CN1275026C - 超微量检测装置及检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种超微量检测装置及检测方法，超微量检测装置包括机械部分和电气测量部分，机械部分由静压球面轴承、轴承支承座、高压气体产生装置、杠杆、器皿和配重组成；电气测量部分由激光测量装置、压电陶瓷及探针、计算机测量处理装置组成；它的测量精度能达到10-7～10-9克的数量级，而且稳定性较好，克服了现有技术中达到稳定的时间很长或很难达到稳定的问题以及难以达到微克级以下的超微质量测量等问题。

Description

超微量检测装置及检测方法
技术领域
本发明涉及一种电子称量装置及称量方法，尤其是一种超微量检测装置及检测方法。
背景技术
微量和超微量测量作为现代科学技术一个重要的前沿问题，是人类探索认识微观世界的重要手段。微量超微量测量从物理特性可分为超微尺寸(微米/纳米)、超微位移/角位移、超微质量、超微流量、微加速度、微振动和微声学测量等。目前，扫描隧道显微镜、原子力显微镜和激光测量是进行超微尺寸、超微位移检测的重要手段。测量精度可以达到纳米级。借助于隧道位移传感器和微谐振器，实现微加速度和微振动测量。加速度计的分辨率可达10-9g.，微量振动位移精度达微米级，分辨率可达纳米级。但是，对离散的单一微小流量的检测和超微质量的检测，目前还没有成熟的技术。
目前，进行微质量测量的方法主要还是借助于电子天平。但是，存在着两个问题：(1)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。(2)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，在实际的测量中，微克级以下的超微质量测量一直没有解决。
对于超微机械尺寸和位移(微米或纳米级)检测，目前已经具有可应用的测量手段，如激光测量技术、隧道扫描显微镜技术等。通过设计和研制一种转换装置将超微量(包括超微质量和流量)的变化转化为超微位移的变化，通过测量超微位移间接测量超微量是我们此项技术的基本思想。由于超微量在10-7～10-9克的数量级上，要将如此小的量的变化转化为超微位移，现有的技术很难实现。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种稳定性好，测量精度能达到10-7～10-9克的数量级的超微量检测装置。
本发明的超微量检测装置，包括机械部分和电气测量部分，机械部分由静压球面轴承1、轴承支承座2、高压气体产生装置3、杠杆4、器皿5和配重6组成；静压球面轴承1由轴承支承座2支承，高压气体产生装置3位于静压球面轴承1下方，高压气体产生装置3产生的高压气流通过轴承支承座2上的孔进入后代替机械天平的机械支点，静压球面轴承1两侧安装有杠杆4，在杠杆4的一侧靠近末端安装有器皿5，在杠杆4的另一侧靠近中末端安装有配重6；电气测量部分由激光发射器8、激光接受器7、压电陶瓷9、探针10、计算机测量处理装置11组成；激光发射器8和激光接受器7呈一定角度安装，激光发射器8发射的激光经杠杆4后由激光接受器7接受，压电陶瓷9下方安装有探针10，探针10与带有配重6一侧的杠杆4末端相接触，计算机测量处理装置11一端与激光接受器7相连接，另一端与压电陶瓷9相连接。
上述计算机测量处理装置11包括信号采集、放大电路、A/D转换器、测量结果显示器、D/A转换器和功率放大；激光信号传入计算机测量处理装置进行信号采集、经放大电路放大，通过A/D转换器转换成数字信号，测量结果由显示器显示，输出的反馈信号经D/A转换器并且进行功率放大，放大了的信号控制压电陶瓷。
本发明超微量检测装置的检测方法，包括如下步骤：
(1)检测时，天平一端的超微量的变化转化为天平杠杆的微小偏转，该微小的角位移变化量使激光接收器得到一个激光信号，激光信号传入计算机测量处理装置进行信号采集、放大，再通过计算机信号处理测量结果，输出反馈信号并且进行功率放大，放大了的信号控制压电陶瓷，使压电陶瓷产生一个反作用力，该作用力反过来作用到杠杆的另一端，使天平再次达到平衡，激光测量装置的电信号再次为零；
(2)压电陶瓷产生的力与输入的电信号成正比，通过测量天平再次平衡时加在压电陶瓷上的电信号的大小即可测得天平偏转的大小。
本专利的超微位移转换装置的工作原理是利用静压球面轴承和天平的工作机理，用极细的高压气流代替机械天平的机械支点，将在天平一端的超微量的变化转化为天平杠杆的微小偏转，该微小的角位移变化量通过激光测量，最终转化成微小的电信号。该电信号通过放大处理控制压电陶瓷，使压电陶瓷产生一个反作用力，该作用力反过来作用到杠杆的另一端，使天平再次达到平衡，激光测量装置的电信号再次为零。由于压电陶瓷产生的力与输入的电信号成正比，因此，通过测量天平再次平衡时加在压电陶瓷上的电信号的大小即可测得天平偏转的大小，从而实现对超微量的测量。
附图说明
图1是本超微量检测装置的结构示意图。
图中：静压球面轴承1、轴承支承座2、高压气体产生装置3、杠杆4、器皿5、配重6、激光接受器7、激光发射器8、压电陶瓷9、探针10、计算机测量处理装置11。
具体实施方式
实施例1
超微量检测装置的结构如图1所示，它由机械部分和电气测量部分组成，机械部分由静压球面轴承1、轴承支承座2、高压气体产生装置3、杠杆4、器皿5和配重6组成；电气测量部分由激光接受器7、激光发射器8、压电陶瓷9、探针10以及计算机测量处理装置11组成。其中，计算机测量处理装置11里面有信号采集、放大电路、A/D转换器、处理软件、测量结果显示器、D/A转换器和功率放大。测量时，天平一端的超微量的变化转化为天平杠杆的微小偏转，该微小的角位移变化量使激光接收器7得到一个激光信号，激光信号传入计算机测量处理装置11进行信号采集、放大，再通过计算机信号处理测量结果，输出反馈信号并且进行功率放大，放大了的信号控制压电陶瓷9，使压电陶瓷9产生一个反作用力，该作用力反过来作用到杠杆4的另一端，使天平再次达到平衡，激光测量装置的电信号再次为零。由于压电陶瓷产生的力与输入的电信号成正比，因此，通过测量天平再次平衡时加在压电陶瓷上的电信号的大小即可测得天平偏转的大小，从而实现对超微量的测量。
采用静压球面轴承构成高精度天平装置，完成超微量的测量，是本专利的技术关键。在实现上，静压球面轴承的设计和制作技术将直接影响整个装置的测量精度。从理论分析知，天平的角位移ω与超微量ΔM之间存在一个线性关系，该线性关系还与天平杠杆的臂长、静压球面轴承的半径、轴承的封气间隙和腔间隙的尺寸，以及空气粘度系数有关。适当设计静压球面轴承的半径、腔和封气间隙，以及杠杆的臂长，则可以将超微量的变化转换成一个用激光可测量的角位移变化。
转换装置的典型数据如下：
球面轴承直径D＝2～5mm，             腔间隙K＝(10～20/1000)D，
封气间隙H＝(8～10/1000)D，          臂长L＝15～20mm
高压气体静压P＝6kg/cm2，           初始质量M0＜＝1g
实施例2
实施例1中的超微量检测装置的工作过程如下：
1.将原始检测样品放在天平器皿中，调节配重，使天平达到平衡。此时，激光接收器输出的电压信号为0。
2.进行预定的操作，改变了原始检测样品的质量。设操作后待检测样品的质量改变ΔM，此时天平之杠杆则不再平衡，产生一个偏转角ω。
3.该偏转角使得照射在杠杆上的激光的反射光产生偏移，激光接受器的输出产生一个与偏转角大小成正比的电压信号；
4.将激光接受器输出的电压信号进行整形、放大，形成0～5V信号；
5.信号通过A/D转换器转换成数字信号，并送入计算机测量系统进行处理、显示。
6.另一方面，该信号经过一定的电平转换和功率放大送给压电陶瓷。压电陶瓷在该信号的作用下产生一个作用力，作用在杠杆的右臂。此作用力所产生的力矩方向与待测样品的重力所产生的力矩方向相反，当该两个力矩相等时，杠杆达到再次平衡。
7.杠杆再次平衡时，照射在杠杆上的激光的反射光恢复到激光接受器的中心位置，此时激光接受器的输出电压信号再次为零。
8.通过计算机测量系统可测得杠杆再次平衡时施加在压电陶瓷上的电压信号的大小，该电压信号的大小与压电陶瓷所产生的力(或位移)成一定的线性关系。
9.由此，可以测得待测样品的质量变化量，即超微质量ΔM。
本超微量检测装置的主要技术指标：
(1)分辨率：10-7～10-9克
(2)样品重量范围：1克
(3)检测时间：10秒
(4)装置体积：小于30cm×30cm×30cm

