馬浩慧 / 上海市計(jì)量測試技術(shù)研究院

水平儀的發(fā)展及應(yīng)用

馬浩慧 / 上海市計(jì)量測試技術(shù)研究院

0 引言

角度量是長度計(jì)量和工業(yè)制造業(yè)中經(jīng)常遇到的量值，對角度測量技術(shù)提出了更高更廣泛的需求，水平儀可以完成小角度的測量任務(wù)。水平儀從過去簡單的水泡水平儀發(fā)展到目前電子水平儀，是自動(dòng)化和電子測量技術(shù)發(fā)展的結(jié)果。電子水平儀是機(jī)械制造工業(yè)中角度測量的精密測量儀器之一，主要用于垂直方向小角度的直接測量和其他相關(guān)的參數(shù)測量，如測量相對水平面的傾斜角度，也用于零件的平行度、導(dǎo)軌直線度和工作面平面度測量。由于水平儀的測量準(zhǔn)確度較高，使用方便，因此在機(jī)械制造和設(shè)備修理安裝的生產(chǎn)實(shí)踐中得到了廣泛的應(yīng)用。隨著新型電子水平儀的不斷研發(fā)和性能提高，還可以用于被測表面對水平面或垂直面的微小傾斜角度的測量和機(jī)器的裝配精度以及設(shè)備的安裝精度等的測量。

1 利用水準(zhǔn)器原理的水平儀

水準(zhǔn)器是水平儀進(jìn)行測量和讀數(shù)的基本元件。利用液體在密閉的玻璃管中在自然重力的作用下，當(dāng)玻璃管處于不是絕對水平的位置，即在發(fā)生微小傾斜時(shí)，液體會(huì)往下移動(dòng)的原理。在一個(gè)密閉的、內(nèi)壁有一定曲率半徑的玻璃管,內(nèi)裝乙醇或乙醚作為儲液，管內(nèi)留有一定長度的氣泡。因此，不論把水平儀放在什么位置,水準(zhǔn)器內(nèi)的儲液總是向低處流動(dòng),保持液面處于水平位置，而氣泡總是相應(yīng)向高處移動(dòng)，停留在玻璃管的最高位置。水平儀就是根據(jù)這個(gè)原理制成的，最常見的就是條式水平儀和框式水平儀，在水平和垂直位置各有一個(gè)水準(zhǔn)器。而合象水平儀和光學(xué)傾斜儀只有一個(gè)能夠確定自然水平位置的水準(zhǔn)器。

在實(shí)際測量檢驗(yàn)中，如果測量面是凹的情況下,水平儀從任意一個(gè)方向移動(dòng),水平儀的氣泡向相同方向運(yùn)動(dòng)，如圖1所示；如果測量面是凸的情況下，水平儀從任意一個(gè)方向移動(dòng)，水平儀的氣泡向相反方向運(yùn)動(dòng)，如圖2所示。確定測量面凹凸后，再根據(jù)所使用的墊鐵長度和水平儀氣泡運(yùn)動(dòng)格數(shù)和等參數(shù)可以計(jì)算出測量面的直線度。

圖1 凹測量面

圖2 凸測量面

利用水準(zhǔn)器原理制成的水平儀分度值一般在0.02 mm/m到0.05 mm/m，而且測量準(zhǔn)確度較低，常用于平板等大型設(shè)備安裝時(shí)對水平位置的調(diào)整，以達(dá)到設(shè)備的安裝和正常使用的要求，而不能滿足測量準(zhǔn)確度相對高的直線度平面度等測量。

2 利用物理擺錘原理的水平儀

隨著機(jī)械制造業(yè)的發(fā)展，精密機(jī)床、制造加工中對直線度平面度測量提出了更高的準(zhǔn)確度要求，電子水平儀應(yīng)運(yùn)而生。其原理是利用物理擺錘受地球重力的影響，使兩邊電容量產(chǎn)生變化，輸出角度差，從而更準(zhǔn)確地測量微小角度的變化。電子水平儀有電感式和電容式兩種。根據(jù)測量方向不同還可分為一維和二維電子水平儀。

