專利名稱：一種基于多次光反射放大法的微電量測量儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及微電量測量儀，特別是涉及一種基于多次光反射放大法的微電量測量儀，屬于微電量測量技術(shù)和高壓整流技術(shù)。
背景技術(shù)：
微電量測量是科學(xué)探索和實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域里的一個(gè)重要課題，但目前市場上微電量的測量儀器類型較少，價(jià)格便宜的微電量測量儀器更是緊缺。中國實(shí)用新型專利201020225123. 2公開了一種礦井粉塵帶電量測量裝置，包括為相應(yīng)部分提供電能的電源模塊、DSP處理模塊、人機(jī)接口交互模塊及測量電量顯示模塊，還包括用于粉塵電荷量測量的敏感探頭、信號調(diào)理模塊與A/D轉(zhuǎn)換模塊，敏感探頭與信號調(diào)理模塊連接，信號調(diào)理模塊與A/D轉(zhuǎn)換模塊連接，A/D轉(zhuǎn)換模塊與DSP處理模塊連接。該實(shí)用新型利用流動的帶電粉塵能在敏感探頭上感應(yīng)出一定量電荷量的原理，將敏感探頭所檢測到的微弱電荷信號轉(zhuǎn)換為更容易處理的電壓信號，后經(jīng)過相應(yīng)處理并送往DSP處理模塊，在DSP處理模塊內(nèi)部實(shí)現(xiàn)對信號的進(jìn)一步濾波處理后，得到粉塵的帶電量信號，將獲得的帶電量信號送往測量電量顯示模塊進(jìn)行顯示。但是該裝置只能檢測粉塵是否帶有電荷，并不能準(zhǔn)確測量電荷量的大小，而且裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制備成本高。
實(shí)用新型內(nèi)容為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本實(shí)用新型提供一種能準(zhǔn)確測量微電量大小，且實(shí)驗(yàn)成本與儀器制造成本十分廉價(jià)的基于多次光反射放大法的微電量測量儀，是一種簡便易測得微電量的精密儀器。本實(shí)用新型的目的通過如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)一種基于多次光反射放大法進(jìn)行微電量測量的儀器，包括直流高壓產(chǎn)生電路、激光光源、轉(zhuǎn)軸、電極板、小繩、小球、反射鏡和光控計(jì)數(shù)器；鐵箱設(shè)有左右兩個(gè)空腔，左右兩個(gè)空腔中一個(gè)為高電壓產(chǎn)生區(qū)，另一個(gè)為反射測量區(qū)；反射測量區(qū)一側(cè)放置著兩塊相距5CM的電極板；兩塊電極板縱向中心線處通過小繩懸掛著一個(gè)小球，激光光源與小繩間隔固定于轉(zhuǎn)軸上，轉(zhuǎn)軸固定在反射測量區(qū)的上端；高電壓產(chǎn)生裝置引出的兩條正負(fù)極導(dǎo)線分別接到兩塊電極板上；高電壓產(chǎn)生裝置放置在高電壓產(chǎn)生區(qū)；鐵箱上方設(shè)有一個(gè)雙鍵開關(guān)，雙鍵開關(guān)一端與電源連接，另一端分別通過穿過鐵箱上兩個(gè)小孔的導(dǎo)線與激光光源和高電壓產(chǎn)生裝置連接；反射測量區(qū)設(shè)有上下兩個(gè)反射鏡，下面的反射鏡上標(biāo)有刻度；光控計(jì)數(shù)器活動設(shè)置在下面的反射鏡外側(cè)。為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)本實(shí)用新型目的，所述小球的直徑優(yōu)選為O. 45cm。