新型二维高精度水平仪
发布时间：2017-11-22
水平仪是一种重要的测量仪器，广泛地应用于工程，建筑以及实验室中。目前常用水平仪有液面式、电阻式、电感式、应变式、悬挂式等等其中最常用的是水泡型的水平仪。水泡型的水平仪又分为2类:一类是测量一维水平误差的长水泡，其测量精度最高可达2气另一类是测量二维水平面的圆水泡，其测量精度一般为30’:圆水泡不能实现高精度二维水平测量;而长水泡精度高，但体积大，做二维测量时需要2个长水泡相互垂直地摆放，占用体积更大，且无法与智能化的自动测量系统直接连接起来工作:其它几种水平仪也有类似的种种缺点，例如是一维的华北航天工业大学研制的水平仪是二维的，其采用的是电阻式。通过电桥测出电阻的变化从而反映倾角的变化，在二2.50范围内其非线性度约为1%L‘，还不能完全满足现代测量仪器，尤其是高精度二维水平测量的需要。本文提出的一种新型二维水平仪，采用十字形簧片作为敏感元件，对于紧固其下的平衡板受到的重力方向变化，具有很高的灵敏度，造成平衡板偏离水平面的倾斜通过对于平衡板倾斜造成的微小电容变化的精确测量，从而实现二维水平倾角的精确测量。
1水平仪的工作原理
变换器!一叫显示器整个系统框图如图l所示，主要由3部分构成:角度传感器、激励电源及放大电路、州D转换显示电路由于水平仪具有二维测量功能，因此激励电源以外的部分均由相同的2部分构成。正因为如此，当一部分出现故障时，另一部分仍可完成二维水平测量，只要把水平仪旋转90’角即可，系统的可靠性大大提高。
2角度传感器的原理及结构
角度传感器的结构示意图如图2所示。部分测量电路组成。主要由十字形弹性簧片、水平平衡板、磁阻尼和要使传感器能进行二维水平度的测量，反映水平度的平衡板必须具有二维自由度。平衡板由弹性簧片支撑，悬挂在弹性簧片的下方，且与簧片刚性连接。因此，弹性簧片应具有二维自由度。考虑到上述因素，将弹性簧片的结构设计成十字形簧片形状(见图3)，该十字形簧片具有二维自由度。
弹性簧片中心圆孔与平衡板刚性连接(见图3)，簧片通过外圈4个圆孔固定在角度传感器壳体上。当被测平面发生倾斜时，放置在该平面上的水平仪以同样的角度y发生倾斜。平衡板由于重力的作用，支持它的弹性簧片筋条发生扭转，使水平平衡板与角度传感器底座之间产生一扭角习，该扭转角a的方向与被测平面倾斜角了的方向相同，其大小与y成正比。由于平衡板表面有4个圆形电极，与测量电路组成相互垂直的2组电容一位移传感器。通过高精度的电容测量，可测出二轴与y轴两相互垂直方向的水平角度的变化。因任意方向上水平角度变化可分解为绕二轴和y轴的角度变化，从而实现二维水平倾角的测量。
为保证传感器的高精度和长期稳定性，簧片的材料应选微塑性形变抗力。:高的材料。被青铜QBe:是一种物理机械性能非常好的材料，在770℃淬火水冷，3巧℃时效3h，其6r可高达30kg八11m2[’一，所以选用QBeZ作为弹性簧片的材料。由图3可见，支持平衡板的簧片的筋条为矩形等截面应变梁，设应变梁的长度为Z，宽度为b，厚度为a。根据弹性学理论[3.4:，当一矩形等截面杆在两端受到力矩M，作用，且杆件两端的变形不受外界的约束时，此杆的扭变是自由扭转，扭转力矩M:与单位扭角0的关系为
在角度传感器中，力矩M;由平衡板产生。如果水平平衡板的中心柱高为h，平衡板的质量为n，，则扭转角a与倾斜角丫的关系为
扭转角a与倾斜角了成正比，测出。就可求得了
(4)式中K称为传感器的灵敏度，与平衡板的质量，，，和中心柱高12有关，还与十字簧片的筋长l、宽度b和厚度a有关。根据正应力和剪应力的强度校核以及挠度的刚度校核，在满足校核公式的前提下，设计铝制平衡板(，，，=14.09，h二3.0mm);十字簧片(l=10.0mm，b=3.Omm，a=0.12mm)，可得尺=3.01当被测平面发生倾斜变化时，为尽快使平衡板能在新的平衡位置平衡下来，采用磁阻尼的方法，将平衡板的边缘浸在强磁场中(见图2，采用铰铁硼永磁铁)。平衡板振动时，切割磁力线，浸在强磁场中的平衡板的边缘表面将产生涡流。该涡流产生的磁场反抗原磁场，使平衡板产生磁阻尼振动，其振动方程为
式中，w0为平衡板的振动频率，范围在5一10Hz之间;其中，B为磁感应强度;d为浸人强磁场中的平衡板边缘宽度;:为平衡板半径;I为平衡板转动惯量;R为平衡板边缘的平均电阻。解上述微分方程得卢、20时，即只要15左右时间，振动幅度将衰减到原幅度的万分之一以下，平衡板基本静止下来。根据月、20，设计/=40~d=8.0~，B二0.64T，经计算得卢=18。实验测试结果，时间响应约为15，与理论相符。
3测量电路
为减小电路噪声和外界干扰，将部分测量电路封装在角度传感器内(图4中虚框部分)。由于平衡板边缘对称设有4个圆形电极，与测量电极组成相互垂直的2组电容一位移传感器，对应于二轴和y轴的倾角测量。每组又分别有2个电容一位移传感器，组成差分输人，增加了测量灵敏度，抑制了共模噪声。测量电路见图4。
测量电路共2组(激励电源除外)，分别对应二轴和y轴的测量，图4为其中一组测量电路。由文氏桥振荡器和倒相器作为电容一位移传感器的激励电源，倾斜角度变化使电容一位移传感器输出对应信号，经放大器放大，再经过检相处理和滤波后，以数字式电压显示出来。调零电位器可供正负方向调零使用。波段开关分4挡:A档为电源开关;B档为检验电池电压;I档为测量，测角范围为士3020‘;n档的测角范围为士2O0’’。该水平仪还加有JR一4型接口，可与计算机连接实现自动化测量。水平仪输出的信号由JR一4型接口转换成计算机能接受的RS一232数码送人计算机，再由计算机在测量软件的控制下进行处理，使整个测量过程操作十分方便，提高了检测速度，也避免了检测过程中出现人为误差。
上述3个部分全部封装在底面积为100~、100mm，高120~的水平仪内，电源为SV直流电池2节。
4水平仪的性能检验
将设计好的水平传感器做成样品，在精密小角度发生器上进行了检测。该精密小角度发生器可二维变化，调节灵敏度为0.4’’;用青岛永前电子设备厂生产的一维SDsll型电子水平仪对精密小角度发生器进行标定，该一维电子水平仪的分辨率为0.2”:测试结果达到设计要求，主要指标结果如下:非线性度小于0.5%;最大可测倾角范围为工档是士3’20’、n档是士200’’;分辨率为工档是0.2’、11档是0.2几重复误差小于0.5%;二维一致性大于99.7%。
综上所述，本仪器是一种高精度便携式二维数字式水平仪。具有电路结构简单，体积小，质量轻，易维护，并可通过计算机接口，直接进行自动化测量，具有较强的实用性和推广价值。
摘自：中国计量测控网
