新型微小质量测量仪的研制

劳媚媚，张 童，李 莹，邱史杰，杨初平

（1.华南农业大学 公共基础课实验教学中心；2.华南农业大学 动物科学学院；3.华南农业大学 理学院，广东 广州 510642）

新型微小质量测量仪的研制

劳媚媚1，张 童2，李 莹2，邱史杰2，杨初平3

（1.华南农业大学 公共基础课实验教学中心；2.华南农业大学 动物科学学院；3.华南农业大学 理学院，广东 广州 510642）

仪器采用力学与光学进行转换的设计思想，质量的变化使得劈尖上片的搭脚位置发生改变，利用搭脚的连动，改变劈尖装置的夹角，使得劈尖装置等厚干涉条纹间距发生变化，通过测量相邻条纹间距的改变量求出劈尖装置夹角改变的角度，最后通过CCD检测系统和PC机软件系统可实现自动化测量微小质量.

微小质量；等厚干涉；自动化；测量

质量测量的仪器很多，但要测量微小质量就要用误差小、操作稳定的仪器.分析天平和扭力天平的测量精度都比较高，也比较稳定，但操作繁琐，不易于自动化，各种接触摩擦的误差大，且价格贵.电子天平实现了自动化测量，也能够精确地测量各种大小的质量，操作简便，而且将测力转换成测电量，稳定性大大增强，但是它设计复杂，导致成本高[1-4].本文采用力学与光学进行转换的设计思想，实现自动化测量微小质量.该设计原理简单，操作简便，成本低廉，测量精度高，响应时间短，可以作为一种新型实验室测量微小质量的方法，同时也可以作为学生物理设计性实验供教学研究使用，具有广泛的应用前景.

1 基本原理及设计思想

本实验设计思想是通过等厚干涉原理来间接测量Δx.

等厚干涉条纹的间距有公式

其中l是相邻条纹间距，λ是入射光波长，n=1是介质膜折射率，θ是劈尖装置中两平整度极高的玻璃片夹角.

由等厚干涉原理可知，θ是一个很小的角，只要θ发生微小变化，条纹间距就会发生变化.而实验思路是利用微小质量产生的拉力来改变夹角θ，从而改变l.通过测量l的变化，反过来求出物体的质量.

2 利用等厚干涉原理结合弹簧（弹簧）装置的设计

利用等厚干涉原理结合弹簧装置如图1所示，主要包括弹簧装置、劈尖装置、移测显微镜、升降平台底座等部分组成.装置主要部分的工作原理叙述如下.

图1 用等厚干涉原理结合弹簧（弹簧）装置

2.1 弹簧装置

在平面底座上装两根支柱，支柱上端有横梁，横梁中部穿孔，弹簧穿过孔并用卡头卡紧固定，弹簧下端用凸形紧固件锁紧并与小托盘连接，从而组成一个弹簧装置.

2.2 劈尖装置

劈尖片固定在可以调节高度的升降平台上，劈尖片上片贴有一个搭脚并伸出搭在凸形紧固件上，移测显微镜也放在升降平台上，用于测量条纹间距.劈尖片用活动铰链贴在一起，组成劈尖装置，其夹角可以调节.在劈尖两玻璃片之间垫一薄片，厚度约为0.03mm，目的是防止两玻璃片因为表面吸附力粘在一起，影响测量精度.

3 CCD检测系统的设计

CCD检测系统的主要技术包括：采用AT89C55的单片机、使用TCD1500型号的线阵CCD、图型液晶192X64、菜单选择功能、单片机外围芯片82C54和HM6116，VB软件编程.

3.1 CCD检测原理

CCD接入移测显微镜的目镜，当把待测物体放在托盘上面时，利用搭脚的连动，改变劈尖装置的夹角，使得劈尖装置等厚干涉条纹间距发生变化，通过CCD能精确计算出相邻条纹间距的改变量，可实现自动化测量微小质量.本型号的CCD（TCD1500C）内部含有5340个像敏单元，每个像敏单元的间距为7μm，被光照射过的单元输出的是低电平脉冲，反之输出的是高电平脉冲.

把CCD输出的脉冲信号经过放大，带通滤波去除干扰，再反向，最后通过二值化后就可以送给接收模块统计出脉冲数目，从而可由以下公式得出相邻条纹间距的改变量ΔL：

其中，ΔL是相邻条纹间距的改变量（单位：m）；ΔA是脉冲数目变化量.

单片机定时从接收模块读取ΔA，然后把它存入一寄存器中，执行相应的显示程序再在LCD上显示出当前物体的质量.

