本發(fā)明屬于測量技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種微克量級質(zhì)量的實時測量裝置及其測量方法。
背景技術(shù)：
稱重(即測量質(zhì)量)在工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究中得到廣泛使用。在很多情況下關(guān)心所稱量的質(zhì)量的動態(tài)變化過程，例如，在進行材料熱分解研究中，需要稱量不同溫度或升溫速率下材料質(zhì)量的實時變化，進而可以計算熱分解速率、得到材料的熱分解特性。對于測量質(zhì)量動態(tài)變化來說，要求稱重裝置具有很好的動態(tài)響應(yīng)特性，能夠?qū)崟r測量出質(zhì)量的動態(tài)變化。在測量技術(shù)中用固有頻率來表征動態(tài)響應(yīng)特性。如果稱重裝置的動態(tài)響應(yīng)特性比較好，測量結(jié)果能夠比較真實、及時的反映出所稱質(zhì)量的變化；如果稱重裝置的動態(tài)響應(yīng)特性比較差，測量結(jié)果就不能實時反應(yīng)所稱質(zhì)量的動態(tài)變化。
在精細(xì)的研究中，所測量的質(zhì)量都很小，可能在毫克量級甚至微克量級，質(zhì)量變化時間很短(如毫秒量級或者更小)。這就要求稱重裝置具有精確測量微小質(zhì)量、并能高頻實時測量出質(zhì)量變化的能力。目前能夠稱量微小質(zhì)量的方法主要有：分析天平、扭力天平、諧振和激光干涉等。對于天平類稱重裝置來說，由于存在天平臂繞支點的轉(zhuǎn)運過程，從而導(dǎo)致其固有頻率低，不適合高頻實時測量。石英晶體微量天平(QCM)和基于差頻式薄膜體聲波諧振器(FBAR)的極微質(zhì)量傳感器都利用了諧振原理，兩者的最大難點是加工難度很大、專業(yè)性要求較高。激光干涉法比較復(fù)雜，在實現(xiàn)時難度也比較大。
稱量裝置的原理都是利用了被稱量物品的重力，令其作用在稱量裝置上，進而能夠得到質(zhì)量。雖然重力也是一種力，但現(xiàn)有的微小力測量裝置是無法應(yīng)用到微小質(zhì)量測量。微小力測量裝置的專利和論文都比較多，一般是應(yīng)用到微推力器(電推進發(fā)動機或微小火箭發(fā)動機)的推力測量。從檢索的資料來看，現(xiàn)有的微推力測量裝置的推力作用線都是在水平面內(nèi)(即與重力方向垂直)，無法測量重力；而且這些裝置也需要利用重力作用來保證測量裝置能夠正常工作，無法通過將裝置側(cè)放的方式來測量重力。例如，三絲扭擺式測量裝置需要利用重力來保證扭絲能夠充分拉伸；各種天平式測量裝置如果沒有重力作用，就無法將推力準(zhǔn)確轉(zhuǎn)換為角度偏移或者位移。雖然將天平式測量裝置略加改造可以實現(xiàn)微小重力測量，但天平式測量裝置的一個主要不足是：活動部件的角度偏移量或位移量比較大、需要一定的運動時間，這就影響了測量裝置的動態(tài)響應(yīng)特性、導(dǎo)致無法進行高頻率的實時測量。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的是提供一種微克量級質(zhì)量的實時測量裝置及其測量方法，以解決現(xiàn)有技術(shù)中無法對微克量級質(zhì)量進行高頻率和高精度實時測量的問題。
本發(fā)明采用的第一種技術(shù)方案是：一種微克量級質(zhì)量的實時測量裝置，包括安裝平臺，安裝平臺的上表面設(shè)置有非接觸式位移傳感器，安裝平臺上方懸空設(shè)置有稱重彈性片，緊鄰稱重彈性片的下表面連接有探測目標(biāo)塊，探測目標(biāo)塊的中心軸線、非接觸式位移傳感器的中心軸線與稱重彈性片的中心位置重合；
稱重彈性片的上表面、且與探測目標(biāo)塊中心軸線重合的位置處用于放置待測目標(biāo)，待測目標(biāo)由于自重使稱重彈性片向下產(chǎn)生位移，非接觸式位移傳感器用于采集位移信息，并通過位移信息以計算待測目標(biāo)的質(zhì)量。
進一步的，安裝平臺的兩側(cè)向上設(shè)置有支撐桿，兩個支撐桿的頂端之間固定連接有稱重彈性片。
進一步的，稱重彈性片的上表面設(shè)置有托盤，托盤與探測目標(biāo)塊的中心軸線重合。
