CN206459724U - 一种高精度弹簧秤 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种弹簧秤，具体地说是一种高精度弹簧秤。包括霍尔位置传感器输出信号测量仪、霍尔探头、底座、支撑杆、同极相对磁铁、非铁磁材料杠杆、托盘、弹簧及弹簧支架，其中底座上设有同极相对磁铁和支撑杆，非铁磁材料杠杆的中间位置与支撑杆的上端连接，霍尔探头设置于非铁磁材料杠杆的一端、且位于同极相对磁铁产生的磁场中，非铁磁材料杠杆的另一端吊挂有托盘、且通过弹簧向上牵引，使非铁磁材料杠杆保持平衡，弹簧通过弹簧支架支撑，霍尔探头通过导线与霍尔位置传感器输出信号测量仪连接。本实用新型分辨率可达小数点后五位，操作简单，误差较小，节省了预热时间，可应用于化学、生物等测量精度需达到0.1mg的科研实验中。

Description

一种高精度弹簧秤

技术领域

本实用新型涉及一种弹簧秤，具体地说是一种高精度弹簧秤。

背景技术

随着电子技术的飞速发展，各种高精度分天平越来越多，而天平分辨率每提高一个分辨等级，就意味着造价成十倍的提高。化学、生物实验中精密称重常使用到万分之一电子分析天平，但是具有造价高、用法繁琐等无法避免的缺点。

实用新型内容

针对上述问题，本实用新型的目的在于提供一种高精度弹簧秤。

为了实现上述目的，本实用新型采用以下技术方案：

一种高精度弹簧秤，包括霍尔位置传感器输出信号测量仪、底座、支撑杆、霍尔探头、同极相对磁铁、非铁磁材料杠杆、托盘、弹簧及弹簧支架，其中底座上设有同极相对磁铁和支撑杆，所述非铁磁材料杠杆的中间位置与支撑杆的上端连接，所述霍尔探头设置于非铁磁材料杠杆的一端、且位于同极相对磁铁产生的磁场中，所述非铁磁材料杠杆的另一端通过悬挂线吊挂有托盘、且通过弹簧向上牵引，使非铁磁材料杠杆保持平衡，所述弹簧通过弹簧支架支撑，所述霍尔探头通过导线与霍尔位置传感器输出信号测量仪连接。

所述非铁磁材料杠杆和支撑杆上沿轴向设有通孔，所述导线的一端与霍尔位置传感器输出信号测量仪连接，另一端依次穿过支撑杆和非铁磁材料杠杆支点上的通孔后与所述霍尔探头连接。

所述支撑杆的包括支撑杆活动端和支撑杆主体，其中支撑杆主体的下端与底座固定连接，上端通过活动插接结构与支撑杆活动端的下端连接，所述支撑杆活动端的上端与非铁磁材料杠杆固定连接，所述支撑杆活动端与非铁磁材料杠杆一起摆动。

所述活动插接结构包括设置于支撑杆活动端下端的V型插接头和设置于支撑杆主体上端的V型槽，所述V型插接头和V型槽插接、且可相对摆动。

所述高精度弹簧秤进一步包括剪叉式升降台，所述弹簧支架设置于剪叉式升降台上，通过剪叉式升降台调整弹簧的牵引高度。

所述非铁磁材料杠杆为铜质杠杆。

所述霍尔位置传感器输出信号测量仪与稳压电源电源连接。

所述同极相对磁铁为N极相对磁铁。

所述弹簧为高精度弹簧。

所述高精度弹簧秤进一步包括读数显微镜，所述读数显微镜设置于底座上，用于读取所述悬挂线与托盘连接的节点的位移。

本实用新型的优点及有益效果是：

本实用新型分辨率可达小数点后五位，操作简单，误差较小，节省了预热时间，可广泛应用于化学、生物等测量精度需达到0.1mg的科研实验中。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图；

