CN107462313B - 一种测微分析天平及分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明为一种测微分析天平。包括压力触控组件，光波干涉系统，单片机系统；压力触控组件包括上承板、下板，弹性元件，上承板上远离弹性元件的一端设有托盘架及托盘，在上承板设有刀口槽，下板上正对刀口槽的位置设有平衡架，平衡架的上端设有与刀口槽相适配的刀口，刀口插设在刀口槽内；光波干涉系统包括静片、动片、静脚、动脚、光源、半透半反镜、摄像头；静片固定在下板上，动片的一端固定在静片上形成静脚，动片的另一端通过吊件与上承板相连接并形成动脚；动片的上部设有摄像头，在摄像头与光源之间设有半透半反镜；所述单片机系统包括相互电连接的单片机模块、信息显示模块和键盘输入模块，所述摄像头与单片机模块相连接。

Description

一种测微分析天平及分析方法

技术领域

本发明涉及分析及测量控制技术领域，具体涉及一种分析天平及对应的分析方法。

背景技术

分析天平是定量分析中必备仪器。其用途非常广，质量称量、化学反应监测，加速度测量、水分检测、药品的含量测定、标准溶液的标定等都需要使用分析天平。分析天平的测量灵敏度有0.1mg、0.01mg或更高，而它的称量准确性直接影响到分析结果的准确度。目前现有技术中的天平大致分成如下几类：

第一类：机械分析天平。它是根据杠杆原理制作的机械承重摆动平衡天平，基本上都是由刀口、刀承、悬挂系统和刻度标尺读数装置组成。它的结构比较简单，但称量质量的精度低。

第二类：光电天平。它是在天平基础加装有制动导读系统，由于引入了如机械加码装置，增强了其稳定性，同时利用光学放大原理读数系统，将其精度提高为1万分之一天平（即0.1mg），但还是存在着摆动的稳定问题。另外，当测量质量发生微小变化且对平衡条件不产生破坏时，而无法测得，其测量的灵敏度有待提高。同时由于测量时摆动影响其测量时间，使得测量时间较长。

第三类：电阻式天平。电阻应变式天平的测量元件一般由弹性元件（具有弹性应变特性的物体）、电阻应变片（在弹性元件上粘贴应变片作为应变敏感元件，随着弹性体的变形而变形电阻应变片的阻值也随着变化而变化）、测量电路和电子放大器等组成。采用与标准砝码校准过称量质量呈线性关系的电信号输出，再根据电信号转换成数值，可以记录和显现被称物的质量大小。这种电阻式天平可以现去皮，故障报警、检错、自动较准、还可以有单位换算、累加、平均、百分比、最大值、最小值等功能，还可以连接打印机，计算机等。当微小的质量变化时，这种电阻天平的弹性元件的感知灵敏度比较低，因此其精度也比电光天平低。

第四类:电磁力平衡式天平。这类天平是通过导线在磁块中受到向上的作用力来实现。在导线上加上秤盘，其重力方向朝下，而通电导线受到向上的电磁力，当通电导线值达到某一值时，这两个力互相平衡，此时传感器就处于平衡状态即可确定被测物体的质量。其具有以上电阻式天平的功能外，它的精度非常高，但生产制造工艺要求非常高，生产成本也极高。

发明内容

本发明为克服上述现有技术中的不足，提供一种结构简单、生产成本低，但其精度相对较高且快速稳定的测微分析天平及分析方法。

本发明所采用的技术方案为：一种测微分析天平，其特征在于：所述天平包括压力触控组件，光波干涉系统，单片机系统，天平外壳组件；所述压力触控组件包括上承板、下板，竖直设置于上承板和下板之间的弹性元件，上承板上远离弹性元件的一端设有托盘架及托盘，在上承板的弹性元件与托盘架之间且偏向弹性元件的位置设有刀口槽，下板上正对刀口槽的位置设有平衡架，平衡架的上端设有与刀口槽相适配的刀口，所述刀口插设在刀口槽内；所述光波干涉系统包括静片、动片、静脚、动脚、光源、半透半反镜、摄像头；所述静片固定在下板上，动片的一端固定在静片上形成静脚，动片的另一端通过吊件与上承板上托盘架所在的位置相连接并形成动脚；所述动片的上部设有摄像头，以及与摄像头互成90度设置的光源，在摄像头与光源之间设有半透半反镜，所述半透半反镜将光源所投射的光线反射至动片与静片上，再由摄像头拍下动片与静片上反射回来光的干涉条纹图像信息；所述单片机系统包括相互连接的单片机模块、信息显示模块和键盘输入模块，其通过单片机模块进行接收信息、处理信息和发送信息，通过显示模块和键盘输入模块实现人机信息交流，所述摄像头与单片机模块相连接，接收摄像头传输的图像信息，所述单片机模块根据接收图像信息及键盘输入模块的信号或指令进行数据处理后，传输给信息显示模块显示出来。

