全方位电子水平仪的结构及测量原理分析

　　1　引　　言

　　水平仪从过去简单的水泡水平仪到现在的电子水平仪是自动化和电子测量技术发展的结果。作为一种检测工具,它已成为桥梁架设、铁路铺设、土木工程、石油钻井、航空航海、工业自动化、智能平台、机械加工等领域不可缺少的重要测量工具。

　　传统的电子水平仪大多都无法给出倾斜方位,只有多方位测量后方能大致得出倾斜方位和倾斜角度,具有模糊性,这对于要实时进行水平控制的场合或实现多执行器同步运动的场合来说是一个缺陷。

　　电子水平仪是一种非常精确的测量小角度的检测工具。用它可测量被测平面相对于水平位置的倾斜度、两部件相互平行度和垂直度,机床、仪器导轨的直线度,工作台平面度等。在机械测量及光机电一体化技术应用中占有重要地位。研究性能更好的电子水平仪具有重要意义。

　　随着计算机应用技术的不断发展,微处理器在工业测量和控制领域内的广泛应用,很多计量检测仪器应用了单片机[1-3],这使计量检测仪器具有了很强的功能。文中介绍的电子水平仪是根据摆原理结合传感器技术、微机测量技术设计而成的[4]。

　　2　测量原理及结构分析

　　为了能够全方位地测出被测量面的偏转角和主偏转方位角,采用单摆的原理,将摆球换成一个圆形摆盘。由于受重力的作用,摆盘可自由绕着其上部的万向铰链摆动,摆盘始终保持水平,而水平仪的下端的测量基准面与被测面相平行,所以当被测面倾斜时,摆盘下端的测量基准面相对于摆盘的倾斜度和主倾斜方位也会随之发生变化,其工作原理如图1所示。

　　图2给出了电子水平仪的结构,水平仪主要由摆盘系统,悬浮系统,传感器组,电子检测系统,封装件、紧固件等几部分构成,在重力的作用下,摆盘3绕铰链4摆动,始终保持水平状态,而水平仪的底座1则随检测平面的倾斜而倾斜,底座与摆盘的倾斜度及倾斜方位则反映了所检测平面的状态,而底座与摆盘的倾斜度及倾斜方位可通过位移传感器2,微处理器系统7来获得,倾斜的方位角和倾斜角可通过LCD6进行显示,也可以电信号的形式进行输出。

　　3　测量系统的运动、几何关系及算法

　　3.1　运动、几何关系分析

　　为了能够测出圆盘的倾斜角与方位角,必须要测出圆盘上某些点在圆盘摆动过程中的位移量,位移可通过图2中的传感器2来获得,这里采用适合水平仪的直线位移传感器,根据三点确定一个平面的原理,采用如图3所示的传感器布局方式,A、B、C为传感器的分布点。

　　当底座随被测平面倾斜时,摆盘绕铰链支点沿某一摆动主轴DF旋转,而传感器安放点A、B、C沿摆盘平面至主轴DF的距离不会发生变化,则摆盘绕主轴DF摆动时,传感器的起、始端点会形成垂直于且通过DF轴的平面,在该平面上,三个传感器端点A、B、C可看作绕轴线DF转动,在小摆角条件下,传感器运动的轨迹近似如图4所示的三个相似三角形。