CN112965129A - 一种基于电磁力平衡的卡文迪许扭秤 - Google Patents

一种基于电磁力平衡的卡文迪许扭秤 Download PDF

Info

Publication number
CN112965129A
CN112965129A CN202110171427.8A CN202110171427A CN112965129A CN 112965129 A CN112965129 A CN 112965129A CN 202110171427 A CN202110171427 A CN 202110171427A CN 112965129 A CN112965129 A CN 112965129A
Authority
CN
China
Prior art keywords
electromagnetic force
torsion
attraction
mass blocks
checking
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN202110171427.8A
Other languages
English (en)
Other versions
CN112965129B (zh
Inventor
叶洪源
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Zhejiang Tuyuan Intelligent Equipment Technology Co ltd
Original Assignee
Zhejiang Tuyuan Intelligent Equipment Technology Co ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Zhejiang Tuyuan Intelligent Equipment Technology Co ltd filed Critical Zhejiang Tuyuan Intelligent Equipment Technology Co ltd
Priority to CN202110171427.8A priority Critical patent/CN112965129B/zh
Publication of CN112965129A publication Critical patent/CN112965129A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN112965129B publication Critical patent/CN112965129B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01V—GEOPHYSICS; GRAVITATIONAL MEASUREMENTS; DETECTING MASSES OR OBJECTS; TAGS
    • G01V7/00—Measuring gravitational fields or waves; Gravimetric prospecting or detecting
    • G01V7/08—Measuring gravitational fields or waves; Gravimetric prospecting or detecting using balances
    • G01V7/10—Measuring gravitational fields or waves; Gravimetric prospecting or detecting using balances using torsion balances, e.g. Eötvös balance

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • General Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Geophysics (AREA)
  • Measuring Magnetic Variables (AREA)
  • Force Measurement Appropriate To Specific Purposes (AREA)

Abstract

一种基于电磁力平衡的卡文迪许扭秤,其包括工作台，吊架，检验组件，两个吸引质量块，以及两个磁力组件，所述检验组件包括弹性扭丝，连接杆，以及检验质量块。两个所述吸引质量块设置在所述工作台上并分别与两个所述检验质量块对应以与相应的检验质量块产生万有引力，且两个所述吸引质量分别位于两个所述检验质量块的两。每一个所述磁力组件包括电磁力发生器，以及电磁被动元件。所述电磁力发生器和所述电磁被动元件之间产生电磁力，万有引力和电磁力对所述弹性扭丝的扭矩大小相等，方向相反，所述弹性扭丝达到扭矩平衡，扭转角为零。本卡文迪许扭秤有利于提高了万有引力及万有引力常数G的测量准确度。

