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1、光学仪器年第卷第期一种新型两维水平传感器‘’黄次芳唐小平“陈家壁,并摘要探讨了以十字簧片为敏感元件的二维水平传感器的墓本原理作了,。,理论分析讨论了有关各种参数的选取在此基础上制作了传感器并对其性能。,该传。进行了浏试结果表明感器浏局误差可达弧秒左右关键词两维水平传感器十字簧片引言,利水平传感器是一种重要的测量用传感元件用这种传感器元件制作的水平仪广泛用干工程、建筑、车间以及实验室中。目前常用水平传感器有液面式、电阻式、电感式、应变式、悬挂,。,式等等其中最常用的是水泡型的水平仪水汐型的水平传感器又分为
2、两类一类是测量一维,其测量精度最高可达,水平误差的长水泡到弧秒另一类是测量二维水平面的圆水泡其测量精度一般最高为分。圆水泡不能实现高精度二维水平测量而长水泡精度高、体积大,做,。,,二维测量时需要相互垂直的两个占用体积更大另外水泡式的传感器一般只能用人工观察无法与智能化的自动测量系统直接连起来工作。其它几种水平传感器也有类似的种种缺点,不能满足现代测量仪器,尤其是大地测量仪器对于体积小的高精度二维水平传感器的要求。本文,,提出的新型水平传感器采用十字型弹簧片为敏感元件对于紧固其上的金属平板受到的重力,,
3、。方向变化具有很高的灵敏度造成平板偏离水平面的倾斜通过对干平板倾斜造成的微小电容变化的测量,即可实现二维水平倾角的测量。水平传感器的基本原理、一、、、、、、、、、、、、入、卜、戈「二、勺了子一件一血六件介节户,’、目、、、一,、气、、、、、、、,二幸守丁只军》、上盖定极板金属动极板十字型弹簧片底座外壳图二维水平传感器结构简图在如图所,,,示的二维水平传感器中底座上与其定位基准底面相平行紧固着一块十上海第二光学仪,。。器厂上海,南京师范大,。。南京学物理系©1994-2009ChinaAcademicJo
4、urnalElectronicPublishingHouse.Allrightsreserved.http://www.cnki.net一种新型两维水平传感器黄次芳—字型弹簧片,具有一定质量的金属动极板固定在簧片中心。十字簧片的基本结构如图所‘,飞示在厚度左右的磷铜片上切割出上下对称的带水平直槽半圆形槽和’‘‘与左右对称的垂直槽与‘,’’‘。簧片通过个螺孔固定在底座上,’’。,,,而圆盘型金属动极板的小圆柱头被螺钉紧固在簧片的中心这样片簧上与’‘’’’’,,两槽所夹的部分和与两槽所夹的部分就形成了一个十
5、字形的弹。,。,簧片当金属动极板的重心不通过簧片中心时重力作用就会使十字弹簧片扭转这就是说当作为定位基准的底,面放置在与水平面具有一定倾角的平面上时金属动极板受到的重力会,,对十字弹簧片施加一个扭矩使得动极板不仅与传感器同时相对水平方向发生一个转角而且产生一个相对于传感器底座的附加扭转。该附加扭转将使动极板上表面相对于传感器的上盖定极板参,见图的下表面的夹角产生变化使上盖定极板的不同部位相对于金属动极板的距离在不同部位发生不同变化。这一微小的距离变化可以通过测量电容的方法准确测量出来。图十字型黄片结构简
6、图图上盖定极板内表面的个圆形金属电极©1994-2009ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreserved.http://www.cnki.net光学仪器年第卷第期图为上盖定极板下表面的个圆形电极位置示意图。高精度电容传感器测量位移的灵产二,敏度可达到甚至更小因此通过电容测量不难用上述测角传感器测量出弧秒级的水平角度变化。而任意方向上水平角度变化总可以分解为绕水平面内轴与轴两相互垂直的方向的水平角度变化,只要在与两个方向上分别测
7、量出金属动极板的相对偏转,二维水平倾角测量就可以实现。水平传感器的设计方法了书广飞公图水平传感器测角原理示意图,,尸,如图所示当传感器底座与水平面倾斜成角时由于重力作用金属动极板使十字,。,弹簧片扭转角因而动极板与定极板也产生夹角设金属动极板重心的高度即离开十字弹簧片扭转中,心距离为则由重力产生使簧片扭转的力矩为尸一材尸’’,,,,,,氏十字弹簧片扭转角产生的平衡力矩与簧片厚度宽度即或长度即、,或剪切弹性模量的关系为一月眺,。,式中夕是与形状有关的常数因子可根据选取的与之比查表得到在平衡状态下重力矩和,
8、与或,与扭转形成的反向扭矩大小相等。乙护一材。,,在我们的测角范围内《因而、从而可以导出兰月一入,一口,。,,式中一尸为金属动极板质量由式可以看出当选取适当的参数时等式右边分母可能小于分子,从而使相对偏转角大于水平倾角,说明这种方法测量水平倾角时有一定的放大作用。式还表明在结构参数确定时,动极板相对偏转角与水平倾角成线性关系。由于有两极板之间距离的限制,动极板的相对偏转是有限的,这使得传感器只有有限的量程,同时也保证电容的变化在一个可以测量
