专利名称：数显式水平及倾角测量仪的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种测量水平度或水平倾角的测量仪器，具体地说是一种数显式水平及角度测量仪。
背景技术：
现有的数字式水平倾角测量仪都是采用电子式倾角传感器，而现有的电子倾角传感器主要是利用电桥两臂电阻随倾角变化，从而输出模拟倾角电信号，但这种利用电阻改变测出的模拟倾角电信号与倾角的变化率不成线性关系，造成角度测量失真。为了补偿非线性信号失真，必须设计十分复杂的补偿电路，如申请号为01249761.4，名称为《数字式倾角传感器》的中国专利；而且无论采用多精确的补偿电路，这种将角度测量变成阻抗差，然后通过电桥电路输出电信号的方法，都极大的受到电源稳定性和温度变化的影响，为减小测量误差，必须使用价值几千元的精密电源，从而大大增加了成本。因此现有的水平及倾角测量仪测量精度低，稳定性能差，结构复杂，且能耗高，成本昂贵。
发明内容
本发明将公开一种性能稳定，测量精确，且结构简单，造价低廉的数显式水平及倾角测量仪。
本发明与现有的数字式水平及倾角测量仪相同，也包括有外壳和角度测量装置，所不同的是本发明采用技术已十分成熟、稳定的电容角度测量传感器为角度测量装置。无论是两片式还是三片式电容角度测量仪，都分为主栅和副栅两部分，当主栅和副栅之间发生角度位移时，则可测出该角度差。因此本发明将电容角度测量传感器的主栅和副栅中的一个栅板固定于外壳上不动，而另一个栅板则固定于一个在重力作用下可以自动回复并保持在垂直位置的重力垂直装置上，并与重力垂直装置同轴转动。进行水平度或角度测量时，如果待测面为水平面，重力垂直装置则处在绝对零位，当待测面与水平面存在一个倾角∝时，由于重力垂直装置始终自动恢复并保持与水平面垂直，所以重力垂直装置将带动电容角度测量传感器的一个栅板转动并回复到垂直状态，此时重力垂直装置的位置与绝对零位之间有一个角度差∝，电容角度测量传感器测出该角度差，即测量出了待测面的水平度或倾角。本测量方法不需再做信号转换和补偿，无需特殊电路和设计，因此其设计简单，成本低廉，性能稳定。由于绝对零位的设定直接影响测量的准确性，因此为了决定本测量仪的绝对零位，本测量仪还设有一个位置开关，该位置开关可以是任何一种位置开关，但最好为精度位置开关，其结构可以是由光电耦合器或霍尔元件构成的开关；位置开关固定于外壳上，外壳的内腔中可充满液体电容介质，这些液体电容介质除了充当电容角度测量传感器的电容介质外，还可以增加重力垂直装置摆动时的阻尼，防止发生震动或碰撞时损伤仪器内部零件，也可提高测量的稳定性，还可起到密封和润滑作用。
本测量仪的重力垂直装置是纯机械结构，其结构方式多种多样，但一般至少包括重锤和支承轴两部份，为了得到一个大小合适的垂直方向的力，还可在垂锤上装一浮筒，为了保证不产生扭力，浮筒所处的位置和形状必须是沿重锤的中垂轴轴向对称的。浮筒的大小可根据所需垂直方向力的大水来设定，既可以使浮力小于重力，也可以使浮力大于重力。调整垂直方向力的大小，使之在满足重力垂直装置在合理的时间内自动回复到垂直状态的情况下，减小对支撑转轴或刀口的压力，降低摩擦力或减小磨损，同时增大摆动阻尼，在发生碰撞或振动时，可对仪器的部件起保护作用。浮筒应设于重锤上部，一般设于其上端头。而重力垂直装置的支承及摆动方式至少有三种，一种是支承轴与重锤及浮筒固连并同轴转动，即支承轴为转动轴的转轴摆动方式结构，另一种为支承轴固定，轴上设有支承刀口，浮筒和重锤架于刀口上并绕刀口转动的刀口支承结构；还有一种为浮筒浮力大于重锤重力的情况，在此情况下，重力垂直装置是在浮力的作用下保持垂直状态，因此其支承轴应设于重锤或浮筒的支承面的上方，也即是重锤和浮筒反向压于支承轴上。
