專利名稱：一種數(shù)字化水平測(cè)量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種水平測(cè)量裝置，特別涉及一種利用壓力差信號(hào)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化水平測(cè)
量的裝置。
背景技術(shù)：
水平測(cè)量?jī)x是一種用于測(cè)量水平狀態(tài)的測(cè)量?jī)x器，廣泛應(yīng)用于建筑、交通和設(shè)備安裝等大型工程或精密工程中。目前，水平儀有氣泡水平儀和電子水平儀兩種，其中，氣泡水平儀是利用氣泡可經(jīng)常保持在最高位置的特性，通過(guò)目測(cè)檢驗(yàn)物體是否水平；電子水平儀的主要原理有電感式和電容式兩種，通過(guò)電感或電容輸出的信號(hào)變化判斷物體的水平位置及傾斜角度?，F(xiàn)有的水平測(cè)量?jī)x存在分辨率較低，數(shù)字化程度較低，信息后處理適用性較差等不足。因此，提供一種具有普遍適用性、高精度、高分辨率的數(shù)字式水平傳感器，有著十分重要的現(xiàn)實(shí)意義和應(yīng)用價(jià)值。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明的目的是提供一種適用性廣、測(cè)量高精度的數(shù)字化水平測(cè)量裝置。實(shí)現(xiàn)本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是提供一種數(shù)字化水平測(cè)量裝置，包括水平姿態(tài)取樣器和信號(hào)處理器；所述的水平姿態(tài)取樣器，它包括一個(gè)管狀體，其中注有工作液體；工作液體將管狀體的兩端隔絕開，管狀體的兩端形成兩個(gè)相互獨(dú)立的密閉的氣腔；所述的信號(hào)處理器，它包括氣體壓差傳感器和信號(hào)處理電路；氣腔內(nèi)的氣壓分別通過(guò)輸氣管與氣體壓差傳感器的輸入端相連接；氣體壓差傳感器輸出的微壓差電壓信號(hào)經(jīng)信號(hào)處理電路處理后，輸出數(shù)字化水平測(cè)量結(jié)果。在上述技術(shù)方案中，所述的管狀體，其形狀為U形、V形或弧形；所述的氣腔由與管狀體兩端連接的橡膠氣管形成；所述的信號(hào)處理電路包括前置差分放大器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、信號(hào)處理器、數(shù)字信號(hào)輸出接口和測(cè)量值顯示器。本發(fā)明技術(shù)方案的水平測(cè)量原理是在管狀體內(nèi)注入液體后，使其兩端分別形成氣腔。測(cè)量時(shí)，基準(zhǔn)緊貼待測(cè)面，若待測(cè)面為水平時(shí)，管狀體兩端氣腔中的壓強(qiáng)相同，氣壓差為零；待測(cè)面為傾斜時(shí)，管狀體內(nèi)的液面發(fā)生變化，引起兩端氣腔中的氣體壓強(qiáng)發(fā)生變化， 形成氣壓差，由微壓差傳感器接受該壓差信號(hào)并輸出其相應(yīng)的電壓差信號(hào)。微氣壓差傳感器輸出信號(hào)電壓，由信號(hào)處理電路根據(jù)實(shí)際測(cè)量狀態(tài)，智能改變放大器增益，壓差信號(hào)經(jīng)嵌入式計(jì)算機(jī)處理，獲得水平度測(cè)量的數(shù)字化信息，經(jīng)顯示器顯示，提供監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，或經(jīng)通訊接口發(fā)送至其他裝備。微氣壓差傳感器輸出信號(hào)電壓經(jīng)放大器放大后，處理器將它轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字化信息。所獲數(shù)字化信息即為水平(傾斜度)測(cè)量值?；蛘呓?jīng)計(jì)算轉(zhuǎn)換顯示成二待測(cè)點(diǎn)的高程差。處理器可依據(jù)信號(hào)的強(qiáng)弱，調(diào)控放大器增益，以適應(yīng)更大的測(cè)量范圍和更高的測(cè)量精度。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于
1、以氣壓差為測(cè)量傳感信號(hào)，采用壓差/傾斜度轉(zhuǎn)換標(biāo)定方法，實(shí)現(xiàn)了一、二維的水平度定量測(cè)定。、本發(fā)明以微壓差作為間接測(cè)量水平值，傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔、靈敏度高，并采用大量程微壓差傳感器接收，提高水平度測(cè)量精度和測(cè)量范圍，實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化信號(hào)輸出，可實(shí)現(xiàn)與其他數(shù)字化設(shè)備配接。


