专利名称：一种基于光投影法的微电量测量仪的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及微电量测量仪，特别是涉及一种基于光投影法的微电量测量仪，属于微电量测量技术和高压整流技术。
背景技术：
微电量测量是科学探索和实验领域里的一个重要课题，但目前市场上微电量的测量仪器类型较少，价格便宜的微电量测量仪器更是紧缺。中国实用新型专利201020225123. 2公开了一种矿井粉尘带电量测量装置，包括为相应部分提供电能的电源模块、DSP处理模块、人机接口交互模块及测量电量显示模块，还包括用于粉尘电荷量测量的敏感探头、信号调理模块与A/D转换模块，敏感探头与信号调理模块连接，信号调理模块与A/D转换模块连接，A/D转换模块与DSP处理模块连接。该实用新型利用流动的带电粉尘能在敏感探头上感应出一定量电荷量的原理，将敏感探头所检测到的微弱电荷信号转换为更容易处理的电压信号，后经过相应处理并送往DSP处理模块，在DSP处理模块内部实现对信号的进一步滤波处理后，得到粉尘的带电量信号，将获得的带电量信号送往测量电量显示模块进行显示。但是该装置只能检测粉尘是否带有电荷，并不能准确测量电荷量的大小，而且装置结构复杂，制备成本高。
实用新型内容为了克服现有技术的不足，本实用新型提供一种能准确测量微电量大小，且实验成本与仪器制造成本十分廉价的基于光投影法的微电量测量仪，是一种简便易测得微电量的精密仪器。本实用新型的目的通过如下技术方案实现一种基于光投影法的微电量测量仪，包括铁箱、小绳、小球、电极板、发光二极管、高电压产生装置、反射镜、透光槽和投影刻度纸；其中铁箱为上下层的空腔结构，铁箱内上层的一侧放置着两块相距5CM的电极板4 ;两块电极板之间纵向中心线的正上方装嵌着一个发光二极管；两块电极板纵向中心线处通过小绳悬挂着一个小球，两块电极板之间纵向中心线的正下方设有通孔与铁箱下层空腔连通；高电压产生装置引出的两条正负极导线分别接到两块电极板上；高电压产生装置放置在铁箱上层的另一侧，铁箱上方设有一个双键开关，双键开关一端与电源连接，另一端分别通过穿过铁箱上两个小孔的导线与发光二极管和高电压产生装置连接；铁箱内下层位于通孔下端，设有一反射镜，铁箱内下层与反射镜相对的一端设有透光槽，透光槽外覆盖一层投影刻度纸；所述小球为气凝胶或泡沫制成的小球。为进一步实现本实用新型目的，所述小球的直径优选为O. 45CM。所述铁箱优选为长方体空腔结构，长方体空腔结构内部间隔为上下两层，上层为高电压产生区，下层为反射测量区。所述铁箱上层正面优选设有铁门。[0010]所述通孔的半径优选为1. 5CM。所述反射镜优选为45度角的反射镜。所述小绳优选用光纤制成。相对于现有技术，本实用新型具有如下优点和有益效果(I)测量精度高本实用新型利用小绳悬挂起用密度极低的小球，再将小球放置于电场中，小球在电场中受力偏离原来垂直位置一定的角度，再利用点光源将对偏离的角度的测量转换成对长度的测量，同时本实用新型采用了密度极小的气凝胶制成的小球，以及采用了平面镜对距离进行放大，利用平面镜的反射原理将这该距离进行放大，大大减小了测量长度时造成的误差，也使得本实用新型能够精确测量出电量极小的微电量，只要电场所加电压和刻度板的长度设计合理，就可以使误差控制在100个电子e以内。(2)使用本实用新型测量仪测量时间短，与市场上同类仪器相比测量时间大大缩短,十秒之内即可完成读数。(3)本实用新型测量仪成本低，实验材料按市场价格在两百元左右。(4)本实用新型操作简便，具有较强的实用性。
图1是本实用新型基于光投影法的微电量测量仪的结构示意图。图2是本实用新型微电量测量的原理图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明，但本实用新型所要求保护的范围并不局限于具体实施方式
