一種基於多次光反射放大法的微電量測量儀的製作方法

2023-10-17 15:53:59 1

專利名稱：一種基於多次光反射放大法的微電量測量儀的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及微電量測量儀，特別是涉及一種基於多次光反射放大法的微電量測量儀，屬於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裡的一個重要課題，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，還包括用於粉塵電荷量測量的敏感探頭、信號調理模塊與A/D轉換模塊，敏感探頭與信號調理模塊連接，信號調理模塊與A/D轉換模塊連接，A/D轉換模塊與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換為更容易處理的電壓信號，後經過相應處理並送往DSP處理模塊，在DSP處理模塊內部實現對信號的進一步濾波處理後，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，並不能準確測量電荷量的大小，而且裝置結構複雜，製備成本高。

實用新型內容為了克服現有技術的不足，本實用新型提供一種能準確測量微電量大小，且實驗成本與儀器製造成本十分廉價的基於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。本實用新型的目的通過如下技術方案實現一種基於多次光反射放大法進行微電量測量的儀器，包括直流高壓產生電路、雷射光源、轉軸、電極板、小繩、小球、反射鏡和光控計數器；鐵箱設有左右兩個空腔，左右兩個空腔中一個為高電壓產生區，另一個為反射測量區；反射測量區一側放置著兩塊相距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小球，雷射光源與小繩間隔固定於轉軸上，轉軸固定在反射測量區的上端；高電壓產生裝置引出的兩條正負極導線分別接到兩塊電極板上；高電壓產生裝置放置在高電壓產生區；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雷射光源和高電壓產生裝置連接；反射測量區設有上下兩個反射鏡，下面的反射鏡上標有刻度；光控計數器活動設置在下面的反射鏡外側。為進一步實現本實用新型目的，所述小球的直徑優選為O. 45cm。所述雷射光源與小繩間隔優選為5cm。所述雷射光源優選粘貼或焊接在轉軸上。所述左空腔優選為高電壓產生區，右空腔優選為反射測量區.所述鐵箱的長寬高分別為120cm、30cm和20cm。[0012]相對於現有技術，本實用新型具有如下優點和有益效果(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，再將小球放置於電場中，小球在電場中受力偏離原來垂直位置一定的角度，再利用雷射器將對偏離的角度的測量轉換成對長度的測量，同時本實用新型採用了密度極小的氣凝膠製成的小球，以及採用了平面鏡對距離進行放大，利用平面鏡的多次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。(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,十秒之內即可完成讀數。(3)本實用新型測量儀成本低，實驗材料按市場價格在三百元左右。(4)本實用新型操作簡便，具有較強的實用性。

圖1是本實用新型基於光投影法的微電量測量儀的結構示意圖。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範圍並不局限於具體實施方式
