CN1303407C - 微小物体的重量测量设备 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种测量夹持在上面的单个物体的质量并计算其重量的设备，该设备包括一个具有近端部分和远端部分的镊子，该近端部分适合夹持住所选择的物体，与镊子关联并在物体夹持在上面时对镊子起振的装置，和在物体夹持在上面时测量镊子振动频率并利用事先测得的镊子空载时较高的振动频率来计算选定物体的质量和重量的装置。
Description
技术领域
本发明涉及微小物体的称量。
本发明特别提供一种确定微小物件重量的设备，该设备通过对当所说的物件夹持在其上时镊子的振动或者摆动的频率与没有物件夹持在其上时空载的镊子振动时的振动频率进行比较。本发明的设备主要是为了称量宝石、由珍贵的金属制成的微小物件和钻石。
在下文中术语“宝石”是指经过雕琢或者未经过雕琢的宝石或钻石。
背景技术
公知的称量宝石或对宝石大小分类的设备包含带有一套砝码的机械式盘秤，这种设备虽然慢而且麻烦却一直被市场应用。
一套具有多个精确孔的圆盘可以对未经雕琢的钻石进行分类，例如可参见以色列专利No.119867。
在商业上用各种类型的电子秤用来称量宝石。在比利时安特卫普市Rubin和Son(Rubin and Son，Antwerp，Belgium)的目录名称为“珠宝钻石行业的材料与仪器(Supplies and Instruments for the Diamond and Jewelry Trade)”中，一特定范围的轻便型电池驱动的数字电子秤，一些小的足以放置在衣袋中携带。秤的精确度取决于其覆盖的总量程。对一个最大能称量50克的秤来说其精确度要求为0.1克。量程为1200克的秤其精确度要求为5克。很多钻石放置到一起称量的情况下这样的精确度是可以接受的。对单个的微小钻石的情况这样的精确度就不能满足。
在Marquis等人的美国专利No.4845646中公开了一种测量宝石大小的装置，该装置根据使用者输入的宝石的相关形状并据此计算其重量。既没有考虑宝石的深度又没有考虑宝石的密度，所以其计算的结果明显存在误差。
当一个质量块由柔性方式支撑并振动时，其振动的频率保持不变，与振动时起始时的位移量的大小无关，与系统阻尼的大小无关。然而所支撑的质量块的任何增加必然会导致振动频率的下降。对于本发明的重要的是，该关系具有由下述语句表达的类型：
频率与系数/质量1/2成比例。
因此，频率对质量的变化非常敏感。。通过两边平方，就很明显了：频率的平方与质量成反比。接着如果质量增加，例如增加为3倍，则频率将减少为1/9。这样容易理解作为质量测量的基础的频率测量的优点。
所有的使用惯性型机理的装置产生以质量单位表示的测量结果，然而生产经销商和消费者更关心的是宝石的重量(表示成克，盎司，克拉或点)而不是其质量。假设所有的实际测量都是在具有相同重力加速度的地方完成，重量与质量成正比，因此通过质量可以很容易地自动计算出来。
在Withnell等人的美国专利No.3595329中公开了一种根据参考药片检测药片重量的称量装置。从机电振动器传递的振动振幅的能量推断所检测的药片的惯量。此处没有频率测量。
在Portman，Jr等人的美国专利No.4623030中公开了一种比例称重装置，该装置使用压电驱动器和接收器以测定当部分样品移走后样品重量的改变情况。通过比较来自接收器的两个AC输出操作振动装置，据说这在确定一滴石油产品在加热前后剩余的碳残余是有用的。
在Popper的美国专利No.6397678B1中公开了一种测量物体方法，该物体特别是钻石，其中就使用频率测量法的优点。对这一公开将做进一步的详述。
发明内容
因此本发明的目的之一是消除现有技术中对微小物体的称重装置的限制，并提供一种利用对振动夹持件的频率测量来提高测量结果准确度的装置。
本发明的另一个目的是提供一种称重装置，该装置可以可靠地夹持任何形状与尺寸的小宝石。
本发明的另一目的是提供一种完全便携式的装置，该装置可以在任何地方使用而不需要电源或真空等外部支持条件。