由于本发明采用各项技术均已十分完善、成熟的电容角度测量传感器为水平度和倾角角度的测量装置，因此其不仅结构简单、成本低廉，而且测量精确，性能稳定，其测量范围不受角度测量传感器的限制，本发明的机械部分结构也十分简单，容易加工和装配，机械部件受外界条件影响小，性能稳定，可在较恶劣的环境下使用。
图1为本发明转轴摆动式实施方式的一种典型结构示意图。
图2为本发明刀口支承式实施方式的一种典型结构示意图。
图3为本发明刀口支承式实施方式的一种典型结构示意图的A向示图。
图4为本发明浮力旋摆式实施方式的一种典型结构示意图。
图5为本发明浮力旋摆式实施方式的一种典型结构示意图的A向示图具体实施例方式为了进一步说明本发明的技术方案，下面是本发明的几种非限定性实施方式。
图1所示为本发明中转轴摆动式实施方式的一种典型结构，它是一种最简单的实施方式，本实施方式是由外壳1、电容角度测量传感器和重力垂直装置3构成，电容角度测量传感器的主栅或副栅2固定于外壳1上；为了决定本测量仪的绝对零位，外壳1上还设有一个位置开关4，该位置开关为精度位置开关。重力垂直装置3由重锤5和支承轴6构成，在此实施方式中，支承轴6事实上为一个转轴，铰装于与外壳1固连的轴座16上，轴座16与外壳1的固连方式也有多种多样，但本实施方式是在外壳1中设一个隔板10，轴座16设于隔板10上，支承轴6贯穿隔板10并铰装于隔板10上，重锤5与支承轴6同轴转动。此时，外壳1内腔被隔板10分隔成前腔8和后腔9；穿入外壳1前腔8中的的支承轴6前端与电容角度测量传感器副栅或主栅2固连，支承轴6的转动中轴设于副栅或主栅2的回转中心上。为增大阻尼，外壳1内腔中充满液体电容介质，为了得到一个大小合适的垂直方向的力，还可在垂锤5上装一浮筒，为了保证不产生扭力，浮筒7所处的位置和形状必须是沿重锤5的中垂轴轴向对称的。这种将外壳1内腔用隔板10分隔成两个腔的结构只是为了便于其制造和安装各部件，并不是必须的结构。这种转轴摆动式结构的测量仪结构很简单，制作工艺简便，成本低廉，可测范围较大，可测360度以内的倾角，但这种结构精度相对较低，适合测量范围大，精度要求不高的一般测量定位时使用。
图2、图3所示为本发明的刀口支承式实施方式，该实施方式也是由外壳1、电容角度测量传感器和重力垂直装置3构成，电容角度测量仪的主栅或副栅2固定于外壳1上，为了决定本测量仪的绝对零位，外壳1上也设有一个位精度位置开关4，外壳1的内腔中也充满电容介质。本实施方式的重力垂直装置3由重锤5和设于重锤5上并与重锤5固连的浮筒7及支承轴6构成，浮筒7的形状及位置必须沿重锤5的垂直轴轴向对称，在本实施方式中，考虑到产品的体积，制造工艺的难度和直观性等因素，浮筒7设计为扇面形，且扇形浮筒7的中垂线与重锤5中垂线重合，电容角度测量仪传感器的副栅或主栅2固连于扇形浮筒7上，扇形浮筒7或重锤5上开设有一个支承轴孔12，支承轴6穿于支承轴孔12中；支承轴6上端带有支承刀口11，支承轴孔12上端面为支承平面13，支承轴6上的支承刀口11支承于支承