一种激光称重装置及其真空低温试验环境下的应用系统
技术领域
本申请涉及物体重量测取技术领域，尤其涉及一种激光称重装置及其真空低温试验环境下的应用系统。
背景技术
现有的称重技术基本可以分为物理称重技术和传感器称重技术，物理称重技术有杠杆原理下的物理天平，传感器称重所用到的传感器主要包括电阻应变式、压磁式、振弦式、核子式、差动变压式传感器，而能够在低温真空环境下适用的传感器均面临着造价昂贵、可靠性差的问题，甚至在某些极端环境下尚无可用传感器进行称重。理论上，杠杆原理下的物理天平在真空低温环境下能够称重，但可操作性极差，并且无法对处于真空低温试验箱中物体的重量变化进行长期连续的测量。
申请号201621078357.2的专利文献公开了一种基于光杠杆的激光测重装置，包括支架、激光器、CCD图像传感器、数据处理单元和数据显示单元，在支架上垂直设置有两根平行的金属丝，在金属丝末端连接有水平设置的称重板，在称重板一侧设置有光杠杆，激光器固定设置在光杠杆上，CCD 图像传感器设置在能够接收到激光器发出的激光信号的感应范围内，CCD图像传感器和数据显示单元通过数据线与数据处理单元连接。其通过光杠杆将金属丝产生的形变量传递到激光器上，以CCD图像传感器接收激光器发出的激光信号并将激光峰值位移量传递至数据处理单元，并由数据显示单元显示数值。该方案在一定程度上能够实现物体重量变化的长期连续测量，但是仍然存在如下问题：
1、虽然其通过光杠杆将金属丝产生的形变量传递到激光器上，但是，由于激光器发出的光束直接打到CCD图像传感器上，如果实际形变量较小光束在CCD图像传感器上的位移量是没法准确反映和测取实际的重量变化的，即满足不了较高精度的物体重量变化测取需求。
2、称重板由两根平行的金属丝悬挂，而金属丝容易晃动，稳定性得不到保障，晃动的称重板将严重影响测量精度。
发明内容
本申请所要解决的技术问题是：提供一种能够对物体重量变化实现长期连续且高精度测量的激光称重装置。进一步还提供了该激光称重装置在真空低温试验环境下的应用系统。
为解决上述问题，本申请提供了一种激光称重装置，包括承物板、传动杆、激光器、CCD图像传感器和数据处理终端，该装置还包括轴平面镜和至少一块中继平面镜，所述传动杆的一端置于所述承物板上，另一端铰接在轴平面镜支座上并且该端设有所述轴平面镜，工作时所述激光器位置固定且其光束能够射到所述轴平面镜的转动轴心进行反射并经由至少一块所述中继平面镜的反射到达所述CCD图像传感器。
优选的，所述承物板底部由线性弹性底座支撑。
优选的，整个所述装置集成设置于一块具有找平功能的基座平台上。
优选的，所述基座平台底部设有高度可调节支座，顶部设有水平泡。
优选的，所述轴平面镜、所述中继平面镜具体由反射率较高的抛光金属材料制成。
相应地，本申请还提供了一种激光称重装置在真空低温试验环境下的应用系统，该应用系统包括真空低温试验仓和权利要求1所述的激光称重装置，其中，除CCD图像传感器和数据处理终端之外的其余部件均设在所述真空低温试验仓内，经末端中继平面镜反射后的激光束通过所述真空低温试验仓上开设的玻璃观察窗达到所述CCD图像传感器。
本申请与现有技术相比具有以下优点：
1、本申请中，承物板上的竖向位移通过传动杆传递到轴平面镜上，轴平面镜和至少一块中继平面镜利用光反射过程将轴平面镜转动量转化为光束偏斜角度，经过一定的光路传输能够使较小的镜面转动转化为CCD图像传感器上较大的光斑位移，即起到使转动量放大的功能，由此纵使较小的物体重量变化也能被准确测取到，精确度得到显著提高。
2、进一步地，相较现有技术中悬挂称重板的金属丝容易晃动，本申请中承物板由线性弹性底座实现稳定支撑，稳定性好。
3、本申请中，激光称重装置应用到真空低温试验环境下时，CCD图像传感器部件放置于极端环境实验仓外，其它部件置于仓内，这样的设置与传统极端环境可用称重装置相比，具有造价低、可靠性高的特点。
