技术领域
[0001] 本
发明涉及测量领域，具体地涉及一种基于
表面等离子体共振
传感器的重量测量仪。
背景技术
[0002] 由于工业技术的快速发展，对精密仪器的测量
精度要求越来越高，传统的测量仪器在测量精度、速度和
稳定性等方面存在较多劣势。
[0003] 以重量测量仪器为例，现有的用于重量测量的仪器主要是应变片传感器和电磁
力传感器。其中，应变片传感器利用
电阻应变原理对待称重物品进行称重，而电磁力传感器则利用电磁力平衡原理对待称重物品进行称重。
[0004] 无论是应变片传感器还是电磁力传感器，它们的测量精度和影响速度都相对较低，且结构复杂，对系统机加工的要求较高，一般需要通过进口获得，成本
费用较高。
[0005] 因此，有必要提供一种测量精度更高、速度更快，成本更低的重量测量仪器。
发明内容
[0006] 本发明的目的是为了至少能够在一定程度上克服
现有技术存在的上述技术问题之一，提供一种测量速度更快，测量精度更高的重量测量仪。
[0007] 为了实现上述目的，本发明一方面提供一种重量测量仪，所述重量测量仪包括：
[0008] 容器，用于容纳可压缩介质；
[0009] 承载件，用于承载待称重的物品；
[0010]
挤压件，该挤压件设置在所述容器和所述承载件之间，用于在所述承载件的重力作用下或所述承载件和所述物品的重力作用下挤压所述容器内的可压缩介质；
[0011]
表面等离子体共振传感器，该表面等离子体共振传感器位于可压缩介质中；
[0012] 光
信号收发模
块，用于向所述表面等离子体共振传感器发射第一
光信号并接收从所述等离子体共振传感器反射回来的第二光信号；
[0013] 折射率计算模块，用于在所述承载件未承载所述物品时根据所述第一光信号和所述第二光信号之间的
相位差计算第一折射率n1，并在所述承载件承载有所述物品时根据所述第一光信号和所述第二光信号之间的
相位差计算第二折射率n2；
[0014] 重量计算模块，用于根据所述第一折射率n1和所述第二折射率n2计算所述物品的重量G。
[0015] 优选地，所述容器包括共振腔和包覆在所述共振腔外的
保护罩，所述共振腔内容纳有所述可压缩介质，所述挤压件的一端伸入在所述共振腔内且与所述共振腔内的可压缩介质
接触以将所述可压缩介质封闭在所述共振腔中，另一端与所述承载件底部连接。
[0016] 优选地，所述光信号收发模块包括：
[0017] 光信号发生器，用于产生光信号；
[0018] 分光器，用于将所述光信号发生器产生的光信号分为两路，其中一路光信号作为所述第一光信号，另一路光信号进入所述共振腔中在所述表面等离子体共振传感器的表面激发表面等离子体共振后被所述表面等离子体共振传感器反射，反射的光信号作为所述第二光信号；
[0019] 第一光电探测器，用于接收所述第一光信号；
[0020] 第二光电探测器，用于接收所述第二光信号。
[0021] 优选地，所述光信号收发模块还包括设置在所述共振腔外的第一反光镜和第二反光镜，所述第一反光镜用于改变所述另一路光信号的照射方向以使该另一路光信号能够进入所述共振腔中；所述第二反光镜用于改变从所述等离子体共振传感器反射回来的第二光信号的照射方向以使该第二光信号能够被所述第二光电探测器接收。
[0022] 优选地，所述折射率计算模块包括：
[0023] 相位检测器，该相位检测器分别信号连接所述第一光电探测器和所述第二光电探测器，用于检测所述第一光信号和所述第二光信号之间的相位差；
[0024] 计算模块，用于在所述承载件未承载所述物品时根据所述第一光信号和所述第二光信号之间的相位差计算所述第一折射率n1，并在所述承载件承载有所述物品时根据所述第一光信号和所述第二光信号之间的相位差计算所述第二折射率n2。
[0025] 优选地，所述计算模块通过如下公式计算所述第一折射率n1和所述第二折射率n2：
[0026]