所述天平还包括水平调节装置，所述水平调节装置包括设置在下板上的水平气泡、以及下板下方的多个水平调整螺丝，用于调整天平的水平。

所述天平还包括保护装置，所述保护装置包括设置在下板上远离弹性元件所在一端的卡槽支架，卡槽支架上设有卡槽，上承板未端刚好伸入卡槽内，且该卡槽具有允许上承板末端上下摆动的行程间隙。当超重和被测物品的重力变化超过其极限时起保护作用，以减少设备的损坏。

所述天平外壳组件包括配件箱和防风罩；所述配件箱将单片机系统封装起来；防风罩将压力触控组件和光波干涉系统罩起来。以便在称量时不受外界的干扰。

所述平衡支架上设有横梁，横梁的末端设有垂直的安装板，所述摄像头安装在横梁上，所述半透半反镜及光源设置在安装板上。

所述键盘输入模块上设置有启动键，清零键，以及数据保存键和数据读取键。

所述弹性元件为弹簧或其它弹性材料。

一种用于上述测微分析天平的测微分析方法，其特征在于：所述方法至少包括如下步骤：a:将被测物体放置在托盘内，通过压力触控组件放大弹性元件的重力形变：b:通过吊件将重力形变转换为动片的上下位移；c:光波干涉系统在静片与动片上反射回来的光生成干涉条纹，并通过摄像头将干涉条纹图像传送到单片机模块；d:单片机模块通过传来图像处理出图像二相邻间条纹的间距，根据h=L*λ/2*△l，h为动脚的上下位移、L为动片的投影的长度、λ为光源的波长、△l为二相邻间条纹的间距，计算出动脚的上下位移h；e:根据质量与弹性元件的弹性形变线性关系K=G/△l，K为形变常数、G物体的质量、△l为二相邻间条纹的间距计算出被测物体G的质量；f：通过信息显示模块显示该数据。

进一步地，所述方法还包括通过单片机系统的键盘输入模块输入数据保存命令，将数据进行保存。

更进一步地，所述方法还包括通过单片机系统的键盘输入模块输入数据读取命令，读取保存的数据。

与现有技术相比，本发明利用杠杆的平衡原理和光波劈尖干涉原理来称量物品的重力，将所受微小重力改变放大、同时将引发的微小形变变大，再用光波干涉对待测物体的质量进行精准测量，提高了测量精度且快速稳定，同时兼具易于生产制造成本低等优点。

附图说明

图1为本发明实施例中的结构示意图。

图中：1、水平气泡 ； 2 、水平调节螺丝； 3、下板； 4、上承板； 5 、弹性元件； 6 、平衡架； 7 、刀口 ；8 、刀口槽； 9、连接点； 10 、半透半反镜； 11、 托盘架；12 、卡槽支架；13 、卡槽； 14、托盘； 15、 静片； 16、动片； 17、 静脚； 18、 动脚； 19、光源； 20、 摄像头；21、 单片机系统；22、 防风罩； 23、 吊件。

具体实施方式

以下结合附图实例对本发明做进一步详细描述。如图1所示为本发明的一个优选的实施例。

天平主要包括压力触控组件部份，光波干涉系统部份，单片机系统部份，天平外壳组件部份等四个部分。

其中压力触控部份是由上承板4、刀口槽8、下板3、托盘架11、平衡支架6、刀口8、弹性元件5、水平气泡1、三个水平调整螺丝2、托盘14和卡槽支架12结成。在下板3的下方有水平气泡1、三个水平调整螺丝2，用于调整天平的水平。在下板3的上方有竖直设置的平衡支架6，平衡支架6上方有一个刀口8。一端有作为弹性元件5的弹簧，弹性元件5也竖直设置，它的上端与上承板4的一端连接形成连接点9。上承板4的下方有一个刀口槽8，刀口槽8放在刀口7上方平衡。上承板4另一端的上方有托盘架11，托盘14放在其上方，以称取物体质量。以上图1杆杠的平衡结构，其技术创新的特点和优点如下：根据杠杆的平衡条件，F*L=F^＇*L^＇，F为拉力、L为刀口槽8至连接点9的长度、F^＇为重力、L^＇为刀口槽8至托盘支架11长度。由于L^＇：L的比例很大，在托盘14位置重力很小的变化，在弹性元件5上力会有较大的变化，使弹簧的形变变大，增加了它的灵敏度和测量的精度。反过来，上承板4在弹性元件5处很小形变的上下位移，会引起托盘支架11处E点的上下位移变化放大，从而提高了测量的精度。另外，在下板3的另一端的上方设有未端有卡槽13的卡槽支架12，其上承板4未端刚好卡在其卡槽13内，且该卡槽13具有允许上承板3末端上下摆动的行程间隙。当超重和被测物品质量的变动超过其极限时起保护作用，以减少设备的损坏。