Description

一种基于电磁力平衡的卡文迪许扭秤
技术领域
本发明涉及物理实验器材技术领域，特别涉及一种基于电磁力平衡的卡文迪许扭秤。
背景技术
现有传统卡文迪许扭秤采用两个质量一样的小球分别放在扭秤的两端，扭秤中间用一根弹性扭丝系在支架上；两个质量一样的大球近距离相对于两个小球放置在固定工作台上，在万有引力作用，扭秤以弹性扭丝为中心微微偏转；弹性扭丝设置有小镜子，用准直的细光束照射镜子，细光束通过镜子反射到一测量标尺，根据细光束在标尺上的位置，可以得到扭秤的偏转角度，由此计算出万有引力及万有引力常数G。
但由于万有引力太弱，无法直接测量。传统卡文迪许扭秤，是通过测量扭秤偏转角计算得出万有引力，而弹性扭丝的弹性回转系数受到各种因素影响，如非线性、热弹性、时间漂移等，进而影响万有引力的精确测量。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种基于电磁力平衡的卡文迪许扭秤，解决传统卡文迪许扭秤测量过程中，万有引力太弱，无法直接测量，同时消除了非线性、热弹性、时间漂移等对弹性扭丝弹性回转系数的影响，实现万有引力及万有引力常数G的精确测量。
一种基于电磁力平衡的卡文迪许扭秤，其包括一个工作台，一个设置在所述工作台上的吊架，一个吊设在所述吊架上的检验组件，两个分别设置在所述检验组件两侧的吸引质量块，以及两个分别设置在所述检验组件的两侧的磁力组件。所述检验组件包括一个吊设在所述吊架上的弹性扭丝，一个设置在所述弹性扭丝的自由端的连接杆，以及两个分别设置在所述连接杆两端的检验质量块。两个所述吸引质量块设置在所述工作台上并分别与两个所述检验质量块对应以与相应的检验质量块产生万有引力且两个所述吸引质量分别位于两个所述检验质量块的两侧。两个所述磁力组件分别与两个所述检验质量块对应，且设置在所述检验质量块的两侧。每一个所述磁力组件包括一个设置在所述工作台上的电磁力发生器，以及一个设置在所述检验质量块上的电磁被动元件。所述电磁力发生器和所述电磁被动元件之间产生电磁力。万有引力和电磁力对所述弹性扭丝的扭矩大小相等，方向相反，所述弹性扭丝达到扭矩平衡，扭转角为零。
进一步地，所述弹性扭丝由金属材料或由非金属材料制成。
进一步地，所述弹性扭丝截面是圆形或非圆形。
进一步地，所述弹性扭丝的自由端位于所述连接杆的中部。
进一步地，所述电磁力发生器的磁场由永磁体产生或由电子线圈产生。
进一步地，所述电磁被动元件由永磁材料或导磁材料制成。
进一步地，所述检验质量块为球形或者非球形。
进一步地，所述吸引质量块为球形或非球形。
与现有技术相比，本发明提供的基于电磁力平衡的卡文迪许扭秤具有两个分别设置在所述检验质量块的两侧的所述吸引质量块，以及分别与所述检验质量块相对应设置的磁力组件，通过电磁力对弹性扭丝产生电磁力扭矩，且当该电磁力扭矩与检验质量块与吸引质量块之间的万有引力的扭矩大小相等，方向相反时，弹性扭丝不扭转，扭秤保持平衡，从而将万有引力的测量转换为对电磁力的测量。同时，由于在测量过程中弹性扭丝只起到悬挂扭秤的作用，因此该弹性扭丝的非线性、热弹性、时间漂移等不利因素不会对万有引力的测量产生误差，从而提高了万有引力及万有引力常数G的测量准确度。
附图说明
图1为本发明提供的基于电磁力平衡的卡文迪许扭秤的结构示意图。
具体实施方式
以下对本发明的具体实施例进行进一步详细说明。应当理解的是，此处对本发明实施例的说明并不用于限定本发明的保护范围。
如图1所示，其为本发明提供的基于电磁力平衡的卡文迪许扭秤的结构示意图。所述基于电磁力平衡的卡文迪许扭秤包括一个工作台10，一个设置在所述工作台10上的吊架20，一个吊设在所述吊架20上的检验组件30，两个分别设置在所述检验组件30的两侧的吸引质量块40，以及两个分别设置在所述检验组件30的两侧的磁力组件50。可以想到的是，所述基于电磁力平衡的卡文迪许扭秤还包括其他的一些功能模块，如组装组件，电气连接组件，磁力测量仪器等等，其为本领域技术人员所习知的技术，在此不再赘述。