图2为本实用新型中支撑杆的结构示意图；

图3为本实用新型的定标拟合直线图。

图中：1为霍尔位置传感器输出信号测量仪，2为导线，3为底座，4为支撑杆，41为支撑杆活动端，42为V型插接头，43为V型槽，44为支撑杆主体，5为霍尔探头，6为同极相对磁铁，7为非铁磁材料杠杆，8为托盘，9为弹簧，10为标度点，11为水平支杆，12为读数显微镜，13为弹簧支架，14为剪叉式升降台，15为稳压电源，16为悬挂线。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本实用新型进行详细描述。

如图1所示，本实用新型提供的一种高精度弹簧秤，包括霍尔位置传感器输出信号测量仪1、底座3、支撑杆4、霍尔探头5、同极相对磁铁6、非铁磁材料杠杆7、托盘8、弹簧9及弹簧支架13，其中底座3上设有同极相对磁铁6和支撑杆4，所述非铁磁材料杠杆7的中间位置与支撑杆4的上端铰接，所述霍尔探头5设置于非铁磁材料杠杆7的一端、且位于同极相对磁铁6产生的磁场中，所述非铁磁材料杠杆7的另一端通过悬挂线16吊挂有托盘8、且通过弹簧9向上牵引，使非铁磁材料杠杆7保持平衡，所述弹簧9通过弹簧支架13支撑，所述霍尔探头5通过导线2与霍尔位置传感器输出信号测量仪1连接，所述霍尔位置传感器输出信号测量仪1与电源15连接。

所述非铁磁材料杠杆7和支撑杆4上沿轴向设有通孔，所述导线2的一端与霍尔位置传感器输出信号测量仪1连接，另一端依次穿过支撑杆4和非铁磁材料杠杆7上的通孔后与所述霍尔探头5连接。

如图2所示，所述支撑杆4的包括支撑杆活动端41和支撑杆主体44，其中支撑杆主体44的下端与底座3固定连接，上端通过活动插接结构与支撑杆活动端41的下端连接，所述支撑杆活动端41的上端与非铁磁材料杠杆7固定连接，所述支撑杆活动端41与非铁磁材料杠杆7一起摆动。

所述活动插接结构包括设置于支撑杆活动端41下端的V型插接头42和设置于支撑杆主体44上端的V型槽43，所述V型插接头42和V型槽43插接、且可相对摆动，所述活动插接结构的活动部分阻力小。

所述活动插接结构的设计减少了非铁磁材料杠杆7的摆动阻力，增大了非铁磁材料杠杆7的灵活性能。

所述高精度弹簧秤进一步包括剪叉式升降台14，所述弹簧支架13设置于剪叉式升降台14上，通过剪叉式升降台14调整弹簧9的牵引高度。

本实用新型的一实施例中，所述非铁磁材料杠杆7为铜质杠杆，所述同极相对磁铁6为N极相对磁铁。

所述高精度弹簧秤进一步包括读数显微镜12，所述读数显微镜12设置于底座3上，用于读取所述悬挂线16与托盘8连接的节点的位移。在

所述弹簧9为高精度弹簧，形状简单，断面较小，受力不大的弹簧。要求在弹性范围内工作。

本实用新型利用霍尔传感器与精密弹簧配合，分辨率可达小数点后五位，操作简单，误差较小，节省了预热时间，可广泛应用于化学、生物等测量精度需达到0.1mg的科研实验中。

霍尔效应原理是：

通有电流的半导体置于与电流方向垂直的磁场中，在垂直于电流和磁场的方向上，半导体两侧之间会产生一横向电压，这种现象称为霍尔效应。将用半导体制成的霍尔元件置于磁感强度为B的磁场中，在垂直于磁场方向通以电流I，则与这二者垂直的方向上将产生霍尔电势差：

ΔU_H＝K_H·I·B (1)

(1)式中K_H为原件的霍尔灵敏度。如果保持霍尔元件的电流I不变，而使其在一个均匀梯度磁场中移动时，则输出的霍尔电势差变化量为：

(2)式中ΔZ为位移量，此时说明若为常数时，ΔU_H与ΔZ成正比。另则K为一确定常数，命名为霍尔位置传感器的灵敏度。(2)式可写为：

ΔU_H＝K·ΔZ (3)

测量微小质量的原理

利用劲度系数a一定的精确弹簧，竖直方向受到力F，对应的弹簧伸长量为x，则：

F＝a·x (4)