所述激光光源與小繩間隔優(yōu)選為5cm。所述激光光源優(yōu)選粘貼或焊接在轉(zhuǎn)軸上。所述左空腔優(yōu)選為高電壓產(chǎn)生區(qū)，右空腔優(yōu)選為反射測量區(qū).所述鐵箱的長寬高分別為120cm、30cm和20cm。[0012]相對于現(xiàn)有技術(shù)，本實(shí)用新型具有如下優(yōu)點(diǎn)和有益效果(I)測量精度高本實(shí)用新型利用小繩懸掛起用密度極低的小球，再將小球放置于電場中，小球在電場中受力偏離原來垂直位置一定的角度，再利用激光器將對偏離的角度的測量轉(zhuǎn)換成對長度的測量，同時(shí)本實(shí)用新型采用了密度極小的氣凝膠制成的小球，以及采用了平面鏡對距離進(jìn)行放大，利用平面鏡的多次反射原理將這該距離進(jìn)行放大，大大減小了測量長度時(shí)造成的誤差，也使得本實(shí)用新型能夠精確測量出電量極小的微電量，只要電場所加電壓和刻度板的長度設(shè)計(jì)合理，就可以使誤差控制在100個(gè)電子e以內(nèi)。(2)使用本實(shí)用新型測量儀測量時(shí)間短，與市場上同類儀器相比測量時(shí)間大大縮短,十秒之內(nèi)即可完成讀數(shù)。(3)本實(shí)用新型測量儀成本低，實(shí)驗(yàn)材料按市場價(jià)格在三百元左右。(4)本實(shí)用新型操作簡便，具有較強(qiáng)的實(shí)用性。
圖1是本實(shí)用新型基于光投影法的微電量測量儀的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是本實(shí)用新型微電量測量的原理圖。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對本實(shí)用新型作進(jìn)一步說明，但本實(shí)用新型所要求保護(hù)的范圍并不局限于具體實(shí)施方式
中所描述的范圍。如圖1所示，一種基于多次光反射放大法進(jìn)行微電量測量的儀器，包括鐵箱1、小繩2、小球3、電極板4、激光光源5、高電壓產(chǎn)生裝置6、轉(zhuǎn)軸7、反射鏡8和光控計(jì)數(shù)器9 ;其中鐵箱I設(shè)有左右兩個(gè)空腔，左右兩個(gè)空腔中一個(gè)為高電壓產(chǎn)生區(qū)，另一個(gè)為反射測量區(qū)；如圖1中左空腔為高電壓產(chǎn)生區(qū)，右空腔為反射測量區(qū)；反射測量區(qū)一側(cè)放置著兩塊相距5CM的電極板4 ;兩塊電極板4縱向中心線處通過小繩2懸掛著一個(gè)小球3,該小球3的直徑優(yōu)選為O. 45cm ;激光光源5與小繩2間隔固定于轉(zhuǎn)軸7上，激光光源5與小繩2間隔優(yōu)選為5cm，激光光源5與小繩2都固定在轉(zhuǎn)軸7上，可確保小繩2與激光光源5轉(zhuǎn)動相同的角度；轉(zhuǎn)軸7固定在反射測量區(qū)的上端，與位于上面的反射鏡8同一高度；激光光源5優(yōu)選粘貼或焊接在轉(zhuǎn)軸上；從圖1正面看，激光光源與小繩末端重疊在一點(diǎn)，從側(cè)面圖看，兩者在同一水平線上，并錯開一定距離。防止電極板擋住光路。鐵箱I高電壓產(chǎn)生裝置6引出的兩條正負(fù)極導(dǎo)線分別接到兩塊電極板4上；高電壓產(chǎn)生裝置6放置在高電壓產(chǎn)生區(qū)；鐵箱I上方設(shè)有一個(gè)雙鍵開關(guān)，雙鍵開關(guān)一端與電源連接，另一端分別通過穿過鐵箱I上兩個(gè)小孔的導(dǎo)線與激光光源5和高電壓產(chǎn)生裝置6連接；鐵箱I的右空腔設(shè)有上下兩個(gè)反射鏡8，下面的反射鏡8上標(biāo)有刻度。