基于四分球面電容的電子水平儀

高海峽　黃佳怡　高嘉陽(yáng)　陳隆翔

基于四分球面電容的電子水平儀

高海峽黃佳怡高嘉陽(yáng)陳隆翔

（湖南科技學(xué)院 理學(xué)院，湖南 永州 425199）

水平儀是用于測(cè)量小傾角的量具，在工業(yè)生產(chǎn)中有著重要的應(yīng)用價(jià)值。本文針對(duì)傳統(tǒng)水平儀在運(yùn)用中所展現(xiàn)的不足進(jìn)行改進(jìn)，設(shè)計(jì)出一種基于四分球面電容的電子水平儀，可實(shí)現(xiàn)電子、自動(dòng)化、遠(yuǎn)程、智能測(cè)量。

四分球面電容；水平儀；檢測(cè)

水平儀是以水準(zhǔn)器作為測(cè)量和讀數(shù)元件，用于測(cè)量小傾角的量具，常用于檢驗(yàn)各種機(jī)床等設(shè)備導(dǎo)軌的直線度和設(shè)備安裝的水平位置、豎直位置，它在工業(yè)生產(chǎn)中有重要的應(yīng)用價(jià)值[1-4]。

目前，水平儀在市場(chǎng)中的種類有很多，按外形不同常分為框式水平儀和尺式水平儀，按調(diào)試方式不同可分為可調(diào)式水平儀和不可調(diào)式水平儀。但無(wú)論是哪一種，作為測(cè)量和讀數(shù)的一個(gè)重要元件就是水準(zhǔn)器。水準(zhǔn)器普遍是用一個(gè)封閉的玻璃容器做成的，在容器中裝有黏滯系數(shù)較小的液體，并留有一個(gè)小氣泡，這個(gè)小氣泡就是判斷水平儀是否水平的一個(gè)重要根據(jù)。由于這種水準(zhǔn)器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，其里面裝有的液體會(huì)受溫度影響，因此會(huì)造成讀數(shù)不準(zhǔn)確。還有就是水平儀并不能確定傾斜的具體角度。

目前研究發(fā)現(xiàn)：“電容+傳感”是實(shí)現(xiàn)精確測(cè)量的一種很好方法[5-10]，本文設(shè)計(jì)四分球面電容的電子水平儀來(lái)檢測(cè)二維平面水平情況，可實(shí)現(xiàn)電子、自動(dòng)化、遠(yuǎn)程、智能測(cè)量。

1 水準(zhǔn)器的結(jié)構(gòu)與原理

水準(zhǔn)器是水平儀進(jìn)行測(cè)量和讀數(shù)的一個(gè)基本元件。根據(jù)他們的外觀形狀，水準(zhǔn)器可分為圓水準(zhǔn)器和管水準(zhǔn)器兩種類型[11]。在校準(zhǔn)水平儀是否水平的過(guò)程中，二者的作用也有些許的差別，圓水準(zhǔn)器的作用是校準(zhǔn)水平儀所處的位置已大致水平，也稱之為校準(zhǔn)過(guò)程中的粗平；而管水準(zhǔn)器的作用則是在粗平的基礎(chǔ)上，再次調(diào)整水平儀的位置以達(dá)到水平，這稱之為校準(zhǔn)過(guò)程中的精平。因此在判斷水平儀是否水平時(shí)，需要圓水準(zhǔn)器和管水準(zhǔn)器兩者的共同配合從而達(dá)到完整的整平過(guò)程。

圓水準(zhǔn)器是一個(gè)封閉的圓形玻璃容器，在容器內(nèi)裝有乙醚類液體，并且在此容器封閉之前會(huì)留有一個(gè)氣泡，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。在圓水準(zhǔn)器頂蓋的中央部位標(biāo)有一個(gè)小圓圈（圖1中“氣泡”），此圓圈便是用來(lái)整平的，其圓心就是圓水準(zhǔn)器的零點(diǎn)（圖1中2條虛線的交點(diǎn)O），圓水準(zhǔn)器的軸是過(guò)零點(diǎn)O的球面法線，圓水準(zhǔn)器的分劃值是頂蓋球面上2 mm弧長(zhǎng)所對(duì)應(yīng)的圓心角值。測(cè)量者通過(guò)觀察氣泡是否處于居中位置以及水準(zhǔn)器軸是否位于豎直位置來(lái)判斷水平儀是否水平。

