一种采用低熔点合金的水平基准装置及其调平方法与流程

本发明属于精密测试计量技术领域，具体涉及一种采用低熔点合金的水平基准装置及其调平方法。

背景技术：

在精密测试计量技术领域，准确的绝对水平基准是标定计量的前提保障，绝对水平基准由水平基准装置提供，水平基准直接影响系统性能和技术指标。平台罗经和惯导平台是典型的高性能水平基准，这种水平基准体积大价格昂贵，多用于特殊场合。还有一种简便的办法是利用液体自然水平面做为水平参考基准，即利用激光束垂直入射至液体的自然水平面，当激光原路返回时表明光束竖直，这种方法简便易行还具备相对高的精度，然而通常情况下受到液体反射率小，且液面具有曲率等因素的影响使反射光斑出现模糊、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。为了解决这一严重缺陷，反射镜液体悬浮式水平基准被提出，这种水平基准装置精度高、结构简单、体积小、可靠性高、使用方便。水银具有比重大、理化性能稳定等独特物理特性，是制作反射镜液体悬浮式水平基准装置最主要的原材料，因此，水银水平基准装置在实验室标定、精密计量、大地测量、靶场测量、土木建筑等多个领域，均已广泛使用。但水银水平基准装置也存在明显缺陷，主要在于：

1)水银在常温下即可蒸发，水银蒸气具有非常强的毒性，对使用人员的安全造成危险。

2)通常获得的水银含杂质较多，由此导致的水银密度不均匀会造成液面提供的绝对水平基准存在误差，因此必须对绝对水平基准精度经常进行测试，这对测试设备、方法和人员的要求都很高。

3)水银水平基准在不使用时需要将水银单独取出用密闭容器储存，或者将水银水平基准装置严格密封，防止水银挥发和意外倾覆造成的水银流出。

4)只能提供竖直向上方向的水平基准，所以在使用上也存在很多限制之处。

技术实现要素：

为解决现有水银水平基准装置安全性较低、对测试设备和人员的要求较高、储存要求高的技术问题，本发明提供了一种采用低熔点合金的水平基准装置及其调平方法。

本发明的技术方案如下：

一种采用低熔点合金的水平基准装置，其特殊之处在于：包括水平基准台、低熔点金属合金容器、旋转台、旋转座、三角架调平机构和温度控制系统；

水平基准台、低熔点金属合金容器、旋转台、旋转座从内到外依次套设，旋转台相对于旋转座可进行360度的转动，旋转台的位置通过设置在旋转座侧壁上的锁紧螺钉锁紧；旋转座固定安装在三角架调平机构上；

水平基准台包括调平基座和平面反射镜；调平基座为顶部开口、底部封闭的中空圆柱结构，在其底部封闭端的中心开设有通光孔；平面反射镜为圆柱状，固定设置在调平基座内；平面反射镜与调平基座之间填充有隔热材料；在调平基座的侧壁上部沿圆周方向设置有n个内六角调平螺钉，且n个内六角调平螺钉均位于平面反射镜的上方；n为大于等于2的整数；

低熔点金属合金容器包括从外向内依次设置的外圆筒和内圆筒，外圆筒和内圆筒同心设置，外圆筒的高度大于内圆筒的高度与平面反射镜厚度、隔热材料厚度以及内六角调节螺钉的直径之和，内圆筒的两端均为开口端，外圆筒和内圆筒之间形成底部封闭的腔体，该腔体内盛有低熔点金属合金；

外圆筒外侧壁上缠绕有加热带和第一温度传感器；低熔点金属合金容器底部外壁上设置有环形加热带和第二温度传感器；加热带、第一温度传感器、环形加热带和第二温度传感器均与所述温度控制系统相连；外圆筒的侧壁上沿圆周方向开设有n个第一条形通孔，所述n个内六角调平螺钉分别穿过所述n个第一条形通孔；

内圆筒的外径小于调平基座底部通光孔的内径，平面反射镜和调平基座的材料选用密度小于低熔点金属合金的密度的材料；内圆筒穿过所述通光孔，使调平基座浮于低熔点金属合金上；