圖1是本發(fā)明實(shí)施例提供的一種數(shù)字化水平測(cè)量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖2是本發(fā)明實(shí)施例提供的一種數(shù)字化水平測(cè)量裝置的信號(hào)處理電路的功能示意圖； 圖3本發(fā)明實(shí)施例提供的一種數(shù)字化水平測(cè)量裝置的傳感器輸出差分信號(hào)電壓與待測(cè)平面傾斜角度的函數(shù)關(guān)系圖。圖中1、水平儀測(cè)量基點(diǎn)；2、水平儀測(cè)量基架；3、待測(cè)平面；4、氣腔(橡膠氣管)； 5、數(shù)字信號(hào)輸出接口 ；6、測(cè)量值顯示器；7、信號(hào)處理器；8、模數(shù)轉(zhuǎn)換器；9、氣體壓差傳感器；10、工作液體；11、水平姿態(tài)取樣器；12、前置差分放大器。具體實(shí)施方法
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明技術(shù)方案作進(jìn)一步描述。實(shí)施例一
參見附圖1，在本實(shí)施例中，擱置在待測(cè)平面3上的水平姿態(tài)取樣器11包括玻璃管、 工作液體和橡膠氣管。用一根內(nèi)徑為約5mm的端口封閉的玻璃管，兩端各有一個(gè)開口朝上的接口(也可以直接將端口不封閉的玻璃管彎曲成U形、V形或弧形)，玻璃管兩端的接口上各接一根橡膠氣管，向玻璃管內(nèi)注入工作液體10，所加入的液體積于管子低處，能將兩根橡膠氣管隔絕開，使管兩端的兩根橡膠氣管形成兩個(gè)相互獨(dú)立(不通)的密閉的氣腔4，即為本實(shí)施例提供的水平姿態(tài)取樣器11。工作液體可采用低冰點(diǎn)液體作為溶液載體，以提高使用工作溫度范圍，擴(kuò)大應(yīng)用范圍。信號(hào)處理器包括氣體壓差傳感器9和信號(hào)處理電路。兩根橡膠氣管的另一端分別與氣體壓差傳感器的兩個(gè)進(jìn)氣口相連，選用的氣體壓差傳感器其最大量程為500Pa，量程的輸出范圍為-7. 5 mV +7.5 mV，電壓極性決定水平偏離方向。氣體壓差傳感器9輸出的信號(hào)，由信號(hào)處理電路的模數(shù)轉(zhuǎn)換器8，信號(hào)處理器7完成標(biāo)度變換，處理成數(shù)字信號(hào)輸出。 輸出的數(shù)字信號(hào)經(jīng)數(shù)字信號(hào)輸出接口 5傳送至測(cè)量值顯示器6，顯示測(cè)量結(jié)果。水平姿態(tài)取樣器11安裝在水平儀測(cè)量基架2上，測(cè)量前進(jìn)行零點(diǎn)校正，將測(cè)量裝置置于水平面上，此時(shí)，U型管兩端的兩根橡膠氣管內(nèi)的氣體壓力相等，校正壓差傳感器的輸出為零。測(cè)量時(shí)，將水平儀測(cè)量基點(diǎn)1置于待測(cè)平面3上，由于待測(cè)平面處于傾斜狀態(tài)，水平姿態(tài)取樣器的U型玻璃管中液體的液面隨之改變，其兩端的橡膠氣管中的氣體一端被壓縮，壓力增大；而另一端被擴(kuò)張，壓力減小。兩端的壓力信號(hào)分別輸入到氣體壓差傳感器的輸入端，該偏離水平位置所形成的壓力差使氣體壓差傳感器輸出一個(gè)微伏級(jí)差分信號(hào)電壓，差分電壓大小取決于壓差傳感器輸入端的壓差信號(hào)，即待測(cè)平面的水平度(傾斜度)程度。差分電壓極性取決于待測(cè)平面的水平度(傾斜度)方向。參見附圖2，它是本實(shí)施例提供的信號(hào)處理電路的功能示意圖。氣體壓差傳感器9 輸出的微信號(hào)經(jīng)前置差分放大器12放大后，由模數(shù)轉(zhuǎn)換器8，信號(hào)處理器7完成標(biāo)度變換， 處理成數(shù)字信號(hào)輸出；該信號(hào)經(jīng)數(shù)字信號(hào)輸出接口 5傳送至測(cè)量值顯示器6，顯示測(cè)量結(jié)參見附圖3，它是本實(shí)施例傳感器輸出差分信號(hào)電壓與待測(cè)平面傾斜角度的函數(shù)關(guān)系圖。將本發(fā)明提供的數(shù)字化水平測(cè)量裝置的取樣部件放置(固定)待測(cè)物體(面)上，管內(nèi)液面受地球引力作用，二個(gè)液面必定保持同一水平面。姿態(tài)變化造成與其相連的兩橡膠管中氣壓發(fā)生變化。橡膠管中氣體遵循壓強(qiáng)公式(1)。
ρ =恥當(dāng)氣體質(zhì)量與溫度不變時(shí)，氣體壓強(qiáng)/^與體積Z C *乃乘積是不變的。S為橡膠管內(nèi)徑，7為橡膠管中空氣的長(zhǎng)度。氣體壓強(qiáng)廣還可以表示為單位面積S下的壓力廠的大小，即 p=ffs(2)
公式(2)代入公式(1)，得到公式(3) f2=(3)