[0027]
[0028] 其中， 为承载件未承载所述物品时，所述第一光信号和所述第二光信号之间的相位差； 为承载件承载有所述物品时，所述第一光信号和所述第二光信号之间的相位差。
[0029] 优选地，所述可压缩介质为空气；和/或，所述承载件为称盘。
[0030] 优选地，所述重量计算模块通过如下公式计算所述物品的重量G：
[0031]
[0032] 其中，n0为标准状态下的空气折射率；P0为标准状态下的
大气压力；S为所述挤压件与所述可压缩介质的接触面积。
[0033] 优选地，所述挤压件包括连接轴和固定在所述连接轴的一端的
活塞，所述连接轴的另一端与所述承载件底部连接，所述活塞与所述容器中的可压缩介质接触以将所述可压缩介质封闭在所述容器中。
[0034] 优选地，所述表面等离子体共振传感器包括平行六面体棱镜和胶合在所述平行六面体棱镜一端的
屋脊棱镜，所述平行六面体棱镜的相对的两外侧面上涂覆有38nm～42nm的金属膜以在所述第一光信号的激发下产生表面等离子体共振。
[0035] 本发明
实施例提供的技术方案具有如下有益效果：
[0036] 本发明实施例提供的重量测量仪包括容器、承载件、挤压件、表面等离子体共振传感器、光信号收发模块、折射率计算模块和重量计算模块，其中，
表面等离子共振传感器位于封闭在容器中的可压缩介质当中，当承载件承载待称重的物品时，挤压件将在待称重物品的重力作用下进一步挤压容器中的可压缩介质收缩，使得可压缩介质的压强、
密度变大，可压缩介质的折射率将伴随压强和密度的增大而发生变化，通过光信号收发模块和折射率计算模块的配合作用来检测折射率的变化情况，并通过重量计算模块来根据折射率的变化情况计算物品的重量，实验表明，上述重量测量仪的测量精度可以达到10-6级，有利于提高待称重物品的测量精度，并且，通过重量计算模块自动计算待称重物品的重量，有利于提高测量速度。
附图说明
[0037] 图1是本发明实施例提供的重量测量仪的整体外观示意图；
[0038] 图2是本发明实施例提供的重量测量仪的纵截面结构示意图；
[0039] 图3是本发明实施例提供的重量测量仪中的光路部分的局部放大图；
[0040] 图4是本发明实施例提供的重量测量仪中的等离子体共振传感器的结构示意图。
[0041] 附图标记说明
[0042] 1-称盘结构 2-连接轴
[0043] 3-保护罩 4-活塞
[0044] 5-共振腔 6-表面等离子体共振传感器
[0045] 7-光窗 8-反光镜
[0046] 9-光电探测器 10-分光镜
[0049] 15-屋脊棱镜 16-金属膜
具体实施方式
[0050] 以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
[0051] 在本发明中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下、左、右”通常是指参考附图所指的上、下、左、右。“内、外”是指相对于部件本身轮廓的内、外。
[0052] 参阅图1-图4，本发明实施例提供一种重量测量仪，所述重量测量仪包括：容器，用于容纳可压缩介质；承载件，用于承载待称重的物品；挤压件，该挤压件设置在所述容器和所述承载件之间，用于在所述承载件的重力作用下或所述承载件和所述物品的重力作用下挤压所述容器内的可压缩介质；表面等离子体共振传感器6，该表面等离子体共振传感器6位于可压缩介质中；光信号收发模块，用于向所述表面等离子体共振传感器6发射第一光信号并接收从所述等离子体共振传感器反射回来的第二光信号；折射率计算模块，用于在所述承载件未承载所述物品时根据所述第一光信号和所述第二光信号之间的相位差计算第一折射率n1，并在所述承载件承载有所述物品时根据所述第一光信号和所述第二光信号之间的相位差计算第二折射率n2；重量计算模块，用于根据所述第一折射率n1和所述第二折射率n2计算所述物品的重量G。
