写给打算自己做电子水平仪的朋友

fobyellow · 发表于 2022-9-27 14:34

本帖最后由 fobyellow 于 2022-9-27 14:48 编辑

虽然关注的人很少，我还是打算把一年来的心得整理出来

1、电子水平仪的测量分辨率
这个大家最关心的部分，我本来以为这部分最难，结果并不是。
目前主要应用的电子水平仪有电容式和电感式两种传感器，其中WYLER使用的是电容式，Taylor和Mahr包括日本的新泻精机使用的是电感式，主要原因是电容传感器是非线性的（电容量同距离的平方成反比），而电感式的普遍采用的是线性变压器，在数据处理和校准的纬度上要简单一些。要知道威乐的每一个传感器都是要上校准机去做非线性校正的。当然这个非线性也有好处，就是电容传感器的距离敏感性比电感的要好，俗话说就是灵敏度更高。
关于灵敏度的计算大约是这样的，以威乐最好的水平仪来举例，标称分辨率是1um/m，也就是在1米的跨度上，一侧比另一侧高1um。在水平仪的传感器内都会有一个悬挂装置，把一个有一定质量的物体悬挂在空中，如下图所示

当悬挂点（也就是对应的水平仪的底座）发生倾斜的时候，重摆由于重力原因会随着底座摆动相应的角度，从而在摆的末端造成位移，假设摆长是L=50mm，假设悬挂点的簧片无比柔软，那么在摆末端的位移量将是50/1000=0.05um。目前电感传感器和电容传感器均已可靠的实现这个分辨率（电感的大约是1-3nm，电容的大约是0.2nm）。所以这个设计指标是可以达到的。

   但这只是理论，实际使用中没什么意义，原因是我们生活的环境里面有太多的振动源，这种利用重力原理的测量仪器永远无法摆脱实际环境的振动干扰，这些干扰的震动大约分布在0.1-10Hz的频段，所以实际的读数并不会稳定下来，而是会在一个值的附近来回震荡。这也是为什么电子水平仪在60年前就是1um/m，到今天也是1um/m，并不是技术没有进步，而是在绝大部的应用场景里面，地面震动带来的综合测量结果就只能这样了。再往下就要测试传递函数，并做连续采样求解，把0.01Hz以上的交流量过滤掉，只保留直流量。这就是地震传感器的原理，机加工领域还没有人这样用。

2、悬挂的设计
   悬挂的固定点没说的，越结实越稳定就越好。
   柔性部分是比较难的，柔性部分要考虑的问题是：
   a、在我们希望的摆动方向上（一般来说就是水平仪底座的直线方向）我们希望它的阻力越小越好，因为这样可以创造最大的末端位移，从而提高灵敏度。
   b、在它的正交方向上（也就是在水平仪底座直线方向的垂直方向上），我们希望他的阻力越大越好，因为这样可以避免正交反向的不水平带来测量误差。

   悬挂的结构上有两种：

左边是单悬挂摆，右边是双悬挂摆，他们的区别是单悬挂的末端运动是圆周运动（当然当运动角度很小的时候，sinα=α，可以忽略），双悬挂摆的末端运动是水平加垂直运动，但是摆的末端一直是水平状态。
在制作上，单悬挂摆最简单，几乎没有制作精度的需求，所以适合初学者尝试。
双悬挂摆就要复杂一点，因为要保证两条摆线的平行，要不然就会出现下图的问题，这样会破坏零点位置的线性性。但是双悬挂摆的优点也是明确的，那就是在正交方向上的刚性会更好，导致的读数误差就更小。

刚性和柔性的结合部分也比较难，泰勒和马尔威乐都采用的是压板，这个压板的加工精度未知，从我实际制作过程来看，这个要研磨，不是为了粗糙度，而是平面度

3、材料的选择
外壳部分的材料基本上就是铸铁，好加工。
摆的末端重物建议选择没有磁性的材料，以免在有外磁的时候，摆体收到吸引力而发生位移，比如紫铜。这两年铜比较贵，也可以选择铝（纯铝而不是合金，密度偏小），当然你也可以放一坨石头，最优的选择当然是24K纯金，体积小，性能好，这可是一大卖点。
弹簧片部分比较关键，这里的选择因素有
a、有较好的强度（增加正交方向的刚性）
b、有很好很好很好很好的弹性（这里不是输入法错误，是强调），在摆动过程中不能发生塑性形变，要不然零点会偏移
c、有很好的老化特性和温度特性，不能有应力的释放，否和会导致零点便宜
d、如果可以的话，不要有磁性
常用的弹簧材料是不锈钢、铜合金、钛合金，这个请根据经济实力进行选择，一般玩家建议从不锈钢或者磷青铜下手。铍铜有毒，不建议新手尝试。
关于簧片的尺寸选择

弹簧片的厚度h，宽度b，长度L，最大弹性同L、h的平方成正比，同b成正比，这点很关键，要计算最大弹性位移量，并且把这个值控制在5倍的量程范围外，这样就可以基本上控制塑性形变，至于更优的设计准则，我还不知道，请自行查阅相关论文。

4、整体框架设计
在威乐和泰勒以及马尔的专利文章里面都有强调这个，一定要做对称设计，这样可以在最大程度上提高热稳定性。我实际制作的的众多合格失败品中，悬挂架构的截面积和形状都做了各种尝试，并未发现由于框架的刚性导致的测量结果不一致性。但是有一点要注意，就是所有的装配面都要尽量避免面接触，而使用三点接触。这个是勾的重点！！！！

5、使用体验设计
a、传感器部分的尺寸越小越好，越轻越好，这样可以降低在运输使用过程中的意外损坏。也可以增加应用范围
b、电路部分的放置，这个最好是把电路和传感器放在一起，自带显示器，这样易用，我目前还没有做过这样的东西，暂时不知道电路部分的发热会有什么后果
c、最好支持无线，手机或者电脑连接，方便取数

感谢万能的淘宝和强大的祖国，让一个软件工程师也有机会在家制作出好用的水平仪，谢谢大家。