光控計(jì)數(shù)器9活動設(shè)置在下面的反射鏡8外側(cè)，用于測量光斑數(shù)N。小球3為氣凝膠或泡沫制成的小球,小球的直徑優(yōu)選為O. 45cm,為絕緣的小球,通過摩擦起電的方式，該小球可帶上電荷。氣凝膠是一種固體物質(zhì)形態(tài)，密度很小的固體，氣凝膠密度為2. 7kg/m3 ;泡沫小球的密度為O. 018g/cm3，質(zhì)量為1. 178X 10_3g。常見的氣凝膠為硅氣凝膠，其最早由美國科學(xué)工作者Kistler在1931年制得。氣凝膠略低于比空氣密度，被叫做“凍結(jié)的煙”或“藍(lán)煙”。由于里面的顆粒非常小(納米量級)，所以可見光經(jīng)過它時(shí)散射較小(瑞利散射)，就像陽光經(jīng)過空氣一樣。小繩2優(yōu)選用光纖制成，以便重量比較輕。高電壓產(chǎn)生裝置6為產(chǎn)生高電壓的裝置，如選用ZVS電路，該電路產(chǎn)生交流高壓，然后通過使用高壓包整流，將交流高壓變直流電；zvs電路是根據(jù)零電壓開關(guān)原理，產(chǎn)生高頻正弦波。ZVS核心是零電壓開關(guān)，實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)，可以降低開關(guān)損耗，提高效率，可用于直流和交流電源。本實(shí)用新型的高電壓產(chǎn)生裝置6還可需用其他類似的高電壓產(chǎn)生裝置。激光光源5為405nm激光器二極管(型號450nm LD)最高功率105mW，壽命超過10000小時(shí),5. 6mm TO封裝。生產(chǎn)單位Laser Components公司)光控計(jì)數(shù)器9可選擇型號A380，B220光控計(jì)數(shù)器，生產(chǎn)單位科迅電子制品公司，ABC/千如。鐵箱的長寬高分別優(yōu)選為 120cm、30cm 和 20cm。小繩2優(yōu)選用光纖制成的，直徑優(yōu)選為O. 125X 10_3cm，長度為9. 6cm。反射鏡8優(yōu)選為長度IOOcm的平面鏡，且下表面的鏡子帶有測量刻度。測量電量時(shí)，包括如下步驟(I)小球帶電階段先利用摩擦起電的方式使絕緣的小球3帶上電荷；(2)激光偏轉(zhuǎn)階段打開雙鍵開關(guān)，使激光電源導(dǎo)通，ZVS高電壓產(chǎn)生裝置6產(chǎn)生三萬伏特高壓，此電壓加于電極板4,產(chǎn)生一個(gè)6X 105V/m的大電場,帶電的小球3在此電場中偏轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)軸7將小繩2轉(zhuǎn)動的角度以電信號傳給激光光源5，使激光光源5轉(zhuǎn)動相同角度(轉(zhuǎn)軸7將小繩2轉(zhuǎn)動的角度以電信號傳給激光光源5 :小繩2的固定端也與轉(zhuǎn)軸一端粘貼在一起，或者說緊S地系在轉(zhuǎn)軸一端上，小繩偏轉(zhuǎn)將帶動轉(zhuǎn)軸機(jī)械轉(zhuǎn)動，從而帶動激光器偏轉(zhuǎn));(3)讀數(shù)階段激光通過上下兩個(gè)反射鏡多次反射，最后可以讀出下面反射鏡上最后一個(gè)光斑所在的刻度，并利用光控`計(jì)數(shù)器測得光斑個(gè)數(shù)，將這兩個(gè)量代入公式(4)即可得出小球所帶微電量。本實(shí)用新型利用小繩懸掛起用密度極低的小球3，再將小球3放置于水平電場E中，小球3在電場中受力偏離原來垂直位置一定的角度Θ，再利用轉(zhuǎn)軸7將小繩2轉(zhuǎn)動的角度以電信號傳給激光光源5，使激光光源5轉(zhuǎn)動相同角度，激光通過上下兩個(gè)反射鏡多次反射，最后可以讀出下面反射鏡上最后一個(gè)光斑所在的刻度，并利用光控計(jì)數(shù)器測得光斑個(gè)數(shù)。