基于四分球面电容的电子水平仪

高海峡　黄佳怡　高嘉阳　陈隆翔

基于四分球面电容的电子水平仪

高海峡黄佳怡高嘉阳陈隆翔

（湖南科技学院 理学院，湖南 永州 425199）

水平仪是用于测量小倾角的量具，在工业生产中有着重要的应用价值。本文针对传统水平仪在运用中所展现的不足进行改进，设计出一种基于四分球面电容的电子水平仪，可实现电子、自动化、远程、智能测量。

四分球面电容；水平仪；检测

水平仪是以水准器作为测量和读数元件，用于测量小倾角的量具，常用于检验各种机床等设备导轨的直线度和设备安装的水平位置、竖直位置，它在工业生产中有重要的应用价值[1-4]。

目前，水平仪在市场中的种类有很多，按外形不同常分为框式水平仪和尺式水平仪，按调试方式不同可分为可调式水平仪和不可调式水平仪。但无论是哪一种，作为测量和读数的一个重要元件就是水准器。水准器普遍是用一个封闭的玻璃容器做成的，在容器中装有黏滞系数较小的液体，并留有一个小气泡，这个小气泡就是判断水平仪是否水平的一个重要根据。由于这种水准器的结构简单，其里面装有的液体会受温度影响，因此会造成读数不准确。还有就是水平仪并不能确定倾斜的具体角度。

目前研究发现：“电容+传感”是实现精确测量的一种很好方法[5-10]，本文设计四分球面电容的电子水平仪来检测二维平面水平情况，可实现电子、自动化、远程、智能测量。

1 水准器的结构与原理

水准器是水平仪进行测量和读数的一个基本元件。根据他们的外观形状，水准器可分为圆水准器和管水准器两种类型[11]。在校准水平仪是否水平的过程中，二者的作用也有些许的差别，圆水准器的作用是校准水平仪所处的位置已大致水平，也称之为校准过程中的粗平；而管水准器的作用则是在粗平的基础上，再次调整水平仪的位置以达到水平，这称之为校准过程中的精平。因此在判断水平仪是否水平时，需要圆水准器和管水准器两者的共同配合从而达到完整的整平过程。

圆水准器是一个封闭的圆形玻璃容器，在容器内装有乙醚类液体，并且在此容器封闭之前会留有一个气泡，其结构如图1所示。在圆水准器顶盖的中央部位标有一个小圆圈（图1中“气泡”），此圆圈便是用来整平的，其圆心就是圆水准器的零点（图1中2条虚线的交点O），圆水准器的轴是过零点O的球面法线，圆水准器的分划值是顶盖球面上2 mm弧长所对应的圆心角值。测量者通过观察气泡是否处于居中位置以及水准器轴是否位于竖直位置来判断水平仪是否水平。

图1 圆水准器结构俯视图

管水准器是一个封闭的玻璃容器，其形状为管状。管水准器的容器中装有酒精或乙醚或者两者混合的液体，并留有一个小气泡。其结构如图2所示。在玻璃管的表面上标有间隔为2 mm的分划线，分划的中点称管水准器的零点，管水准器的轴是过零点对管内壁所作的切线。通过观察气泡是否处于居中位置以及水准器的轴是否位于水平位置来判断其是否水平。

图2 管水准器结构俯视图

对于管水准器和圆水准器，只要当水平仪并没有处在一个水平的状态下（即发生微小的倾斜），由于受重力的作用，装在水准器中的液体就会向某一个方向流动。水准器内会留有一个小气泡，无论水准器中的液体流向哪个方向，液面始终保持着水平，因此小气泡会随着液体流动而移动，并且停留在液体的最高位置，因此调节水平仪水平时，始终要让水准器中气泡的中心处于水准器的零点居中位置。这种判别方法如果是通过测量者肉眼所观察的，并且气泡长度、外界温度、玻璃管内工作面的加工光洁度、液体的物理性质和纯洁度等都会影响其判断结果[12]。利用水准器原理制成的水平仪分度值一般为0.02～0.05 mm/m[13]，而且测量精度较低，在水平调整位置时，仅仅是达到一个正常使用的基本要求，一般只在一些比较大型的设备安装时会应用到。对于测量精度相对比较高的测量而言，却是远远不能满足精度要求。针对传统水准器的不稳定和低精度等缺点，本文设计了四分球面电容的电子水平仪。

