新型全方位电子水平仪的设计及误差分析

　　水平仪作为一种测量工具,已成为桥梁架设、铁路铺设、土木工程、地质勘探、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工具。作为小角度常用量具的水平仪,经历了从传统的气泡式水平仪到现在的光电式、电子式以及激光式水平仪,其测角范围大小不一、测角准确度亦相差甚远。但目前此类水平仪大多无法给出倾斜方位,只有多次多方位测量后方能综合出倾斜方位和真实的倾斜角度,这对于平台调整或需要实时控制水平的场合不能不说是一个很大的弱点[1~3]。本文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]。采用在摆盘上方合理布置若干位移传感器探头,通过位移传感器测出摆盘上某些点在壳体内的位置变化,利用这些点的位置变化的信息,按照一定的算法就可以计算出倾斜角度和倾斜方位。

　　1 电子水平仪基本工作原理

　　1.1 测量系统

　　电子水平仪的测量系统主要由机械结构、传感器、数据采集、微处理器、数码显示五部分构成[5]。其中位移传感器采用非接触式测量的电容传感器,这样可以减小测量误差,提高测量精度[6]。进行测量时,水平仪发生微小倾斜,摆盘在壳体内的相对位置发生立体式变化,于是传感器分别输出与位移成正比的电压信号,该电压信号经过AD转换送入单片机,按照测量算法就可得到倾斜角和方位角,结果通过数码显示显示出来。其硬件原理框图如图1所示。

　　1.2 测量原理

　　图2给出了电子水平仪的工作原理图,图中,1是传感器探头,2是万向铰链,3是摆盘,4是摆杆,5是壳体,6是摆块。由导电材料制成的摆盘是敏感元件)电容传感器的一个电极。因为它的中心点是通过万向绞链固置于壳体端盖的中心,所以不论壳体是否倾斜,它总是处于水平状态,从而起到测试基准的作用。为了使摆盘快速定位,同时提高摆盘的稳定性,又在摆盘下端面中心,固置了带有一定重量摆块的摆。电容传感器的另一个电极板则固定在端盖A点的探头上,作为测定受测平面的倾角电信号的输出点,并把它与端盖的中心线连线定名为测角基准线OA。

　　图2(a)表明水平仪置于水平面上时,端盖与摆盘都位于水平状态,两者平行,所测倾角为零。图2(b)表明水平仪置于倾斜面上时,壳体端盖对应于摆盘出现倾斜,并与所测平面的倾角相等,由此,使敏感电容器两极板间距变更,输出相应的电信号,就代表着所测平面的倾角C。值得注意的是:在这种情况下所测得的倾角C只有在斜面的倾斜方位线OE与OA线相合的时候才是正确的,若有差异将出现错误。见图3,为了解决这个问题,在壳体端盖的B处(OA线必须垂直于OB线)添置另一敏感电容器的动极板,这样同时解决了测倾角C和方位角H的问题。同时在制作壳体时,必须确保壳体上下两端面的平行。