光波干涉系统是由静片15、动片16、静脚17、动脚18、光源19、半透半反镜10、摄像头20组成。静片15固定在下板3上，动片16在静片15之上，动片16的一端为静脚17，静脚17与静片15相连接，动片16的另一端为动脚18，动脚18点通过吊件，垂直吊与上承板4的托盘架11E点处相连接，从而形成一个测量弹簧位移的连动结构。当托盘架11所处E点上下位移时，动脚18也随之产生上下位移。

当光源19的光照向半透半反镜10再反射照到两块叠合好的动片16和静片15上。由于从静脚17到动脚18光层差成正比例增大，由此动片16和静片15反射回来的光产生光波的干涉，并形成明暗相间的光波干涉条纹，再由摄像头20将其干涉条纹图像传送至单片机模块。以上光波干涉系统的这种结构，优点在于引入光波干涉，根据壁尖干涉的原理，反应出了动脚18的微小的上下位移，由此提高了测量的精度。

单片机系统21部分主要包括单片机模块、信息显示模块和键盘输入模块，所述摄像头与单片机模块相连接，单片机模块接收摄像头传输的图像信息，所述单片机模块根据传输过来的图像信息及键盘输入模块的信号或指令进行数据处理后，传输给信息显示模块显示出来。键盘输入模块上设置有启动键，清零键，以及数据保存键和数据读取键。也就是说单片机系统21由单片机模块、显示模块显示信息和键盘输入模块的称重操作等功能组成，由于单片机系统的具体电路结构属于现有的技术，因此不做详细描述。在工作时，单片机系统21主要是根据摄像头20传来图像处理出动脚18的上下位移。单片机模块首先接收摄像头20传来信息的图像信息，处理出图像的二相邻间条纹的间距。单片机模块的内部再根据劈尖的原理公式h=L*λ/2*△l，h为动脚18上下位移、L为动片16的投影的长度、λ为光源的波长、△l为二相邻间条纹的间距，计算出动脚18的上下位移h。然后通过单片机系统21的键盘输入模块的A键启动天平，C键可以质量清零。

通过单片机系统21的键盘输入模块的B键按第一次可保持当前质量值为第一个质量值，按第二次可保持当前质量值为第二个质量值，按第三次可保持当前质量值为第三个质量值，照此类推可保存第N个质量值。

通过单片机系统的键盘输入模块的D键按第一次可读取第一个质量值，按第二次可读取第二个质量值，按第三次可读取第三个质量值，照此类推可读取第N个质量值。

并将其质量信息通过单片机系统的显示模块显示出来。

天平外壳组件部份包括配件箱和防风罩22等部件组成。配件箱将单片机21封装起来。防风罩将压力触控组件和光波干涉系统罩起来，以便在称量时不受外界的干扰。

下面介绍本实施例中测微分析天平具体的分析步骤。

1、水平调节：通过观察水平气泡1调节器水平螺丝2，使天平工作在水平面上。

2、启动天平和质量清零：通过单片机系统21的键盘模块的A键启动天平，C键可以质量清零。可方便读取称量物的质量。

3、放称量物：打开防风罩22的门，将称量物品放到托盘14上，关上防风罩22的门，以排除外界的干扰。

4、利用压力触控组件放大重力形变量。

5、干涉装置的连动结构将重力形变转换为动片的上下位移：静片15固定在下板3上，动片16在静片15之上，以静脚17与静片15相连接。动片16的动脚18通过吊件23，垂直吊在上承板4的托盘架11E点处。当托盘架11E点处上下位移时，动脚18也随之产生上下位移。

6、干涉条纹的产生：光源19的光照向半透半反镜10，再反反射到两块叠合好的动片16和静片15上。由于从静脚17到动脚18光层差成正比例增大，由此从动片16和静片15反射回来的光产生光波的干涉，并形成明暗相间的条纹。

7、收集干涉条纹的信息：由摄像头20将其干涉条纹图像传送至单片机系统21的单片机模块。

8、单片机系统21的单片机模块内部信息处理：由单片机模块分析出图像二相邻间条纹的间距。

根据壁尖干涉的原理，h=L*λ/2*△l，h为E点上下位移、L为动片16的投影的长度、λ为光源的波长、△l为二相邻间条纹的间距，计算出动脚18的上下位移h。同时根据质量与弹性元件的弹性形变线性关系K=G/△l，K为形变常数、G物体的质量、△l为二相邻间条纹的间距计算出被测物体G的质量的数据；创新点在于引入了波干涉原理进行测量，提高了测量的精度。