所述工作台10用于承载该卡文迪许扭秤的各个功能组件，因此其结构、形状、以及尺寸应当根据实际的需要来设定，在此不再赘述。
所述吊架20固定设置在所述工作台10上，其可以为一个框形结构。为了避免影响测量精度，所述工作台10及吊架20皆可以采用对称结构，且尺寸应当足够大。
所述检验组件30包括一个吊设在所述吊架20上的弹性扭丝31，一个设置在所述弹性扭丝31的自由端的连接杆32，以及两个分别设置在所述连接杆32的两端的检验质量块33。所述弹性扭丝31固定设置在所述吊架20的顶部上，以实现自由转动。所述弹性扭丝31采用高弹性材料制成，如石英，金属钨等。在本实施例中，所述弹性扭丝31由钨丝制成。为了提高所述弹性扭丝31的灵敏度，在现有技术中，其直径很小，如该弹性扭丝30的直径可以为0.05毫米左右，所述的检验质量块33的重量为0.1公斤左右，检验质量块太重可能会扯断所述弹性扭丝30。但在本发明中，所述弹性扭丝31在平衡位置不发生扭转，所述弹性扭丝31的灵敏度要求可以降低，其直径可以设定为0.3毫米左右，弹性扭丝的直径增加6倍，截面积和承载力可以增加36倍，在本发明中所述的检验质量块33的质量可以设定为2公斤。可以理解的是，两个物体的质量越大，那他们之间所形成的万有引力也越大，从而有利于提供测量精度。所述连接杆32吊设在所述弹性扭丝31的中部，以使所述连接杆32处于水平状态。所述检验质量块33可以为球形，也可以为非球形。在本实施例中，所述检验质量块33为一个圆盘形。
所述吸引质量块40具有两个且分别设置在所述检验组件30的两侧，并分别与两个所述检验质量块33相对应，从而可以在两个所述吸引质量块40与两个所述检验质量块33之间分别产生万有引力，该二个万有引力位于弹性扭丝31的二侧，并且对弹性扭丝31产生的扭矩方向相同，是单个万有引力扭矩的2倍。在传统卡文迪许扭秤中，所述吸引质量块40与检验质量块33之间的万有引力在0.3微克左右。在本实施例中，所述的检验质量块33的重量设定为2公斤，所述吸引质量块40的重量设定为30公斤，所述吸引质量块40与检验质量块33之间的万有引力可以达到30微克左右，万有引力提高了100倍。当然可以理解的是，所述吸引质量块40也可以为球形或非球形。
所述磁力组件50也具有两个，分别设置在所述检验组件30的两侧。具体地每一个磁力组件50与一个吸引质量块40分别设置在所述检验质量块33的两侧，从而针对每一个检验质量块33都形成一个方向相反的电磁力与万有引力。当检测到所述弹性扭丝31的扭转角为零，所述检验组件30处于平衡位置，则电磁力与万有引力对弹性扭丝31的扭矩大小相等，方向相反，根据此时的电磁力，通过计算可以得到检验质量块33与吸引质量块40之间的万有引力，进而得出万有引力常数G。每一个磁力组件50包括一个设置在所述工作台10上的电磁力发生器51，以及一个设置在所述检验质量块33上的电磁被动元件52。所述电磁力发生器51的磁场可以由永磁体产生或由电子线圈产生，所述电磁被动部件52可以由永磁材料或导磁材料制成。改变所述电磁力发生器51和所述电磁被动元件52之间的距离，可以调整他们之间的电磁力；如果所述电磁力发生器51的磁场是由电子线圈产生，则还可以通过改变电子线圈的电流调整电磁力大小。
与现有技术相比，本发明提供的基于电磁力平衡的卡文迪许扭秤具有两个分别设置在所述检验质量块33的两侧的所述吸引质量块40，以及分别与该两个吸引质量块40相对应设置的磁力组件50，通过电磁力对弹性扭丝31产生电磁力扭矩，且当该电磁力扭矩与检验质量块与吸引质量块之间的万有引力的扭矩大小相等，方向相反时，弹性扭丝31不扭转，扭秤保持平衡，从而将万有引力的测量转换为对电磁力的测量。同时，由于在测量过程中弹性扭丝31只起到悬挂扭秤的作用，因此该弹性扭丝的弹性回转系数的非线性、热弹性、时间漂移等不利因素不会对万有引力的测量产生误差，从而提高了万有引力及万有引力常数G的测量准确度。
以上仅为本发明的较佳实施例，并不用于局限本发明的保护范围，任何在本发明精神内的修改、等同替换或改进等，都涵盖在本发明的权利要求范围内。