[0053] 本实施例通过光信号收发模块和折射率计算模块的配合作用来检测折射率的变化情况，并通过重量计算模块来根据折射率的变化情况计算物品的重量，实验表明，上述重量测量仪的测量精度可以达到10-6级，有利于提高待称重物品的测量精度，并且，通过重量计算模块自动计算待称重物品的重量，有利于提高测量速度。
[0054] 并且，本实施例提供的基于表面等离子体共振传感器6的重量测量仪与现有的应变片传感器和电磁力传感器相比，其结合更加简单，加工制造容易，有利于降低重量测量仪器的成本。
[0055] 具体地，参阅图1-图2，所述容器为一个内部形成有空腔，顶部具有开口的罐体，所述开口与所述空腔连通。挤压件的下端通过所述开口伸入至所述容器的空腔中，该空腔中容纳有可压缩介质。
[0056] 所述挤压件相对于所述空腔可上下移动，且所述挤压件的下端面与所述可压缩介质接触，挤压件的外周面与所述容器的内周面滑动密封连接，由此，通过所述挤压件可以将所述可压缩介质封闭在所述容器内。所述挤压件的上端与所述承载件连接，在承载件未承载待称重的物品时，所述挤压件在所述承载件的重力作用下向下挤压所述可压缩介质；在所述承载件承载有待称重的物品时，所述挤压件在承载件和待称重物品共同的重力作用下向下挤压所述可压缩介质。由于受到的重力大小不同，因此，相对于承载件未承载待称重物品，当承载件承载有待称重物品时，容器内的可压缩介质的体积更小，压强更大，密封更大。
[0057] 继续参阅图1-图2，具体实施时，所述承载件例如可以为称盘结构1；所述容器例如可以是顶部例如顶部中心具有开口的中空圆柱体；所述挤压件例如可以是连接轴2加活塞4的结构，所述连接轴2的一端与称盘结构1的底部例如底部中心连接，另一端与所述活塞4连接。具体地，活塞4安装在所述连接轴2的下端端面上，并容纳在中空圆柱体内，中空圆柱体内形成具有与所述活塞4相匹配的滑道，该滑道分别与中空圆柱体的顶部开口和中空圆柱体的内部腔体连通，活塞4可在待称重物品的重力作用下沿着滑道上下滑动。具体地，当称盘上放置物品时，称盘下降，与称盘连接的连接轴2将随称盘的下降而下降，从而使得活塞4能够在所述滑道中向下滑动，活塞4的下降将压缩中空圆柱体内的可压缩介质，使得可压缩介质的压强和密封变大，折射率发生变化。
[0058] 表面等离子体共振传感器6(Surface Plasmon Resonance，简称SPR)位于可压缩介质中，被可压缩介质包围，当光信号例如激光穿过可压缩介质而射向表面等离子体共振传感器6时，该光信号将在表面等离子体共振传感器6上激发表面等离子体共振，引起反射光的强度和相位等参数发生改变，反射光的强度和相位的改变与可压缩介质的折射率呈近似线性关系。
[0059] 本实施例通过光信号收发模块向表面等离子体共振传感器6发射第一光信号，并接受从所述等离子体共振传感器反射回来的第二光信号；由于第一光信号射入表面等离子体共振传感器6在表面等离子体传感器上激发表面等离子共振现象，因此，反射回来的第二光信号的相位将相对于第一光信号的相位产生改变，本实施例通过对相位改变与可压缩介质的折射率之间的关系进行大量研究实验，得出相位改变量与可压缩介质的折射率之间存在如下关系：
[0060]
[0061] 其中，n为可压缩介质的折射率， 为第二光信号与第一光信号之间的相位差，具体地， 其中， 为第二光信号的相位， 为第一光信号的相位。
[0062] 当称盘上没有放置待称重的物品时，通过上述公式(1)可以计算得到第一折射率n1：
[0063]
[0064] 其中， 为承载件未承载所述物品时，所述第一光信号和所述第二光信号之间的相位差。
[0065] 当称盘上放置有待称重的物品时，通过上述公式(1)可以计算得到第二折射率n2：
[0066]
[0067] 其中， 为承载件承载有所述物品时，所述第一光信号和所述第二光信号之间的相位差。
