基于ICL7135的电子水平仪

　　0　引言

　　水平仪是一种小角度测量仪器,在测量领域中占有重要的地位,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测量仪器[1]。随着科学技术的发展,对测量要求日益提高,传统的水泡水平仪因测量角度范围小、不能两自由度读数、人为读数误差大等原因,已经不能满足很多场合的测量要求,智能电子水平仪的出现是技术进步的必然结果,国外电子水平仪的研制已相对成熟,国内的数显水平仪在灵敏度,反应时间,分辨率上与国外同类产品尚存在较大的差距[2]。研究低价位、高性能的智能化电子水平仪具有很重要的工程意义。

　　1　工作原理

　　1 .1检测原理

　　研究的电子水平仪已获国家实用新型专利(专利号:03222423)[3]。其测量原理如图1所示,当机架放在水平面上时,基于重力摆的原理,摆杆在自由状态下会始终保持垂直,当机架放置被测斜面上时,在重力作用下,摆杆会绕着绞链处发生旋转,最后到达垂直位置,根据几何分析,由于被测斜面的角度与摆杆的相对旋转角度之间存在着确定的对应关系,所以,只要测得摆杆的旋转角度,即可求得相应的斜面倾斜角,摆杆摆动的方位就对应最大倾斜角所对应的方位,也就是倾斜的主方向。这种检测方法实际上是将斜面倾斜角度的检测转换为相应的摆杆角位移的检测。

　　1 .2　测量系统构成

　　如上所述,电子水平仪通过检测输出角度的绝对位置,获得相应斜面倾斜角度的信息。为此,采用角度传感器检测角度,通过A/D芯片的转换,将传感器输入角度所对应的输出电信号采集到微处理器中,并将对应的模拟量转换为微处理器可识别的数字量,微处理器通过对传感器信息的处理,计算出所需要检测的倾斜角度和方位角度,并在液晶显示器上读出具体值,从而完成倾斜角及方位角的测量,其测量系统的硬件组成如图2所示。从硬件原理图中可以看出另外一套单片机系统是用来串口通信实现角度的远程显示。另外,单片机可以用以驱动执行元件,实现自动化,例如对平台的水平控制等。

　　2　机械放大系统

　　主要通过适当的机械补偿和高分辨率A/D转换芯片来提高电子水平仪的分辨率,降低成本。

　　如图3所示,当机架置于水平面上的时候,摆杆1在摆锤重力的作用下,

垂直于水平面,摆杆2和摆杆3与机架的上横梁保持垂直的关系,无相对偏转发生,当机架置于角度为α倾斜面上的时候,摆杆1在摆锤重力作用下,与机架发生相对偏转,偏转角度为α1,摆杆1与摆杆2和摆杆3通过连杆铰链连接,相应的摆杆2和摆杆3会产生α2和α3的偏转角度。在一定测量范围内,倾斜角α和摆杆1的摆角α₁是相同的。而测量α₁则是借助于α₃来进行观测,为此,根据α₁、α₂、α₃及摆杆的长度,建立A、B、C、D的坐标,基于连杆刚性的条件下,AB、CD的长度不变。调整摆杆1的初始位置,使得测角的对称,设定测角范围(-10°,+10°),在L₁=46,L₂=46,L₃=10,L₄=10,a₁=15,a₂=15;L₅=L₆=39,得:AB=39时,CD=39。通过计算分析出放大倍数非线性,从-10°时的9.314 0到10°时的6.742 6,放大倍数变化范围不大,能够符合放大要求。在摆杆3的铰链处通过旋转定位器即可采集角度信息,对应于相应的模拟电压变化,通过A/D转换芯片对电压的转换即可获得倾斜角度和方位角度信息。