专利名称：一种数字化水平测量装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种水平测量装置，特别涉及一种利用压力差信号实现数字化水平测
量的装置。
背景技术：
水平测量仪是一种用于测量水平状态的测量仪器，广泛应用于建筑、交通和设备安装等大型工程或精密工程中。目前，水平仪有气泡水平仪和电子水平仪两种，其中，气泡水平仪是利用气泡可经常保持在最高位置的特性，通过目测检验物体是否水平；电子水平仪的主要原理有电感式和电容式两种，通过电感或电容输出的信号变化判断物体的水平位置及倾斜角度。现有的水平测量仪存在分辨率较低，数字化程度较低，信息后处理适用性较差等不足。因此，提供一种具有普遍适用性、高精度、高分辨率的数字式水平传感器，有着十分重要的现实意义和应用价值。
发明内容
为了克服现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种适用性广、测量高精度的数字化水平测量装置。实现本发明所采用的技术方案是提供一种数字化水平测量装置，包括水平姿态取样器和信号处理器；所述的水平姿态取样器，它包括一个管状体，其中注有工作液体；工作液体将管状体的两端隔绝开，管状体的两端形成两个相互独立的密闭的气腔；所述的信号处理器，它包括气体压差传感器和信号处理电路；气腔内的气压分别通过输气管与气体压差传感器的输入端相连接；气体压差传感器输出的微压差电压信号经信号处理电路处理后，输出数字化水平测量结果。在上述技术方案中，所述的管状体，其形状为U形、V形或弧形；所述的气腔由与管状体两端连接的橡胶气管形成；所述的信号处理电路包括前置差分放大器、模数转换器、信号处理器、数字信号输出接口和测量值显示器。本发明技术方案的水平测量原理是在管状体内注入液体后，使其两端分别形成气腔。测量时，基准紧贴待测面，若待测面为水平时，管状体两端气腔中的压强相同，气压差为零；待测面为倾斜时，管状体内的液面发生变化，引起两端气腔中的气体压强发生变化， 形成气压差，由微压差传感器接受该压差信号并输出其相应的电压差信号。微气压差传感器输出信号电压，由信号处理电路根据实际测量状态，智能改变放大器增益，压差信号经嵌入式计算机处理，获得水平度测量的数字化信息，经显示器显示，提供监测数据，或经通讯接口发送至其他装备。微气压差传感器输出信号电压经放大器放大后，处理器将它转换成相应的数字化信息。所获数字化信息即为水平(倾斜度)测量值。或者经计算转换显示成二待测点的高程差。处理器可依据信号的强弱，调控放大器增益，以适应更大的测量范围和更高的测量精度。与现有技术相比，本发明的优点在于
1、以气压差为测量传感信号，采用压差/倾斜度转换标定方法，实现了一、二维的水平度定量测定。、本发明以微压差作为间接测量水平值，传感器结构简洁、灵敏度高，并采用大量程微压差传感器接收，提高水平度测量精度和测量范围，实现了数字化信号输出，可实现与其他数字化设备配接。
图1是本发明实施例提供的一种数字化水平测量装置的结构示意图2是本发明实施例提供的一种数字化水平测量装置的信号处理电路的功能示意图； 图3本发明实施例提供的一种数字化水平测量装置的传感器输出差分信号电压与待测平面倾斜角度的函数关系图。图中1、水平仪测量基点；2、水平仪测量基架；3、待测平面；4、气腔(橡胶气管)； 5、数字信号输出接口 ；6、测量值显示器；7、信号处理器；8、模数转换器；9、气体压差传感器；10、工作液体；11、水平姿态取样器；12、前置差分放大器。具体实施方法
下面结合附图和实施例，对本发明技术方案作进一步描述。实施例一
参见附图1，在本实施例中，搁置在待测平面3上的水平姿态取样器11包括玻璃管、 工作液体和橡胶气管。用一根内径为约5mm的端口封闭的玻璃管，两端各有一个开口朝上的接口(也可以直接将端口不封闭的玻璃管弯曲成U形、V形或弧形)，玻璃管两端的接口上各接一根橡胶气管，向玻璃管内注入工作液体10，所加入的液体积于管子低处，能将两根橡胶气管隔绝开，使管两端的两根橡胶气管形成两个相互独立(不通)的密闭的气腔4，即为本实施例提供的水平姿态取样器11。工作液体可采用低冰点液体作为溶液载体，以提高使用工作温度范围，扩大应用范围。信号处理器包括气体压差传感器9和信号处理电路。两根橡胶气管的另一端分别与气体压差传感器的两个进气口相连，选用的气体压差传感器其最大量程为500Pa，量程的输出范围为-7. 5 mV +7.5 mV，电压极性决定水平偏离方向。气体压差传感器9输出的信号，由信号处理电路的模数转换器8，信号处理器7完成标度变换，处理成数字信号输出。 输出的数字信号经数字信号输出接口 5传送至测量值显示器6，显示测量结果。