CN106197625A - 一种微克量级质量的实时测量装置及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微克量级质量的实时测量装置，包括安装平台，安装平台的上表面设置有非接触式位移传感器，安装平台上方悬空设置有称重弹性片，紧邻称重弹性片的下表面连接有探测目标块，探测目标块的中心轴线、非接触式位移传感器的中心轴线与称重弹性片的中心位置重合。本发明还公开了一种微克量级质量的实时测量装置的测量方法，解决了现有技术中无法对微克量级质量进行高频率和高精度实时测量的问题。

Description

一种微克量级质量的实时测量装置及其测量方法

【技术领域】

本发明属于测量技术领域，具体涉及一种微克量级质量的实时测量装置及其测量方法。

【背景技术】

称重(即测量质量)在工业生产和科学研究中得到广泛使用。在很多情况下关心所称量的质量的动态变化过程，例如，在进行材料热分解研究中，需要称量不同温度或升温速率下材料质量的实时变化，进而可以计算热分解速率、得到材料的热分解特性。对于测量质量动态变化来说，要求称重装置具有很好的动态响应特性，能够实时测量出质量的动态变化。在测量技术中用固有频率来表征动态响应特性。如果称重装置的动态响应特性比较好，测量结果能够比较真实、及时的反映出所称质量的变化；如果称重装置的动态响应特性比较差，测量结果就不能实时反应所称质量的动态变化。

在精细的研究中，所测量的质量都很小，可能在毫克量级甚至微克量级，质量变化时间很短(如毫秒量级或者更小)。这就要求称重装置具有精确测量微小质量、并能高频实时测量出质量变化的能力。目前能够称量微小质量的方法主要有：分析天平、扭力天平、谐振和激光干涉等。对于天平类称重装置来说，由于存在天平臂绕支点的转运过程，从而导致其固有频率低，不适合高频实时测量。石英晶体微量天平(QCM)和基于差频式薄膜体声波谐振器(FBAR)的极微质量传感器都利用了谐振原理，两者的最大难点是加工难度很大、专业性要求较高。激光干涉法比较复杂，在实现时难度也比较大。

称量装置的原理都是利用了被称量物品的重力，令其作用在称量装置上，进而能够得到质量。虽然重力也是一种力，但现有的微小力测量装置是无法应用到微小质量测量。微小力测量装置的专利和论文都比较多，一般是应用到微推力器(电推进发动机或微小火箭发动机)的推力测量。从检索的资料来看，现有的微推力测量装置的推力作用线都是在水平面内(即与重力方向垂直)，无法测量重力；而且这些装置也需要利用重力作用来保证测量装置能够正常工作，无法通过将装置侧放的方式来测量重力。例如，三丝扭摆式测量装置需要利用重力来保证扭丝能够充分拉伸；各种天平式测量装置如果没有重力作用，就无法将推力准确转换为角度偏移或者位移。虽然将天平式测量装置略加改造可以实现微小重力测量，但天平式测量装置的一个主要不足是：活动部件的角度偏移量或位移量比较大、需要一定的运动时间，这就影响了测量装置的动态响应特性、导致无法进行高频率的实时测量。

【发明内容】

本发明的目的是提供一种微克量级质量的实时测量装置及其测量方法，以解决现有技术中无法对微克量级质量进行高频率和高精度实时测量的问题。

本发明采用的第一种技术方案是：一种微克量级质量的实时测量装置，包括安装平台，安装平台的上表面设置有非接触式位移传感器，安装平台上方悬空设置有称重弹性片，紧邻称重弹性片的下表面连接有探测目标块，探测目标块的中心轴线、非接触式位移传感器的中心轴线与称重弹性片的中心位置重合；

称重弹性片的上表面、且与探测目标块中心轴线重合的位置处用于放置待测目标，待测目标由于自重使称重弹性片向下产生位移，非接触式位移传感器用于采集位移信息，并通过位移信息以计算待测目标的质量。