(4)中F与x呈线性关系，若在原本受力F的弹簧上再施加一个微小力ΔF，对应弹簧伸长量也会再增加Δx。据此原理，在弹簧伸长量在弹性范围良好的区域内，若竖直方向再增加一微小物体的重力，对应也会产生微小位移。通过杠杆可将此微小位移传递给霍尔元件，进而由电压表示数的变化显示出来，则联立此四个公式：ΔF＝mg、ΔF＝a·Δx、ΔU_H＝K·ΔZ、Δx＝b·ΔZ，其中m为待测物质量，b为杠杆挂重物端与霍尔元件端臂长之比。化简得：

(5)式中a、b、K、g、均为确定常量，另称C为该仪器的灵敏度，最终得出待测物质量m与霍尔电势差变化量ΔU_H呈线性关系，即：

m＝C·ΔU_H (6)

实施例

本实施例中使用以下仪器：霍尔探头(霍尔位置传感器)：灵敏度大于250mV/mm，线性范围0-2mm；霍尔位置传感器输出信号测量仪：量程0-199.9mV，分辨率0.1mV；高精度弹簧：劲度系数1N/m；定标使用的读数显微镜：JC-10型；放大倍数20；分度值0.01mm；测量范围0-6mm；配重使用的砝码：10.0g、20.0g两种；镊子；质量0.01g标准物；微小质量物体(如泡沫碎屑，用于定标和测量)；防风罩；光学实验平台；电子天枰。

仪器定标操作过程：

根据弹簧弹性良好的伸长范围，在托盘8中增加配重(砝码)。利用剪叉式升降台14微调弹簧支架13的高度，使弹簧9竖直牵引着等臂杠杆，使其处于水平状态，调平后的霍尔探头5应处于两磁铁块的正中。注意铜质杠杠不要与金属外壳接触。安装读数显微镜12，调节读数显微镜12竖直位置，使其0刻度线对准托盘悬挂线节点(作为标度点10)，如图1所示。

组装完毕后，打开霍尔位置传感器输出信号测量仪1，调零。在托盘8上添加微小质量物体，在保证霍尔位置传感器输出信号测量仪1有示数的前提下，待读数稳定后记下对应测量仪示数，并通过读数显微镜12读取标度点10的位移。

霍尔位置传感器输出信号测量仪的示数与读数显微镜的示数的对照，如表一所示：

表一 仪器定标数据记录表

根据上表数据，拟合直线，得出定标拟合直线图，如图3所示。

由直线斜率，得出该仪器灵敏为度。可用此定标值直接进行计算，与霍尔电压相乘即可得到待测物质量。理论计算，其中，等臂杠杆b取1，剩下各量均为仪器参数，可由说明书查得。理论计算得，相差不大，可直接使用测量所得灵敏度进行计算。

测量微小质量和精度验证：

取下读数显微镜12，在托盘8中放入质量0.01g标准物，待霍尔位置传感器测量仪1的示数稳定后，记下其变化量。多次进行实验，可逐次增加标准物个数，求出质量计算相对误差。

在操作中，每次从托盘8中取放小物体时，都应使用镊子。若霍尔位置传感器测量仪1的示数超出其量程，应取下所有待测物，重新调平杠杆，仪器调零。因本实验涉及高精度测量，应在光学实验平台上进行，若条件不允许，可通过在放好待测物体后，再增加防风罩以减轻干扰。

标准物测量结果，如表二所示：

表二 标准物质量测量数据及误差记录表

误差百分比较小，在4.5％以下。可能来源于弹簧震颤，建议增加防风罩或在光学平台上使用此仪器。此应用霍尔元件设计得弹簧秤的分辨率为10^-5，比普通实验室所用电子天平(分辨率为10^-2)高很多。

避免霍尔元件与传感器相连导线对测量结果产生影响，应尽量使导线通过杠杆支点。霍尔电势差与位移量之间存在一一对应关系，当位移量较小(＜2mm)，这种一一对应关系具有良好线性。故仪器测量质量范围为0-0.14g。