Claims (8)

1.一种基于电磁力平衡的卡文迪许扭秤，其特征在于：所述基于电磁力平衡的卡文迪许扭秤包括一个工作台，一个设置在所述工作台上的吊架，一个吊设在所述吊架上的检验组件，两个分别设置在所述检验组件两侧的吸引质量块，以及两个分别设置在所述检验组件的两侧的磁力组件，所述检验组件包括一个吊设在所述吊架上的弹性扭丝，一个设置在所述弹性扭丝的自由端的连接杆，以及两个分别设置在所述连接杆两端的检验质量块，两个所述吸引质量块设置在所述工作台上并分别与两个所述检验质量块对应以与相应的检验质量块产生万有引力，且两个所述吸引质量分别位于两个所述检验质量块的两侧，两个所述磁力组件分别与两个所述检验质量块对应，且设置在所述检验质量块的两侧，每一个所述磁力组件包括一个设置在所述工作台上的电磁力发生器，以及一个设置在所述检验质量块上的电磁被动元件，所述电磁力发生器和所述电磁被动元件之间产生电磁力，万有引力和电磁力对所述弹性扭丝的扭矩大小相等，方向相反，所述弹性扭丝达到扭矩平衡，扭转角为零。
2.如权利要求1所述的基于电磁力平衡的卡文迪许扭秤，其特征在于：所述弹性扭丝由金属材料或由非金属材料制成。
3.利要求1所述的基于电磁力平衡的卡文迪许扭秤，其特征在于：所述弹性扭丝截面是圆形或非圆形。
4.如权利要求1所述的基于电磁力平衡的卡文迪许扭秤，其特征在于：所述弹性扭丝的自由端位于所述连接杆的中部。
5.如权利要求1所述的基于电磁力平衡的卡文迪许扭秤，其特征在于：所述电磁力发生器的磁场由永磁体产生或由电子线圈产生。
6.如权利要求1所述的基于电磁力平衡的卡文迪许扭秤，其特征在于：所述电磁被动元件由永磁材料或导磁材料制成。
7.如权利要求1所述的基于电磁力平衡的卡文迪许扭秤，其特征在于：所述检验质量块为球形或者非球形。
8.如权利要求1所述的基于电磁力平衡的卡文迪许扭秤，其特征在于：所述吸引质量块为球形或非球形。
CN202110171427.8A 2021-02-06 2021-02-06 一种基于电磁力平衡的卡文迪许扭秤 Active CN112965129B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110171427.8A CN112965129B (zh) 2021-02-06 2021-02-06 一种基于电磁力平衡的卡文迪许扭秤

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110171427.8A CN112965129B (zh) 2021-02-06 2021-02-06 一种基于电磁力平衡的卡文迪许扭秤

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN112965129A true CN112965129A (zh) 2021-06-15
CN112965129B CN112965129B (zh) 2023-10-31

Family

ID=76275413

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202110171427.8A Active CN112965129B (zh) 2021-02-06 2021-02-06 一种基于电磁力平衡的卡文迪许扭秤

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN112965129B (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN117471563A (zh) * 2023-10-20 2024-01-30 之江实验室 悬浮摆隔振装置、万有引力常数的测量装置及其测量方法

Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE29504785U1 (de) * 1995-03-21 1995-11-23 Schmelting Joerg Rotationsdrehwaage
WO1996006339A1 (en) * 1994-08-24 1996-02-29 Bofors Ab Method and device for determining centre of gravity and inertial tensor of a body
CN1290854A (zh) * 2000-05-18 2001-04-11 刘武青 修正牛顿万有引力定律爱因斯坦引力理论用的方法及装置
US20060277993A1 (en) * 2005-06-08 2006-12-14 Lijun Wang Asymmetric torsion balance gravimeter
CN102158289A (zh) * 2011-02-14 2011-08-17 刘武青 引力波通信装置及方法
US20130008248A1 (en) * 2011-07-09 2013-01-10 Hui Peng Torsion balance apparatus
CN103809773A (zh) * 2012-11-14 2014-05-21 英华达（上海）科技有限公司 感测操作系统及其方法
CN203706516U (zh) * 2014-01-10 2014-07-09 闵杰 一种卡文迪许扭秤实验平台
CN204166766U (zh) * 2014-06-12 2015-02-18 天津启星动力科技有限公司 库仑定律演示器
CN211237478U (zh) * 2020-03-11 2020-08-11 李清扬 一种基于扭秤的安培力演示装置