9、保存测量的质量：通过单片机系统21的键盘模块的B键按第一次可保持当前质量值为第一个质量值，按第二次可保持当前质量值为第二个质量值，按第三次可保持当前质量值为第三个质量值，照此类推可保存第N个质量值。

10、读取测量的质量:通过单片机系统21的键盘模块的D键按第一次可读取第一个质量值，按第二次可读取第二个质量值，按第三次可读取第三个质量值，照此类推可读取第N个质量值。

11、显示测量的信息:并将其质量信息通过单片机系统21的显示模块显示出来。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

Claims (8)

1.一种测微分析天平，其特征在于：所述天平包括压力触控组件，光波干涉系统，单片机系统，天平外壳组件；所述压力触控组件包括上承板(4)、下板(3)，竖直设置于上承板(4)和下板(3)之间的弹性元件(5)，上承板(4)上远离弹性元件(5)的一端设有托盘架(11)及托盘(14)，在上承板(4)的弹性元件(5)与托盘架(11)之间且偏向弹性元件的位置设有刀口槽(8)，下板(3)上正对刀口槽(8)的位置设有平衡架(6)，平衡架(6)的上端设有与刀口槽(8)相适配的刀口(7)，所述刀口(7)插设在刀口槽(8)内；所述光波干涉系统包括静片(15)、动片(16)、静脚(17)、动脚(18)、光源(19)、半透半反镜(10)、摄像头(20)；所述静片固定在下板上，动片的一端固定在静片上形成静脚，动片的另一端通过吊件(23)与上承板(4)上托盘架(11)所在的位置相连接并形成动脚(18)；所述动片的上部设有摄像头，以及与摄像头互成90度设置的光源，在摄像头与光源之间设有半透半反镜，所述半透半反镜将光源所投射的光线反射至动片与静片上，再由摄像头拍下动片与静片上反射回来光的干涉条纹图像信息；所述单片机系统包括相互连接的单片机模块、信息显示模块和键盘输入模块，其通过单片机模块进行接收信息、处理信息和发送信息，通过显示模块和键盘输入模块实现人机信息交流，所述摄像头与单片机模块相连接，接收摄像头传输的图像信息，所述单片机模块根据接收图像信息及键盘输入模块的信号或指令进行数据处理后，传输给信息显示模块显示出来；

所述天平还包括水平调节装置，所述水平调节装置包括设置在下板上的水平气泡、以及下板下方放置多个水平调整螺丝；

所述天平还包括保护装置，所述保护装置包括设置在下板上远离弹性元件所在一端的卡槽支架(12)，卡槽支架(12)上设有卡槽(13)，上承板未端刚好伸入卡槽内，且该卡槽(13)具有允许上承板末端上下摆动的行程间隙。

2.根据权利要求1所述的测微分析天平，其特征在于：所述天平外壳组件包括配件箱和防风罩；所述配件箱将单片机系统封装起来；防风罩将压力触控组件和光波干涉系统罩起来。

3.根据权利要求1所述的测微分析天平，其特征在于：所述平衡架上设有横梁，横梁的末端设有垂直的安装板，所述摄像头安装在横梁上，所述半透半反镜及光源设置在安装板上。

4.根据权利要求1所述的测微分析天平，其特征在于：所述键盘输入模块上设置有启动键，清零键，以及数据保存键和数据读取键。

5.根据权利要求1所述的测微分析天平，其特征在于：所述弹性元件为弹簧或具有弹性的材料。

6.一种用于权利要求1至5任一项所述测微分析天平的测微分析方法，其特征在于：所述方法至少包括如下步骤：a:将被测物体放置在托盘内，通过压力触控组件放大弹性元件的重力形变：b:通过吊件将重力形变转换为动片的上下位移；c:光波干涉系统在静片与动片上反射回来的光生成干涉条纹，并通过摄像头将干涉条纹图像传送到单片机模块；d:单片机模块通过传来图像处理出图像二相邻间条纹的间距，根据h＝L*λ/2*△l，h为动脚的上下位移、L为动片的投影的长度、λ为光源的波长、△l为二相邻间条纹的间距，计算出动脚的上下位移h；e:根据质量与弹性元件的弹性形变线性关系K＝G/△l，K为形变常数、G物体的质量、△l为二相邻间条纹的间距计算出被测物体G的质量；f：通过信息显示模块显示该数据。

7.根据权利要求6所述的测微分析方法，其特征在于：所述方法还包括通过单片机系统的键盘输入模块输入数据保存命令，将数据进行保存。

8.根据权利要求6所述的测微分析方法，其特征在于：所述方法还包括通过单片机系统的键盘输入模块输入数据读取命令，读取保存的数据。

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