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写给打算自己做电子水平仪的朋友

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发表于 2022-9-27 14:34 | 只看该作者 |只看大图 回帖奖励 |正序浏览 |阅读模式
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。

欢迎继续阅读楼主其他信息

10
发表于 2022-12-23 23:38 | 只看该作者
干货
9
发表于 2022-10-18 00:16 | 只看该作者
干脆做个地震报警器算了
8
发表于 2022-10-15 22:53 | 只看该作者
可以试下用水银代替液体,或者一个水平面用多个不同种类水银开关放在不同位置来控制。最好还是用激光投射来控制,可以做非常灵敏,受影响最小。
7
发表于 2022-9-28 11:14 | 只看该作者
铍铜有毒,不建议新手尝试。

铍铜有毒这个本人亲身经历过,不管新手老手,还是不要用了
6
发表于 2022-9-28 00:27 | 只看该作者
5
发表于 2022-9-27 20:59 | 只看该作者
这个要能有个关联软件,用起来就牛了
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4
发表于 2022-9-27 17:21 | 只看该作者
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