基于四分球面電容的電子水平儀

高海峽　黃佳怡　高嘉陽　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陳隆翔

（湖南科技學院 理學院，湖南 永州 425199）

水平儀是用于測量小傾角的量具，在工業(yè)生產(chǎn)中有著重要的應用價值。本文針對傳統(tǒng)水平儀在運用中所展現(xiàn)的不足進行改進，設計出一種基于四分球面電容的電子水平儀，可實現(xiàn)電子、自動化、遠程、智能測量。

四分球面電容；水平儀；檢測

水平儀是以水準器作為測量和讀數(shù)元件，用于測量小傾角的量具，常用于檢驗各種機床等設備導軌的直線度和設備安裝的水平位置、豎直位置，它在工業(yè)生產(chǎn)中有重要的應用價值[1-4]。

目前，水平儀在市場中的種類有很多，按外形不同常分為框式水平儀和尺式水平儀，按調試方式不同可分為可調式水平儀和不可調式水平儀。但無論是哪一種，作為測量和讀數(shù)的一個重要元件就是水準器。水準器普遍是用一個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，并留有一個小氣泡，這個小氣泡就是判斷水平儀是否水平的一個重要根據(jù)。由于這種水準器的結構簡單，其里面裝有的液體會受溫度影響，因此會造成讀數(shù)不準確。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”是實現(xiàn)精確測量的一種很好方法[5-10]，本文設計四分球面電容的電子水平儀來檢測二維平面水平情況，可實現(xiàn)電子、自動化、遠程、智能測量。

1 水準器的結構與原理

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

圓水準器是一個封閉的圓形玻璃容器，在容器內裝有乙醚類液體，并且在此容器封閉之前會留有一個氣泡，其結構如圖1所示。在圓水準器頂蓋的中央部位標有一個小圓圈（圖1中“氣泡”），此圓圈便是用來整平的，其圓心就是圓水準器的零點（圖1中2條虛線的交點O），圓水準器的軸是過零點O的球面法線，圓水準器的分劃值是頂蓋球面上2 mm弧長所對應的圓心角值。測量者通過觀察氣泡是否處于居中位置以及水準器軸是否位于豎直位置來判斷水平儀是否水平。

圖1 圓水準器結構俯視圖

管水準器是一個封閉的玻璃容器，其形狀為管狀。管水準器的容器中裝有酒精或乙醚或者兩者混合的液體，并留有一個小氣泡。其結構如圖2所示。在玻璃管的表面上標有間隔為2 mm的分劃線，分劃的中點稱管水準器的零點，管水準器的軸是過零點對管內壁所作的切線。通過觀察氣泡是否處于居中位置以及水準器的軸是否位于水平位置來判斷其是否水平。

圖2 管水準器結構俯視圖

對于管水準器和圓水準器，只要當水平儀并沒有處在一個水平的狀態(tài)下（即發(fā)生微小的傾斜），由于受重力的作用，裝在水準器中的液體就會向某一個方向流動。水準器內會留有一個小氣泡，無論水準器中的液體流向哪個方向，液面始終保持著水平，因此小氣泡會隨著液體流動而移動，并且停留在液體的最高位置，因此調節(jié)水平儀水平時，始終要讓水準器中氣泡的中心處于水準器的零點居中位置。這種判別方法如果是通過測量者肉眼所觀察的，并且氣泡長度、外界溫度、玻璃管內工作面的加工光潔度、液體的物理性質和純潔度等都會影響其判斷結果[12]。利用水準器原理制成的水平儀分度值一般為0.02～0.05 mm/m[13]，而且測量精度較低，在水平調整位置時，僅僅是達到一個正常使用的基本要求，一般只在一些比較大型的設備安裝時會應用到。對于測量精度相對比較高的測量而言，卻是遠遠不能滿足精度要求。針對傳統(tǒng)水準器的不穩(wěn)定和低精度等缺點，本文設計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構和原理