中所描述的范围。如图1所示，一种基于光投影法的微电量测量仪，包括铁箱1、小绳2、小球3、电极板4、发光二极管5、高电压产生装置6、反射镜8、透光槽9和投影刻度纸10 ;其中铁箱I为上下层的空腔结构，优选为长方体空腔结构，长方体空腔结构内部间隔为上下两层，铁箱I内的上层为高电压产生区，铁箱I内下层为反射测量区；铁箱I内上层的一侧(如选用左侧)放置着两块相距5CM的电极板4 ;两块电极板4之间纵向中心线的正上方装嵌着一个发光二极管5 ;两块电极板4纵向中心线处通过小绳2悬挂着一个小球3，该小球3的直径优选为O. 45CM ;两块电极板4之间纵向中心线的正下方设有通孔与铁箱I下层空腔连通；该通孔的半径优选为1. 5CM，高电压产生装置6引出的两条正负极导线分别接到两块电极板4上；高电压产生装置6放置在铁箱上层(高电压产生区)的另一侧(如图1选用右侧)，铁门7设置在铁箱I上层正面，可以打开和关闭；铁箱I上方设有一个双键开关，双键开关一端与电源连接，另一端分别通过穿过铁箱I上两个小孔的导线与发光二极管5和高电压产生装置6连接；铁箱I内下层位于通孔下端，设有一反射镜8，优选为45度角的反射镜，铁箱内下层与反射镜8相对的一端(如图1为铁箱下层右端)设有透光槽9，透光槽9外覆盖一层投影刻度纸10。小球3为气凝胶或泡沫制成的小球,小球的直径优选为O. 45cm,为绝缘的小球,通过摩擦起电的方式，该小球可带上电荷。气凝胶是一种固体物质形态，密度很小的固体，气凝胶密度为2. 7kg/m3 ;泡沫小球的密度为O. 018g/cm3，质量为1. 178X 10_3g。常见的气凝胶为硅气凝胶，其最早由美国科学工作者Kistler在1931年制得。气凝胶略低于比空气密度，被叫做“冻结的烟”或“蓝烟”。由于里面的颗粒非常小(纳米量级)，所以可见光经过它时散射较小(瑞利散射)，就像阳光经过空气一样。小绳2优选用光纤制成，以便重量比较轻。高电压产生装置6为产生高电压的装置，如选用ZVS电路，该电路产生交流高压，然后通过使用高压包整流，将交流高压变直流电；zvs电路是根据零电压开关原理，产生高频正弦波。ZVS核心是零电压开关，实现软开关，可以降低开关损耗，提高效率，可用于直流和交流电源。本实用新型的高电压产生装置6还可需用其他类似的高电压产生装置。测量电量时,包括如下步骤(I)小球带电阶段先利用摩擦起电的方式使绝缘的小球3带上电荷，关上铁门7，使仪器内部产生静电屏蔽作用，防止外部环境干扰；(2)小球偏转阶段打开双键开关，使发光二极管5处于照明状态，ZVS高电压产生装置6产生三万伏特高压,此电压加于电极板4,产生一个6X 105V/m的大电场,带电的小球3在此电场中向一侧偏转(带正电时向右偏，带负电时向左偏)，此时小球3在电场中的受力如图2所示，发光二极管5产生的强光照射小球2，产生的暗斑透过小球2下面的透光孔，通过反光镜8和透光槽9照射到投影刻度纸10上；(3)读数阶段读出投影刻度纸10上暗斑最高点和最低点的刻度数，取平均值即为暗斑中心点的刻度，将此刻度与预先制作出来的“刻度与带电量的对照表”对照，即可读出小球2的带电量。本实用新型利用小绳悬挂起用密度极低的小球3，再将小球3放置于水平电场E中，小球3在电场中受力偏离原来垂直位置一定的角度Θ，再利用放置在绳子固定端的点光源对小球照射，小球在光线照射下形成一个影子暗斑，暗斑经过斜放着的平面镜的反射投射到平面镜右边的竖直刻度板。如图2所示，本实用新型小球3受力应用了四力平衡的物理模型，其中F为小绳2的重力对小球3的作用力，qE为电场力，mg为重力，T为绳子2对小球3的拉力；假如小绳2的重`量可以忽略，那么只会有拉力T，但是在精确测量中，绳子的重量不能忽略，所以本实用新型考虑绳子的重力对小球的作用力F ;带电的小球3由光纤制成的小绳2系在装置顶部，小球3左右两边有两个电极板4 (优选铜板)，可以产生E=U/d=6 X 105V/m的强电场，致使带电小球在其中产生偏转，测出小球的偏转角，就可以根据简单的力学知识求得带电小球上所带的电荷量。然而，现实操作中测量偏转角较小，导致难以测得小球的偏转角，若直接测量偏转角带入计算会产生较大的误差。