旋转台外侧壁上设置有调平水泡和n个第二条形通孔；n个第二条形通孔的位置分别与所述n个第一条形通孔相对应；

三角架调平机构用于对整个水平基准装置进行粗调。

进一步地，所述旋转台的底部中心开设有第一圆形通孔；

旋转座的底部中心开设有第二圆形通孔；

三角架调平机构的上基板和下基板中心均开设有第三圆形通孔；

第一圆形通孔、第二圆形通孔和第三圆形通孔的直径均大于调平基座底部封闭端中心的通光孔直径。

进一步地，还包括固定安装在所述旋转台上端的防尘盖；防尘盖中部开设有直径大于所述平面反射镜直径的第四圆形通孔，第四圆形通孔处安装有圆形平板玻璃。

进一步地，所述外圆筒的侧壁上沿圆周方向设有m个减震元件安装配合结构；m为大于等于2的整数；m个减震元件分别设置在所述m个减震元件安装配合结构与所述旋转台之间。

进一步地，所述减震元件为上下端面均设有凹孔的圆柱形金属橡胶垫，或者为减震弹簧。

进一步地，所述调平基座的底部边沿为向外延伸的盘状结构。

进一步地，调平基座的底部为中空结构。

进一步地，所述低熔点金属合金为镓铋合金、镓锡合金、镓铟合金、铋基合金、锡基合金或镓铟锡合金。

进一步地，所述n＝3，m＝3。

进一步地，旋转座为一带颈圆盘，颈部为中空圆柱状，其颈部上开口边缘设置有表示角度的刻度标尺，刻度范围为0～360°；相应的，旋转台的侧壁外部设置有方位角度指示标记。

本发明同时提供了一种上述水平基准装置的调平方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：

步骤1、将直角棱镜放置于所述平面反射镜的上方，自准直仪置于和直角棱镜同一高度上；

步骤2、待水平基准装置稳定后，使用调节扳手，将调节扳手穿过旋转台的任一个第二条形通孔及其对应的低熔点金属合金容器上的第一条形通孔，到达对应的内六角调平螺钉，调节该内六角调平螺钉使自准直仪读数为0，即表示当前方位角情况下平面反射镜的表面和水平面平行；

步骤3、记录与旋转台侧壁上方位角度指示标记对应的刻度标尺所示的方位角度，然后转动旋转台至与原方位角成90度的位置，再次调节内六角调平螺钉使自准直仪读数为0即可。

本发明和现有技术相比具有以下优点：

1)储存和使用方便、安全

本发明中所使用的浮液材料采用绿色、无毒的环保型低熔点金属合金，如镓铋合金、镓锡合金、镓铟合金、铋基合金、锡基合金、镓铟锡合金，在不加热情况下低熔点合金为固态，避免了装置意外倾覆导致的金属溶液泄露，同时也极大的方便了使用操作。

2)精度高、可靠性好

本发明利用低熔点合金在液态下密度较高浮力较大的物理性质，不管处于何种状态，都能保证液态的低熔点金属合金表面为绝对水平面，进而保证水平基准装置中平面反射镜的表面处于水平状态，保障了水平精度，对测试设备、方法和人员的要求都比较低。

3)本发明中低熔点金属合金的熔点能根据配比的不同从11℃-85℃之间定制。

4)能够提供竖直向上和竖直向下的水平基准

本发明中调平基座、低熔点金属合金容器、旋转台、旋转座的底部以及三角架调平机构的上下基板中心都设置有通光孔或圆形通孔，当光束从整个装置的下方入射时，经过一系列通光孔或圆形通孔后到达平面反射镜的下反射面，从而能够实现竖直向下的水平基准；当光束从整个装置的上方入射时，经过一系列通光孔或圆形通孔后到达平面反射镜的上反射面，从而能够实现竖直向上的水平基准。

附图说明

图1为本发明水平基准装置实施例的结构示意图。

图2为本发明水平基准装置实施例中主要部件分解图。

图3为本发明实施例中水平基准台的分解图。

图4为本发明水平基准装置实施例的剖视图。

图5为本发明水平基准装置调平原理图。

附图标记说明：

100-水平基准台，101-平面反射镜，102-隔热材料，103-调平基座，104-内六角调平螺钉；

200-低熔点金属合金容器，201-低熔点金属合金，202-加热带，203-环形加热带，204-第一条形通孔，205-外圆筒，206-内圆筒，207-减震元件安装配合结构；

300-旋转台，301-调平水泡，302-金属橡胶垫，303-第二条形通孔，312-方位角度指示标记；

400-旋转座，401-位置锁紧螺钉，403-圆形密封玻璃，404-刻度标尺；

500-三角架调平机构，501-上基板，502-下基板，503-精密螺杆，504-固定式旋钮；

600-防尘盖，601-圆形平板玻璃，602-螺钉；

700-温度控制系统；

800-直角棱镜；

900-自准直仪。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步说明。

如图1、图2、图3所示，本实施例所提供的采用低熔点合金的水平基准装置，包括的水平基准台100、低熔点金属合金容器200、旋转台300、旋转座400、三角架调平机构500、防尘盖600和温度控制系统700。水平基准台100、低熔点金属合金容器200、旋转台300、旋转座400从内到外依次设置；旋转座400固定安装在三角架调平机构500上，防尘盖600固定安装在旋转台300的上端。