如圖2所示，本實(shí)用新型小球3受力應(yīng)用了三力平衡的物理模型，其中F為小球3重力和浮力的合力，qE為電場力，T為繩子2對小球3的拉力；帶電的小球3由光纖制成的小繩2系在裝置頂部，小球3左右兩邊有兩個(gè)電極板4 (優(yōu)選銅板)，可以產(chǎn)生E=U/d=6X 105V/m的強(qiáng)電場，致使帶電小球在其中產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)，測出小球的偏轉(zhuǎn)角，就可以根據(jù)簡單的力學(xué)知識求得帶電小球上所帶的電荷量。然而，現(xiàn)實(shí)操作中測量偏轉(zhuǎn)角較小，導(dǎo)致難以測得小球的偏轉(zhuǎn)角，若直接測量偏轉(zhuǎn)角帶入計(jì)算會產(chǎn)生較大的誤差。于是，本實(shí)用新型創(chuàng)新地利用平面鏡及一個(gè)激光光源將對角度的測量轉(zhuǎn)換為對長度的測量，令小球不帶電時(shí)其在下面反射鏡上的光斑所在位置為零刻度點(diǎn)即參考點(diǎn)，該測量的長度是指小球帶電時(shí)其在下面反射鏡上最后一個(gè)光斑偏離零刻度點(diǎn)的長度L，并利用光控計(jì)數(shù)器測得下面反射鏡上的光斑個(gè)數(shù)N，最終推導(dǎo)出了帶電小球上所帶電荷量與長度L和N的函數(shù)關(guān)系。操作過程和計(jì)算過程簡便迅速?？潭劝迳系目潭仁歉鶕?jù)實(shí)驗(yàn)得出如下公式tan Θ =qE/F (I)[0033]tan Θ =L/nl (2)n=2N-l(3)聯(lián)立上述方程可得q=FL/nlE (4)其中，Θ為小球3在電場中的偏轉(zhuǎn)角，q為小球所帶電量，E為電極板產(chǎn)生的電場大小，F(xiàn)為小球3重力和浮力的合力，η為光程的放大倍數(shù)，L為最后一個(gè)光斑偏離零刻度點(diǎn)的長度。下面的反射鏡8上標(biāo)有刻度，小球3處于豎直狀態(tài)時(shí)激光光斑對應(yīng)的點(diǎn)設(shè)為零刻度，小球受力偏轉(zhuǎn)后可以直接讀取下平面鏡上最后一個(gè)光斑的刻度值，即L ；Ν為反射鏡上的光斑個(gè)數(shù)，可由光控計(jì)數(shù)器9測得反射鏡上的光斑個(gè)數(shù)N值；具體方法是讓光控計(jì)數(shù)器9從平面鏡上最后一個(gè)光斑開始緩慢平移至平面鏡左邊第一個(gè)光斑，光控計(jì)數(shù)器記錄光斑個(gè)數(shù)，即N值。I為兩反射鏡8之間的距離。E，I，F(xiàn)是設(shè)定值，N，L為測量得出值，通過測量得出L和N，進(jìn)行計(jì)算，即可算出帶電量q。只要電場所加電壓和鏡子長度設(shè)計(jì)合理，就可以使誤差控制在100個(gè)電子e以內(nèi)，以此將對偏離的角度的測量轉(zhuǎn)換成對放大了的長度L的測量，大大減小了測量長度時(shí)造成的誤差，也使得實(shí)驗(yàn)儀器能夠精確測量出電量極小的微電量。本實(shí)用新型采用了密度極小的帶電小球，并利用平面鏡多次反射對距離進(jìn)行放大，原理新穎。本實(shí)用新型根據(jù)原理簡單但卻十分巧妙的方法測出了微電量的計(jì)算公式，具有可行性，更重要的 是，實(shí)驗(yàn)成本與儀器制造成本十分廉價(jià)，具有較大的發(fā)展?jié)撃芎褪袌鰞r(jià)值。