附图说明
下面结合附图对本申请的具体实施方式作进一步详细的说明。
图1为本申请实施例提供的激光称重装置的结构示意图。
图2为本申请实施例提供的激光称重装置在真空低温试验环境下的应用系统的结构示意图。
图3为本申请实施例提供的传动杆与轴平面镜组件的结构示意图。
图中：1—高度可调节支座，2—水平泡，3—基座平台，4—线性弹性底座，5—轴平面镜支座，6—激光器支座，7—承物板，8—传动杆，9—轴平面镜，10—激光器，11—竖向支架，12—水平支架，13—中继平面镜，14—CCD图像传感器，15—数据处理终端，16—真空低温试验仓，17—玻璃观察窗。
具体实施方式
实施例1 激光称重装置
参考图1和图3，本申请实施例提供了一种激光称重装置，其主要包括承物板7、传动杆8、激光器10、CCD图像传感器14和数据处理终端15，以及由轴平面镜9和至少一块中继平面镜13构成的转动量放大组件。CCD图像传感器14用于接收经末端中继平面镜13反射过来的激光束，数据处理终端15与CCD图像传感器14、用于实时/定时根据CCD图像传感器14传输过来的光斑位移数据和预存函数关系确定承物板7上物体的重量或重量变化。
轴平面镜9、中继平面镜13具体可以由反射率较高的抛光金属材料制成，比如反射率大于99.9%的纳米镜面，以减少激光束反射过程对测量结果的影响。
轴平面镜9、激光器10、中继平面镜13分别具有对各自起支撑作用的轴平面镜支座5、激光器支座6和中继平面镜支座；为了使整个装置结构紧凑和便于中继平面镜13的位置调节，中继平面镜支座包括竖向支架11和水平支架12，水平支架12在竖向支架11上的高度可调，中继平面镜13通过球装铰支座设置在水平支架12的端部。
传动杆8和轴平面镜9为整体式设计，传动杆8使承物板7微量的竖向位移转换为轴平面镜9的转动。传动杆8的一端置于承物板7上（并使在其置于承物板7上时承物板7台面保持水平，比如承物板7有一个初始的斜度，传动杆8一端放上后刚好水平），另一端铰接在轴平面镜支座5上并且该端设有轴平面镜9，轴平面镜9能够在传动杆8的带动下产生转动。在高精度需求的应用场景中，承物板7竖向位移量相对较小，轴平面镜9不会发生较大转动，可设置未放置重物时的轴平面镜9与水平面夹角为45°。
功率固定的激光器10设在轴平面镜9旁边，位置一旦调准就固定住，其光束能够水平射到轴平面镜9的转动轴心进行反射并经由至少一块中继平面镜13的反射到达CCD图像传感器14，这样的光路传输能够使较小的镜面转动转化为CCD图像传感器上较大的光斑位移，即起到使转动量放大的功能。其中，激光器10的光束投射在轴平面镜9的中心轴位置，保证在轴平面镜9转动过程中，激光束照射点位置不发生变化。
能够起放大功能的原因：当轴平面镜9转动角度为α，相应的，入射激光束与出射激光束间的夹角增大量为2α，在此过程中，轴平面镜9的转动量在激光束角度上放大了2倍；根据三角形相似原理，当三角形的一边长为L的相似边变为2L时，新三角形其他对应边也变为原来的2倍，即相同的激光束出射角度，当激光束延长n倍时，相应的偏斜位移扩大n倍，由此光束越长，轴平面镜的转动量放大越明显。并且激光具有定向发光、亮度极高、颜色极纯的特点，在在经历多次镜面反射后仍能够保持原有亮度，发散度极小的激光经历多次反射后在CCD图像传感器上仍基本能保持原有光斑面积。
在实际应用中，可根据精度需要或者角度需要（末端中继平面镜13反射的光束要到达CCD图像传感器14）等实际需求多配置几块中继平面镜13，延长经轴平面镜9反射后的光路，使尽可能较小的镜面转动转化为CCD镜面传感器14上尽可能较大的光斑位移。为了更为准确的测取物体重量变化，在可行的条件下，尽可能最大化放大承物板7竖向位移，尽量延长激光束经轴平面镜9反射后到达CCD图像传感器14间的距离.