為了能夠達(dá)到高準(zhǔn)確度小角度變化的測量要求，采用單擺的原理，將擺球換成一個(gè)圓形擺盤。由于受重力的作用，擺盤可自由繞著其上部的萬向鉸鏈擺動(dòng)，擺盤始終保持水平，而水平儀的下端的測量基準(zhǔn)面與被測面相平行，所以當(dāng)被測面傾斜時(shí)，擺盤下端的基準(zhǔn)面相對于擺盤的傾斜度和主傾斜方位也會(huì)隨之發(fā)生變化，其工作原理如圖3所示。

圖3 電子水平儀的擺錘原理

電子水平儀主要由擺盤懸浮系統(tǒng)、傳感器組、電子檢測系統(tǒng)等幾部分構(gòu)成，采用高靈敏度傳感器，是由單片機(jī)作為控制器的高精度計(jì)量儀器。電子水平儀已廣泛應(yīng)用于測量面的平面度、直線度檢測及精密機(jī)床、坐標(biāo)測量機(jī)等的安裝和調(diào)整。電感式電子水平儀測量結(jié)果是輸出線圈的電壓變化，當(dāng)水平儀的基座因待測工件傾斜而傾斜時(shí)，其內(nèi)部擺錘因移動(dòng)而造成感應(yīng)線圈的電壓變化。電容式水平儀的測量原理為一圓形擺錘自由懸掛在細(xì)線上，擺錘受地球重力影響，懸浮于無摩擦狀況。擺錘的兩邊均有電極且間隙相同時(shí)電容量是相等。當(dāng)水平儀在被測面上發(fā)生微小傾斜，兩間隙不同距離會(huì)改變，從而產(chǎn)生不同電容，形成角度的差異。測量結(jié)果通過位移傳感器、微處理器系統(tǒng)獲得，傾斜角位移以電信號的形式輸出。電子水平儀同時(shí)配合測量軟件，對測量數(shù)據(jù)可直接輸入至計(jì)算機(jī)，可以計(jì)算出測量結(jié)果，實(shí)現(xiàn)平面度、直線度自動(dòng)測量，并輸出打印計(jì)算結(jié)果及模擬圖形。

隨著精密制造業(yè)的發(fā)展，電子水平儀靈敏度、響應(yīng)時(shí)間等的要求越來越高。目前世界上較高精度的水平儀的分辨力優(yōu)于1 nrad，即0.000 2"。

3 電子水平儀應(yīng)用實(shí)例

在很多儀器安裝、航空軍工等領(lǐng)域，需要有個(gè)水平基準(zhǔn)面作為基準(zhǔn)。單有電子水平儀大多都無法給出傾斜方位，只有多方位測量才能得出傾斜方位和傾斜角度。這對于要實(shí)時(shí)進(jìn)行水平控制的場合來說是一個(gè)缺陷。

很多實(shí)驗(yàn)室利用液體自然水平面作參考基準(zhǔn)，利用激光垂直入射至水平面，激光原路返回時(shí)，即激光光束豎直，是很好的參考。但是會(huì)由于選取的液體存在反射率低、液面曲率的影響和光束受到散射等因素，反射光斑會(huì)出現(xiàn)模糊、扭曲等現(xiàn)象，不利于激光光束準(zhǔn)直，從而限制了準(zhǔn)直精度的提高。

精密光學(xué)測量領(lǐng)域中，激光干涉儀用來測量被測物高準(zhǔn)確度位移量。如果激光入射方向調(diào)整不好會(huì)引入余弦誤差，因此激光光束沿被測物運(yùn)動(dòng)方向的準(zhǔn)直是調(diào)整環(huán)節(jié)中的關(guān)鍵一環(huán)。為了實(shí)現(xiàn)高準(zhǔn)確度的測量和調(diào)整需求，必然基于非常準(zhǔn)的參考標(biāo)準(zhǔn)。也有利用天平法建立質(zhì)量量子基準(zhǔn)，要求懸掛線圈沿著重力加速度方向運(yùn)動(dòng)，同時(shí)也要求準(zhǔn)確測量出懸掛線圈的位移或速度，一般利用激光干涉儀測量懸掛線圈的位移。雖然采取了不同方法對激光光束在垂直方向進(jìn)行準(zhǔn)直，但是余弦誤差還是一定會(huì)存在的。