進一步的，安裝平臺上設(shè)置有調(diào)節(jié)其表面水平度的調(diào)平裝置，調(diào)平裝置包括設(shè)置在安裝平臺的上表面上設(shè)置的互相垂直的兩個水平儀。
進一步的，調(diào)平裝置還包括在安裝平臺底部依次設(shè)置的減震器和支撐平臺。
進一步的，調(diào)平裝置還包括在支撐平臺底部依次設(shè)置的調(diào)節(jié)裝置和底座，高度調(diào)節(jié)裝置為豎直設(shè)置的若干個高度微調(diào)器，高度微調(diào)器沿底座周向均勻分布。
本發(fā)明采用的第二種技術(shù)方案是：上述一種微克量級質(zhì)量的實時測量裝置的測量方法，按照以下步驟實施：
步驟1、將被稱量的樣品放置到稱重托盤上，使得稱重彈性片發(fā)生變形并向下移動，從而引起探測目標(biāo)塊產(chǎn)生位移量y；
步驟2、通過非接觸式位移傳感器采集位移量y，非接觸式位移傳感器根據(jù)被稱量的樣品質(zhì)量M和位移量y之間的線性關(guān)系，計算出被稱量樣品的質(zhì)量M。
進一步的，步驟2中，樣品質(zhì)量M和位移量y之間的線性關(guān)系為：
y＝KM
其中，M為被稱量樣品的質(zhì)量，g為重力加速度，E為稱重彈性片的彈性模量，L、w和δ分別是稱重彈性片的長度、寬度和厚度。
本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明將被稱量的質(zhì)量轉(zhuǎn)換為探測目標(biāo)塊的微小位移，并利用非接觸式的位移傳感器對該位移進行測量，從而根據(jù)測量得到的位移量計算出所稱量的質(zhì)量。測量位移時采用高精度、高分辨力和高頻率響應(yīng)特性的位移傳感器后，可以對被測質(zhì)量進行高頻率、高精度的測量。從實施效果來看，達(dá)到了1μg量級的分辨力、1μg量級的測量精度和50kHz的固有頻率，實現(xiàn)了對微小質(zhì)量的高精度和高頻率測量。
【附圖說明】
圖1為本發(fā)明一種微克量級質(zhì)量的實時測量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
其中：1.稱重托盤；2.探測目標(biāo)塊；3.稱重彈性片；4.支撐桿；5.非接觸式位移傳感器；6.水平儀；7.安裝平臺；8.減震器；9.支撐平臺；10.高度微調(diào)器；11.底座。
【具體實施方式】
下面通過附圖和實施例，對本發(fā)明的技術(shù)方案做進一步的詳細(xì)描述。
本發(fā)明提供了一種微克量級質(zhì)量的實時測量裝置，如圖1所示，包括安裝平臺7，安裝平臺7的上表面設(shè)置有非接觸式位移傳感器5，安裝平臺7上方懸空設(shè)置有稱重彈性片3，緊鄰稱重彈性片3的下表面連接有探測目標(biāo)塊2，探測目標(biāo)塊2的中心軸線、非接觸式位移傳感器5的中心軸線與稱重彈性片3的中心位置重合。為了保證測量精度，探測目標(biāo)塊2的下表面的加工粗糙度要求不超過0.4μm。
稱重彈性片3的上表面、且與探測目標(biāo)塊2中心軸線重合的位置處用于放置待測目標(biāo)，待測目標(biāo)由于自重使稱重彈性片3向下產(chǎn)生位移，非接觸式位移傳感器5用于采集位移信息，并通過位移信息以計算待測目標(biāo)的質(zhì)量。
其中，安裝平臺7的兩側(cè)向上設(shè)置有支撐桿4，兩個支撐桿4的頂端之間固定連接有稱重彈性片3。
稱重彈性片3的上表面設(shè)置有托盤1，托盤1與探測目標(biāo)塊2的中心軸線重合。
安裝平臺7上設(shè)置有調(diào)節(jié)其表面水平度的調(diào)平裝置，調(diào)平裝置包括設(shè)置在安裝平臺7的上表面上設(shè)置的互相垂直的兩個水平儀6。兩個水平儀6相互垂直，其作用是用于檢查安裝平臺7的水平度。與3個高度微調(diào)器配合使用，可以保證安裝平臺7達(dá)到水平。
調(diào)平裝置還包括在安裝平臺7底部依次設(shè)置的減震器8和支撐平臺9。減震器8的作用是用來隔離外界震動對測量系統(tǒng)的影響。
調(diào)平裝置還包括在支撐平臺9底部依次設(shè)置的調(diào)節(jié)裝置和底座11，高度調(diào)節(jié)裝置為豎直設(shè)置的若干個高度微調(diào)器10，高度微調(diào)器10沿底座11周向均勻分布。
