5iMX.com 我爱模型 玩家论坛 ——专业遥控模型和无人机玩家论坛（玩模型就上我爱模型，创始于2003年）
标题: 学习制作一台电子水平仪 [打印本页]
作者: fobyellow 时间: 2021-9-23 13:41
标题: 学习制作一台电子水平仪
本帖最后由 fobyellow 于 2021-9-23 17:33 编辑
这件事情起源于3年前一时脑热买了两块大理石平板做雕刻机台面，尺寸是1200*1000，厚度100，是非标测量设备的台面，到我手头之后装上买的大理石滑台测量发现有大于20um的平面度误差，一时无从判断是滑台的直线度问题还是大理石平板的平面度问题，于是买了一个150mm长度的0.02mm/M的水泡，不用不知道，一用才知道这玩意比我想象中的要难搞，测量一次耗时2小时，测第二遍和第一遍的误差都大于我要修正的误差，后来就只能睁一只眼闭一只眼。但是整个玩水平仪的过程让我对这种精密量具产生了极大的兴趣，在此也把我这些时间了解到的信息跟大家做个分享，由于个人能力有限，很多信息可能会有错误，请见谅。首先附一张表，用于单位换算
(, 下载次数: 24)
一、电子水平仪的起源及发展
水平仪是以重力为参考方向设计的精密测量设备，早期的水平仪是利用水准原理制作的，多由液体+气泡+一定曲率的玻璃管构成，这种水平仪制造简单，成本低廉，应用很广泛，但是这种水平仪在克服液体浸润亲和以及气泡尺寸的温度敏感性上有比较大的技术挑战，所以在实际的应用中只能做到0.02mm/M的分度，对应50秒的分辨率，后来发展出的合像水平仪也仅仅能把这个指标降低一半。
(, 下载次数: 26)
同时期的精密水平仪则使用精密天平一样的结构，使用刀口梁和长的指针做平衡和放大元件，尺寸大，重量大，调整困难，但是精度很高，多用在科学计量领域（这任然是目前地球上精度最高的水平仪之一，引力波探测器LIGO使用的就是刀口梁平衡的水平仪，只是读数的方式改进到了电感，目前已经达到了0.0001秒级别，现在二代升级产品计划替换为干涉仪，大约会再提高10倍）。
(, 下载次数: 25)
后来在上个世纪50-60年代，电感位移测量技术得到了发展，于是英国著名的Taylor-Hobson在此基础上推出了第一代Talyvel，并给出了小于1秒的精度指标，大约对应4um/M，并且读数时间只有1秒。后来法国的DEA，美国的Federal、瑞士的WYLER对此进行了改良，并在70年代达到了0.1秒的分辨率，大约对应0.5um/M的分辨率指标，由于检波技术限制，LVDT的读出噪声一直很难有效的降低，所以这类仪表的读数噪声一直在6个字左右，所以静态的指标实际上并未达到0.1秒，并且由于这种水平仪的量程限制和正交角度影响，这个指标一直持续到了今天。
(, 下载次数: 21)
这期间，气泡+液体的水平仪也没有闲着，大家发明了内置电极的铂电阻水平仪、黑色液体介质的光电式水平仪、电解液介质的电极式水平仪、外置电极的电容式水平泡水平仪，这些水平仪的特点是便宜，静态指标还行，动态指标全军覆没。
(, 下载次数: 17)
直到70年代末期，WYLER推出了电容式水平仪，它使用一个差分的电容传感器，和一个电阻来做交替测试，这样就基本上解决了电阻的温漂，信号调理电路输出的值是计数器的值，而此时的频率计水平早已经超过了皮秒级别，让整个设备的温度变量只集中在了差分电容本身，这基本上就只和介质的温度系数相关了，这个电路在80年代就做出来了，一直用到今天，目前业内一直鼓吹的丹青水平仪，就是丹青公司代理的WYLER-AG水平仪，这基本上代表了民用水平仪的最高级别，开放的分辨率是0.2秒，但是可怕的是重复性也是这个指标0.2秒，并且10度的温度变化范围内的读数变化小于0.4秒，从这个指标可以看出，其静态分辨率一定是远远优于0.2秒的，只是由于各种原因并未开放。
(, 下载次数: 28)
(, 下载次数: 19)
后来在电容式的传感器上德国人走的比较远，他们搞出了不少分辨率到达了1nrad的水平仪，比如lippmann搞的，大约是WYLER民用品指标的1/1000，逛小黄鱼多年，一直未能有幸收到一个
(, 下载次数: 24)
只是这类仪表在计量领域一直受到排斥，原因是并未经过长期的对比，以及用脚指头也能想到，没有水的水平仪谁也不知道准不准，所以其实目前用于作为基准的水平仪实际上是液态水银做的反射式水平仪，它的特点是分辨率不够高，但是一定是平的。
二、我想要搞的电子水平仪
WYLER最厉害的地方在于他们的网站上公布了所有的技术细节，所以我估计我做不出来。下图结合一个20块钱的RC震荡计数器，就是全部的秘密，有兴趣的可以一试。
(, 下载次数: 29)
(, 下载次数: 29)