Claims (3)

1.一种超微量检测装置，其特征在于包括机械部分和电气测量部分，机械部分由静压球面轴承(1)、轴承支承座(2)、高压气体产生装置(3)、杠杆(4)、器皿(5)和配重(6)组成；静压球面轴承(1)由轴承支承座(2)支承，高压气体产生装置(3)位于静压球面轴承(1)下方，高压气体产生装置(3)产生的高压气流通过轴承支承座(2)上的孔进入后代替机械天平的机械支点，静压球面轴承(1)两侧安装有杠杆(4)，在杠杆(4)的一侧靠近末端安装有器皿(5)，在杠杆(4)的另一侧靠近中末端安装有配重(6)；电气测量部分由激光发射器(8)、激光接受器(7)、压电陶瓷(9)、探针(10)、计算机测量处理装置(11)组成；激光发射器(8)和激光接受器(7)呈一定角度安装，激光发射器(8)发射的激光经杠杆(4)后由激光接受器(7)接受，压电陶瓷(9)下方安装有探针(10)，探针(10)与带有配重(6)一侧的杠杆(4)末端相接触，计算机测量处理装置(11)一端与激光接受器(7)相连接，另一端与压电陶瓷(9)相连接。
2、根据权利要求1所述的超微量检测装置，其特征在于上述计算机测量处理装置(11)包括信号采集、放大电路、A/D转换器、测量结果显示器、D/A转换器和功率放大；激光信号传入计算机测量处理装置进行信号采集、经放大电路放大，通过A/D转换器转换成数字信号，测量结果由显示器显示，输出的反馈信号经D/A转换器并且进行功率放大，放大了的信号控制压电陶瓷。
3、一种权利要求1所述超微量检测装置的检测方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)检测时，天平一端的超微量的变化转化为天平杠杆的微小偏转，该微小的角位移变化量使激光接收器得到一个激光信号，激光信号传入计算机测量处理装置进行信号采集、放大，再通过计算机信号处理测量结果，输出反馈信号并且进行功率放大，放大了的信号控制压电陶瓷，使压电陶瓷产生一个反作用力，该作用力反过来作用到杠杆的另一端，使天平再次达到平衡，激光测量装置的电信号再次为零；
(2)压电陶瓷产生的力与输入的电信号成正比，通过测量天平再次平衡时加在压电陶瓷上的电信号的大小即可测得天平偏转的大小。
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