平面13中心的支点14处，支点14必须设于与浮筒7或重锤5固连的副栅或主栅2的回转中心处以保证重力垂直装置3与电容角度测量仪的副栅或主栅2同轴转动；为了防止支点14位移，支点14最好设计成一个内陷的点，如本实施方式中，支点14为一个向上凹陷成锐角的支点14，而为了防止震动式碰撞时支点14脱位，支承轴6与支承轴孔12必须呈紧密的滑动配合，其配合状态既要保证支承轴6在支承轴孔12中转动，又要保证支承轴6与支承轴孔12间的间隙足够小，在震动和轻微碰撞时支承轴6和支承轴孔12之间不会有太大的位移而导致支点14位移或脱位。这种支撑点为刀口结构的测量仪精度较高，但测量范围一般在±90度之间。
图4、图5所示为浮力旋摆式本发明实施方式；与上述实施方式相同，本实施方式也由外壳1、电容角度测量传感器、重力垂直装置3构成，电容角度测量传感器的主栅或副栅2固定于外壳1上，外壳1上还设有一个用于决定本测量仪绝对零位的精度位置开关4，外壳1的内腔中充满电容介质。本实施方式的重力垂力装置3也是由浮筒7、重锤5和支承轴6构成，但本实施方式中浮筒7的浮力大于重力垂直装置的重力，其垂直方向的合力向上，重力垂直装置是在垂直向上的合力作用下回复和保持在重力垂直位置，此时支承点应设于重锤5或浮筒7的支承面的上方，即重锤5和浮筒7反向压于支承轴6上。此时重力垂直装置可以是倒置的转轴摆动式结构或刀口支承式结构，但本实施例则采用浮力旋摆式结构，在该结构中浮筒7的上端面15呈圆弧状，且其最好为上端宽下端窄的结构，本实施方式是采用上端宽，下端如脚状的T形浮筒7，浮筒7的上端面15呈圆弧状，其上端面圆弧的圆心和与之固连并同轴转动的电容角度测量传感器的副栅或主栅2的回转中心重合。固定于外壳1上的支承轴6至少有两个，分设于浮筒7中垂线两端，卡于浮筒7上端面15上，外壳1内腔的下端面与浮筒7的下端接触，且外壳1内腔的下端面上的该接触面为以浮筒7上端面中心点为圆心，浮筒7高度为半径的弧面。重锤5可直接固定于浮筒7下端，但为了使浮筒7夹紧，为使测量仪结构更可靠，灵敏度也更高，本实施方式的重锤5为夹于浮筒7脚状下端两侧的滚球或滚柱；为了让滚球或滚柱夹紧浮筒7的脚状下端并便于活动，浮筒7的脚状下端最好呈上大下小的倒梯形状。由于这种浮力旋摆式结构的测量仪的重力垂直装置的回转半径很大，因此微小的倾角即会造成浮筒7上端面14及与之固连的电容角度测量传感器的一个栅发生较大的位移，因此这种结构的测量仪精度很高，精度可达1秒，但其测量范围较小，一般在几度内，否则测量仪的体积太大，因此该结构的测量仪适用对精度要求很高的精密测量。
权利要求
1.数显式水平及倾角测量仪，包括外壳和角度测量装置，其特征在于所述角度测量装置为电容角度测量传感器，外壳(1)与电容角度测量仪的主栅或副栅(2)固连，外壳(1)内腔中还有一个始终自动回复并保持在重力垂直状态的重力垂直装置(3)，重力垂直装置(3)与电容角度测量仪的副栅或主栅(2)固连并同轴转动；外壳(1)上还设有一个用于决定绝对零位的精密位置开关(4)。
2.根据权利要求1所述的数显式水平及倾角测量仪，其特征在于所述重力垂直装置(3)由重锤(5)、支承轴(6)构成。
3.根据权利要求2所述的数显式水平及倾角测量仪，其特征在于还有一个浮筒(7)与重锤(5)固连，浮筒(7)的位置和形状为沿重锤(5)中垂轴轴对称。
