用于接收经过平面反射镜（1-3）反射和透镜（3）汇聚的激光光源的激光信号，并转换为电压信号输出；
所述数字存储示波器（5），与PSD光位移传感器（4）的输出端相连接，用于接收PSD光位移传感器（4）输出的电压信号，并转换为数字信号进行存储；
所述计算机（6），与数字存储示波器（5）连接，用于接收数字存储示波器（5）存储的数字信号。
2.根据权利要求1所述的基于精密扭秤周期法的微电量测量装置，其特征在于：所述精密扭秤（1）还包括钨丝（1-5）、夹具（1-6）、套管（1-7）、螺母（1-8）、磁铁（1-9）、底板（1-10）以及玻璃罩体（1-11），所述钨丝（1-5）的上、下两端分别通过夹具（1-6）和套管（1-7）固定，所述夹具（1-6）固定在玻璃罩体（1-11）的顶部，所述套管（1-7）通过螺母（1-8）固定在磁铁（1-9）上，所述磁铁（1-9）放置在底板（1-10）上；所述玻璃棒（1-2）系在钨丝（1-5）上，所述平面反射镜（1-3）粘贴在钨丝（1-5）上，所述两块金属板（1-4）位于玻璃罩体（1-11）内且固定在底板（1-10）上。
3.根据权利要求2所述的基于精密扭秤周期法的微电量测量装置，其特征在于：所述玻璃棒（1-2）的长度l为6cm，直径φ为50μm，所述钨丝（1-5）的长度l为(260±1)mm，直径φ为25μm。
4.根据权利要求2所述的基于精密扭秤周期法的微电量测量装置，其特征在于：所述底板（1-10）由上层玻璃板和下层木板组成，所述金属板（1-4）通过螺钉固定在上层玻璃板上。
5.根据权利要求2所述的基于精密扭秤周期法的微电量测量装置，其特征在于：所述玻璃罩体（1-11）由三块长度为350mm、宽度为350mm、厚度为4mm的玻璃板组成，其中一块玻璃板位于顶部，另外两块玻璃板位于两侧；所述顶部的玻璃板开有直径为80mm的圆孔，所述夹具（1-6）放置在该圆孔上并由螺钉固定。
6.根据权利要求1-5任一项所述的基于精密扭秤周期法的微电量测量装置，其特征在于：所述两块金属板（1-4）是长度为30cm、宽度为20cm的铁板，两块铁板之间的间距为10cm。
7.基于权利要求2所述装置的微电量测量方法，其特征在于包括以下步骤：
1）在精密扭秤（1）中，对玻璃棒（1-2）两端的金属小球（1-1）充电，使金属小球（1-1）形成带微电量的金属小球（1-1）；
2）激光器（2）向平面反射镜（1-3）发射激光光束，光束经过平面反射镜（1-3）反射后，由透镜（3）汇聚在PSD光位移传感器（4）的光敏面上形成光点；
3）带微电量的金属小球（1-1）在均匀电场中受静电力作用后，玻璃棒（1-2）在电场力矩和钨丝（1-5）回复力矩的作用下，绕钨丝（1-5）做周期性的往返摆动，使钨丝（1-5）扭转，带动平面反射镜（1-3）往返摆动，同时平面反射镜（1-3）的往返摆动使光点在PSD光位移传感器（4）的光敏面上做周期往返的简谐运动；
4）PSD光位移传感器（4）将光点位移信号转换为连续的电压信号输出，由数字存储示波器（5）接收，并转为数字信号进行存储；
5）计算机（6）读取和处理数字存储示波器（5）存储的数字信号，根据数字信号获得精密扭秤1的摆动周期，从而计算出金属小球（1-1）的微电量。
8.根据权利要求7所述的微电量测量方法，其特征在于：步骤2）中，玻璃棒（1-2）绕钨丝（1-5）摆动后，钨丝（1-5）扭转产生的扭角θ与光点在光敏面上产生的位移Δx成线性比例关系，玻璃棒（1-2）摆动的周期与光点简谐运动的周期相同。
9.根据权利要求7或8所述的微电量测量方法，其特征在于：步骤5）所述计算机（6）对数字信号的读取及处理采用MATLAB软件搭建的图形用户界面来实现。
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