圖1 圓水準(zhǔn)器結(jié)構(gòu)俯視圖

管水準(zhǔn)器是一個(gè)封閉的玻璃容器，其形狀為管狀。管水準(zhǔn)器的容器中裝有酒精或乙醚或者兩者混合的液體，并留有一個(gè)小氣泡。其結(jié)構(gòu)如圖2所示。在玻璃管的表面上標(biāo)有間隔為2 mm的分劃線，分劃的中點(diǎn)稱管水準(zhǔn)器的零點(diǎn)，管水準(zhǔn)器的軸是過(guò)零點(diǎn)對(duì)管內(nèi)壁所作的切線。通過(guò)觀察氣泡是否處于居中位置以及水準(zhǔn)器的軸是否位于水平位置來(lái)判斷其是否水平。

圖2 管水準(zhǔn)器結(jié)構(gòu)俯視圖

對(duì)于管水準(zhǔn)器和圓水準(zhǔn)器，只要當(dāng)水平儀并沒(méi)有處在一個(gè)水平的狀態(tài)下（即發(fā)生微小的傾斜），由于受重力的作用，裝在水準(zhǔn)器中的液體就會(huì)向某一個(gè)方向流動(dòng)。水準(zhǔn)器內(nèi)會(huì)留有一個(gè)小氣泡，無(wú)論水準(zhǔn)器中的液體流向哪個(gè)方向，液面始終保持著水平，因此小氣泡會(huì)隨著液體流動(dòng)而移動(dòng)，并且停留在液體的最高位置，因此調(diào)節(jié)水平儀水平時(shí)，始終要讓水準(zhǔn)器中氣泡的中心處于水準(zhǔn)器的零點(diǎn)居中位置。這種判別方法如果是通過(guò)測(cè)量者肉眼所觀察的，并且氣泡長(zhǎng)度、外界溫度、玻璃管內(nèi)工作面的加工光潔度、液體的物理性質(zhì)和純潔度等都會(huì)影響其判斷結(jié)果[12]。利用水準(zhǔn)器原理制成的水平儀分度值一般為0.02～0.05 mm/m[13]，而且測(cè)量精度較低，在水平調(diào)整位置時(shí)，僅僅是達(dá)到一個(gè)正常使用的基本要求，一般只在一些比較大型的設(shè)備安裝時(shí)會(huì)應(yīng)用到。對(duì)于測(cè)量精度相對(duì)比較高的測(cè)量而言，卻是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足精度要求。針對(duì)傳統(tǒng)水準(zhǔn)器的不穩(wěn)定和低精度等缺點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)了四分球面電容的電子水平儀。

2 四分球面電容的電子水平儀結(jié)構(gòu)和原理

2.1 四分球面電容的電子水平儀結(jié)構(gòu)

針對(duì)現(xiàn)有水平儀的不足，設(shè)計(jì)一種新型的四分球面電容的電子水平儀，可實(shí)現(xiàn)二維平面傾斜角度的測(cè)量，設(shè)計(jì)圖如圖3所示。圖3(a)為四分球面電容的電子水平儀截面圖，圖3中“外半球面電極”“內(nèi)半球面電極”“信號(hào)調(diào)理電路”安裝在既輕又絕緣的塑料基架內(nèi)，圖3中的“外半球面電極”在上層，圖3中的“內(nèi)半球面電極”在中層，圖3中的“信號(hào)調(diào)理電路”在下層；圖3中的“外半球面電極”與“內(nèi)半球面電極”嵌套形成“球面儲(chǔ)液腔”，圖3中的“球面儲(chǔ)液腔”內(nèi)盛放“液態(tài)電介質(zhì)”。圖3中“球面儲(chǔ)液腔”內(nèi)存有氣泡。為了進(jìn)一步說(shuō)明其電極的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，外球面電極的俯視圖、內(nèi)球面電極的俯視圖分別如圖3(b)和(c)所示。圖3中的“外半球面電極”分成了4個(gè)子電極，如圖3(b)所示。圖3中的“內(nèi)半球面電極”也分成4個(gè)子電極，如圖3(c)所示。這內(nèi)、外半球面構(gòu)成的8個(gè)電極分別兩兩相對(duì)，構(gòu)成了四個(gè)電容器C1、C2、C3、C4，即四分球面電容。為達(dá)到精確、自動(dòng)測(cè)量，主要依靠一個(gè)二極管雙T型的信號(hào)調(diào)理電路，它由信號(hào)源、二極管、電阻和電容組成，其中C1、C3構(gòu)成第一組二極管雙T型電路，C2、C4構(gòu)成第二組二極管雙T型電路。