本实验要求恒温、干燥、无风力影响、无震动影响，建议在光学实验平台上进行，可通过增加防风罩等降低环境干扰，减小误差。若更换劲度系数更大的弹簧，可测量范围更广泛的微小质量。若更换劲度系数精度更高的弹簧，可更加提高微小质量的测量分辨率。使用本实用新型可进行与万分之一电子分析天平的对比试验，进一步分析误差来源，改进装置。

随着电子技术的飞速发展，各种高精度分天平越来越多，而天平分辨率每提高一个分辨等级，就意味着造价成十倍的提高。本实用新型在质量测量方面实现突破，弹簧秤方便实用、性能可靠。本实用新型可广泛应用于化学、生物等的科研实验，不仅会省去预热、调感等步骤，还将大大降低万分之一天平价格。

以上所述仅为本实用新型的实施方式，并非用于限定本实用新型的保护范围。凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进、扩展等，均包含在本实用新型的保护范围内。

Claims (10)

1.一种高精度弹簧秤，其特征在于，包括霍尔位置传感器输出信号测量仪(1)、底座(3)、支撑杆(4)、霍尔探头(5)、同极相对磁铁(6)、非铁磁材料杠杆(7)、托盘(8)、弹簧(9)及弹簧支架(13)，其中底座(3)上设有同极相对磁铁(6)和支撑杆(4)，所述非铁磁材料杠杆(7)的中间位置与支撑杆(4)的上端连接，所述霍尔探头(5)设置于非铁磁材料杠杆(7)的一端、且位于同极相对磁铁(6)产生的磁场中，所述非铁磁材料杠杆(7)的另一端通过悬挂线(16)吊挂有托盘(8)、且通过弹簧(9)向上牵引，使非铁磁材料杠杆(7)保持平衡，所述弹簧(9)通过弹簧支架(13)支撑，所述霍尔探头(5)通过导线(2)与霍尔位置传感器输出信号测量仪(1)连接。

2.根据权利要求1所述的高精度弹簧秤，其特征在于，所述非铁磁材料杠杆(7)和支撑杆(4)上沿轴向设有通孔，所述导线(2)的一端与霍尔位置传感器输出信号测量仪(1)连接，另一端依次穿过支撑杆(4)和非铁磁材料杠杆(7)支点上的通孔后与所述霍尔探头(5)连接。

3.根据权利要求2所述的高精度弹簧秤，其特征在于，所述支撑杆(4)的包括支撑杆活动端(41)和支撑杆主体(44)，其中支撑杆主体(44)的下端与底座(3)固定连接，上端通过活动插接结构与支撑杆活动端(41)的下端连接，所述支撑杆活动端(41)的上端与非铁磁材料杠杆(7)固定连接，所述支撑杆活动端(41)与非铁磁材料杠杆(7)一起摆动。

4.根据权利要求3所述的高精度弹簧秤，其特征在于，所述活动插接结构包括设置于支撑杆活动端(41)下端的V型插接头(42)和设置于支撑杆主体(44)上端的V型槽(43)，所述V型插接头(42)和V型槽(43)插接、且可相对摆动。

5.根据权利要求1所述的高精度弹簧秤，其特征在于，所述高精度弹簧秤进一步包括剪叉式升降台(14)，所述弹簧支架(13)设置于剪叉式升降台(14)上，通过剪叉式升降台(14)调整弹簧(9)的牵引高度。

6.根据权利要求1所述的高精度弹簧秤，其特征在于，所述非铁磁材料杠杆(7)为铜质杠杆。

7.根据权利要求1所述的高精度弹簧秤，其特征在于，所述霍尔位置传感器输出信号测量仪(1)与稳压电源电源(15)连接。

8.根据权利要求1所述的高精度弹簧秤，其特征在于，所述同极相对磁铁(6)为N极相对磁铁。

9.根据权利要求1所述的高精度弹簧秤，其特征在于，所述弹簧(9)为高精度弹簧。

10.根据权利要求1-9任一项所述的高精度弹簧秤，其特征在于，所述高精度弹簧秤进一步包括读数显微镜(12)，所述读数显微镜(12)设置于底座(3)上，用于读取所述悬挂线(16)与托盘(8)连接的节点的位移。