本发明为实现上述目的，特提供一种对夹持在其上的单个物体测量质量并计算重量的设备，该设备包括具有近端部分和远端部分的镊子，所述的近端部分适合夹持所选择的物体，当所说的物体夹持在上边时与所说镊子关联以启动该镊子的振动的装置和在所说的物体夹持在上面时测量所说的镊子的振动频率并利用已经测量到的镊子空载时较高的振动频率来计算所选择的物体的质量和重量的装置。
在此提供一个测量物体的质量并计算重量的设备，作为本发明的一个优选实施例，其中测量所述的镊子的摆动频率的装置包括光学装置，例如光发射器、光检测器和多条光纤，光纤适于将光传导至振动的镊子，将接收的光输入传导至所说的光检测器。
在此提供一个测量物体的质量并计算重量的设备，作为本发明的最佳实施例，其中所说的镊子、所说的启动它的振动的装置和当所说的物体夹持在其上测量所说的镊子的振动频率的所说的装置都被容纳在一个单独的可手持的壳体中，该壳体还进一步包括一显示装置用以显示所述夹持物体的计算的重量。
特别优选的实施例，其中镊子的振动是通过向一个螺线管提供一个瞬时电子脉冲，由螺线管驱动的柱芯敲击镊子来实现的。
下面将详细描述本发明的优选实施例。
在Popper的美国专利No.6397678 B1中公开了一种测量物体(特别是钻石)的方法和装置，该物体通过真空保持于振动探针的末端。该装置的操作很迅速。
当待测量的宝石具有不规则的形状时，其拾起物体的可靠性令认怀疑。举个例子，如果探针接触到的是凹形或者是不规则的表面，在此就会由于漏气而不能将待称重物体抓起。此外，很难确定真空管的直径，即US6397678B1号专利附图1中的6b。如果孔过大，小的钻石就会立刻被吸入到真空管中。如果孔过小，宝石的夹持就会不牢靠，而且真空管也会由于吸入的外来颗粒物而容易堵塞。根据真空源的情况，这在珍宝的鉴定场所也许是有效的，但是在其他一些场所就需要轻便的真空泵来操作该装置。与之相比较，本发明的操作则不需要真空的连接。宝石以机械的，可靠方式夹紧，并且适合装置设计范围内的任何大小尺寸的宝石。该装置可以制成一个轻便的物件，这对需要旅行的商人来说是重要的，大多数的场合都不提供真空连接。
因此，可以认识到，通过利用对悬置在振动体上的质量很敏感的频率测量，实现的本发明的新颖装置能得到比电子秤所得到的结果更好的结果，特别是在称量在0.2-0.5克拉的范围之内的微小宝石时。
该装置包括一商业上所用的微型处理器，该微型处理器边编程为处理测量序列，并将频率改变转化成克，克拉或者点，还按所要求的驱动结果显示器。
通过采用尽可能轻的镊子以进一步提高装置的精确度，以使所夹持的宝石质量的增加带来振动频率上最大可能的减少。
根据下面的说明书附图中可靠的优选实施例，现在对本发明进行描述，以使其更容易理解。
现根据附图详细说明，在此特别强调的是作为实例所展示的细节，强调的仅仅是本发明的优选实施例所讨论说明的目的，强调的是被提出认为是最有效而且容易读懂的对本发明的原理和概念方面的描述。就这一点而言，对本发明的基本理解不需要将本发明的详细结构试图描述的更为详细，结合附图的描述使本领域的普通技术人员清楚在实际中如何以几种形式实施本发明。
附图说明
图1是根据本发明的称重设备其优选实施例的竖直剖面图，该装置使用光学系统测量振动频率。
图2是一个与附图1中相似的实施例的剖面图，并包括一个完整的结果显示装置。
图3a和图3b是使用压电元件的实施例的简图。
图4是镊子的进一步的具体实例的局部剖面图。
图5是一个物体定位形式终止的镊子臂的详视图。
图6是图1中所示的夹持着一颗钻石的镊子的详视图。
图7是包括一个数据输入装置的实施例的方块图。
图8是称重设备的优选实施例的一部分的剖面图，该装置使用了光学系统测量振动频率。
具体实施方式
图1所示为设备10的完全轻便的独立的实施例，该设备用以称量微小物体12的质量并计算其重量，见图3a。物体12可以夹持在镊子14的近端部分14a中，该镊子14从壳体16中伸出。镊子14的远端部分14b、它的起振装置和当物体12被夹持住时测量镊子14的振动频率的装置都安置在一个整体的并可手持的壳体16中。
