勞媚媚，張 童，李 瑩，邱史杰，楊初平

（1.華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 公共基礎(chǔ)課實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心；2.華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 動(dòng)物科學(xué)學(xué)院；3.華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 理學(xué)院，廣東 廣州 510642）

新型微小質(zhì)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(nóng)業(yè)大學(xué) 公共基礎(chǔ)課實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心；2.華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 動(dòng)物科學(xué)學(xué)院；3.華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 理學(xué)院，廣東 廣州 510642）

儀器采用力學(xué)與光學(xué)進(jìn)行轉(zhuǎn)換的設(shè)計(jì)思想，質(zhì)量的變化使得劈尖上片的搭腳位置發(fā)生改變，利用搭腳的連動(dòng)，改變劈尖裝置的夾角，使得劈尖裝置等厚干涉條紋間距發(fā)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(tǒng)和PC機(jī)軟件系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化測量微小質(zhì)量.

微小質(zhì)量；等厚干涉；自動(dòng)化；測量

質(zhì)量測量的儀器很多，但要測量微小質(zhì)量就要用誤差小、操作穩(wěn)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(wěn)定，但操作繁瑣，不易于自動(dòng)化，各種接觸摩擦的誤差大，且價(jià)格貴.電子天平實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化測量，也能夠精確地測量各種大小的質(zhì)量，操作簡便，而且將測力轉(zhuǎn)換成測電量，穩(wěn)定性大大增強(qiáng)，但是它設(shè)計(jì)復(fù)雜，導(dǎo)致成本高[1-4].本文采用力學(xué)與光學(xué)進(jìn)行轉(zhuǎn)換的設(shè)計(jì)思想，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化測量微小質(zhì)量.該設(shè)計(jì)原理簡單，操作簡便，成本低廉，測量精度高，響應(yīng)時(shí)間短，可以作為一種新型實(shí)驗(yàn)室測量微小質(zhì)量的方法，同時(shí)也可以作為學(xué)生物理設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)供教學(xué)研究使用，具有廣泛的應(yīng)用前景.

1 基本原理及設(shè)計(jì)思想

本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)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(wèi)是相鄰條紋間距，λ是入射光波長，n=1是介質(zhì)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(gè)很小的角，只要θ發(fā)生微小變化，條紋間距就會發(fā)生變化.而實(shí)驗(yàn)思路是利用微小質(zhì)量產(chǎn)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(zhì)量.

2 利用等厚干涉原理結(jié)合彈簧（彈簧）裝置的設(shè)計(jì)

利用等厚干涉原理結(jié)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(jié)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(gè)彈簧裝置.

2.2 劈尖裝置

劈尖片固定在可以調(diào)節(jié)高度的升降平臺上，劈尖片上片貼有一個(gè)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(dòng)鉸鏈貼在一起，組成劈尖裝置，其夾角可以調(diào)節(jié).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?yàn)楸砻嫖搅φ吃谝黄?，影響測量精度.

3 CCD檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

CCD檢測系統(tǒng)的主要技術(shù)包括：采用AT89C55的單片機(jī)、使用TCD1500型號的線陣CCD、圖型液晶192X64、菜單選擇功能、單片機(jī)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(dāng)把待測物體放在托盤上面時(shí)，利用搭腳的連動(dòng)，改變劈尖裝置的夾角，使得劈尖裝置等厚干涉條紋間距發(fā)生變化，通過CCD能精確計(jì)算出相鄰條紋間距的改變量，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化測量微小質(zhì)量.本型號的CCD（TCD1500C）內(nèi)部含有5340個(gè)像敏單元，每個(gè)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(jīng)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(tǒng)計(jì)出脈沖數(shù)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(shù)目變化量.

單片機(jī)定時(shí)從接收模塊讀取ΔA，然后把它存入一寄存器中，執(zhí)行相應(yīng)的顯示程序再在LCD上顯示出當(dāng)前物體的質(zhì)量.

3.2 CCD硬件設(shè)計(jì)

硬件系統(tǒng)框圖如圖2所示.由單片機(jī)控制CCD驅(qū)動(dòng)信號的產(chǎn)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(shí)是脈沖序列，信號接收模塊對脈沖序列進(jìn)行計(jì)數(shù),，把最終結(jié)果送給單片機(jī)處理.把中間處理的一些數(shù)據(jù)存入RAM中，在進(jìn)行LCD顯示時(shí)，再從RAM中調(diào)回?cái)?shù)據(jù).

