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新型二維高精度水平儀
發(fā)布時間：2017-11-22
水平儀是一種重要的測量儀器，廣泛地應(yīng)用于工程，建筑以及實驗室中。目前常用水平儀有液面式、電阻式、電感式、應(yīng)變式、懸掛式等等其中最常用的是水泡型的水平儀。水泡型的水平儀又分為2類:一類是測量一維水平誤差的長水泡，其測量精度最高可達(dá)2氣另一類是測量二維水平面的圓水泡，其測量精度一般為30’:圓水泡不能實現(xiàn)高精度二維水平測量;而長水泡精度高，但體積大，做二維測量時需要2個長水泡相互垂直地擺放，占用體積更大，且無法與智能化的自動測量系統(tǒng)直接連接起來工作:其它幾種水平儀也有類似的種種缺點，例如是一維的華北航天工業(yè)大學(xué)研制的水平儀是二維的，其采用的是電阻式。通過電橋測出電阻的變化從而反映傾角的變化，在二2.50范圍內(nèi)其非線性度約為1%L‘，還不能完全滿足現(xiàn)代測量儀器，尤其是高精度二維水平測量的需要。本文提出的一種新型二維水平儀，采用十字形簧片作為敏感元件，對于緊固其下的平衡板受到的重力方向變化，具有很高的靈敏度，造成平衡板偏離水平面的傾斜通過對于平衡板傾斜造成的微小電容變化的精確測量，從而實現(xiàn)二維水平傾角的精確測量。
1水平儀的工作原理
變換器!一叫顯示器整個系統(tǒng)框圖如圖l所示，主要由3部分構(gòu)成:角度傳感器、激勵電源及放大電路、州D轉(zhuǎn)換顯示電路由于水平儀具有二維測量功能，因此激勵電源以外的部分均由相同的2部分構(gòu)成。正因為如此，當(dāng)一部分出現(xiàn)故障時，另一部分仍可完成二維水平測量，只要把水平儀旋轉(zhuǎn)90’角即可，系統(tǒng)的可靠性大大提高。
2角度傳感器的原理及結(jié)構(gòu)
角度傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。部分測量電路組成。主要由十字形彈性簧片、水平平衡板、磁阻尼和要使傳感器能進行二維水平度的測量，反映水平度的平衡板必須具有二維自由度。平衡板由彈性簧片支撐，懸掛在彈性簧片的下方，且與簧片剛性連接。因此，彈性簧片應(yīng)具有二維自由度。考慮到上述因素，將彈性簧片的結(jié)構(gòu)設(shè)計成十字形簧片形狀(見圖3)，該十字形簧片具有二維自由度。
彈性簧片中心圓孔與平衡板剛性連接(見圖3)，簧片通過外圈4個圓孔固定在角度傳感器殼體上。當(dāng)被測平面發(fā)生傾斜時，放置在該平面上的水平儀以同樣的角度y發(fā)生傾斜。平衡板由于重力的作用，支持它的彈性簧片筋條發(fā)生扭轉(zhuǎn)，使水平平衡板與角度傳感器底座之間產(chǎn)生一扭角習(xí)，該扭轉(zhuǎn)角a的方向與被測平面傾斜角了的方向相同，其大小與y成正比。由于平衡板表面有4個圓形電極，與測量電路組成相互垂直的2組電容一位移傳感器。通過高精度的電容測量，可測出二軸與y軸兩相互垂直方向的水平角度的變化。因任意方向上水平角度變化可分解為繞二軸和y軸的角度變化，從而實現(xiàn)二維水平傾角的測量。
為保證傳感器的高精度和長期穩(wěn)定性，簧片的材料應(yīng)選微塑性形變抗力。:高的材料。被青銅QBe:是一種物理機械性能非常好的材料，在770℃淬火水冷，3巧℃時效3h，其6r可高達(dá)30kg八11m2[’一，所以選用QBeZ作為彈性簧片的材料。由圖3可見，支持平衡板的簧片的筋條為矩形等截面應(yīng)變梁，設(shè)應(yīng)變梁的長度為Z，寬度為b，厚度為a。根據(jù)彈性學(xué)理論[3.4:，當(dāng)一矩形等截面桿在兩端受到力矩M，作用，且桿件兩端的變形不受外界的約束時，此桿的扭變是自由扭轉(zhuǎn)，扭轉(zhuǎn)力矩M:與單位扭角0的關(guān)系為