[0068] 在可压缩介质的折射率发生改变时，第二光信号与第一光信号之间的相位差也将发生改变，因此，可以通过计算第二光信号和第一光信号之间的相位差来获知可压缩介质的折射率变化情况。
[0069] 可压缩介质的折射率变化情况与待称重物品的重量相关，根据所述第一折射率n1和所述第二折射率n2可以计算得到物品的重量。具体地，以可压缩介质为空气为例，本
申请的
发明人通过大量研究实验发现，第一折射率n1、第二折射率n2以及待称重物品的重量G之间存在如下关系：
[0070]
[0071] 其中，n0为标准状态下的空气折射率；P0为标准状态下的大气压力；S为所述挤压件与所述可压缩介质的接触面积；n0、P0和S均为预先输入的已知量。
[0072] 参阅图2，在一优选实施例中，所述容器包括共振腔5和包覆在所述共振腔5外的保护罩3；可压缩介质封闭在所述共振腔5中，其折射率能够随体积的微小变化而产生的变化；保护罩3用于保证整个重量测量仪的安全性，同时保证可压缩介质的
温度的稳定性，避免因温度的变化影响到折射率的变化。
[0073] 结合图1和图2可以看出，保护罩3为中空圆柱体，共振腔5容纳在保护罩3内，共振腔5由上下两段具有不同横截面直径的中空圆柱体同轴连通组成，下段中空圆柱体的横截面直径大于上段中空圆柱体的横截面直径，上段中空圆柱体作为容纳活塞4的滑道，活塞4可以在该中空圆柱体内沿着该中空圆柱体的轴线方向上下滑动且与该中空圆柱体密封连接，可压缩气体封闭在共振腔5中，其体积能够随着活塞4的上下滑动而发生变化。
[0074] 为了使得光信号能够进入共振腔5，共振腔5的底部设置有光窗7，光信号发生器产生的光信号透过光窗7进入共振腔5中，在表面等离子体共振传感器6的表面激发表面等离子体共振现象后被表面等离子体共振传感器6反射。
[0075] 参阅图3，在一优选实施例中，所述光信号收发模块包括：光信号发生器，用于产生光信号；分光器，用于将所述光信号发生器产生的光信号分为两路，其中一路光信号作为所述第一光信号，另一路光信号进入所述共振腔5中在所述表面等离子体共振传感器6的表面激发表面等离子体共振后被所述表面等离子体共振传感器6反射，反射的光信号作为所述第二光信号；第一光电探测器(参见图3中的附图标记9)，用于接收所述第一光信号；第二光电探测器(附图图3中的附图标记9)，用于接收所述第二光信号。
[0076] 其中，所述光信号发生器例如可以为激光发生器12，激光发生器12用于产生稳定
波长和相位的激光，所述分光器例如可以为分光镜10，激光发生器12产生一束激光进入分光镜10，分光镜10将一束光束分成两束光束，其中一束光束为所述第一光信号，该第一光信号作为原始光束，即对比光束被第一光电探测器接收，第一光电探测器能够检测该第一光信号的相位等参数，另一束光束进入共振腔5，在所述表面等离子体共振传感器6的表面激发表面等离子体共振，发生反应后被等离子体共振传感器反射，反射回来的光信号为第二光信号，第二光信号的相位相对于入射光即第一光信号发生变化，这种变化与共振腔5中可压缩介质的折射率相关，通过检测第二光信号和第一光信号之间的相位差可以计算得到可压缩介质的折射率。
[0077] 参阅图3，激光发生器12可由固定支架11固定，固定
位置可以有多种，在一优选实施例中，为了提高重量测量仪的结构紧凑性，可以将所述激光发生器12固定在共振腔5的下方一侧，例如图2中所示的共振腔5的下方左侧，光窗7位于激光发生器12的底部右侧，激光发生器12产生的光束与共振腔5的底面平行，激光发生器12产生的一束光束被分光镜10分成两束相互垂直的光束，其中一束光束与共振腔5的底面平行。