公式中h為水平調(diào)零時(shí)管中空氣長(zhǎng)度，h為變姿后管中空氣長(zhǎng)度，F(xiàn)1為水平調(diào)零時(shí)空氣壓力，^為變姿后空氣壓力。水平調(diào)零后壓差值為零，即-j\:f; 測(cè)量時(shí)，壓差傳感器獲得的壓差值為
δf= f2-f； ΚΛ/ΛΗΛ'/Λ’)](4)
當(dāng)測(cè)量面姿態(tài)變化，則在壓差傳感器二導(dǎo)氣口 τ、Τ’產(chǎn)生壓力差值δ f。傾斜越大，壓差值越大。由測(cè)得的壓差值經(jīng)標(biāo)度變換成水平姿態(tài)的測(cè)量值，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化水平測(cè)量功能。將該裝置用于調(diào)整水平平面時(shí)，先進(jìn)行測(cè)量，由微壓差傳感器輸出差壓電信號(hào)，經(jīng)增益可控放大器和處理器處理，獲得壓差數(shù)字信號(hào)，再經(jīng)標(biāo)度變換成相應(yīng)的水平度測(cè)量值。 通過(guò)調(diào)整待測(cè)面的位置，當(dāng)微壓差傳感器輸出的差壓為“0”，即待測(cè)面處于水平位置。實(shí)施例二
擴(kuò)展實(shí)施例一的技術(shù)方案，將實(shí)施例一提供的水平姿態(tài)取樣器11正交安置，構(gòu)成二維高精度數(shù)字化水平測(cè)量，可測(cè)量待測(cè)面平面的水平度(傾斜參數(shù))，實(shí)現(xiàn)二維(面)水平度的測(cè)量功能。其測(cè)量精度高、響應(yīng)速度快、通過(guò)通訊接口能與其他數(shù)字化設(shè)備相連接。以正交水平放置，通過(guò)智能增益控制，擴(kuò)大測(cè)量范圍和提高測(cè)量精度。
權(quán)利要求
1.一種數(shù)字化水平測(cè)量裝置，其特征在于它包括水平姿態(tài)取樣器(11)和信號(hào)處理器；所述的水平姿態(tài)取樣器(11)，它包括一個(gè)管狀體，其中注有工作液體(10)；工作液體 (10)將管狀體的兩端隔絕開，管狀體的兩端形成兩個(gè)相互獨(dú)立的密閉的氣腔(4)；所述的信號(hào)處理器，它包括氣體壓差傳感器(9)和信號(hào)處理電路；氣腔(4)內(nèi)的氣壓分別通過(guò)輸氣管與氣體壓差傳感器(9)的輸入端相連接；氣體壓差傳感器(9)輸出的微壓差電壓信號(hào)經(jīng)信號(hào)處理電路處理后，輸出數(shù)字化水平測(cè)量結(jié)果。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種數(shù)字化水平測(cè)量裝置，其特征在于所述的管狀體，其形狀為U形、V形或弧形。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種數(shù)字化水平測(cè)量裝置，其特征在于所述的氣腔(4)由與管狀體兩端連接的橡膠氣管形成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種數(shù)字化水平測(cè)量裝置，其特征在于所述的信號(hào)處理電路包括前置差分放大器(12)、模數(shù)轉(zhuǎn)換器(8)、信號(hào)處理器(7)、數(shù)字信號(hào)輸出接口(5)和測(cè)量值顯示器(6)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種水平測(cè)量裝置，特別涉及一種利用壓力差信號(hào)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化水平測(cè)量的裝置。它包括水平姿態(tài)取樣器(11)、氣體壓差傳感器(9)和信號(hào)處理電路；水平姿態(tài)取樣器包括一個(gè)管狀體，其中注有工作液體(10)；工作液體將管狀體的兩端隔絕，管狀體的兩端形成兩個(gè)相互獨(dú)立的密閉的氣腔(4)，氣腔內(nèi)的氣壓分別通過(guò)輸氣管與氣體壓差傳感器的輸入端相連接；氣體壓差傳感器輸出的微壓差電壓信號(hào)經(jīng)信號(hào)處理電路處理后，輸出數(shù)字化水平測(cè)量結(jié)果。本發(fā)明以氣壓差為測(cè)量傳感信號(hào)，采用壓差/傾斜度轉(zhuǎn)換標(biāo)定方法，提高水平度測(cè)量精度和測(cè)量范圍，實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化信號(hào)輸出，可實(shí)現(xiàn)與其他數(shù)字化設(shè)備配接。
文檔編號(hào)G01C5/06GK102252657SQ20111010389
公開日2011年11月23日 申請(qǐng)日期2011年4月25日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月25日
發(fā)明者周望, 李丹, 李燁 申請(qǐng)人:周望, 蘇州大學(xué)