于是，本实用新型创新地利用平面镜及一个点光源将对角度的测量转换为对长度的测量，令小球不带电时其在刻度纸上的光斑所在位置为零刻度点即参考点，该测量的长度是指小球带电时其光斑偏离零刻度点的长度L，建立起偏转角度绝对值与长度的一一映射关系，最终推导出了带电小球上所带电荷量与长度的函数关系，然后将一些整数电荷值所对应的长度计算出来，标成刻度，画在刻度纸上，测量时根据小球光斑中心所在位置对应的电荷值即可知道带电小球所带的电量。测量过程十秒之内即可完成，操作过程简便迅速。刻度板上的刻度是根据实验已得出的公式Fcos Θ +Tsin Θ =qEFsin Θ +mg=Tcos θ联立上述两个方程可得FcosΘ +Ftan Θ sin Θ +mgtan Θ =qE[0033]通过平面镜反射原理和几何计算得到的公式tan Θ =L/K ;其中L是光斑偏离零刻度点的长度，单位cm ；K为常数66. 5973，单位cm。进行计算，将刻度板上的长度的量转换为电子数目的量，相邻刻度线表示的电子数目相差100个电子e，读数时可直接读出电子数，只要电场所加电压和刻度板的长度设计合理，就可以使误差控制在100个电子e以内)上，以此将对偏离的角度的测量转换成对放大了的长度L的测量，大大减小了测量长度时造成的误差，也使得实验仪器能够精确测量出电量极小的微电量，而且L可正可负，分别代表着小球带着正电荷或负电荷。本实验的关键之处在于采用了密度极小的带电小球，并利用平面镜对距离进行放大。本实用新型根据原理简单但却十分巧妙的方法测出了微电量的计算公式，具有可行性，更重要的是，实验 成本与仪器制造成本十分廉价，具有较大的发展潜能和市场价值。
权利要求1.一种基于光投影法的微电量测量仪，其特征在于包括铁箱、小绳、小球、电极板、发光二极管、高电压产生装置、反射镜、透光槽和投影刻度纸；其中铁箱为上下层的空腔结构，铁箱内上层的一侧放置着两块相距5CM的电极板；两块电极板之间纵向中心线的正上方装嵌着一个发光二极管；两块电极板纵向中心线处通过小绳悬挂着一个小球，两块电极板之间纵向中心线的正下方设有通孔与铁箱下层空腔连通；高电压产生装置引出的两条正负极导线分别接到两块电极板上；高电压产生装置放置在铁箱上层的另一侧，铁箱上方设有一个双键开关，双键开关一端与电源连接，另一端分别通过穿过铁箱上两个小孔的导线与发光二极管和高电压产生装置连接；铁箱内下层位于通孔下端，设有一反射镜，铁箱内下层与反射镜相对的一端设有透光槽，透光槽外覆盖一层投影刻度纸；所述小球为气凝胶或泡沫制成的小球。
2.根据权利要求1所述的基于光投影法的微电量测量仪，其特征在于所述小球的直径为 0. 45CM。
3.根据权利要求1所述的基于光投影法的微电量测量仪，其特征在于铁箱为长方体空腔结构，长方体空腔结构内部间隔为上下两层，上层为高电压产生区，下层为反射测量区。
4.根据权利要求3所述的基于光投影法的微电量测量仪，其特征在于所述铁箱上层正面设有铁门。
5.根据权利要求1所述的基于光投影法的微电量测量仪，其特征在于所述通孔的半径为1. 5CM。
6.根据权利要求1所述的基于光投影法的微电量测量仪，其特征在于所述反射镜为45度角的反射镜。
7.根据权利要求1所述的基于光投影法进行微电量测量的仪器，其特征在于所述小绳用光纤制成。
专利摘要本实用新型公开了一种基于光投影法的微电量测量仪，包括铁箱、小绳、小球、电极板、发光二极管、高电压产生装置、反射镜、透光槽和投影刻度纸；其中铁箱为上下层的空腔结构，铁箱内上层的一侧放置着两块相距5CM的电极板；两块电极板之间纵向中心线的正上方装嵌着一个发光二极管；两块电极板纵向中心线处通过小绳悬挂着一个小球，铁箱内下层位于通孔下端，设有一反射镜，铁箱内下层与反射镜相对的一端设有透光槽，透光槽外覆盖一层投影刻度纸。本实用新型利用小绳悬挂起用密度极低的小球，利用平面镜的反射原理将这该距离进行放大，大大减小了测量长度时造成的误差，也使得本实用新型能够精确测量出电量极小的微电量。
文档编号G01R29/24GK202903900SQ201220297058
公开日2013年4月24日 申请日期2012年6月21日 优先权日2012年6月21日
发明者张成多, 谭祖雁, 王接林, 温志豪 申请人:张成多, 谭祖雁, 王接林, 温志豪