如图3所示，水平基准台100包括调平基座103和平面反射镜101；调平基座103为顶部开口、底部封闭的中空圆柱结构，并且在底部封闭端的中心开设有通光孔；平面反射镜101为圆柱状，固定设置(例如胶合连接)于调平基座103内，二者之间填充有隔热材料102，用于防止平面反射镜101的镜面产生热变形；理论上调平基座103与平面反射镜101的重心连线最好为重力方向，但由于平面反射镜101有一定的面积即工作范围，因而水平基准台100的小幅度移动不影响本装置的具体使用；在调平基座103的侧壁上部沿圆周方向均布设置有三个内六角调平螺钉104，且三个内六角调平螺钉104均位于平面反射镜101的上方；平面反射镜101和调平基座103的材料应选用密度低于低熔点金属合金201的密度的材料，例如平面反射镜101选用石英玻璃制成，调平基座103选用铝材制成；为了增加浮力，本实施例将调平基座103的底部边沿设计为向外延伸的盘状结构，即底部外径大于调平基座103的主体外径；为了进一步增大浮力，在其他实施例中还可以将调平基座103的底部设计为中空结构；平面反射镜101两个反射面均镀反射率大于等于99.8％的高反膜，平面反射镜101的两个反射面的平行度误差小于2″，以提高竖直向下方向的水平基准精度。

如图4所示，低熔点金属合金容器200包括从外向内依次设置的外圆筒205和内圆筒206，外圆筒205和内圆筒206同心设置，外圆筒205的高度大于内圆筒206的高度+平面反射镜的厚度+隔热材料102的厚度+内六角调平螺钉104的直径，内圆筒206的上下两端均为开口端，外圆筒205和内圆筒206之间形成底部封闭的腔体，该腔体内盛有低熔点金属合金201；低熔点金属合金201的熔点能通过调整金属成分的配比在11℃-85℃之间调整，可选择的种类有镓铋合金、镓锡合金、镓铟合金、铋基合金、锡基合金和镓铟锡合金；本实施例中低熔点金属合金201为铟锡合金，密度大于7.8g/cm³，通过调节合金中各个金属成分比例设置其熔点为60摄氏度，铟锡合金不与铝合金产生物理和化学反应，且在空气中不易氧化，保证了整个装置的稳定性和可靠性；

低熔点金属合金容器200的内圆筒206的外径小于调平基座103底部通光孔的内径，低熔点金属合金容器200的内圆筒206穿过调平基座103底部的通光孔，使调平基座103浮于低熔点金属合金201上，且位于低熔点金属合金容器200的外圆筒205内；

低熔点金属合金容器200的外圆筒205外侧壁上缠绕有加热带202和第一温度传感器，低熔点金属合金容器200的底部外壁上安装有环形加热带203和第二温度传感器；第一温度传感器可以通过加热带202直接缠绕固定在外圆筒205的外侧壁，也可以通过耐高温胶粘的方式固定在外圆筒205的外侧壁，然后再缠绕加热带202；第二温度传感器可以通过耐高温胶粘的方式固定在低熔点金属合金容器200的底部，然后再安装环形加热带203；加热带202和环形加热带203用于向低熔点金属合金容器200加热，使低熔点金属合金201完全熔化为液态；加热带202、环形加热带203、第一温度传感器和第二温度传感器均通过导线与温度控制系统700连接。

低熔点金属合金容器200的外圆筒205的侧壁上沿圆周方向均布开设三个第一条形通孔204，三个第一条形通孔204的位置分别与三个内六角调平螺钉104相对应，装配后，三个内六角调平螺钉104分别穿过三个第一条形通孔204；低熔点金属合金容器200的外圆筒205的外侧壁上沿圆周还均布设有三个减震元件安装配合结构，三个减震元件安装配合结构处均安装有金属橡胶垫302。

低熔点金属合金容器200设置在旋转台300内，低熔点金属合金容器200与旋转台300之间设置有三个沿圆周方向均布的圆柱形金属橡胶垫302，三个圆柱形金属橡胶垫302的上下端面均设置有凹孔，三个圆柱形金属橡胶垫302通过其凹孔安装在低熔点金属合金容器200的外圆筒205外侧壁上的三个减震元件安装配合结构处；圆柱形金属橡胶垫302的作用是使装置在遇到外界冲击或震动时，保持装置处于稳定状态，从而保证装置精度。在其他实施例中，三个圆柱形金属橡胶垫302也可用减震效果好的弹簧替代。

