專利名稱：一種基于光投影法的微電量測量儀的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及微電量測量儀，特別是涉及一種基于光投影法的微電量測量儀，屬于微電量測量技術和高壓整流技術。
背景技術：
微電量測量是科學探索和實驗領域里的一個重要課題，但目前市場上微電量的測量儀器類型較少，價格便宜的微電量測量儀器更是緊缺。中國實用新型專利201020225123. 2公開了一種礦井粉塵帶電量測量裝置，包括為相應部分提供電能的電源模塊、DSP處理模塊、人機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。該實用新型利用流動的帶電粉塵能在敏感探頭上感應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)過相應處理并送往DSP處理模塊，在DSP處理模塊內(nèi)部實現(xiàn)對信號的進一步濾波處理后，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行顯示。但是該裝置只能檢測粉塵是否帶有電荷，并不能準確測量電荷量的大小，而且裝置結(jié)構復雜，制備成本高。

實用新型內(nèi)容為了克服現(xiàn)有技術的不足，本實用新型提供一種能準確測量微電量大小，且實驗成本與儀器制造成本十分廉價的基于光投影法的微電量測量儀，是一種簡便易測得微電量的精密儀器。本實用新型的目的通過如下技術方案實現(xiàn)一種基于光投影法的微電量測量儀，包括鐵箱、小繩、小球、電極板、發(fā)光二極管、高電壓產(chǎn)生裝置、反射鏡、透光槽和投影刻度紙；其中鐵箱為上下層的空腔結(jié)構，鐵箱內(nèi)上層的一側(cè)放置著兩塊相距5CM的電極板4 ;兩塊電極板之間縱向中心線的正上方裝嵌著一個發(fā)光二極管；兩塊電極板縱向中心線處通過小繩懸掛著一個小球，兩塊電極板之間縱向中心線的正下方設有通孔與鐵箱下層空腔連通；高電壓產(chǎn)生裝置引出的兩條正負極導線分別接到兩塊電極板上；高電壓產(chǎn)生裝置放置在鐵箱上層的另一側(cè)，鐵箱上方設有一個雙鍵開關，雙鍵開關一端與電源連接，另一端分別通過穿過鐵箱上兩個小孔的導線與發(fā)光二極管和高電壓產(chǎn)生裝置連接；鐵箱內(nèi)下層位于通孔下端，設有一反射鏡，鐵箱內(nèi)下層與反射鏡相對的一端設有透光槽，透光槽外覆蓋一層投影刻度紙；所述小球為氣凝膠或泡沫制成的小球。為進一步實現(xiàn)本實用新型目的，所述小球的直徑優(yōu)選為O. 45CM。所述鐵箱優(yōu)選為長方體空腔結(jié)構，長方體空腔結(jié)構內(nèi)部間隔為上下兩層，上層為高電壓產(chǎn)生區(qū)，下層為反射測量區(qū)。所述鐵箱上層正面優(yōu)選設有鐵門。[0010]所述通孔的半徑優(yōu)選為1. 5CM。所述反射鏡優(yōu)選為45度角的反射鏡。所述小繩優(yōu)選用光纖制成。相對于現(xiàn)有技術，本實用新型具有如下優(yōu)點和有益效果(I)測量精度高本實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，再利用點光源將對偏離的角度的測量轉(zhuǎn)換成對長度的測量，同時本實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行放大，利用平面鏡的反射原理將這該距離進行放大，大大減小了測量長度時造成的誤差，也使得本實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計合理，就可以使誤差控制在100個電子e以內(nèi)。(2)使用本實用新型測量儀測量時間短，與市場上同類儀器相比測量時間大大縮短,十秒之內(nèi)即可完成讀數(shù)。(3)本實用新型測量儀成本低，實驗材料按市場價格在兩百元左右。(4)本實用新型操作簡便，具有較強的實用性。

圖1是本實用新型基于光投影法的微電量測量儀的結(jié)構示意圖。圖2是本實用新型微電量測量的原理圖。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖和實施例對本實用新型作進一步說明，但本實用新型所要求保護的范圍并不局限于具體實施方式
