新型二维高精度水平仪

　　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。