圖2 CCD硬件系統(tǒng)框圖

CCD檢測模塊包括CCD芯片、驅(qū)動(dòng)電路、輸出處理電路.本系統(tǒng)選用的TCD1500C能測量的精度達(dá)正負(fù)7μm.其特征為：像敏單元數(shù)目為5340像元，像敏單元大小為7μm ×7μm×7μm，光敏區(qū)域?yàn)椴捎酶哽`敏度PN結(jié)作為光敏單元，時(shí)鐘為兩相（5V），內(nèi)部電路為包含采樣保持電路和輸出預(yù)放大電路，封裝形式為22腳DIP形式.本驅(qū)動(dòng)電路選用獨(dú)立脈沖源，由石英晶振和反向器(74LS04)產(chǎn)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(jī)控制脈沖是否選通，組成CCD的驅(qū)動(dòng)信號.CCD的信號接收是先把CCD輸出的視頻信號進(jìn)行放大、濾波、模數(shù)轉(zhuǎn)化后，再把脈沖送到接收模塊計(jì)數(shù)，從計(jì)得的脈沖數(shù)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(jìn)行脈沖計(jì)數(shù)，由一片可編程定時(shí)/計(jì)數(shù)芯片82C54構(gòu)成.其特征有：3個(gè)獨(dú)立的16位計(jì)數(shù)器、6種模式選擇、十六進(jìn)制/十進(jìn)制計(jì)數(shù)、有計(jì)數(shù)鎖存命令、有讀回命令.

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

4.0 ~5.5V、全靜態(tài)時(shí)鐘0Hz~33MHz、三級程序加密、32個(gè)可編程IO口、3個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器、8個(gè)中斷源.

液晶顯示器采用HS19264，它是一種圖形點(diǎn)陣液晶顯示器，主要由行驅(qū)動(dòng)器/列驅(qū)動(dòng)器及12×4個(gè)全點(diǎn)陣液晶顯示器組成.可以完成圖形顯示，也可以顯示12×4個(gè)漢字（16 ×6點(diǎn)陣的漢字).在本系統(tǒng)中，用它來實(shí)現(xiàn)操作界面.

4 PC機(jī)軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

PC機(jī)軟件系統(tǒng)由VBasic6.0開發(fā).計(jì)算機(jī)通過串口獲取相鄰條紋間距的改變量數(shù)據(jù)，將相鄰條紋間距的改變量數(shù)據(jù)按照轉(zhuǎn)換公式轉(zhuǎn)換成質(zhì)量數(shù)據(jù)并實(shí)時(shí)繪制動(dòng)態(tài)曲線，待線狀圖穩(wěn)定成一直線時(shí)，質(zhì)量框顯示的就是當(dāng)前所測量的物體的準(zhǔn)確質(zhì)量，PC機(jī)軟件流程圖如圖3所示.該軟件具有可視化界面、參數(shù)設(shè)置容易、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換等特點(diǎn)，能實(shí)現(xiàn)質(zhì)量顯示、時(shí)間顯示、記錄質(zhì)量、保存幅度曲線圖等功能.

圖3 PC機(jī)軟件流程圖

5 結(jié)束語

在完成系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)后，用不同質(zhì)量的物體對微小質(zhì)量測量儀進(jìn)行測試，并與實(shí)驗(yàn)室的精密天平的測量結(jié)果進(jìn)行比較.我們自制的微小質(zhì)量測量儀的測量范圍是0mg-1000mg，精度達(dá)到1mg.本系統(tǒng)精度較高、穩(wěn)定性好.該測量儀采用力學(xué)與光學(xué)進(jìn)行轉(zhuǎn)換的設(shè)計(jì)思想，設(shè)計(jì)方案新穎、精度高、成本低，硬件系統(tǒng)總價(jià)200多元，是一套實(shí)用型微小質(zhì)量測量系統(tǒng)，可以作為一種新型實(shí)驗(yàn)室測量微小質(zhì)量的方法，同時(shí)也可以作為學(xué)生物理設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)供教學(xué)研究使用，具有廣泛的應(yīng)用前景.

〔1〕張冀，張培仁，王琪民，等．一種微質(zhì)量傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化[J].機(jī)電一體化，2006，12（5）：18-22.

〔2〕黃妙新.天平四大計(jì)量性能是評價(jià)電子天平優(yōu)劣的依據(jù)[J].計(jì)量技術(shù),2000（9）：40-41.

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

〔4〕李季，劉積學(xué)．合理利用廢舊儀器建立綜合開放物理實(shí)驗(yàn)室[J].阜陽師范學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）,2004（1）：60-61.

〔5〕揚(yáng)風(fēng)和．CCD應(yīng)用技術(shù)[M].天津:天津大學(xué)出版社,2000.49.

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

〔7〕王建校．51系列單片機(jī)及C51程序設(shè)計(jì)[M].北京:科學(xué)出版社,2002.

TH715

A

1673-260X（2014）01-0076-02

廣東省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目；華南農(nóng)業(yè)大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目；華南農(nóng)業(yè)大學(xué)2012年教育教學(xué)改革與研究基金資助項(xiàng)目（JG12062）