1—上面成球面形，下面成平面形的塑料基架；2—外半球面電極；3—液態(tài)電介質(zhì)；4—內(nèi)半球面電極；5—球面儲(chǔ)液腔；6—信號(hào)調(diào)理電路；7、8、9、10—外半球面電極的4個(gè)子電極；11、12、13、14—內(nèi)半球面電極的4個(gè)子電極。

2.2 四分球形電容的計(jì)算

趙凱華等給出球形電容公式[14]。本文利用球形電容公式推導(dǎo)四分球面電容公式。

由式(2)得

圖4 同心電容計(jì)算示意圖

2.3 四分球面電容的電子水平儀測(cè)量原理

在四分球面電容的電子水平儀裝置中，為了達(dá)到輕巧方便，這里的內(nèi)、外半球面電極的垂直投影直徑為30mm，外半球面電極的圓弧半徑為22 mm，內(nèi)半球面電極圓弧半徑為20mm，外半球面電極與內(nèi)半球面電極相距2mm。設(shè)計(jì)的傾角傳感器中的電容C1、C2、C3、C4所對(duì)應(yīng)的電容值分別為1、C2、C3、4，大約在幾十到幾百pF的范圍內(nèi)。初始狀態(tài)為水平，這四個(gè)電容的電容值C1＝C2＝3＝C4，當(dāng)平面在某一方向（C1與C3連線方向或C2與C4連線方向）有角度傾斜時(shí)，此時(shí)這個(gè)方向的兩個(gè)電容的值就不相等。為方便快速讀數(shù)，測(cè)量電路采用兩組二極管雙T型電路，其測(cè)量電路如圖5所示。

第一組二極管雙T型電路包括：二極管VD1、VD3，電阻R1、R3、RL1，電容C1、C3，信號(hào)源Vs。VD1、R1、C1構(gòu)成一個(gè)T型，VD3、R3、C3構(gòu)成另一個(gè)T型。第二組二極管雙T型電路包括：二極管VD2、VD4，電阻R2、R4、RL2，電容C2、C4，信號(hào)源Vs。VD2、R2、C2構(gòu)成一個(gè)T型，VD4、R4、C4構(gòu)成另一個(gè)T型。2個(gè)信號(hào)源Vs都是頻率為4000 Hz的方波。

圖5 電路原理圖

當(dāng)塑料基架水平放置時(shí)，圖3中“球面儲(chǔ)液腔內(nèi)”的氣泡在半球面電極正中央，電容C1、C2、C3、C4 的電容值相等。由圖5可知：信號(hào)源Vs輸出的方波在R1和R3、R2和R4右端形成的電位相等，因此在兩組二極管雙T型電路的輸出電壓1和2均為0。當(dāng)塑料基架放在傾斜平面時(shí)，C1、C2、C3、C4的電容值將可能發(fā)生變化，如果1≠3，則信號(hào)源Vs輸出的方波在R1和R2右端形成的電位不相等，即電壓1不為0，說(shuō)明C1與C3連線的水平傾角（直線或平面與水平面的夾角）不為0，電壓1的值越大，意味著C1與C3連線的水平傾角越大；反之，意味著C1與C3連線的水平傾角越小。同理，如果2≠4，可知2不為0，說(shuō)明C2與C4連線的水平傾角不為0，電壓2的值越大，意味著C2與C4連線的水平傾角越大；反之，意味著C2與C4連線的水平傾角越小。這里電壓的正負(fù)值可以用來(lái)判斷具體向C1、C2、C3、C4中哪一個(gè)方向偏高。由上可知，通過(guò)觀測(cè)1和2電壓值的大小和正負(fù)可以很直觀地來(lái)確定平面傾角角度和方向。

