新型微小質量測量儀的研制

勞媚媚，張 童，李 瑩，邱史杰，楊初平

（1.華南農業大學 公共基礎課實驗教學中心；2.華南農業大學 動物科學學院；3.華南農業大學 理學院，廣東 廣州 510642）

新型微小質量測量儀的研制

勞媚媚1，張 童2，李 瑩2，邱史杰2，楊初平3

（1.華南農業大學 公共基礎課實驗教學中心；2.華南農業大學 動物科學學院；3.華南農業大學 理學院，廣東 廣州 510642）

儀器采用力學與光學進行轉換的設計思想，質量的變化使得劈尖上片的搭腳位置發生改變，利用搭腳的連動，改變劈尖裝置的夾角，使得劈尖裝置等厚干涉條紋間距發生變化，通過測量相鄰條紋間距的改變量求出劈尖裝置夾角改變的角度，最后通過CCD檢測系統和PC機軟件系統可實現自動化測量微小質量.

微小質量；等厚干涉；自動化；測量

質量測量的儀器很多，但要測量微小質量就要用誤差小、操作穩定的儀器.分析天平和扭力天平的測量精度都比較高，也比較穩定，但操作繁瑣，不易于自動化，各種接觸摩擦的誤差大，且價格貴.電子天平實現了自動化測量，也能夠精確地測量各種大小的質量，操作簡便，而且將測力轉換成測電量，穩定性大大增強，但是它設計復雜，導致成本高[1-4].本文采用力學與光學進行轉換的設計思想，實現自動化測量微小質量.該設計原理簡單，操作簡便，成本低廉，測量精度高，響應時間短，可以作為一種新型實驗室測量微小質量的方法，同時也可以作為學生物理設計性實驗供教學研究使用，具有廣泛的應用前景.

1 基本原理及設計思想

本實驗設計思想是通過等厚干涉原理來間接測量Δx.

等厚干涉條紋的間距有公式

其中l是相鄰條紋間距，λ是入射光波長，n=1是介質膜折射率，θ是劈尖裝置中兩平整度極高的玻璃片夾角.

由等厚干涉原理可知，θ是一個很小的角，只要θ發生微小變化，條紋間距就會發生變化.而實驗思路是利用微小質量產生的拉力來改變夾角θ，從而改變l.通過測量l的變化，反過來求出物體的質量.

2 利用等厚干涉原理結合彈簧（彈簧）裝置的設計

利用等厚干涉原理結合彈簧裝置如圖1所示，主要包括彈簧裝置、劈尖裝置、移測顯微鏡、升降平臺底座等部分組成.裝置主要部分的工作原理敘述如下.

圖1 用等厚干涉原理結合彈簧（彈簧）裝置

2.1 彈簧裝置

在平面底座上裝兩根支柱，支柱上端有橫梁，橫梁中部穿孔，彈簧穿過孔并用卡頭卡緊固定，彈簧下端用凸形緊固件鎖緊并與小托盤連接，從而組成一個彈簧裝置.

2.2 劈尖裝置

劈尖片固定在可以調節高度的升降平臺上，劈尖片上片貼有一個搭腳并伸出搭在凸形緊固件上，移測顯微鏡也放在升降平臺上，用于測量條紋間距.劈尖片用活動鉸鏈貼在一起，組成劈尖裝置，其夾角可以調節.在劈尖兩玻璃片之間墊一薄片，厚度約為0.03mm，目的是防止兩玻璃片因為表面吸附力粘在一起，影響測量精度.

3 CCD檢測系統的設計

CCD檢測系統的主要技術包括：采用AT89C55的單片機、使用TCD1500型號的線陣CCD、圖型液晶192X64、菜單選擇功能、單片機外圍芯片82C54和HM6116，VB軟件編程.

3.1 CCD檢測原理

CCD接入移測顯微鏡的目鏡，當把待測物體放在托盤上面時，利用搭腳的連動，改變劈尖裝置的夾角，使得劈尖裝置等厚干涉條紋間距發生變化，通過CCD能精確計算出相鄰條紋間距的改變量，可實現自動化測量微小質量.本型號的CCD（TCD1500C）內部含有5340個像敏單元，每個像敏單元的間距為7μm，被光照射過的單元輸出的是低電平脈沖，反之輸出的是高電平脈沖.

把CCD輸出的脈沖信號經過放大，帶通濾波去除干擾，再反向，最后通過二值化后就可以送給接收模塊統計出脈沖數目，從而可由以下公式得出相鄰條紋間距的改變量ΔL：

其中，ΔL是相鄰條紋間距的改變量（單位：m）；ΔA是脈沖數目變化量.

單片機定時從接收模塊讀取ΔA，然后把它存入一寄存器中，執行相應的顯示程序再在LCD上顯示出當前物體的質量.