Patent Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO1996006339A1 (en) * 1994-08-24 1996-02-29 Bofors Ab Method and device for determining centre of gravity and inertial tensor of a body
DE29504785U1 (de) * 1995-03-21 1995-11-23 Schmelting Joerg Rotationsdrehwaage
CN1290854A (zh) * 2000-05-18 2001-04-11 刘武青 修正牛顿万有引力定律爱因斯坦引力理论用的方法及装置
US20060277993A1 (en) * 2005-06-08 2006-12-14 Lijun Wang Asymmetric torsion balance gravimeter
CN102158289A (zh) * 2011-02-14 2011-08-17 刘武青 引力波通信装置及方法
US20130008248A1 (en) * 2011-07-09 2013-01-10 Hui Peng Torsion balance apparatus
CN103809773A (zh) * 2012-11-14 2014-05-21 英华达（上海）科技有限公司 感测操作系统及其方法
CN203706516U (zh) * 2014-01-10 2014-07-09 闵杰 一种卡文迪许扭秤实验平台
CN204166766U (zh) * 2014-06-12 2015-02-18 天津启星动力科技有限公司 库仑定律演示器
CN211237478U (zh) * 2020-03-11 2020-08-11 李清扬 一种基于扭秤的安培力演示装置

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
MUNAWAR KARIM: "Compensated Cavendish balance", 《AMERICAN JOURNAL OF PHYSICS》, vol. 54, no. 11, pages 1043 - 1045 *
徐力遥: ""史上最美的物理实验—卡文迪许的扭秤实验"", 《物理之友》, vol. 31, no. 3, 31 March 2015 (2015-03-31), pages 48 *
秦丹 等: "万有引力常量G的测量", 《大学物理》, vol. 27, no. 8, 30 September 2008 (2008-09-30), pages 33 - 36 *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN117471563A (zh) * 2023-10-20 2024-01-30 之江实验室 悬浮摆隔振装置、万有引力常数的测量装置及其测量方法
CN117471563B (zh) * 2023-10-20 2024-04-19 之江实验室 悬浮摆隔振装置、万有引力常数的测量装置及其测量方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN112965129B (zh) 2023-10-31

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN107907272B (zh) 适用于微推力器测试系统电磁测力器的标定装置及方法
CN106092399B (zh) 基于扭秤的航天微推力器冲量测量台
CN102539028B (zh) 基于静电力原理的垂直式超微力值测量装置及其溯源方法
CN112965129A (zh) 一种基于电磁力平衡的卡文迪许扭秤
CN113701934B (zh) 一种扭摆式微小推力测量装置及方法
Marangoni et al. Analysis of weighing cells based on the principle of electromagnetic force compensation
CN114152380B (zh) 一种用于微牛级推力测试的快响应二级摆装置
CN113740929B (zh) 一种空间惯性传感器的地面测试装置及方法
CN107290085B (zh) 基于弹性吊承的微小扭矩校准测量装置
CN112213015A (zh) 一种微推力测量装置
CN108363094B (zh) 旋转地震计
CN2922002Y (zh) 一种库仑定律的定量验证试验装置
CN116124344B (zh) 一种基于Roberval平衡结构的微推力测量装置
CN210981458U (zh) 一种称重装置
US3194060A (en) Seismic displacement transducer
CN109654147A (zh) 垂直隔振系统
Yan et al. An improved structural design for accelerometers based on cantilever beam‐mass structure
CN108873057B (zh) 一种地震计
JPS6370137A (ja) トルク荷重の較正装置
JPS63101705A (ja) 姿勢センサ
CN216207186U (zh) 一种纳牛级弱力标定装置
CN216348671U (zh) 一种改进的用于陀螺频率特性测量的角振动发生装置
KR101450050B1 (ko) 마이크로 힘 발생 및 측정장치 및 그 방법
CN219392826U (zh) 以磁性库仑力作为恢复力的机械振动装置
CN110146270B (zh) 一种激光扫描振镜电机的力学性能测试平台

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant