馬浩慧 / 上海市計(jì)量測(cè)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(cè)試技術(shù)研究院
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(duì)角度測(cè)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(cè)量任務(wù)。水平儀從過去簡(jiǎn)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(cè)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(cè)量的精密測(cè)量儀器之一,主要用于垂直方向小角度的直接測(cè)量和其他相關(guān)的參數(shù)測(cè)量,如測(cè)量相對(duì)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(cè)量。由于水平儀的測(cè)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(cè)表面對(duì)水平面或垂直面的微小傾斜角度的測(cè)量和機(jī)器的裝配精度以及設(shè)備的安裝精度等的測(cè)量。
水準(zhǔn)器是水平儀進(jìn)行測(cè)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(duì)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(chǔ)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(chǔ)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(cè)量檢驗(yàn)中,如果測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)量面的直線度。
圖1 凹測(cè)量面
圖2 凸測(cè)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(cè)量準(zhǔn)確度較低,常用于平板等大型設(shè)備安裝時(shí)對(duì)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(cè)量準(zhǔn)確度相對(duì)高的直線度平面度等測(cè)量。
隨著機(jī)械制造業(yè)的發(fā)展,精密機(jī)床、制造加工中對(duì)直線度平面度測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)量基準(zhǔn)面與被測(cè)面相平行,所以當(dāng)被測(cè)面傾斜時(shí),擺盤下端的基準(zhǔn)面相對(duì)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(cè)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(cè)量面的平面度、直線度檢測(cè)及精密機(jī)床、坐標(biāo)測(cè)量機(jī)等的安裝和調(diào)整。電感式電子水平儀測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(hào)的形式輸出。電子水平儀同時(shí)配合測(cè)量軟件,對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)可直接輸入至計(jì)算機(jī),可以計(jì)算出測(cè)量結(jié)果,實(shí)現(xiàn)平面度、直線度自動(dòng)測(cè)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"。
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(cè)量才能得出傾斜方位和傾斜角度。這對(duì)于要實(shí)時(shí)進(jìn)行水平控制的場(chǎng)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(cè)量領(lǐng)域中,激光干涉儀用來測(cè)量被測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)量出懸掛線圈的位移或速度,一般利用激光干涉儀測(cè)量懸掛線圈的位移。雖然采取了不同方法對(duì)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??紤]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(tái)上,通過旋轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn),電子水平儀將輸出正弦信號(hào)。通過底座調(diào)整旋轉(zhuǎn)臺(tái)自身在水平面內(nèi)的傾角,可以使得輸出信號(hào)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(tái)固定在調(diào)整底座上,電子水平儀固定在旋轉(zhuǎn)臺(tái)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(tái)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(cè)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(duì)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(hào)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(cè)量激光上下入射的應(yīng)用場(chǎng)合,可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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(hào),調(diào)整傾角臺(tái)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(duì)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(jí)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(duì)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。
水平儀從過去簡(jiǎn)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(cè)量技術(shù)發(fā)展的結(jié)果。作為一種檢測(cè)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(cè)量小角度的檢測(cè)工具,不僅可以測(cè)量被測(cè)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(cè)量結(jié)果,實(shí)現(xiàn)相對(duì)于水平位置的傾斜度的測(cè)量,得到準(zhǔn)確的水平基準(zhǔn)面。在機(jī)械測(cè)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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