本發(fā)明還提供了一種微克量級質(zhì)量的實時測量裝置的測量方法，按照以下步驟實施：
步驟1、將被稱量的樣品放置到稱重托盤1上，使得稱重彈性片3發(fā)生變形并向下移動，從而引起探測目標(biāo)塊2產(chǎn)生位移量y；
步驟2、通過非接觸式位移傳感器5采集位移量y，非接觸式位移傳感器5根據(jù)被稱量的樣品質(zhì)量M和位移量y之間的線性關(guān)系，計算出被稱量樣品的質(zhì)量M。
8.如權(quán)利要求7測量方法，其特征在于，步驟2中，樣品質(zhì)量M和位移量y之間的線性關(guān)系為：
y＝KM
其中，M為被稱量樣品的質(zhì)量，g為重力加速度，E為稱重彈性片3的彈性模量，L、w和δ分別是稱重彈性片3的長度、寬度和厚度。
本發(fā)明的一種微克量級質(zhì)量的實時測量裝置及其測量方法的工作原理為：將被稱量的樣品放置到稱重托盤(1)上，會導(dǎo)致稱重彈性片(3)發(fā)生變形、中心位置向下移動，從而引起探測目標(biāo)塊(2)產(chǎn)生位移。根據(jù)材料力學(xué)的知識可以得知，探測目標(biāo)塊(2)的位移量y與被稱量的質(zhì)量之間存在如下關(guān)系式：
y＝KM
其中M為被稱量的質(zhì)量，g為重力加速度，E為稱重彈性片的彈性模量，L、w和δ分別是稱重彈性片的長度、寬度和厚度。
非接觸式位移傳感器(5)能夠測量出探測目標(biāo)塊(2)的位移量，從而產(chǎn)生輸出電壓X。在實驗前通過標(biāo)定可以得到非接觸式位移傳感器(5)輸出電壓X與被稱質(zhì)量M之間的對應(yīng)關(guān)系，因此在測量時根據(jù)非接觸式位移傳感器(5)的輸出電壓X即可得到被稱量物品的質(zhì)量。
對于位移測量范圍為y0～y1的非接觸式位移傳感器來說，本裝置所能測量的質(zhì)量范圍為對于位移分辨能力為R的非接觸式位移傳感器來說，本裝置能夠分辨的質(zhì)量變化為可以看出，在設(shè)計時通過增加L、減小w和δ可以增加K，進而實現(xiàn)微小質(zhì)量的高分辨測量。
由于本裝置所稱量的質(zhì)量M和位移量y之間是線性關(guān)系，因此質(zhì)量的測量精度與非接觸式位移傳感器的測量精度相同。質(zhì)量測量的固有頻率與非接觸式位移傳感器的固有頻率相同。
實施例
1、具體參數(shù)：
在本發(fā)明中，最主要的實施參數(shù)包括：稱重彈性片3的尺寸和材料、非接觸式位移傳感器5、探測目標(biāo)塊2的表面粗糙度，其余參數(shù)可以自由設(shè)計。
例如，將稱重彈性片3的材料選取鎳鉻合金鋼，彈性模量E＝206GPa，尺寸參數(shù)L＝10cm、w＝1cm、δ＝0.02mm。
非接觸式位移傳感器5為基恩士公司的LK-G85激光位移傳感器，激光位移傳感器的精度為0.2μm，測量范圍為1mm。
稱重托盤1為鋁合金長方體，其長寬高尺寸分別為50mm×50mm×2mm；探測目標(biāo)塊2為鋁合金長方體，其長寬高尺寸分別為5mm×5mm×2mm，表面粗糙度為0.2μm。
支撐平臺9和底座11均為直徑150mm、高度5mm的圓柱體，材料均為鋁合金。
減震器8采用厚度為10mm，直徑為120mm的橡膠墊。
2、測量結(jié)果
按照上述選型，可以計算得到K＝153.125m/kg，由于激光位移傳感器的精度為0.2μm，則對應(yīng)的質(zhì)量測量精度為1.306μg；激光位移傳感器的測量范圍為1mm，則對應(yīng)的最大質(zhì)量約為1.53g。
位移測量的最小值和分辨力均為滿量程的0.03％，即0.3μm，則對應(yīng)的質(zhì)量測量分辨力為1.96μg、質(zhì)量測量的最小值為1.96μg；
激光位移傳感器的采集周期最短為20μs，則其固有頻率要大于50kHz。
如果進一步優(yōu)化稱重彈性片的設(shè)計參數(shù)、選擇性能更優(yōu)的位移傳感器，還可以提高質(zhì)量稱量的精度、分辨力和固有頻率。
根據(jù)上述分析結(jié)果，可以看出本發(fā)明所設(shè)計的稱重裝置，具有很高的分辨力(1μg量級)、很高的測量精度(1μg量級)和很高的固有頻率(50kHz)。
對于本發(fā)明來說，不僅可以用于測量微克量級質(zhì)量，還可以用于測量微牛量級的力，尤其是微牛量級推力器的推力。