横截面为圆形的旋转台300设置于旋转座400上，旋转台300相对于旋转座400可进行360度的转动，旋转台300的位置可通过设置在旋转座400侧壁上对称设置的两个位置锁紧螺钉401锁紧；旋转台300的底部中心开设有第一圆形通孔，第一圆形通孔的直径略大于调平基座103底部中心的通光孔直径；旋转台300的外侧壁上设置有调平水泡301，本实施例中调平水泡301的精度优于30″；旋转台300的外侧壁上沿圆周方向还均布开设有三个第二条形通孔303，第二条形通孔303的位置应与第一条形通孔204的位置相对应，使调节扳手能同时穿过这两个条形通孔到达调平基座103上对应的内六角调平螺钉104，对其进行调节。

旋转座400为一带颈圆盘，颈部为中空圆柱状，其底部圆盘的中心设置有直径略大于调平基座103底部中心通光孔的第二圆形通孔，第二圆形通孔处安装有圆形密封玻璃403；为方便调平操作，在旋转座400的颈部上开口边缘设置有表示角度的刻度标尺404，刻度范围为0～360°；相应的，旋转台300的侧壁外部设置有方位角度指示标记312。

三角架调平机构500包括圆柱形上基板501和圆柱形下基板502，上基板501和下基板502的中心均开设第三圆形通孔，第三圆形通孔的直径略大于调平基座103底部中心的通光孔直径；上基板501和下基板502通过三个精密螺杆503连接，三个精密螺杆503的位置呈120°圆周分布，三个精密螺杆503上均安装有固定式旋钮504，下基板502与精密螺杆503可相对旋转连接，上基板501与精密螺杆503通过螺纹连接，通过调节固定式旋钮504可使精密螺杆503旋转从而使上基板501的位置沿着精密螺杆503升降以实现调平功能。三角架调平机构500进行粗调平时，通过分别调节三个精密螺杆503上的固定式旋钮504，同时观察调平水泡301，直至调平水泡301中的气泡到达水泡正中位置，即完成粗调。

旋转座400设置在三角架调平机构500的上基板上，二者通过螺钉固定连接，通过调节三角架调平机构500可对整个水平基准装置进行粗调，使整个水平基准装置处于水平状态。

为了使本发明装置免受尘埃污染或测量时意外碰撞而导致液态的低熔点金属合金201外流，在旋转台300的端面通过四个螺钉602固定安装有防尘盖600，并将二者间的缝隙用胶密封；防尘盖600的中部设有直径大于平面反射镜101直径的第四圆形通孔，第四圆形通孔处安装有圆形平板玻璃601，圆形平板玻璃601通过压圈固定在第四圆形通孔处，并且二者之间用胶密封。

由于调平基座103和平面反射镜101自身质量分布不均匀使其重心不在整个水平基准装置的中心竖直直线上，液态的低熔点金属合金201表面的不洁净也导致与调平基座103接触处的浸润不同，因而导致置于其中的平面反射镜101表面不与液态的低熔点金属合金表面(即水平面)平行，继而造成实际使用时的平面反射镜101表面与水平面存在夹角，造成误差，因此需要对水平基准装置进行调平。

图5为对水平基准装置的调平原理图，调平包括以下几个步骤：

步骤1、将直角棱镜800放置于平面反射镜101的上方，自准直仪900置于和直角棱镜同一高度上，本实施例中直角棱镜的反射角度误差应小于2″，自准直仪精度应小于0.3″；

步骤2、待水平基准装置稳定后，将自准直仪900调平：

由自准直仪900发出的激光束经过直角棱镜800的光路转折作用射向平面反射镜101的上反射面，光束经平面反射镜101反射后再次经直角棱镜800到达自准直仪900，由自准直仪900的读数可测得平面反射镜101在方位角情况下的倾角值θ，若平面反射镜101处于绝对水平状态，则θ＝0°，实际上平面反射镜101的上反射面和绝对水准平面存在一倾斜角a，此时自准直仪900测出的θ＝2a，使用调节扳手，让调节扳手穿过旋转台300侧壁上的第二条形通孔303及其对应的低熔点金属合金容器200侧壁上的第一条形通孔204，到达调平基座103上对应的内六角调平螺钉104，调节内六角调平螺钉104使自准直仪900读数为0，即表示此方位角情况下平面反射镜101的表面和水平面平行；

步骤3、记录与旋转台300侧壁上方位角度指示标记312对应的旋转座400上开口边缘刻度标尺403所示的方位角度，然后转动旋转台300至与原方位角成90度的位置，再次测量并调节内六角调平螺钉104使自准直仪900读数为0即可；为保证精度，转动旋转台300过程中尽量使金属溶液稳定。

经过上述调平，可使平面反射镜101的法线与液态的低熔点金属合金201表面法线平行，平面反射镜101的上表面即为水平基准的基准面。