無論采用何種方法，在垂直方向?qū)す夤馐鴾?zhǔn)直，首先必須有準(zhǔn)確度高的參考標(biāo)準(zhǔn)。工程應(yīng)用中，人們常用電子水平儀作為水平參考。隨著電子水平儀精度的提高，其應(yīng)用愈發(fā)廣泛。考慮到精加工的平面鏡反射面可以達(dá)到很好的平面度，反射率極高，同時(shí)考慮到平面鏡的一大特點(diǎn)是垂直入射其表面的光束將原路返回，如果能夠利用電子水平儀標(biāo)定一個(gè)反射鏡反射面的水平度，那么這個(gè)反射面可以替代液面參考，用來實(shí)現(xiàn)激光光束豎直方向的準(zhǔn)直。

為了得到一個(gè)反射面水平的平面鏡作為水平基準(zhǔn)，必須有一個(gè)非常準(zhǔn)的參考為依據(jù)。用電子水平儀作為參考，其分辨力可小于 1 μrad。將電子水平儀放置在一個(gè)精密旋轉(zhuǎn)臺上，通過旋轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)，電子水平儀將輸出正弦信號。通過底座調(diào)整旋轉(zhuǎn)臺自身在水平面內(nèi)的傾角，可以使得輸出信號峰峰值最小，從而得到一個(gè)旋轉(zhuǎn)軸中心。圖 4中精密旋轉(zhuǎn)臺固定在調(diào)整底座上，電子水平儀固定在旋轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)平面上。根據(jù)電子水平儀在一個(gè)旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)輸出傾角最大值和最小值，可以計(jì)算出旋轉(zhuǎn)軸豎直傾角誤差為峰峰值的1/2。

圖4 電子水平儀垂直軸向標(biāo)準(zhǔn)裝置

將平面鏡固定在上述旋轉(zhuǎn)臺的旋轉(zhuǎn)平面上一起旋轉(zhuǎn)時(shí)，用激光傾斜入射至反射面上，接下來將該參考標(biāo)準(zhǔn)以最短的傳遞環(huán)節(jié)傳遞到平面鏡反射面水平調(diào)整上。反射光被固定的位置探測器接收，由于旋轉(zhuǎn)軸沿豎直方向，假設(shè)平面鏡反射面絕對水平，則接收到的反射光位置不發(fā)生變化，即輸出位移不變；如果反射面與豎直方向有夾角，則輸出信號在二維平面內(nèi)成一橢圓軌跡。

這樣，利用電子水平儀和平面鏡反射面，可以方便測量激光上下入射的應(yīng)用場合，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測旋轉(zhuǎn)軸豎直狀態(tài)；激光器出射光束由下往上傾斜入射至平面鏡反射面上，輸出信號，調(diào)整傾角臺傾角，使得在一個(gè)旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)由平面鏡反射出來，輸出的光點(diǎn)位置在一定范圍內(nèi)維持不變。

利用高精度電子水平儀實(shí)現(xiàn)平面鏡反射面水平調(diào)整的裝置，由于反射面平面度可以加工良好，而平面鏡的一大特點(diǎn)是垂直入射其表面的光束將原路返回，因此利用該反射面作為標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)而可應(yīng)用于對激光光束在豎直方向的準(zhǔn)直。這種方法傳遞至平面鏡的反射面上，實(shí)驗(yàn)得到平面鏡水平傾角小于 30 μrad，從而實(shí)現(xiàn)一種平面鏡反射面作為參考級水平基準(zhǔn)的調(diào)整。用平面鏡克服了液面參考的局限性，尤其是對于激光光束豎直向上入射的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了一種更高精度的水平參考。

4 結(jié)語

水平儀從過去簡單的水泡水平儀到現(xiàn)在的電子水平儀，是自動(dòng)化和電子測量技術(shù)發(fā)展的結(jié)果。作為一種檢測工具，它已成為橋梁鐵路、土木工程、航空航海、工業(yè)自動(dòng)化、機(jī)械加工等領(lǐng)域不可缺少的重要計(jì)量儀器。電子水平儀是一種非常準(zhǔn)確的測量小角度的檢測工具，不僅可以測量被測平面的平面度、直線度等參數(shù)，還可以結(jié)合光學(xué)等方法，獲得更多的測量結(jié)果，實(shí)現(xiàn)相對于水平位置的傾斜度的測量，得到準(zhǔn)確的水平基準(zhǔn)面。在機(jī)械測量及光機(jī)電一體化應(yīng)用技術(shù)應(yīng)用中占有重要地位，研究性能精度更好的電子水平儀具有重要意義。

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