中所描述的范圍。如圖1所示，一種基于光投影法的微電量測量儀，包括鐵箱1、小繩2、小球3、電極板4、發(fā)光二極管5、高電壓產(chǎn)生裝置6、反射鏡8、透光槽9和投影刻度紙10 ;其中鐵箱I為上下層的空腔結(jié)構，優(yōu)選為長方體空腔結(jié)構，長方體空腔結(jié)構內(nèi)部間隔為上下兩層，鐵箱I內(nèi)的上層為高電壓產(chǎn)生區(qū)，鐵箱I內(nèi)下層為反射測量區(qū)；鐵箱I內(nèi)上層的一側(cè)(如選用左側(cè))放置著兩塊相距5CM的電極板4 ;兩塊電極板4之間縱向中心線的正上方裝嵌著一個發(fā)光二極管5 ;兩塊電極板4縱向中心線處通過小繩2懸掛著一個小球3，該小球3的直徑優(yōu)選為O. 45CM ;兩塊電極板4之間縱向中心線的正下方設有通孔與鐵箱I下層空腔連通；該通孔的半徑優(yōu)選為1. 5CM，高電壓產(chǎn)生裝置6引出的兩條正負極導線分別接到兩塊電極板4上；高電壓產(chǎn)生裝置6放置在鐵箱上層(高電壓產(chǎn)生區(qū))的另一側(cè)(如圖1選用右側(cè))，鐵門7設置在鐵箱I上層正面，可以打開和關閉；鐵箱I上方設有一個雙鍵開關，雙鍵開關一端與電源連接，另一端分別通過穿過鐵箱I上兩個小孔的導線與發(fā)光二極管5和高電壓產(chǎn)生裝置6連接；鐵箱I內(nèi)下層位于通孔下端，設有一反射鏡8，優(yōu)選為45度角的反射鏡，鐵箱內(nèi)下層與反射鏡8相對的一端(如圖1為鐵箱下層右端)設有透光槽9，透光槽9外覆蓋一層投影刻度紙10。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)零電壓開關原理，產(chǎn)生高頻正弦波。ZVS核心是零電壓開關，實現(xiàn)軟開關，可以降低開關損耗，提高效率，可用于直流和交流電源。本實用新型的高電壓產(chǎn)生裝置6還可需用其他類似的高電壓產(chǎn)生裝置。測量電量時,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，關上鐵門7，使儀器內(nèi)部產(chǎn)生靜電屏蔽作用，防止外部環(huán)境干擾；(2)小球偏轉(zhuǎn)階段打開雙鍵開關，使發(fā)光二極管5處于照明狀態(tài)，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6X 105V/m的大電場,帶電的小球3在此電場中向一側(cè)偏轉(zhuǎn)(帶正電時向右偏，帶負電時向左偏)，此時小球3在電場中的受力如圖2所示，發(fā)光二極管5產(chǎn)生的強光照射小球2，產(chǎn)生的暗斑透過小球2下面的透光孔，通過反光鏡8和透光槽9照射到投影刻度紙10上；(3)讀數(shù)階段讀出投影刻度紙10上暗斑最高點和最低點的刻度數(shù)，取平均值即為暗斑中心點的刻度，將此刻度與預先制作出來的“刻度與帶電量的對照表”對照，即可讀出小球2的帶電量。本實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，再利用放置在繩子固定端的點光源對小球照射，小球在光線照射下形成一個影子暗斑，暗斑經(jīng)過斜放著的平面鏡的反射投射到平面鏡右邊的豎直刻度板。如圖2所示，本實用新型小球3受力應用了四力平衡的物理模型，其中F為小繩2的重力對小球3的作用力，qE為電場力，mg為重力，T為繩子2對小球3的拉力；假如小繩2的重`量可以忽略，那么只會有拉力T，但是在精確測量中，繩子的重量不能忽略，所以本實用新型考慮繩子的重力對小球的作用力F ;帶電的小球3由光纖制成的小繩2系在裝置頂部，小球3左右兩邊有兩個電極板4 (優(yōu)選銅板)，可以產(chǎn)生E=U/d=6 X 105V/m的強電場，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)簡單的力學知識求得帶電小球上所帶的電荷量。然而，現(xiàn)實操作中測量偏轉(zhuǎn)角較小，導致難以測得小球的偏轉(zhuǎn)角，若直接測量偏轉(zhuǎn)角帶入計算會產(chǎn)生較大的誤差。于是，本實用新型創(chuàng)新地利用平面鏡及一個點光源將對角度的測量轉(zhuǎn)換為對長度的測量，令小球不帶電時其在刻度紙上的光斑所在位置為零刻度點即參考點，該測量的長度是指小球帶電時其光斑偏離零刻度點的長度L，建立起偏轉(zhuǎn)角度絕對值與長度的一一映射關系，最終推導出了帶電小球上所帶電荷量與長度的函數(shù)關系，然后將一些整數(shù)電荷值所對應的長度計算出來，標成刻度，畫在刻度紙上，測量時根據(jù)小球光斑中心所在位置對應的電荷值即可知道帶電小球所帶的電量。