进一步的，安装平台的两侧向上设置有支撑杆，两个支撑杆的顶端之间固定连接有称重弹性片。

进一步的，称重弹性片的上表面设置有托盘，托盘与探测目标块的中心轴线重合。

进一步的，安装平台上设置有调节其表面水平度的调平装置，调平装置包括设置在安装平台的上表面上设置的互相垂直的两个水平仪。

进一步的，调平装置还包括在安装平台底部依次设置的减震器和支撑平台。

进一步的，调平装置还包括在支撑平台底部依次设置的调节装置和底座，高度调节装置为竖直设置的若干个高度微调器，高度微调器沿底座周向均匀分布。

本发明采用的第二种技术方案是：上述一种微克量级质量的实时测量装置的测量方法，按照以下步骤实施：

步骤1、将被称量的样品放置到称重托盘上，使得称重弹性片发生变形并向下移动，从而引起探测目标块产生位移量y；

步骤2、通过非接触式位移传感器采集位移量y，非接触式位移传感器根据被称量的样品质量M和位移量y之间的线性关系，计算出被称量样品的质量M。

进一步的，步骤2中，样品质量M和位移量y之间的线性关系为：

y＝KM

$K=\frac{{\mathrm{gL}}^3}{4{\mathrm{Ew\δ}}^3},$

其中，M为被称量样品的质量，g为重力加速度，E为称重弹性片的弹性模量，L、w和δ分别是称重弹性片的长度、宽度和厚度。

本发明的有益效果是：本发明将被称量的质量转换为探测目标块的微小位移，并利用非接触式的位移传感器对该位移进行测量，从而根据测量得到的位移量计算出所称量的质量。测量位移时采用高精度、高分辨力和高频率响应特性的位移传感器后，可以对被测质量进行高频率、高精度的测量。从实施效果来看，达到了1μg量级的分辨力、1μg量级的测量精度和50kHz的固有频率，实现了对微小质量的高精度和高频率测量。

【附图说明】

图1为本发明一种微克量级质量的实时测量装置的结构示意图。

其中：1.称重托盘；2.探测目标块；3.称重弹性片；4.支撑杆；5.非接触式位移传感器；6.水平仪；7.安装平台；8.减震器；9.支撑平台；10.高度微调器；11.底座。

【具体实施方式】

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

本发明提供了一种微克量级质量的实时测量装置，如图1所示，包括安装平台7，安装平台7的上表面设置有非接触式位移传感器5，安装平台7上方悬空设置有称重弹性片3，紧邻称重弹性片3的下表面连接有探测目标块2，探测目标块2的中心轴线、非接触式位移传感器5的中心轴线与称重弹性片3的中心位置重合。为了保证测量精度，探测目标块2的下表面的加工粗糙度要求不超过0.4μm。

称重弹性片3的上表面、且与探测目标块2中心轴线重合的位置处用于放置待测目标，待测目标由于自重使称重弹性片3向下产生位移，非接触式位移传感器5用于采集位移信息，并通过位移信息以计算待测目标的质量。

其中，安装平台7的两侧向上设置有支撑杆4，两个支撑杆4的顶端之间固定连接有称重弹性片3。

称重弹性片3的上表面设置有托盘1，托盘1与探测目标块2的中心轴线重合。

安装平台7上设置有调节其表面水平度的调平装置，调平装置包括设置在安装平台7的上表面上设置的互相垂直的两个水平仪6。两个水平仪6相互垂直，其作用是用于检查安装平台7的水平度。与3个高度微调器配合使用，可以保证安装平台7达到水平。

调平装置还包括在安装平台7底部依次设置的减震器8和支撑平台9。减震器8的作用是用来隔离外界震动对测量系统的影响。

调平装置还包括在支撑平台9底部依次设置的调节装置和底座11，高度调节装置为竖直设置的若干个高度微调器10，高度微调器10沿底座11周向均匀分布。

本发明还提供了一种微克量级质量的实时测量装置的测量方法，按照以下步骤实施：

步骤1、将被称量的样品放置到称重托盘1上，使得称重弹性片3发生变形并向下移动，从而引起探测目标块2产生位移量y；

步骤2、通过非接触式位移传感器5采集位移量y，非接触式位移传感器5根据被称量的样品质量M和位移量y之间的线性关系，计算出被称量样品的质量M。

8.如权利要求7测量方法，其特征在于，步骤2中，样品质量M和位移量y之间的线性关系为：

y＝KM

$K=\frac{{\mathrm{gL}}^3}{4{\mathrm{Ew\δ}}^3},$

其中，M为被称量样品的质量，g为重力加速度，E为称重弹性片3的弹性模量，L、w和δ分别是称重弹性片3的长度、宽度和厚度。

本发明的一种微克量级质量的实时测量装置及其测量方法的工作原理为：将被称量的样品放置到称重托盘(1)上，会导致称重弹性片(3)发生变形、中心位置向下移动，从而引起探测目标块(2)产生位移。根据材料力学的知识可以得知，探测目标块(2)的位移量y与被称量的质量之间存在如下关系式：

y＝KM

$K=\frac{{\mathrm{gL}}^3}{4{\mathrm{Ew\δ}}^3},$

其中M为被称量的质量，g为重力加速度，E为称重弹性片的弹性模量，L、w和δ分别是称重弹性片的长度、宽度和厚度。

非接触式位移传感器(5)能够测量出探测目标块(2)的位移量，从而产生输出电压X。在实验前通过标定可以得到非接触式位移传感器(5)输出电压X与被称质量M之间的对应关系，因此在测量时根据非接触式位移传感器(5)的输出电压X即可得到被称量物品的质量。

对于位移测量范围为y₀～y₁的非接触式位移传感器来说，本装置所能测量的质量范围为对于位移分辨能力为R的非接触式位移传感器来说，本装置能够分辨的质量变化为可以看出，在设计时通过增加L、减小w和δ可以增加K，进而实现微小质量的高分辨测量。