2.1 四分球面電容的電子水平儀結構

針對現(xiàn)有水平儀的不足，設計一種新型的四分球面電容的電子水平儀，可實現(xiàn)二維平面傾斜角度的測量，設計圖如圖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”“內半球面電極”“信號調理電路”安裝在既輕又絕緣的塑料基架內，圖3中的“外半球面電極”在上層，圖3中的“內半球面電極”在中層，圖3中的“信號調理電路”在下層；圖3中的“外半球面電極”與“內半球面電極”嵌套形成“球面儲液腔”，圖3中的“球面儲液腔”內盛放“液態(tài)電介質”。圖3中“球面儲液腔”內存有氣泡。為了進一步說明其電極的內部結構，外球面電極的俯視圖、內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個子電極，如圖3(b)所示。圖3中的“內半球面電極”也分成4個子電極，如圖3(c)所示。這內、外半球面構成的8個電極分別兩兩相對，構成了四個電容器C1、C2、C3、C4，即四分球面電容。為達到精確、自動測量，主要依靠一個二極管雙T型的信號調理電路，它由信號源、二極管、電阻和電容組成，其中C1、C3構成第一組二極管雙T型電路，C2、C4構成第二組二極管雙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；4—內半球面電極；5—球面儲液腔；6—信號調理電路；7、8、9、10—外半球面電極的4個子電極；11、12、13、14—內半球面電極的4個子電極。

2.2 四分球形電容的計算

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四分球面電容公式。

由式(2)得

圖4 同心電容計算示意圖

2.3 四分球面電容的電子水平儀測量原理

在四分球面電容的電子水平儀裝置中，為了達到輕巧方便，這里的內、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，內半球面電極圓弧半徑為20mm，外半球面電極與內半球面電極相距2mm。設計的傾角傳感器中的電容C1、C2、C3、C4所對應的電容值分別為1、C2、C3、4，大約在幾十到幾百pF的范圍內。初始狀態(tài)為水平，這四個電容的電容值C1＝C2＝3＝C4，當平面在某一方向（C1與C3連線方向或C2與C4連線方向）有角度傾斜時，此時這個方向的兩個電容的值就不相等。為方便快速讀數(shù)，測量電路采用兩組二極管雙T型電路，其測量電路如圖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，信號源Vs。VD1、R1、C1構成一個T型，VD3、R3、C3構成另一個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，信號源Vs。VD2、R2、C2構成一個T型，VD4、R4、C4構成另一個T型。2個信號源Vs都是頻率為4000 Hz的方波。

圖5 電路原理圖

當塑料基架水平放置時，圖3中“球面儲液腔內”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。當塑料基架放在傾斜平面時，C1、C2、C3、C4的電容值將可能發(fā)生變化，如果1≠3，則信號源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。這里電壓的正負值可以用來判斷具體向C1、C2、C3、C4中哪一個方向偏高。由上可知，通過觀測1和2電壓值的大小和正負可以很直觀地來確定平面傾角角度和方向。

3　結 語

隨著我國機械制造行業(yè)發(fā)展速度的不斷加快，對精準測量提出了越來越高的要求。為了得到精準的水平基準面，本文針對傳統(tǒng)水準器易受溫度影響、讀數(shù)不準確，而且無法計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，設計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構簡單，在檢驗零部件的傾斜度等數(shù)據(jù)時，不僅能確定傾斜的具體方向和角度，還能實現(xiàn)電子、自動、遠程、智能測量，從而減少人工檢驗的人為誤差。由此可見，四分球面電容的電子水平儀具有方便、精確等優(yōu)點，在生產(chǎn)生活中有很好的實用價值。

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1673-2219（2021）03-0012-03

2020-04-16

2019年湖南科技學院大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目(湘科院教發(fā)〔2019〕30號No.56)；湖南科技學院應用特色學科建設項目資助。

高海峽（1979－），男，湖南祁陽人，博士，副教授，研究方向為原子分子物理。

（責任編校：宮彥軍）