3　結(jié) 語(yǔ)

隨著我國(guó)機(jī)械制造行業(yè)發(fā)展速度的不斷加快，對(duì)精準(zhǔn)測(cè)量提出了越來(lái)越高的要求。為了得到精準(zhǔn)的水平基準(zhǔn)面，本文針對(duì)傳統(tǒng)水準(zhǔn)器易受溫度影響、讀數(shù)不準(zhǔn)確，而且無(wú)法計(jì)算水平儀傾斜的具體角度等不足，利用電容產(chǎn)生變化，輸出不同電壓值，設(shè)計(jì)出一種四分球面電容的電子水平儀。此電子水平儀中的電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，在檢驗(yàn)零部件的傾斜度等數(shù)據(jù)時(shí)，不僅能確定傾斜的具體方向和角度，還能實(shí)現(xiàn)電子、自動(dòng)、遠(yuǎn)程、智能測(cè)量，從而減少人工檢驗(yàn)的人為誤差。由此可見(jiàn)，四分球面電容的電子水平儀具有方便、精確等優(yōu)點(diǎn)，在生產(chǎn)生活中有很好的實(shí)用價(jià)值。

[1]毛永毅,付夢(mèng)媛.一種水平儀和氣壓計(jì)結(jié)合的樓層識(shí)別方法[J].傳感技術(shù)學(xué)報(bào),2020,33(8):1169-1175.

[2]張衛(wèi)東,姚爽,聶金玲.水平儀檢定器準(zhǔn)確度性能的探討[J].計(jì)測(cè)技術(shù),2020,40(3):7-10.

[3]李漢滄,諸春龍.RAAL型電子水平儀在雷達(dá)檢測(cè)中的應(yīng)用[J].吉林農(nóng)業(yè),2019(7):105.

[4]劉金明.基于嵌入式技術(shù)的艦船電子水平儀設(shè)計(jì)[J].艦船科學(xué)技術(shù),2019,41(24):220-222.

[5]張東風(fēng),楊智兵.基于電容式液位傳感器的油量監(jiān)控系統(tǒng)[J].客車(chē)技術(shù)與研究,2020,42(5):29-31.

[6]龔秋英,張燕.基于電容傳感器的汽油辛烷值檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].儀表技術(shù)與傳感器,2019(8):70-73.

[7]鄧永和,王冬青,曾慶豐.基于電容器的壓力微傳感器的研制[J].傳感技術(shù)學(xué)報(bào),2004(2):329-330,341.

[8]董恩生,董永貴,呂文爾,等.同面多電極電容傳感器的仿真與試驗(yàn)研究[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào),2006(2):6-11.

[9]包本剛,朱湘萍,劉志壯,等.同一柱面電容傳感器探頭數(shù)學(xué)模型解析解[J].傳感器與微系統(tǒng),2018,37(4):139-141.

[10]劉志壯,張文昭,薛曉鉑,等.基于液體擺的柱面電容式傾角傳感器[J].傳感技術(shù)學(xué)報(bào),2018,31(7):1024-1027.

[11]喬秀琴.談水準(zhǔn)器及零值誤差[J].黑龍江紡織,1995(4):46-47.

[12]劉宗林.水準(zhǔn)器的靈敏度及其影響因素[J].科學(xué)技術(shù)與工程,2011,11(10):2290-2293.

[13]馬浩慧,邢敏劍.水平儀的發(fā)展及應(yīng)用[J].計(jì)量技術(shù),2018 (7):18-21.

[14]趙凱華,陳熙謀.電磁學(xué)[M].2版.北京:高等教育出版社, 2006.

[15]黃紹書(shū),王金霞.用平行板電容器電容公式求非平行板電容器電容[J].物理與工程,2017,27(6):51-53.

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2019年湖南科技學(xué)院大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(湘科院教發(fā)〔2019〕30號(hào)No.56)；湖南科技學(xué)院應(yīng)用特色學(xué)科建設(shè)項(xiàng)目資助。

高海峽（1979－），男，湖南祁陽(yáng)人，博士，副教授，研究方向?yàn)樵臃肿游锢怼?/p>

（責(zé)任編校：宮彥軍）