CN112965129B - 一种基于电磁力平衡的卡文迪许扭秤 - Google Patents
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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
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 (1)
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的两侧的吸引质量块，以及两个分别设置在所述检验组件的两侧的磁力组件；
所述工作台及吊架皆采用对称结构，且尺寸足够大；
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的两端的检验质量块；所述弹性扭丝固定设置在所述吊架的顶部上，以实现自由转动；所述弹性扭丝采用高弹性材料制成；所述弹性扭丝的直径为3毫米左右，所述的检验质量块的重量为2公斤左右；所述连接杆吊设在所述弹性扭丝的中部，以使所述连接杆处于水平状态；所述检验质量块为一个圆盘形；
两个所述吸引质量块分别与两个所述检验质量块相对应，从而在两个所述吸引质量块与两个所述检验质量块之间分别产生万有引力，该二个万有引力位于弹性扭丝的二侧，并且对弹性扭丝产生的扭矩方向相同，是单个万有引力扭矩的2倍；
所述吸引质量块的重量设定为30公斤，所述吸引质量块与检验质量块之间的万有引力达到30微克左右，所述吸引质量块为球形或非球形；
每一个磁力组件与一个吸引质量块分别设置在所述检验质量块的两侧，从而针对每一个检验质量块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的扭转角为零，所述检验组件处于平衡位置，则电磁力与万有引力对弹性扭丝的扭矩大小相等，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与吸引质量块之间的万有引力，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，所述电磁被动部件由永磁材料或导磁材料制成；改变所述电磁力发生器和所述电磁被动元件之间的距离，可以调整他们之间的电磁力；如果所述电磁力发生器的磁场是由电子线圈产生，则还能够通过改变电子线圈的电流调整电磁力大小；
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；
在测量过程中弹性扭丝只起到悬挂扭秤的作用，该弹性扭丝的弹性回转系数的非线性、热弹性、时间漂移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。
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