2 四分球面电容的电子水平仪结构和原理

2.1 四分球面电容的电子水平仪结构

针对现有水平仪的不足，设计一种新型的四分球面电容的电子水平仪，可实现二维平面倾斜角度的测量，设计图如图3所示。图3(a)为四分球面电容的电子水平仪截面图，图3中“外半球面电极”“内半球面电极”“信号调理电路”安装在既轻又绝缘的塑料基架内，图3中的“外半球面电极”在上层，图3中的“内半球面电极”在中层，图3中的“信号调理电路”在下层；图3中的“外半球面电极”与“内半球面电极”嵌套形成“球面储液腔”，图3中的“球面储液腔”内盛放“液态电介质”。图3中“球面储液腔”内存有气泡。为了进一步说明其电极的内部结构，外球面电极的俯视图、内球面电极的俯视图分别如图3(b)和(c)所示。图3中的“外半球面电极”分成了4个子电极，如图3(b)所示。图3中的“内半球面电极”也分成4个子电极，如图3(c)所示。这内、外半球面构成的8个电极分别两两相对，构成了四个电容器C1、C2、C3、C4，即四分球面电容。为达到精确、自动测量，主要依靠一个二极管双T型的信号调理电路，它由信号源、二极管、电阻和电容组成，其中C1、C3构成第一组二极管双T型电路，C2、C4构成第二组二极管双T型电路。

1—上面成球面形，下面成平面形的塑料基架；2—外半球面电极；3—液态电介质；4—内半球面电极；5—球面储液腔；6—信号调理电路；7、8、9、10—外半球面电极的4个子电极；11、12、13、14—内半球面电极的4个子电极。

2.2 四分球形电容的计算

赵凯华等给出球形电容公式[14]。本文利用球形电容公式推导四分球面电容公式。

由式(2)得

图4 同心电容计算示意图

2.3 四分球面电容的电子水平仪测量原理

在四分球面电容的电子水平仪装置中，为了达到轻巧方便，这里的内、外半球面电极的垂直投影直径为30mm，外半球面电极的圆弧半径为22 mm，内半球面电极圆弧半径为20mm，外半球面电极与内半球面电极相距2mm。设计的倾角传感器中的电容C1、C2、C3、C4所对应的电容值分别为1、C2、C3、4，大约在几十到几百pF的范围内。初始状态为水平，这四个电容的电容值C1＝C2＝3＝C4，当平面在某一方向（C1与C3连线方向或C2与C4连线方向）有角度倾斜时，此时这个方向的两个电容的值就不相等。为方便快速读数，测量电路采用两组二极管双T型电路，其测量电路如图5所示。

第一组二极管双T型电路包括：二极管VD1、VD3，电阻R1、R3、RL1，电容C1、C3，信号源Vs。VD1、R1、C1构成一个T型，VD3、R3、C3构成另一个T型。第二组二极管双T型电路包括：二极管VD2、VD4，电阻R2、R4、RL2，电容C2、C4，信号源Vs。VD2、R2、C2构成一个T型，VD4、R4、C4构成另一个T型。2个信号源Vs都是频率为4000 Hz的方波。

图5 电路原理图

当塑料基架水平放置时，图3中“球面储液腔内”的气泡在半球面电极正中央，电容C1、C2、C3、C4 的电容值相等。由图5可知：信号源Vs输出的方波在R1和R3、R2和R4右端形成的电位相等，因此在两组二极管双T型电路的输出电压1和2均为0。当塑料基架放在倾斜平面时，C1、C2、C3、C4的电容值将可能发生变化，如果1≠3，则信号源Vs输出的方波在R1和R2右端形成的电位不相等，即电压1不为0，说明C1与C3连线的水平倾角（直线或平面与水平面的夹角）不为0，电压1的值越大，意味着C1与C3连线的水平倾角越大；反之，意味着C1与C3连线的水平倾角越小。同理，如果2≠4，可知2不为0，说明C2与C4连线的水平倾角不为0，电压2的值越大，意味着C2与C4连线的水平倾角越大；反之，意味着C2与C4连线的水平倾角越小。这里电压的正负值可以用来判断具体向C1、C2、C3、C4中哪一个方向偏高。由上可知，通过观测1和2电压值的大小和正负可以很直观地来确定平面倾角角度和方向。

3　结 语

随着我国机械制造行业发展速度的不断加快，对精准测量提出了越来越高的要求。为了得到精准的水平基准面，本文针对传统水准器易受温度影响、读数不准确，而且无法计算水平仪倾斜的具体角度等不足，利用电容产生变化，输出不同电压值，设计出一种四分球面电容的电子水平仪。此电子水平仪中的电路结构简单，在检验零部件的倾斜度等数据时，不仅能确定倾斜的具体方向和角度，还能实现电子、自动、远程、智能测量，从而减少人工检验的人为误差。由此可见，四分球面电容的电子水平仪具有方便、精确等优点，在生产生活中有很好的实用价值。

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O4-34

A

1673-2219（2021）03-0012-03

2020-04-16

2019年湖南科技学院大学生创新创业训练计划项目(湘科院教发〔2019〕30号No.56)；湖南科技学院应用特色学科建设项目资助。

高海峡（1979－），男，湖南祁阳人，博士，副教授，研究方向为原子分子物理。

（责任编校：宫彦军）