3.2 CCD硬件设计

硬件系统框图如图2所示.由单片机控制CCD驱动信号的产生，从而控制CCD检测模块工作[5].CCD检测模块出来的相邻条纹间距的改变量信号其实是脉冲序列，信号接收模块对脉冲序列进行计数,，把最终结果送给单片机处理.把中间处理的一些数据存入RAM中，在进行LCD显示时，再从RAM中调回数据.

图2 CCD硬件系统框图

CCD检测模块包括CCD芯片、驱动电路、输出处理电路.本系统选用的TCD1500C能测量的精度达正负7μm.其特征为：像敏单元数目为5340像元，像敏单元大小为7μm ×7μm×7μm，光敏区域为采用高灵敏度PN结作为光敏单元，时钟为两相（5V），内部电路为包含采样保持电路和输出预放大电路，封装形式为22脚DIP形式.本驱动电路选用独立脉冲源，由石英晶振和反向器(74LS04)产生4MHz的方波.分频电路选用分频芯片74LS393，再加一片二位与非门74LS00用作单片机控制脉冲是否选通，组成CCD的驱动信号.CCD的信号接收是先把CCD输出的视频信号进行放大、滤波、模数转化后，再把脉冲送到接收模块计数，从计得的脉冲数目得出相邻条纹间距的改变量.

信号接收模块是对CCD的输出信号进行脉冲计数，由一片可编程定时/计数芯片82C54构成.其特征有：3个独立的16位计数器、6种模式选择、十六进制/十进制计数、有计数锁存命令、有读回命令.

单片机系统采用较大容量的单片机AT89C55作为主控制器[6-7].它是51系列，兼容MCS51指令，基于8031的内核.其特征有：兼容MCS51微控制器，20k字节FLASH程序存贮器、1000次擦写周期、256字节片内RAM、工作电压

4.0 ~5.5V、全静态时钟0Hz~33MHz、三级程序加密、32个可编程IO口、3个16位定时/计数器、8个中断源.

液晶显示器采用HS19264，它是一种图形点阵液晶显示器，主要由行驱动器/列驱动器及12×4个全点阵液晶显示器组成.可以完成图形显示，也可以显示12×4个汉字（16 ×6点阵的汉字).在本系统中，用它来实现操作界面.

4 PC机软件系统的设计

PC机软件系统由VBasic6.0开发.计算机通过串口获取相邻条纹间距的改变量数据，将相邻条纹间距的改变量数据按照转换公式转换成质量数据并实时绘制动态曲线，待线状图稳定成一直线时，质量框显示的就是当前所测量的物体的准确质量，PC机软件流程图如图3所示.该软件具有可视化界面、参数设置容易、实时数据转换等特点，能实现质量显示、时间显示、记录质量、保存幅度曲线图等功能.

图3 PC机软件流程图

5 结束语

在完成系统的软硬件设计后，用不同质量的物体对微小质量测量仪进行测试，并与实验室的精密天平的测量结果进行比较.我们自制的微小质量测量仪的测量范围是0mg-1000mg，精度达到1mg.本系统精度较高、稳定性好.该测量仪采用力学与光学进行转换的设计思想，设计方案新颖、精度高、成本低，硬件系统总价200多元，是一套实用型微小质量测量系统，可以作为一种新型实验室测量微小质量的方法，同时也可以作为学生物理设计性实验供教学研究使用，具有广泛的应用前景.

〔1〕张冀，张培仁，王琪民，等．一种微质量传感器的结构设计与优化[J].机电一体化，2006，12（5）：18-22.

〔2〕黄妙新.天平四大计量性能是评价电子天平优劣的依据[J].计量技术,2000（9）：40-41.

〔3〕袁升兴.误差及不确定度[J].郑州工学院学报,1995,16（1）：108-113.

〔4〕李季，刘积学．合理利用废旧仪器建立综合开放物理实验室[J].阜阳师范学院学报（自然科学版）,2004（1）：60-61.

〔5〕扬风和．CCD应用技术[M].天津:天津大学出版社,2000.49.

〔6〕李朝青．单片机原理及接口技术[M].(简明修订版).北京:北京航空航天大学出版社,1999.

〔7〕王建校．51系列单片机及C51程序设计[M].北京:科学出版社,2002.

TH715

A

1673-260X（2014）01-0076-02

广东省大学生创新创业训练项目；华南农业大学大学生创新创业训练项目；华南农业大学2012年教育教学改革与研究基金资助项目（JG12062）