水平仪的发展及应用

马浩慧 / 上海市计量测试技术研究院

水平仪的发展及应用

马浩慧 / 上海市计量测试技术研究院

0 引言

角度量是长度计量和工业制造业中经常遇到的量值，对角度测量技术提出了更高更广泛的需求，水平仪可以完成小角度的测量任务。水平仪从过去简单的水泡水平仪发展到目前电子水平仪，是自动化和电子测量技术发展的结果。电子水平仪是机械制造工业中角度测量的精密测量仪器之一，主要用于垂直方向小角度的直接测量和其他相关的参数测量，如测量相对水平面的倾斜角度，也用于零件的平行度、导轨直线度和工作面平面度测量。由于水平仪的测量准确度较高，使用方便，因此在机械制造和设备修理安装的生产实践中得到了广泛的应用。随着新型电子水平仪的不断研发和性能提高，还可以用于被测表面对水平面或垂直面的微小倾斜角度的测量和机器的装配精度以及设备的安装精度等的测量。

1 利用水准器原理的水平仪

水准器是水平仪进行测量和读数的基本元件。利用液体在密闭的玻璃管中在自然重力的作用下，当玻璃管处于不是绝对水平的位置，即在发生微小倾斜时，液体会往下移动的原理。在一个密闭的、内壁有一定曲率半径的玻璃管,内装乙醇或乙醚作为储液，管内留有一定长度的气泡。因此，不论把水平仪放在什么位置,水准器内的储液总是向低处流动,保持液面处于水平位置，而气泡总是相应向高处移动，停留在玻璃管的最高位置。水平仪就是根据这个原理制成的，最常见的就是条式水平仪和框式水平仪，在水平和垂直位置各有一个水准器。而合象水平仪和光学倾斜仪只有一个能够确定自然水平位置的水准器。

在实际测量检验中，如果测量面是凹的情况下,水平仪从任意一个方向移动,水平仪的气泡向相同方向运动，如图1所示；如果测量面是凸的情况下，水平仪从任意一个方向移动，水平仪的气泡向相反方向运动，如图2所示。确定测量面凹凸后，再根据所使用的垫铁长度和水平仪气泡运动格数和等参数可以计算出测量面的直线度。

图1 凹测量面

图2 凸测量面

利用水准器原理制成的水平仪分度值一般在0.02 mm/m到0.05 mm/m，而且测量准确度较低，常用于平板等大型设备安装时对水平位置的调整，以达到设备的安装和正常使用的要求，而不能满足测量准确度相对高的直线度平面度等测量。

2 利用物理摆锤原理的水平仪

随着机械制造业的发展，精密机床、制造加工中对直线度平面度测量提出了更高的准确度要求，电子水平仪应运而生。其原理是利用物理摆锤受地球重力的影响，使两边电容量产生变化，输出角度差，从而更准确地测量微小角度的变化。电子水平仪有电感式和电容式两种。根据测量方向不同还可分为一维和二维电子水平仪。

为了能够达到高准确度小角度变化的测量要求，采用单摆的原理，将摆球换成一个圆形摆盘。由于受重力的作用，摆盘可自由绕着其上部的万向铰链摆动，摆盘始终保持水平，而水平仪的下端的测量基准面与被测面相平行，所以当被测面倾斜时，摆盘下端的基准面相对于摆盘的倾斜度和主倾斜方位也会随之发生变化，其工作原理如图3所示。

图3 电子水平仪的摆锤原理

电子水平仪主要由摆盘悬浮系统、传感器组、电子检测系统等几部分构成，采用高灵敏度传感器，是由单片机作为控制器的高精度计量仪器。电子水平仪已广泛应用于测量面的平面度、直线度检测及精密机床、坐标测量机等的安装和调整。电感式电子水平仪测量结果是输出线圈的电压变化，当水平仪的基座因待测工件倾斜而倾斜时，其内部摆锤因移动而造成感应线圈的电压变化。电容式水平仪的测量原理为一圆形摆锤自由悬挂在细线上，摆锤受地球重力影响，悬浮于无摩擦状况。摆锤的两边均有电极且间隙相同时电容量是相等。当水平仪在被测面上发生微小倾斜，两间隙不同距离会改变，从而产生不同电容，形成角度的差异。测量结果通过位移传感器、微处理器系统获得，倾斜角位移以电信号的形式输出。电子水平仪同时配合测量软件，对测量数据可直接输入至计算机，可以计算出测量结果，实现平面度、直线度自动测量，并输出打印计算结果及模拟图形。

随着精密制造业的发展，电子水平仪灵敏度、响应时间等的要求越来越高。目前世界上较高精度的水平仪的分辨力优于1 nrad，即0.000 2"。

3 电子水平仪应用实例

在很多仪器安装、航空军工等领域，需要有个水平基准面作为基准。单有电子水平仪大多都无法给出倾斜方位，只有多方位测量才能得出倾斜方位和倾斜角度。这对于要实时进行水平控制的场合来说是一个缺陷。