[0078] 为了使得激光发生器12产生的光束能够进入共振腔5，光信号收发模块还包括第一反光镜(参阅图3中的附图标记8)，第一反光镜倾斜设置在光窗7的下方，用于改变由分光镜10分出的与共振腔5底面平行的光束的照射方向，使得第一光信号能够进入共振腔5中，被第一反光镜反射的光束仅方向发生改变，其相位、强度等参数不发生改变。
[0079] 继续参阅图3，第一光电探测器设置在分光镜10的上方，用于接收分光镜10分出的与共振腔5底面垂直的光束；为了提高重量测量仪的结构紧凑性，第二光电探测器例如可以固定在光窗7的下方左侧，用于接收从表面等离子体共振传感器6反射回来的第二光信号，为了使得从表面等离子体共振传感器6反射回来的第二光信号透过光窗7后能够被第二光电探测器接收，所述光信号收发模块还包括第二反光镜(参见图3中的附图标记8)，第二反光镜倾斜设置在光窗7的下方，从表面等离子体共振传感器6反射回来的第二光信号能够透过光窗7射向第二反光镜，并被第二反光镜反射至第二光电探测器中被第二光电探测器接收，同样地，第二反光镜仅改变第二光信号的方向，不改变第二光信号的相位和强度等参数。
[0080] 第一光电探测器能够检测第一光信号的相位，第二光电探测器能够检测第二光信号的相位，为了能够计算可压缩介质的折射率，所述折射率计算模块包括：相位检测器13，该相位检测器13分别信号连接所述第一光电探测器和所述第二光电探测器，用于检测所述第一光信号和所述第二光信号之间的相位差；计算模块，用于在所述承载件未承载所述物品时根据所述第一光信号和所述第二光信号之间的相位差计算所述第一折射率n1，并在所述承载件承载有所述物品时根据所述第一光信号和所述第二光信号之间的相位差计算所述第二折射率n2。
[0081] 具体地，第一光电探测器检测第一光信号的相位，检测信号发送至相位检测器13；第二光电探测器检测第二光信号的相位，检测信号发送至相位检测其，相位检测器13能够根据第一光电探测器发送的检测信号和第二光电探测器发送的检测信号分析出第一光信号和第二光信号之间的相位差，该相位差输入至计算模块，由计算模块根据前文所述的公式(1)来计算可压缩介质的折射率。
[0082] 当称盘上放置待称重物品时，由计算模块获得的可
压缩机介质的折射率将发生改变，在可压缩介质的折射率发生改变时，由重量计算模块根据前文所述的公式(4)来计算待称重物品的重量。
[0083] 参阅图2和图3，为了对上述第一光电探测器、第二光电探测器、相位检测器13等光路元件进行固定，共振腔5的下方还设置有下部支撑架14，通过下部支撑架14来保持整个重量测量仪的稳定，并固定上述光路元件。
[0084] 参阅图4，为了提高所述重量测量仪的测量精度，所述表面等离子体共振传感器6设计为
角漂移自适应SPR棱镜结构。具体地，该角漂移自适应SPR棱镜结构包括平行六面体棱镜和胶合在所述平行六面体棱镜一端的屋脊棱镜15，平行六面体棱镜的相对的两外侧面上涂覆有金属膜16，当光信号照射在金属膜16上时，将在金属膜16上激发表面等离子体共振现象。金属膜16例如金膜的厚度采用优化设计，一般选择38nm～42nm，优选为40nm。大量研究实验表明，具有上述厚度的金属膜16能够有效提高重量测量仪的测量精度。
[0085] 另外，将所述表面等离子体共振传感器6设计为角漂移自适应SPR棱镜结构的另一个好处是，通过改变表面等离子体共振传感器6的倾斜角度或安装方位，还可以控制光信号在金属膜16上的反射次数，有利于改善重量测量仪的测量精度。
[0086] 以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于此。在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型。包括各个具体技术特征以任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。但这些简单变型和组合同样应当视为本发明所公开的内容，均属于本发明的保护范围。