在角度傳感器中，力矩M;由平衡板產(chǎn)生。如果水平平衡板的中心柱高為h，平衡板的質(zhì)量為n，，則扭轉(zhuǎn)角a與傾斜角丫的關(guān)系為
扭轉(zhuǎn)角a與傾斜角了成正比，測出。就可求得了
(4)式中K稱為傳感器的靈敏度，與平衡板的質(zhì)量，，，和中心柱高12有關(guān)，還與十字簧片的筋長l、寬度b和厚度a有關(guān)。根據(jù)正應(yīng)力和剪應(yīng)力的強度校核以及撓度的剛度校核，在滿足校核公式的前提下，設(shè)計鋁制平衡板(，，，=14.09，h二3.0mm);十字簧片(l=10.0mm，b=3.Omm，a=0.12mm)，可得尺=3.01當(dāng)被測平面發(fā)生傾斜變化時，為盡快使平衡板能在新的平衡位置平衡下來，采用磁阻尼的方法，將平衡板的邊緣浸在強磁場中(見圖2，采用鉸鐵硼永磁鐵)。平衡板振動時，切割磁力線，浸在強磁場中的平衡板的邊緣表面將產(chǎn)生渦流。該渦流產(chǎn)生的磁場反抗原磁場，使平衡板產(chǎn)生磁阻尼振動，其振動方程為
式中，w0為平衡板的振動頻率，范圍在5一10Hz之間;其中，B為磁感應(yīng)強度;d為浸人強磁場中的平衡板邊緣寬度;:為平衡板半徑;I為平衡板轉(zhuǎn)動慣量;R為平衡板邊緣的平均電阻。解上述微分方程得盧、20時，即只要15左右時間，振動幅度將衰減到原幅度的萬分之一以下，平衡板基本靜止下來。根據(jù)月、20，設(shè)計/=40~d=8.0~，B二0.64T，經(jīng)計算得盧=18。實驗測試結(jié)果，時間響應(yīng)約為15，與理論相符。
3測量電路
為減小電路噪聲和外界干擾，將部分測量電路封裝在角度傳感器內(nèi)(圖4中虛框部分)。由于平衡板邊緣對稱設(shè)有4個圓形電極，與測量電極組成相互垂直的2組電容一位移傳感器，對應(yīng)于二軸和y軸的傾角測量。每組又分別有2個電容一位移傳感器，組成差分輸人，增加了測量靈敏度，抑制了共模噪聲。測量電路見圖4。
測量電路共2組(激勵電源除外)，分別對應(yīng)二軸和y軸的測量，圖4為其中一組測量電路。由文氏橋振蕩器和倒相器作為電容一位移傳感器的激勵電源，傾斜角度變化使電容一位移傳感器輸出對應(yīng)信號，經(jīng)放大器放大，再經(jīng)過檢相處理和濾波后，以數(shù)字式電壓顯示出來。調(diào)零電位器可供正負(fù)方向調(diào)零使用。波段開關(guān)分4擋:A檔為電源開關(guān);B檔為檢驗電池電壓;I檔為測量，測角范圍為士3020‘;n檔的測角范圍為士2O0’’。該水平儀還加有JR一4型接口，可與計算機連接實現(xiàn)自動化測量。水平儀輸出的信號由JR一4型接口轉(zhuǎn)換成計算機能接受的RS一232數(shù)碼送人計算機，再由計算機在測量軟件的控制下進行處理，使整個測量過程操作十分方便，提高了檢測速度，也避免了檢測過程中出現(xiàn)人為誤差。
上述3個部分全部封裝在底面積為100~、100mm，高120~的水平儀內(nèi)，電源為SV直流電池2節(jié)。
4水平儀的性能檢驗
將設(shè)計好的水平傳感器做成樣品，在精密小角度發(fā)生器上進行了檢測。該精密小角度發(fā)生器可二維變化，調(diào)節(jié)靈敏度為0.4’’;用青島永前電子設(shè)備廠生產(chǎn)的一維SDsll型電子水平儀對精密小角度發(fā)生器進行標(biāo)定，該一維電子水平儀的分辨率為0.2”:測試結(jié)果達(dá)到設(shè)計要求，主要指標(biāo)結(jié)果如下:非線性度小于0.5%;最大可測傾角范圍為工檔是士3’20’、n檔是士200’’;分辨率為工檔是0.2’、11檔是0.2幾重復(fù)誤差小于0.5%;二維一致性大于99.7%。
綜上所述，本儀器是一種高精度便攜式二維數(shù)字式水平儀。具有電路結(jié)構(gòu)簡單，體積小，質(zhì)量輕，易維護，并可通過計算機接口，直接進行自動化測量，具有較強的實用性和推廣價值。
摘自：中國計量測控網(wǎng)