进一步地，承物板7底部由线性弹性底座4支撑，传动杆8的一端置于承物板7上，线性弹性底座4用于将物体重量转换为竖向位移，比如采用如图1和图2所示的弹簧。
整个装置集成设置于一块具有找平功能的基座平台3上，基座平台3底部设有高度可调节支座1，顶部设有找平用的水平泡2，集成度高、方便找平。实际应用中，转动高度可调节螺栓支座1，使水平泡2上的液泡对中，实现基座平台3的找平。
实施例2 激光称重装置的使用方法
基于上述激光称重装置的结构，以下对实际应用中的使用方法进行举例说明。
一、准备工作阶段
（1）按上述结构内容组装各个部件，并实现基座平台3的找平。
（2）调整激光器10高度及角度，使激光束以水平状态投射在轴平面镜9转动轴位置；调节中继平面镜13的位置，使激光束以垂直的初始状态照射在CCD图像传感器14上。
其中，使激光束以小夹角穿过玻璃观察窗17（“夹角”指激光束与玻璃观察窗17的夹角），因为激光照射在玻璃观察窗上可能会发生一定的反射，小夹角的设置就是为了避免入射在玻璃观察窗17上的反射激光束不会入射到中继平面镜13或轴平面镜9；如果是垂直入射，在重物质量不大的情况下，原始与玻璃观察窗镜面垂直的激光束与镜面间的夹角变化不太大，很容易反射在中继平面镜13上，最终对测量结果产生干扰。
（3）空置承物板7，记录CCD图像传感器的光斑位置初始数据；
（4）然后根据试验所需精度，依次在承物板上放置相应精度的砝码，逐次记录CCD图像传感器14的对应数据。
（5）根据步骤（3）记录的试验数据，对砝码重量和CCD图像传感器14的光斑位置数据建立一一对应的函数关系。
（6）将上述函数关系存入数据处理终端15，便于数据处理终端15用于实时/定时根据CCD图像传感器14传输过来的光斑位移数据和预存函数关系确定承物板上物体的重量或重量变化。
二、正式投入使用阶段
（7）在完成上述步骤（1）~（3）之后，保持装置中各部件状态不变（如果发生变动，需重新执行准备工作进行重新标定），将待测重物体置于承物板上，直接从数据处理终端15上获取承物板7上物体重量或重量变化即可。
实施例3 激光称重装置在真空低温试验环境下的应用系统
参考图3，一种激光称重装置在真空低温试验环境下的应用系统，包括真空低温试验仓16（比如超高真空10-5Pa，温度-200K~-300K）和实施例1激光称重装置，考虑到真空低温环境的限制，CCD图像传感器14和数据处理终端15设在真空低温试验仓16外，余部件均设在真空低温试验仓16内，真空低温试验仓16在斜上合适的位置开始一玻璃观察窗17，经末端中继平面镜13反射后的激光束透过真空低温试验仓16上的玻璃观察窗17达到CCD图像传感器14。
其中，考虑到真空低温环境的限制，用作线性弹性底座4的弹簧可以采用适用于0度至绝对0度范围内的低温金属材料，比如奥氏体不锈钢、镍钢、低合金铁素体钢、铝合金、铜及铜合金、钛及钛合金、铁基超合金、双相钢等。
使用方法中，相较实施例2，准备工作阶段有以下步骤区别：
在步骤（2）中，调节中继平面镜13的位置，使激光束穿过玻璃观察窗17上的开口以垂直的初始状态照射在CCD图像传感器14上。
步骤（3）中和步骤（4）需要在将真空低温试验仓16内温度、气压调整至预定试验条件下进行，步骤（5）中以设定的温度和压力环境条件为固定条件，对砝码重量和CCD图像传感器14的光斑位置数据建立一一对应的函数关系。该函数关系适用于同样温度和压力环境条件下的正式使用阶段。
以上对本申请所提供的技术方案进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的结构及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以对本申请进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本申请权利要求的保护范围内。