水平姿态取样器11安装在水平仪测量基架2上，测量前进行零点校正，将测量装置置于水平面上，此时，U型管两端的两根橡胶气管内的气体压力相等，校正压差传感器的输出为零。测量时，将水平仪测量基点1置于待测平面3上，由于待测平面处于倾斜状态，水平姿态取样器的U型玻璃管中液体的液面随之改变，其两端的橡胶气管中的气体一端被压缩，压力增大；而另一端被扩张，压力减小。两端的压力信号分别输入到气体压差传感器的输入端，该偏离水平位置所形成的压力差使气体压差传感器输出一个微伏级差分信号电压，差分电压大小取决于压差传感器输入端的压差信号，即待测平面的水平度(倾斜度)程度。差分电压极性取决于待测平面的水平度(倾斜度)方向。参见附图2，它是本实施例提供的信号处理电路的功能示意图。气体压差传感器9 输出的微信号经前置差分放大器12放大后，由模数转换器8，信号处理器7完成标度变换， 处理成数字信号输出；该信号经数字信号输出接口 5传送至测量值显示器6，显示测量结参见附图3，它是本实施例传感器输出差分信号电压与待测平面倾斜角度的函数关系图。将本发明提供的数字化水平测量装置的取样部件放置(固定)待测物体(面)上，管内液面受地球引力作用，二个液面必定保持同一水平面。姿态变化造成与其相连的两橡胶管中气压发生变化。橡胶管中气体遵循压强公式(1)。
ρ =恥当气体质量与温度不变时，气体压强/^与体积Z C *乃乘积是不变的。S为橡胶管内径，7为橡胶管中空气的长度。气体压强广还可以表示为单位面积S下的压力厂的大小，即 p=ffs(2)
公式(2)代入公式(1)，得到公式(3) f2=(3)
公式中h为水平调零时管中空气长度，h为变姿后管中空气长度，F1为水平调零时空气压力，^为变姿后空气压力。水平调零后压差值为零，即-j\:f; 测量时，压差传感器获得的压差值为
δf= f2-f； ΚΛ/ΛΗΛ'/Λ’)](4)
当测量面姿态变化，则在压差传感器二导气口 τ、Τ’产生压力差值δ f。倾斜越大，压差值越大。由测得的压差值经标度变换成水平姿态的测量值，实现数字化水平测量功能。将该装置用于调整水平平面时，先进行测量，由微压差传感器输出差压电信号，经增益可控放大器和处理器处理，获得压差数字信号，再经标度变换成相应的水平度测量值。 通过调整待测面的位置，当微压差传感器输出的差压为“0”，即待测面处于水平位置。实施例二
扩展实施例一的技术方案，将实施例一提供的水平姿态取样器11正交安置，构成二维高精度数字化水平测量，可测量待测面平面的水平度(倾斜参数)，实现二维(面)水平度的测量功能。其测量精度高、响应速度快、通过通讯接口能与其他数字化设备相连接。以正交水平放置，通过智能增益控制，扩大测量范围和提高测量精度。
权利要求
1.一种数字化水平测量装置，其特征在于它包括水平姿态取样器(11)和信号处理器；所述的水平姿态取样器(11)，它包括一个管状体，其中注有工作液体(10)；工作液体 (10)将管状体的两端隔绝开，管状体的两端形成两个相互独立的密闭的气腔(4)；所述的信号处理器，它包括气体压差传感器(9)和信号处理电路；气腔(4)内的气压分别通过输气管与气体压差传感器(9)的输入端相连接；气体压差传感器(9)输出的微压差电压信号经信号处理电路处理后，输出数字化水平测量结果。
2.根据权利要求1所述的一种数字化水平测量装置，其特征在于所述的管状体，其形状为U形、V形或弧形。
3.根据权利要求1所述的一种数字化水平测量装置，其特征在于所述的气腔(4)由与管状体两端连接的橡胶气管形成。
4.根据权利要求1所述的一种数字化水平测量装置，其特征在于所述的信号处理电路包括前置差分放大器(12)、模数转换器(8)、信号处理器(7)、数字信号输出接口(5)和测量值显示器(6)。
全文摘要
本发明涉及一种水平测量装置，特别涉及一种利用压力差信号实现数字化水平测量的装置。它包括水平姿态取样器(11)、气体压差传感器(9)和信号处理电路；水平姿态取样器包括一个管状体，其中注有工作液体(10)；工作液体将管状体的两端隔绝，管状体的两端形成两个相互独立的密闭的气腔(4)，气腔内的气压分别通过输气管与气体压差传感器的输入端相连接；气体压差传感器输出的微压差电压信号经信号处理电路处理后，输出数字化水平测量结果。本发明以气压差为测量传感信号，采用压差/倾斜度转换标定方法，提高水平度测量精度和测量范围，实现了数字化信号输出，可实现与其他数字化设备配接。
文档编号G01C5/06GK102252657SQ20111010389
公开日2011年11月23日 申请日期2011年4月25日 优先权日2011年4月25日
发明者周望, 李丹, 李烨 申请人:周望, 苏州大学