3.2 CCD硬件設計

硬件系統框圖如圖2所示.由單片機控制CCD驅動信號的產生，從而控制CCD檢測模塊工作[5].CCD檢測模塊出來的相鄰條紋間距的改變量信號其實是脈沖序列，信號接收模塊對脈沖序列進行計數,，把最終結果送給單片機處理.把中間處理的一些數據存入RAM中，在進行LCD顯示時，再從RAM中調回數據.

圖2 CCD硬件系統框圖

CCD檢測模塊包括CCD芯片、驅動電路、輸出處理電路.本系統選用的TCD1500C能測量的精度達正負7μm.其特征為：像敏單元數目為5340像元，像敏單元大小為7μm ×7μm×7μm，光敏區域為采用高靈敏度PN結作為光敏單元，時鐘為兩相（5V），內部電路為包含采樣保持電路和輸出預放大電路，封裝形式為22腳DIP形式.本驅動電路選用獨立脈沖源，由石英晶振和反向器(74LS04)產生4MHz的方波.分頻電路選用分頻芯片74LS393，再加一片二位與非門74LS00用作單片機控制脈沖是否選通，組成CCD的驅動信號.CCD的信號接收是先把CCD輸出的視頻信號進行放大、濾波、模數轉化后，再把脈沖送到接收模塊計數，從計得的脈沖數目得出相鄰條紋間距的改變量.

信號接收模塊是對CCD的輸出信號進行脈沖計數，由一片可編程定時/計數芯片82C54構成.其特征有：3個獨立的16位計數器、6種模式選擇、十六進制/十進制計數、有計數鎖存命令、有讀回命令.

單片機系統采用較大容量的單片機AT89C55作為主控制器[6-7].它是51系列，兼容MCS51指令，基于8031的內核.其特征有：兼容MCS51微控制器，20k字節FLASH程序存貯器、1000次擦寫周期、256字節片內RAM、工作電壓

4.0 ~5.5V、全靜態時鐘0Hz~33MHz、三級程序加密、32個可編程IO口、3個16位定時/計數器、8個中斷源.

液晶顯示器采用HS19264，它是一種圖形點陣液晶顯示器，主要由行驅動器/列驅動器及12×4個全點陣液晶顯示器組成.可以完成圖形顯示，也可以顯示12×4個漢字（16 ×6點陣的漢字).在本系統中，用它來實現操作界面.

4 PC機軟件系統的設計

PC機軟件系統由VBasic6.0開發.計算機通過串口獲取相鄰條紋間距的改變量數據，將相鄰條紋間距的改變量數據按照轉換公式轉換成質量數據并實時繪制動態曲線，待線狀圖穩定成一直線時，質量框顯示的就是當前所測量的物體的準確質量，PC機軟件流程圖如圖3所示.該軟件具有可視化界面、參數設置容易、實時數據轉換等特點，能實現質量顯示、時間顯示、記錄質量、保存幅度曲線圖等功能.

圖3 PC機軟件流程圖

5 結束語

在完成系統的軟硬件設計后，用不同質量的物體對微小質量測量儀進行測試，并與實驗室的精密天平的測量結果進行比較.我們自制的微小質量測量儀的測量范圍是0mg-1000mg，精度達到1mg.本系統精度較高、穩定性好.該測量儀采用力學與光學進行轉換的設計思想，設計方案新穎、精度高、成本低，硬件系統總價200多元，是一套實用型微小質量測量系統，可以作為一種新型實驗室測量微小質量的方法，同時也可以作為學生物理設計性實驗供教學研究使用，具有廣泛的應用前景.

〔1〕張冀，張培仁，王琪民，等．一種微質量傳感器的結構設計與優化[J].機電一體化，2006，12（5）：18-22.

〔2〕黃妙新.天平四大計量性能是評價電子天平優劣的依據[J].計量技術,2000（9）：40-41.

〔3〕袁升興.誤差及不確定度[J].鄭州工學院學報,1995,16（1）：108-113.

〔4〕李季，劉積學．合理利用廢舊儀器建立綜合開放物理實驗室[J].阜陽師范學院學報（自然科學版）,2004（1）：60-61.

〔5〕揚風和．CCD應用技術[M].天津:天津大學出版社,2000.49.

〔6〕李朝青．單片機原理及接口技術[M].(簡明修訂版).北京:北京航空航天大學出版社,1999.

〔7〕王建校．51系列單片機及C51程序設計[M].北京:科學出版社,2002.

TH715

A

1673-260X（2014）01-0076-02

廣東省大學生創新創業訓練項目；華南農業大學大學生創新創業訓練項目；華南農業大學2012年教育教學改革與研究基金資助項目（JG12062）