中所描述的範圍。如圖1所示，一種基於多次光反射放大法進行微電量測量的儀器，包括鐵箱1、小繩2、小球3、電極板4、雷射光源5、高電壓產生裝置6、轉軸7、反射鏡8和光控計數器9 ;其中鐵箱I設有左右兩個空腔，左右兩個空腔中一個為高電壓產生區，另一個為反射測量區；如圖1中左空腔為高電壓產生區，右空腔為反射測量區；反射測量區一側放置著兩塊相距5CM的電極板4 ;兩塊電極板4縱向中心線處通過小繩2懸掛著一個小球3,該小球3的直徑優選為O. 45cm ;雷射光源5與小繩2間隔固定於轉軸7上，雷射光源5與小繩2間隔優選為5cm，雷射光源5與小繩2都固定在轉軸7上，可確保小繩2與雷射光源5轉動相同的角度；轉軸7固定在反射測量區的上端，與位於上面的反射鏡8同一高度；雷射光源5優選粘貼或焊接在轉軸上；從圖1正面看，雷射光源與小繩末端重疊在一點，從側面圖看，兩者在同一水平線上，並錯開一定距離。防止電極板擋住光路。鐵箱I高電壓產生裝置6引出的兩條正負極導線分別接到兩塊電極板4上；高電壓產生裝置6放置在高電壓產生區；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雷射光源5和高電壓產生裝置6連接；鐵箱I的右空腔設有上下兩個反射鏡8，下面的反射鏡8上標有刻度。光控計數器9活動設置在下面的反射鏡8外側，用於測量光斑數N。小球3為氣凝膠或泡沫製成的小球,小球的直徑優選為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形態，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，質量為1. 178X 10_3g。常見的氣凝膠為矽氣凝膠，其最早由美國科學工作者Kistler在1931年製得。氣凝膠略低於比空氣密度，被叫做「凍結的煙」或「藍煙」。由於裡面的顆粒非常小(納米量級)，所以可見光經過它時散射較小(瑞利散射)，就像陽光經過空氣一樣。小繩2優選用光纖製成，以便重量比較輕。高電壓產生裝置6為產生高電壓的裝置，如選用ZVS電路，該電路產生交流高壓，然後通過使用高壓包整流，將交流高壓變直流電；zvs電路是根據零電壓開關原理，產生高頻正弦波。ZVS核心是零電壓開關，實現軟開關，可以降低開關損耗，提高效率，可用於直流和交流電源。本實用新型的高電壓產生裝置6還可需用其他類似的高電壓產生裝置。雷射光源5為405nm雷射器二極體(型號450nm LD)最高功率105mW，壽命超過10000小時,5. 6mm TO封裝。生產單位Laser Components公司)光控計數器9可選擇型號A380，B220光控計數器，生產單位科迅電子製品公司，ABC/千如。鐵箱的長寬高分別優選為 120cm、30cm 和 20cm。小繩2優選用光纖製成的，直徑優選為O. 125X 10_3cm，長度為9. 6cm。反射鏡8優選為長度IOOcm的平面鏡，且下表面的鏡子帶有測量刻度。測量電量時，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)雷射偏轉階段打開雙鍵開關，使雷射電源導通，ZVS高電壓產生裝置6產生三萬伏特高壓，此電壓加於電極板4,產生一個6X 105V/m的大電場,帶電的小球3在此電場中偏轉，轉軸7將小繩2轉動的角度以電信號傳給雷射光源5，使雷射光源5轉動相同角度(轉軸7將小繩2轉動的角度以電信號傳給雷射光源5 :小繩2的固定端也與轉軸一端粘貼在一起，或者說緊S地系在轉軸一端上，小繩偏轉將帶動轉軸機械轉動，從而帶動雷射器偏轉);(3)讀數階段雷射通過上下兩個反射鏡多次反射，最後可以讀出下面反射鏡上最後一個光斑所在的刻度，並利用光控`計數器測得光斑個數，將這兩個量代入公式(4)即可得出小球所帶微電量。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放置於水平電場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，再利用轉軸7將小繩2轉動的角度以電信號傳給雷射光源5，使雷射光源5轉動相同角度，雷射通過上下兩個反射鏡多次反射，最後可以讀出下面反射鏡上最後一個光斑所在的刻度，並利用光控計數器測得光斑個數。如圖2所示，本實用新型小球3受力應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由光纖製成的小繩2系在裝置頂部，小球3左右兩邊有兩個電極板4 (優選銅板)，可以產生E=U/d=6X 105V/m的強電場，致使帶電小球在其中產生偏轉，測出小球的偏轉角，就可以根據簡單的力學知識求得帶電小球上所帶的電荷量。然而，現實操作中測量偏轉角較小，導致難以測得小球的偏轉角，若直接測量偏轉角帶入計算會產生較大的誤差。