壳体16支撑镊子激励装置18，该装置作用于镊子14以使其张开近端部分14a以使把物体12放入，如图3a所示，物体12是待称重的物体。对激励装置18施加一个压力以使镊子14夹持住待称重的物体。激励装置18包括一个帽钉，该帽钉经过一个孔洞22穿出壳体16的表面。激励装置18的键帽可克服弹簧24而按入并分开镊子14的臂。
通过提供一瞬间电子脉冲到螺线管26，使螺线管的柱塞28敲击镊子14以启动镊子14的振动。
人们习惯用光学系统来测量振动的频率。一个光发射器和接收器单元30包括一个LED(发光二极管)，该发光二极管产生一个光束经第一光纤32传递并照射到振动的镊子14的反射面34上。在该实施例中反射面34是一个镜子并粘贴在镊子14的下面。镜子和镊子14一起振动，因此反射光仅仅当元件的振动刚好对齐时才将接收到的反射光导入到第二光纤36中。这样第二光纤接收到一个间歇的光信号并传至光发射器接收器单元30中。单元30被设置成测量在两个光脉冲之间的时间，并将其信息以电的方式传入电子微处理器38中以计算振动频率。
壳体16中的可更换的电池40提供无线操作所需要的所有电能。
附图的其他部分，相似的参考数据以用来确定相似的部分。
附图2中的设备42是与前面的图中的附图标记10是一致的。设备42进一步包括一个完整的显示装置44，例如该装置是LCD(液晶显示器)，用以显示所夹持物体的计算后的重量。壳体46还包括一能量管理单元48，该能量管理单元48将功率减少到所必须要求的最小功率，该能量管理单元48还可以在该装置闲置几分钟以后将关闭电源。
现在根据图3a和图3b所示的称量微小物体12的质量并计算其重量的设备的一个优选实施例。壳体54包含摆动镊子56的装置，在该实施例中的压电传导体60和压电检波器58，它们将压力波转换成电信号以表示频率并传至微处理器62中。镊子56的远端部分56a刚性地连接在壳体54中。通过挤压弹簧58和针帽68镊子56通常保持张开，如图3b所示，在通过使用者按压按键64来关闭。电能通过软电缆66来接收。
现在根据图4其中描述了一个实施例镊子70，并可应用于测量物体质量并计算其重量的设备。镊子70包含由双臂74构成的近端部分，这两个臂74适合于彼此相对弯曲偏压地移位，由此夹持待称重的物体72。作为一个整体的右侧图显示镊子的远端部分76。该成整体的为臂74提供一个稳固的远端在振动时也不受影响，并且易于连接到壳体上，如图1中的附图标记16。镊子的臂74和镊子的远端部分76形成一个整体的单元。臂74的根部78做的较薄以确保在限定点上振动。
通过一个放置在臂74的中间的非圆的偏心凸轮(图中没有给出)可以打开臂74，其中非圆形体可以旋转约90°。
镊子70可以通过机械法，浇注法或者粉末冶金法来制成。
图5详述了镊子80的一个优选实施例，该镊子可以用在测量物体82的质量并计算其重量的设备中，该物体如图中所示为宝石。镊子的臂84的末端是一物体定位元件86。V形的物体定位元件86适合夹持物体82，并且将物体夹持在距镊子80的远端部分(没有给出)一个固定的距离。物体82有个恰当的距离对称量中获得正确的结果是重要的。
图6为先前图1中所示的称重设备10的前端部分图。可以看见镊子14的近端部分14a正夹持一个经打磨过的钻石88。
图7是称量所夹持的单个物体12的质量并计算其重量的设备90的框图。
镊子94以机械的方式夹持选出的物体12，该镊子具有一个近端部分94a和一个远端部分94b。近端部分94a适合夹持物体12。
压电型振动产生装置96接触镊子94用当物体被夹持在上面时将镊子起振。由一个任选的缓冲器放在微处理器100和压电型振动产生装置96之间，该微处理器100用于控制装置90。当物体12夹持在上面时由压电型检测装置102测量镊子94的振动频率。利用已经测得的镊子94在空载时较高的振动频率来计算物体12的质量和重量，空载时较高的振动频率事先存放在微处理器的存储器中。接着显示信号处理后所得到的结果，例如在与计算器连接的显示器106上。
另外一种情况，本发明的装置也可以利用周知的IRDA无线技术装置将结果传递至独立的计算装置。