4.根据权利要求1～3中的任何一项所述的数显式水平及倾角测量仪，其特征在于重锤(6)固定于支承轴(6)上，与支承轴(6)同步转动；支承轴(6)铰装于外壳(1)上。
5.根据权利要求4所述的数显式水平及倾角测量仪，其特征在于所述外壳(1)内腔纵向分隔成前腔(8)和后腔(9)，电容角度测量传感器的主栅和副栅(2)均设于前腔(8)中，重锤(5)和浮筒(7)设于后腔(9)中，支承轴(6)水平穿过中间的隔板(10)，铰装在隔板(10)上，重锤(5)及浮筒(7)与支承轴(6)后端固连，电容角度测量仪上的副栅或主栅(2)与支承轴(6)前端固连。
6.根据权利要求1～3中的任何一项所述的数显式水平及倾角测量仪，其特征在于重锤(5)与浮筒(7)固连；所述浮筒(7)呈扇形，为扇形浮筒，支承轴(6)与外壳(1)固连，其上设有支承刀口(11)，支承刀口(11)设在扇形浮筒的中垂线上、处于与重力垂直装置(3)固连的电容角度测量仪的主栅或副栅(2)的回转中心上。
7.根据权利要求6所述的数显式水平及倾角测量仪，其特征在于所述扇形浮筒设于重锤(5)的上端，扇形浮筒(7)或重锤(5)上开设有支承轴孔(12)，支承轴(6)穿于支承轴孔(12)中，支承轴孔(12)上端面为支承平面(13)。
8.根据权利要求7所述的数显式水平及倾角测量仪，其特征在于所述支承平面(13)上与支承刀口(11)接触的支点(14)处为一个内陷的锐角支点。
9.根据权利要求8所述的数显式水平及倾角测量仪，其特征在于所述支承轴孔(12)上除支承平面(13)外的侧面为大于半圆的圆弧面，且支承轴(6)与支承轴孔(12)呈紧密的滑动配合。
10.根据权利要求1～3中的任何一项所述的数显式水平及倾角测量仪，其特征在于浮筒(7)为上端面呈弧面下端呈脚状的T形浮筒(7)，浮筒(7)的大小应保证浮力大于重力，外壳(1)固连的支承轴(6)至少有两个，并分设于浮筒(7)中垂线两边，卡于浮筒上端面(14)，浮筒(7)下端面与外壳(1)底面接触，浮筒(7)弧形上端面(14)的圆心和与重力垂直装置(3)同步转动的副栅或主栅(2)的回转中心重合，外壳(1)的底部至少与浮筒(7)下端面相接触的范围为弧面，其圆心在浮筒上端面(14)的中心，其半径为浮筒(7)的高度。
11.根据权利要求10所述的数显式水平及倾角测量仪，其特征在于所述重锤(5)为夹于其脚状下端的两个滚球或滚柱。
12.根据权利要求11所述的数显式水平及倾角测量仪，其特征在于浮筒(7)脚状下端的外侧面呈倒梯形。
全文摘要
本发明涉及一种数显式水平及角度测量仪，包括外壳和角度测量装置，角度测量装置为电容角度测量传感器，外壳与电容角度测量仪的主栅或副栅固连，外壳内腔中还有一个始终自动回复并保持在重力垂直状态的重力垂直装置，重力垂直装置与电容角度测量仪的副栅或主栅固连并同轴转动；外壳上还设有一个用于决定绝对零位的精密位置开关，重力垂直装置由重锤、支承轴和浮筒构成，浮筒的位置和形状为沿重锤中垂轴轴对称。本发明不仅结构简单、成本低廉，而且测量精确，性能稳定，其测量范围不受角度测量传感器的限制，本发明的机械部容易加工和装配，机械部件受外界条件影响小，性能稳定，可在较恶劣的环境下使用。
文档编号G01C9/12GK1532523SQ0311751
公开日2004年9月29日 申请日期2003年3月19日 优先权日2003年3月19日
发明者赵志强, 赵飙, 李毅 申请人:赵志强, 赵飙, 李毅