很多实验室利用液体自然水平面作参考基准，利用激光垂直入射至水平面，激光原路返回时，即激光光束竖直，是很好的参考。但是会由于选取的液体存在反射率低、液面曲率的影响和光束受到散射等因素，反射光斑会出现模糊、扭曲等现象，不利于激光光束准直，从而限制了准直精度的提高。

精密光学测量领域中，激光干涉仪用来测量被测物高准确度位移量。如果激光入射方向调整不好会引入余弦误差，因此激光光束沿被测物运动方向的准直是调整环节中的关键一环。为了实现高准确度的测量和调整需求，必然基于非常准的参考标准。也有利用天平法建立质量量子基准，要求悬挂线圈沿着重力加速度方向运动，同时也要求准确测量出悬挂线圈的位移或速度，一般利用激光干涉仪测量悬挂线圈的位移。虽然采取了不同方法对激光光束在垂直方向进行准直，但是余弦误差还是一定会存在的。

无论采用何种方法，在垂直方向对激光光束准直，首先必须有准确度高的参考标准。工程应用中，人们常用电子水平仪作为水平参考。随着电子水平仪精度的提高，其应用愈发广泛。考虑到精加工的平面镜反射面可以达到很好的平面度，反射率极高，同时考虑到平面镜的一大特点是垂直入射其表面的光束将原路返回，如果能够利用电子水平仪标定一个反射镜反射面的水平度，那么这个反射面可以替代液面参考，用来实现激光光束竖直方向的准直。

为了得到一个反射面水平的平面镜作为水平基准，必须有一个非常准的参考为依据。用电子水平仪作为参考，其分辨力可小于 1 μrad。将电子水平仪放置在一个精密旋转台上，通过旋转台旋转，电子水平仪将输出正弦信号。通过底座调整旋转台自身在水平面内的倾角，可以使得输出信号峰峰值最小，从而得到一个旋转轴中心。图 4中精密旋转台固定在调整底座上，电子水平仪固定在旋转台旋转平面上。根据电子水平仪在一个旋转周期内输出倾角最大值和最小值，可以计算出旋转轴竖直倾角误差为峰峰值的1/2。

图4 电子水平仪垂直轴向标准装置

将平面镜固定在上述旋转台的旋转平面上一起旋转时，用激光倾斜入射至反射面上，接下来将该参考标准以最短的传递环节传递到平面镜反射面水平调整上。反射光被固定的位置探测器接收，由于旋转轴沿竖直方向，假设平面镜反射面绝对水平，则接收到的反射光位置不发生变化，即输出位移不变；如果反射面与竖直方向有夹角，则输出信号在二维平面内成一椭圆轨迹。

这样，利用电子水平仪和平面镜反射面，可以方便测量激光上下入射的应用场合，可以实时监测旋转轴竖直状态；激光器出射光束由下往上倾斜入射至平面镜反射面上，输出信号，调整倾角台倾角，使得在一个旋转周期内由平面镜反射出来，输出的光点位置在一定范围内维持不变。

利用高精度电子水平仪实现平面镜反射面水平调整的装置，由于反射面平面度可以加工良好，而平面镜的一大特点是垂直入射其表面的光束将原路返回，因此利用该反射面作为标准，进而可应用于对激光光束在竖直方向的准直。这种方法传递至平面镜的反射面上，实验得到平面镜水平倾角小于 30 μrad，从而实现一种平面镜反射面作为参考级水平基准的调整。用平面镜克服了液面参考的局限性，尤其是对于激光光束竖直向上入射的应用，实现了一种更高精度的水平参考。

4 结语

水平仪从过去简单的水泡水平仪到现在的电子水平仪，是自动化和电子测量技术发展的结果。作为一种检测工具，它已成为桥梁铁路、土木工程、航空航海、工业自动化、机械加工等领域不可缺少的重要计量仪器。电子水平仪是一种非常准确的测量小角度的检测工具，不仅可以测量被测平面的平面度、直线度等参数，还可以结合光学等方法，获得更多的测量结果，实现相对于水平位置的倾斜度的测量，得到准确的水平基准面。在机械测量及光机电一体化应用技术应用中占有重要地位，研究性能精度更好的电子水平仪具有重要意义。

[1] 鲁云峰，贺青，曾涛，等.基于高精度电子水平仪的平面镜水平调整方法[J].仪器仪表学报，2016（4）：744-750.

[2] 许莉钧.电子水平仪产品的人性化设计方法研究[M].南京理工大学，2007.

[3] 王存堂，阳恩会，张建国，等. 全方位电子水平仪的结构及测量原理分析[J].仪器仪表学报，2006（2）：183-185.