可选择地，微处理器100连接有一个键盘108和一个RS232连接器110以实现操作中的任何适当的改变。
如图1中所示，如果电源是电池40并加装一个电源管理单元112，该管理单元112产生一个所必需的最小电能，并且在装置空闲状态几分钟后将电源关闭。
现在根据图8，其所示为称重设备的优选实施例114的一部分，该设备使用光学系统测量振动频率。
光源116，例如图中所示是一个小型的发光二极管(LED)，该发光二极管向光检测器118射出光线。一个穿有孔洞122的遮光体120，该遮光体由镊子124支撑着并且夹在光源116和检测器118之间。镊子124的振动使检测器118接收到的光是间断式的，并且产生一个相应的电信号由检测器输出，该输出传至微处理器38。
与图1中所示的装置相似，镊子124的振动是通过向螺线管26提供一个瞬时电脉冲，从而使螺线管的芯柱28敲击镊子124起振的。
这些技术特征都是显而易见的，本发明并不限定在前面所说明的实施例的细节上，本发明可以不基于其基本的思想而采用其他的特定实施方式。当前的实施例侧重于说明其中的一些细节而不是限制，发明所要求的范围基于前面的描述的并进一步的表示在权利要求书中，基于权利要求的思想和范围内的所有改变，都将包含在权利要求所限定的范围内。
Claims (14)
1、一种测量夹持在上面的单个物体的质量并计算其重量的设备，该设备包括：一个具有近端部分和远端部分的镊子，所述近端部分适合夹持一个所选择的物体；与所述镊子关联并当所述物体被夹持在上面时起振所述镊子的装置；和当所述物体被夹持在上面时测量所述镊子的振动频率并利用已经测得的在镊子空载时较高的振动频率来计算所选择的物体的质量和重量的装置。
2、根据权利要求1所述的测量物体的质量并计算其重量的设备，该设备进一步包括一个至少封装有所述起振装置和当所述物体被夹持在上面时测量所述镊子的振动频率的所述测量装置的外壳。
3、根据权利要求2所述的测量物体的质量并计算其重量的设备，其中所述镊子的所述近端部分伸出所述外壳之外，其中所述设备进一步包括激励装置，该激励装置与所述镊子相互作用以便为夹持的目的打开镊子。
4、根据权利要求3所述的测量物体的质量并计算其重量的设备，其中所述激励装置包括一个帽钉，该帽钉穿出所述外壳的表面，可以逆着弹簧按压该帽钉而使所述镊子的臂分开。
5、根据权利要求1所述的测量物体的质量并计算其重量的设备，其中所述镊子的所述起振装置是螺线管装置。
6、根据权利要求1所述测量物体的质量并计算其重量的设备，其中所述测量所述镊子的振动频率的测量装置包含光学装置。
7、根据权利要求6所述测量物体的质量并计算其重量的设备，其中所述光学装置包括一个光发射器、一个光检测器和多个光纤，该多个光纤将光传递至振动的镊子，再将收集到的光输入传递到所述检测器中。
8、根据权利要求1所述测量物体的质量并计算其重量的设备，其中所述镊子、所述起振装置和当所述物体被夹持在上面时测量所述镊子的振动频率的所述测量装置都容纳在一个单一的可手持的壳体中，该壳体进一步包括显示装置以显示计算得到的所夹持物体的重量。
9、根据权利要求8所述测量物体的质量并计算其重量的设备，该设备进一步包括用于无线操作的电源。
10、根据权利要求2所述的测量物体的质量并计算其重量的设备，其中所述镊子的远端部分刚性地连接在所述壳体中。
11、根据权利要求1所述测量物体的质量并计算其重量的设备，其中所述镊子包括由两臂构成的近端部分，该两臂适合于逆着弯曲偏压而彼此相对移位，这样就可以夹持所选择的物体，所述镊子还包括远端部分，其中所述臂和所述镊子的部分做成一个整体的单元。
12、根据权利要求1所述测量物体的质量并计算其重量的设备，其中所述镊子的所述近端部分提供有一个物体定位元件以确保被夹持的物体保持在离所述镊子的所述远端部分固定的距离。
13、根据权利要求1所述的测量物体的质量并计算其重量的设备，其中所述物体为宝石。
14、根据权利要求1所述的测量物体的质量并计算其重量的设备，其中所述物体是钻石。
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