權(quán)利要求1.一種基于多次光反射放大法的微電量測量儀，其特征在于，包括直流高壓產(chǎn)生電路、激光光源、轉(zhuǎn)軸、電極板、小繩、小球、反射鏡和光控計(jì)數(shù)器；鐵箱設(shè)有左右兩個(gè)空腔，左右兩個(gè)空腔中一個(gè)為高電壓產(chǎn)生區(qū)，另一個(gè)為反射測量區(qū)；反射測量區(qū)一側(cè)放置著兩塊相距5CM的電極板；兩塊電極板縱向中心線處通過小繩懸掛著一個(gè)小球，激光光源與小繩間隔固定于轉(zhuǎn)軸上，轉(zhuǎn)軸固定在反射測量區(qū)的上端；高電壓產(chǎn)生裝置引出的兩條正負(fù)極導(dǎo)線分別接到兩塊電極板上；高電壓產(chǎn)生裝置放置在高電壓產(chǎn)生區(qū)；鐵箱上方設(shè)有一個(gè)雙鍵開關(guān)，雙鍵開關(guān)一端與電源連接，另一端分別通過穿過鐵箱上兩個(gè)小孔的導(dǎo)線與激光光源和高電壓產(chǎn)生裝置連接；反射測量區(qū)設(shè)有上下兩個(gè)反射鏡，下面的反射鏡上標(biāo)有刻度；光控計(jì)數(shù)器活動設(shè)置在下面的反射鏡外側(cè)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于多次光反射放大法的微電量測量儀，其特征在于所述小球的直徑為O. 45cm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于多次光反射放大法的微電量測量儀，其特征在于所述激光光源與小繩間隔為5cm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于多次光反射放大法的微電量測量儀，其特征在于所述激光光源粘貼或焊接在轉(zhuǎn)軸上。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于多次光反射放大法的微電量測量儀，其特征在于所述左空腔為高電壓產(chǎn)生區(qū)，右空腔為反射測量區(qū)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于多次光反射放大法的微電量測量儀，其特征在于所述鐵箱的長寬高分別為120cm、30cm和20cm。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種基于多次光反射放大法的微電量測量儀，其包括直流高壓產(chǎn)生電路、激光光源、轉(zhuǎn)軸、電極板、小繩、小球、反射鏡和光控計(jì)數(shù)器；鐵箱設(shè)有左右兩個(gè)空腔，反射測量區(qū)一側(cè)放置著兩塊相距5cm的電極板；兩塊電極板縱向中心線處通過小繩懸掛著一個(gè)小球，激光光源與小繩間隔固定于轉(zhuǎn)軸上，轉(zhuǎn)軸固定在反射測量區(qū)的上端；高電壓產(chǎn)生裝置放置在高電壓產(chǎn)生區(qū)；反射測量區(qū)設(shè)有上下兩個(gè)反射鏡，下面的反射鏡上標(biāo)有刻度；光控計(jì)數(shù)器活動設(shè)置在下面的反射鏡外側(cè)。本實(shí)用新型利用小繩懸掛起密度極低的小球，利用多次光反射的原理將該距離進(jìn)行放大，大大減小了測量長度時(shí)造成的誤差，也使得本實(shí)用新型能夠精確測量出電量極小的微電量。
文檔編號G01R29/24GK202903901SQ20122045682
公開日2013年4月24日 申請日期2012年9月7日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月7日
發(fā)明者譚祖雁, 張成多, 溫志豪, 王接林 申請人:譚祖雁, 張成多, 溫志豪, 王接林