CN109738045A - 一种简易的微量和超微量样品重量检测装置和检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种简易的微量和超微量样品重量检测装置和检测方法，其属于微量和超微量样品重量测量领域。本发明将待测样品的重量通过力学装置转化为微小的位移，然后通过光学理论将该位移进行投影放大，测量放大之后的位移大小获得原始微小位移大小，再结合力学平衡原理就可求出待测样品的重量，该测量装置结构简单，成品低廉。

Description

一种简易的微量和超微量样品重量检测装置和检测方法

技术领域

本发明涉及微量和超微量样品重量检测装置和检测方法。

背景技术

目前，微量和超微量样品重量检测主要依靠电子天平来实现，按测量原理的不同又可将电子天平分为压电陶瓷等传感器式电子天平和机械式精密电子天平，它们根据物体的压电效应和杠杆原理来工作。但是，存在着如下问题：(1) 超高度的超微量电子天平价格过高，如一台测量精度达到10^-8克数量级的电子天平价格昂贵，一般实验室难以配备。(2)采用压电陶瓷等传感器的电子天平，虽有较好的稳定性，但其测量精度只在微克级。(3)机械式的精密电子天平，存在着系统达到稳定的时间很长或很难达到稳定的问题。因此，出于以上原因，一般的实验室目前只配备测量精度为10^-3和10^-4克的电子天平，难以对超过10^-4克测量精度的微量和超微量样品的重量进行检测。

发明内容

针对以上问题，本发明利用物理学原理，发明一种新的微量和超微量称重方法。

实现本发明目的的技术方案为：将待测样品的重量通过力学装置转化为微小的位移，然后通过光学理论将该位移进行投影放大，测量放大之后的位移大小获得原始微小位移大小，再结合力学平衡原理就可求出待测样品的重量。

本发明的简易的微量和超微量检测装置包括力学部分和光学部分，力学部分包括顶板(未图示)、定滑轮、细丝线和砝码，光学部分包括点光源和投影板。

附图说明

图1是本发明力学部分结构示意图；

图2是本发明光学部分原理示意图；

图3是本发明检测装置结构示意图

图4是本发明另一实施例原理图。

具体实施方式

如图1所示，在未放置待测样品4之前，第一丝线21在砝码3的作用下处于绷紧水平状态，当在第一丝线21中点经第二丝线22加上待测样品4之后，第一丝线21的中点在待测样品4重力作用下由水平状态的点a下移到平衡状态的点b，在点b处对第一细丝线21中点进行受力分析，易知：第一丝线4中点受到待测样品4重力和两端细丝线的拉力3个作用力而处于平衡状态，拉力的大小等于两端砝码的重力，对3个作用力进行水平、坚直两个方向正交分解，则在坚直方向合力为零，拉力在竖直方向的分量等于待测样品4的重力。即：

假定人眼可辨识的最小距离为1mm，当ab的长度为1mm时，线段ae的长度预先设定为2m，则线段eb的长度为(10^-3×2+2²)^-2＝4.000001^-2，砝码m₁的质量预先设定为1g，则此时式(1)可写为：

这里，为了叙述方便，我们将1.00000012×10^-3(g)这一测量精度表述为10^-3 (g)，通过上述特殊的力学装置，使测量精度达到了砝码的千分之一左右，即 10^-3g数量级。

在实际需求中，10^-3g的测量精度仍难满足许多微量检测的需要，我们利用如附图2所示的光学投影系统将测量精度由10^-3克提高到10^-6克的数量级。

如附图2所示，该微量和超微量样品重量检测装置包括力学部分和光学部分；力学部分包括：顶板(未示出)、定滑轮1、第一丝线21、第二丝线22、砝码3；光学部分包括：点光源5和投影板6；其中，两个定滑轮1呈水平直线固定在顶板上，第一丝线21穿过两定滑轮1，第一丝线21的长度大于两定滑轮1 之间的距离，第一丝线21的两端分别绕过两定滑轮1后下垂，其下垂长度相同，并且在第一丝线21的两端分别悬挂砝码3；在两定滑轮1中间位置处的第一丝线21上连接第二丝线22，第二丝线22另一端连接待测样品4；当第一丝线21 两端悬挂砝码3，并且第二丝线22未悬挂待测样品4时，两定滑轮1之间的第一丝线21所在的直线为轴线ef，该轴线ef为水平直线，如图1-2所示；轴线ef 所在竖直平面的一侧设置有点光源5，并且点光源5设置在：轴线ef所在水平平面与垂直轴线ef的竖直平面的交线上，且该交线位于两定滑轮1中间位置的竖直平面上；投影板设置在轴线ef所在竖直平面的另一侧，并且投影板6平行于轴线ef所在竖直平面。