測量過程十秒之內(nèi)即可完成，操作過程簡便迅速?？潭劝迳系目潭仁歉鶕?jù)實驗已得出的公式Fcos Θ +Tsin Θ =qEFsin Θ +mg=Tcos θ聯(lián)立上述兩個方程可得FcosΘ +Ftan Θ sin Θ +mgtan Θ =qE[0033]通過平面鏡反射原理和幾何計算得到的公式tan Θ =L/K ;其中L是光斑偏離零刻度點的長度，單位cm ；K為常數(shù)66. 5973，單位cm。進行計算，將刻度板上的長度的量轉(zhuǎn)換為電子數(shù)目的量，相鄰刻度線表示的電子數(shù)目相差100個電子e，讀數(shù)時可直接讀出電子數(shù)，只要電場所加電壓和刻度板的長度設計合理，就可以使誤差控制在100個電子e以內(nèi))上，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造成的誤差，也使得實驗儀器能夠精確測量出電量極小的微電量，而且L可正可負，分別代表著小球帶著正電荷或負電荷。本實驗的關鍵之處在于采用了密度極小的帶電小球，并利用平面鏡對距離進行放大。本實用新型根據(jù)原理簡單但卻十分巧妙的方法測出了微電量的計算公式，具有可行性，更重要的是，實驗 成本與儀器制造成本十分廉價，具有較大的發(fā)展?jié)撃芎褪袌鰞r值。
權利要求1.一種基于光投影法的微電量測量儀，其特征在于包括鐵箱、小繩、小球、電極板、發(fā)光二極管、高電壓產(chǎn)生裝置、反射鏡、透光槽和投影刻度紙；其中鐵箱為上下層的空腔結(jié)構，鐵箱內(nèi)上層的一側(cè)放置著兩塊相距5CM的電極板；兩塊電極板之間縱向中心線的正上方裝嵌著一個發(fā)光二極管；兩塊電極板縱向中心線處通過小繩懸掛著一個小球，兩塊電極板之間縱向中心線的正下方設有通孔與鐵箱下層空腔連通；高電壓產(chǎn)生裝置引出的兩條正負極導線分別接到兩塊電極板上；高電壓產(chǎn)生裝置放置在鐵箱上層的另一側(cè)，鐵箱上方設有一個雙鍵開關，雙鍵開關一端與電源連接，另一端分別通過穿過鐵箱上兩個小孔的導線與發(fā)光二極管和高電壓產(chǎn)生裝置連接；鐵箱內(nèi)下層位于通孔下端，設有一反射鏡，鐵箱內(nèi)下層與反射鏡相對的一端設有透光槽，透光槽外覆蓋一層投影刻度紙；所述小球為氣凝膠或泡沫制成的小球。
2.根據(jù)權利要求1所述的基于光投影法的微電量測量儀，其特征在于所述小球的直徑為 0. 45CM。
3.根據(jù)權利要求1所述的基于光投影法的微電量測量儀，其特征在于鐵箱為長方體空腔結(jié)構，長方體空腔結(jié)構內(nèi)部間隔為上下兩層，上層為高電壓產(chǎn)生區(qū)，下層為反射測量區(qū)。
4.根據(jù)權利要求3所述的基于光投影法的微電量測量儀，其特征在于所述鐵箱上層正面設有鐵門。
5.根據(jù)權利要求1所述的基于光投影法的微電量測量儀，其特征在于所述通孔的半徑為1. 5CM。
6.根據(jù)權利要求1所述的基于光投影法的微電量測量儀，其特征在于所述反射鏡為45度角的反射鏡。
7.根據(jù)權利要求1所述的基于光投影法進行微電量測量的儀器，其特征在于所述小繩用光纖制成。
專利摘要本實用新型公開了一種基于光投影法的微電量測量儀，包括鐵箱、小繩、小球、電極板、發(fā)光二極管、高電壓產(chǎn)生裝置、反射鏡、透光槽和投影刻度紙；其中鐵箱為上下層的空腔結(jié)構，鐵箱內(nèi)上層的一側(cè)放置著兩塊相距5CM的電極板；兩塊電極板之間縱向中心線的正上方裝嵌著一個發(fā)光二極管；兩塊電極板縱向中心線處通過小繩懸掛著一個小球，鐵箱內(nèi)下層位于通孔下端，設有一反射鏡，鐵箱內(nèi)下層與反射鏡相對的一端設有透光槽，透光槽外覆蓋一層投影刻度紙。本實用新型利用小繩懸掛起用密度極低的小球，利用平面鏡的反射原理將這該距離進行放大，大大減小了測量長度時造成的誤差，也使得本實用新型能夠精確測量出電量極小的微電量。
文檔編號G01R29/24GK202903900SQ201220297058
公開日2013年4月24日 申請日期2012年6月21日 優(yōu)先權日2012年6月21日
發(fā)明者張成多, 譚祖雁, 王接林, 溫志豪 申請人:張成多, 譚祖雁, 王接林, 溫志豪