於是，本實用新型創新地利用平面鏡及一個雷射光源將對角度的測量轉換為對長度的測量，令小球不帶電時其在下面反射鏡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在下面反射鏡上最後一個光斑偏離零刻度點的長度L，並利用光控計數器測得下面反射鏡上的光斑個數N，最終推導出了帶電小球上所帶電荷量與長度L和N的函數關係。操作過程和計算過程簡便迅速。刻度板上的刻度是根據實驗得出如下公式tan Θ =qE/F (I)[0033]tan Θ =L/nl (2)n=2N-l(3)聯立上述方程可得q=FL/nlE (4)其中，Θ為小球3在電場中的偏轉角，q為小球所帶電量，E為電極板產生的電場大小，F為小球3重力和浮力的合力，η為光程的放大倍數，L為最後一個光斑偏離零刻度點的長度。下面的反射鏡8上標有刻度，小球3處於豎直狀態時雷射光斑對應的點設為零刻度，小球受力偏轉後可以直接讀取下平面鏡上最後一個光斑的刻度值，即L ；Ν為反射鏡上的光斑個數，可由光控計數器9測得反射鏡上的光斑個數N值；具體方法是讓光控計數器9從平面鏡上最後一個光斑開始緩慢平移至平面鏡左邊第一個光斑，光控計數器記錄光斑個數，即N值。I為兩反射鏡8之間的距離。E，I，F是設定值，N，L為測量得出值，通過測量得出L和N，進行計算，即可算出帶電量q。只要電場所加電壓和鏡子長度設計合理，就可以使誤差控制在100個電子e以內，以此將對偏離的角度的測量轉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。本實用新型採用了密度極小的帶電小球，並利用平面鏡多次反射對距離進行放大，原理新穎。本實用新型根據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，實驗成本與儀器製造成本十分廉價，具有較大的發展潛能和市場價值。
權利要求1.一種基於多次光反射放大法的微電量測量儀，其特徵在於，包括直流高壓產生電路、雷射光源、轉軸、電極板、小繩、小球、反射鏡和光控計數器；鐵箱設有左右兩個空腔，左右兩個空腔中一個為高電壓產生區，另一個為反射測量區；反射測量區一側放置著兩塊相距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小球，雷射光源與小繩間隔固定於轉軸上，轉軸固定在反射測量區的上端；高電壓產生裝置引出的兩條正負極導線分別接到兩塊電極板上；高電壓產生裝置放置在高電壓產生區；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雷射光源和高電壓產生裝置連接；反射測量區設有上下兩個反射鏡，下面的反射鏡上標有刻度；光控計數器活動設置在下面的反射鏡外側。
2.根據權利要求1所述的基於多次光反射放大法的微電量測量儀，其特徵在於所述小球的直徑為O. 45cm。
3.根據權利要求1所述的基於多次光反射放大法的微電量測量儀，其特徵在於所述雷射光源與小繩間隔為5cm。
4.根據權利要求1所述的基於多次光反射放大法的微電量測量儀，其特徵在於所述雷射光源粘貼或焊接在轉軸上。
5.根據權利要求1所述的基於多次光反射放大法的微電量測量儀，其特徵在於所述左空腔為高電壓產生區，右空腔為反射測量區。
6.根據權利要求1所述的基於多次光反射放大法的微電量測量儀，其特徵在於所述鐵箱的長寬高分別為120cm、30cm和20cm。
專利摘要本實用新型公開了一種基於多次光反射放大法的微電量測量儀，其包括直流高壓產生電路、雷射光源、轉軸、電極板、小繩、小球、反射鏡和光控計數器；鐵箱設有左右兩個空腔，反射測量區一側放置著兩塊相距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小球，雷射光源與小繩間隔固定於轉軸上，轉軸固定在反射測量區的上端；高電壓產生裝置放置在高電壓產生區；反射測量區設有上下兩個反射鏡，下面的反射鏡上標有刻度；光控計數器活動設置在下面的反射鏡外側。本實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G01R29/24GK202903901SQ20122045682
公開日2013年4月24日 申請日期2012年9月7日 優先權日2012年9月7日
發明者譚祖雁, 張成多, 溫志豪, 王接林 申請人:譚祖雁, 張成多, 溫志豪, 王接林