如图2-3所示，首先，第一丝线21中点位于点a，点光源5位于点o，点a 在点光源5的照射下在投影板上的投影为点c，放置待测样品4之后，第一细丝线21中点位于点b，点b在点光源5的照射下在投影板上的投影为点d，由投影定理得：

预先设定点o与点a之间距离为1mm，点o与投影板6之间的距离为1m。则由式(3)得：

仍假定人眼可辨识的最小距离为1mm，则细丝线中点的投影在投影板上每下降1mm，相当于细丝线中点实际下降了1mm×10^-3＝1μm，当细丝线中点实际下降1μm时，此时若其他条件不变，结合式(1)可知，m＝ m₁×1.00000012×10^-6＝1.00000012×10^-6(g)，测量精度达到砝码的百万分之一左右，即10^-6g数量级。

该测量装置测量时，具有如下步骤：

首先，对于待测样品质量预估，选取合适重量的砝码3，并将砝码3设置在第一丝线21两端；

其次，开启点光源5，待待测样品静止后，测量投影板6上第一丝线21和第二丝线22的连接点在悬挂待测样品后下降距离的投影的长度；通过该长度计算出待测样品的重量。另外，为了方便读数，可在投影板6上制作质量刻度尺，当称取质量未知的物体时，直接从投影板上读取其投影显示的数值即可。

还可以通过如下方法，直接来读取待测样品的质量而不需要考虑重复的复杂计算：将已知重量的标准件逐个放置在所述称量装置上，将它们在投影板6 上相应的投影位置标记下来，制作成质量刻度尺，当称取质量未知的物体时，直接从投影板上读取其投影批示的数值即可。

如果10^-6g的测量精度仍不能满足测量需要，可再利用一个投影系统，将测量精度再提高1000倍，达到10^-9克的数量级。如附图4右侧虚线部分所示。由式(4)可知，若将oa的长度再缩小1000倍，保持oc长度不变，相应地测量精度就从10^-6g提高到了10^-9g数量级。可以借助附图4右侧虚线部分所示的投影方法将oa的长度从预先设定的1mm缩小为1μm。点光源8、投影板7如之前相仿设置，并采用同上述一样投影方法：在点光源5的正上方设置点光源8，其位于l处，点光源8的正下方水平放置一投影板7，预先设定点光源8与点光源5 之间距离为1mm，点光源8与投影板7之间的距离为1m。易知，当投影板7 上的投影pq长度为1mm时，oa之间的距离就是1μm。此时保持其他条件不变，由式(1)、式(4)知：

m＝m₁×1.00000012×10^-9＝1.00000012×10^-9(g)，测量精度达到砝码的十亿分之一左右，即10^-9g数量级。

在第二丝线22的端部设置吊盘，以方便放置待测样品。

第一丝线21和第二丝线22的直径小于1mm且大于0.5mm。

点光源采用红色点光源，以方便读数；两定滑轮采用相同型号定滑轮，直径小于10cm。

本发明将待测样品的重量通过特殊的力学装置转化为微小的位移，然后通过光学理论将这段位移进行投影放大，获得待测样品的重量，该测量装置结构简单，成品低廉。

Claims (4)

1.一种简易的微量和超微量样品重量检测装置，该装置包括力学部分和光学部分；力学部分包括：顶板、定滑轮、第一丝线、第二丝线、砝码；光学部分包括：点光源和投影板；其中，两个定滑轮呈水平直线固定在顶板上，第一丝线穿过两定滑轮，第一丝线的长度大于两定滑轮之间的距离，第一丝线的两端分别绕过两定滑轮后下垂，其下垂长度相同，并且在第一丝线下垂的两端分别悬挂砝码；在两定滑轮中间位置处的第一丝线上连接第二丝线，第二丝线另一端连接待测样品；当第一丝线两端悬挂砝码并且第二丝线未悬挂待测样品时，两定滑轮之间的第一丝线所在的直线为轴线ef，该轴线ef为水平直线；轴线ef所在竖直平面的一侧设置有点光源，并且点光源设置在轴线ef所在水平平面与垂直轴线ef的竖直平面的交线上，且该交线位于两定滑轮中间位置的竖直平面上；投影板设置在轴线ef所在竖直平面的另一侧，并且投影板平行于轴线ef所在竖直平面。

2.如权利要求1所述检测装置，在投影板上设置有质量刻度，以读出待测样品质量。

3.如权利要求1所述检测装置，点光源采用红色点光源。

4.种简易的微量和超微量样品重量检测方法，其采用权利要求1-3任一权利要求中的微量和超微量样品重量检测装置，其具体测量步骤为：

首先，对于待测样品质量预估，选取合适重量的砝码，并将砝码设置在第一丝线两端；

其次，开启点光源，待待测样品静止后，测量投影板上第一丝线和第二丝线的连接点在悬挂待测样品后下降距离的投影的长度；通过该长度计算出待测样品的重量。