由于本装置所称量的质量M和位移量y之间是线性关系，因此质量的测量精度与非接触式位移传感器的测量精度相同。质量测量的固有频率与非接触式位移传感器的固有频率相同。

实施例

1、具体参数：

在本发明中，最主要的实施参数包括：称重弹性片3的尺寸和材料、非接触式位移传感器5、探测目标块2的表面粗糙度，其余参数可以自由设计。

例如，将称重弹性片3的材料选取镍铬合金钢，弹性模量E＝206GPa，尺寸参数L＝10cm、w＝1cm、δ＝0.02mm。

非接触式位移传感器5为基恩士公司的LK-G85激光位移传感器，激光位移传感器的精度为0.2μm，测量范围为1mm。

称重托盘1为铝合金长方体，其长宽高尺寸分别为50mm×50mm×2mm；探测目标块2为铝合金长方体，其长宽高尺寸分别为5mm×5mm×2mm，表面粗糙度为0.2μm。

支撑平台9和底座11均为直径150mm、高度5mm的圆柱体，材料均为铝合金。

减震器8采用厚度为10mm，直径为120mm的橡胶垫。

2、测量结果

按照上述选型，可以计算得到K＝153.125m/kg，由于激光位移传感器的精度为0.2μm，则对应的质量测量精度为1.306μg；激光位移传感器的测量范围为1mm，则对应的最大质量约为1.53g。

位移测量的最小值和分辨力均为满量程的0.03％，即0.3μm，则对应的质量测量分辨力为1.96μg、质量测量的最小值为1.96μg；

激光位移传感器的采集周期最短为20μs，则其固有频率要大于50kHz。

如果进一步优化称重弹性片的设计参数、选择性能更优的位移传感器，还可以提高质量称量的精度、分辨力和固有频率。

根据上述分析结果，可以看出本发明所设计的称重装置，具有很高的分辨力(1μg量级)、很高的测量精度(1μg量级)和很高的固有频率(50kHz)。

对于本发明来说，不仅可以用于测量微克量级质量，还可以用于测量微牛量级的力，尤其是微牛量级推力器的推力。

Claims (8)

1.一种微克量级质量的实时测量装置，其特征在于，包括安装平台(7)，所述安装平台(7)的上表面设置有非接触式位移传感器(5)，所述安装平台(7)上方悬空设置有称重弹性片(3)，紧邻所述称重弹性片(3)的下表面连接有探测目标块(2)，所述探测目标块(2)的中心轴线、所述非接触式位移传感器(5)的中心轴线与所述称重弹性片(3)的中心位置重合；

所述称重弹性片(3)的上表面、且与所述探测目标块(2)中心轴线重合的位置处用于放置待测目标，所述待测目标由于自重使所述称重弹性片(3)向下产生位移，所述非接触式位移传感器(5)用于采集所述位移信息，并通过所述位移信息以计算所述待测目标的质量。

2.如权利要求1所述的一种微克量级质量的实时测量装置，其特征在于，所述安装平台(7)的两侧向上设置有支撑杆(4)，两个所述支撑杆(4)的顶端之间固定连接有称重弹性片(3)。

3.如权利要求1或2所述的一种微克量级质量的实时测量装置，其特征在于，所述称重弹性片(3)的上表面设置有托盘(1)，所述托盘(1)与所述探测目标块(2)的中心轴线重合。

4.如权利要求1或2所述的一种微克量级质量的实时测量装置，其特征在于，所述安装平台(7)上设置有调节其表面水平度的调平装置，所述调平装置包括设置在所述安装平台(7)的上表面上设置的互相垂直的两个水平仪(6)。

5.如权利要求4所述的一种微克量级质量的实时测量装置，其特征在于，所述调平装置还包括在所述安装平台(7)底部依次设置的减震器(8)和支撑平台(9)。

6.如权利要求5所述的一种微克量级质量的实时测量装置，其特征在于，所述调平装置还包括在所述支撑平台(9)底部依次设置的调节装置和底座(11)，所述高度调节装置为竖直设置的若干个高度微调器(10)，所述高度微调器(10)沿底座(11)周向均匀分布。

7.如权利要求1-6所述的一种微克量级质量的实时测量装置的测量方法，其特征在于，按照以下步骤实施：

步骤1、将被称量的样品放置到称重托盘(1)上，使得称重弹性片(3)发生变形并向下移动，从而引起探测目标块(2)产生位移量y；

步骤2、通过非接触式位移传感器(5)采集所述位移量y，所述非接触式位移传感器(5)根据被称量的样品质量M和所述位移量y之间的线性关系，计算出被称量样品的质量M。

8.如权利要求7所述的测量方法，其特征在于，所述步骤2中，样品质量M和所述位移量y之间的线性关系为：

$\begin{array}{c}y=KM\\ K=\frac{{\mathrm{gL}}^3}{4{\mathrm{Ew\δ}}^3}\end{array},$

其中，M为被称量样品的质量，g为重力加速度，E为称重弹性片(3)的弹性模量，L、w和δ分别是称重弹性片(3)的长度、宽度和厚度。