所以我只能走传统的电感测试路径，使用更重的摆锤，接受更大的尺寸，更低的频率响应，好在我需要的材料已经凑齐。
重力摆的设计如下，按照我的设想，尽量使用对称设计，摆的高度为100mm，使用5um厚度的304不锈钢片（这个厚度完全是我臆想出来的，没有科学依据，我购买的是模具间隙片），水平仪的底座长度设计为130mm，可以安装到150/200mm的底座上适应不同的需求。重力摆的下方安装两个对称的LVDT测头，铁芯安装在摆上，线圈安装在和底座相对位置固定的支架上。
假设5um厚度的304不锈钢片的刚性为0（不要要求太高，只是假设而已），如果要做到1um/M的指标（也就是WYLER-AG的指标），当底座长度为150mm时，在摆的末端将会产生0.15um的位移，两个LVDT测头的数据变化将是一个增加0.15um，另一个减少0.15um。
也就是说如果这个摆能做出来的话，这个设计的关键就在于能否有效地读出0.15um的偏移量。
(, 下载次数: 22)
于是我做了一个灵敏度大约为200mv左右的LVDT信号调理电路，做了1个小时的数据记录，条件有限，测试过程是把整个测量装置锁在我的抽屉里面进行的（假装是恒温条件），测得的指标还行，峰峰值噪声大约60nm，如果考虑两个传感器的条件下做平均，噪声大约或是50nm，基本上符合设计指标
(, 下载次数: 26)
整个重力摆安装到一个铸铁的底座+外壳里面，并在里面填充一定的甘油，选择甘油的原因是我老婆桌子上有一瓶，甘油的运动粘度参数有点高，所以我说一定的甘油。选择铸铁外壳的原因是LVDT探头需要做磁屏蔽，静态的缓慢变化的磁场会导致LVDT的读出噪声增加。
(, 下载次数: 17)
然后就还缺一个把手和一个表头，我的solidworks水平还很low，暂时画不出自由曲面的把手，这块只能考验我的钳工水平了，打算找个铝合金做骨架，外面包紫檀，选紫檀的原因是B格比较高，就算最终里子失败，起码还有面子。毕竟按照计划，应该是一举击败Mahr的，哈哈哈
(, 下载次数: 25)
目前实际制作的情况下只到这个阶段，接下来的部分是思考了很久但是还没有实施的部分
这个设计的关键点有两个，一个是重力摆部分，这里涉及到灵敏度、老化、重复性指标，另一个就是位移量的读出部分，好在我是电子专业的，所以搞搞这个还行
1、灵敏度是和悬挂的刚性成反比的，比如用缝衣服的棉线来制作悬挂，这个摆的灵敏度将会完全不受损失，但是我在做无穷放大的思考实验的时候，一直解决不好棉线的固定方式，我们不能简单的把它系在某个位置，要不然长期老化的时候，始终会涉及到那个固定悬挂点到底在哪儿的问题，我曾经想过用AB胶之类的东西把棉线粘在某个位置，后来查了AB胶的耐候性，也放弃了这个想法，于是我只能选择有刚性的悬挂方式，这起码可以解决悬挂点不会发生变化，只是灵敏度会下降。
2、老化指标
我的第一个选择是铍铜，据说这是最好的弹簧材料，而且我看到mahr的测头内部也是用的铜片，不幸的是淘宝上并没有足够薄的铍铜片，我担心太厚的铜片会导致灵敏度太低，所以后来选择了不锈钢片，价格合适，不带磁，出货量还行，唯一的问题是我并不知道这些不锈钢片是否是退火不锈钢，残存的应力会不会导致长期老化的指标发生变化？？？
读出部分的老化指标会体现在两个方面，一个是测量头部分，另一个是信号调理部分。测量头部分我只能选择尽量用退火材料加工，螺丝锁紧打胶，信号调理部分我放弃了参考，使用了比例测量法，所以理论上老化的指标只和ADC的综合误差有关，好在当下的大部分sigmadelta器件的指标都可以做到小于0.2ppm，我粗算了下，完全够用了。
3、重复性
这个就完全不是我的领域了，目前暂时只能听天由命
假设我顺利的走完了之前的步骤，接下来的部分就是烧钱的部分了，那就是校准
我百度了下，发现君用的方法是电控转台，我马上到小咸鱼搜了下，还真的发现了这个宝贝，更可喜的是这个东西居然离我只有几公里远。
这里引入制作论坛老法师龙猫菲菲，他有没有加入本坛尚不得而知
(, 下载次数: 28)
我立刻驱车去现场看了这个宝贝，然后伤心的离开。大概的意思是这玩意有一头小牛那么大，显然不是我能玩的东西。
后来去计量论坛泡了几天，收获不小，计量单位用的是这个，小角度检定仪，这里引用了中图的照片，不打广告，只为阐述原理。
(, 下载次数: 19)
这大概就是一套大型的正弦规，只是两个圆弧部分加了高度计，研究懂了之后为我节约了15万的开销，我决定买一根一米长的平尺，然后把底部修成3个接触点，并在单点的那个位置安装一个压电陶瓷片，使用稳压电源来驱动，并且两端使用电感测头或者光栅测头来读数，这样就可以临时解决小角度范围内的指标校准
作者: 电磁弹射 时间: 2021-9-23 14:11
楼主下了一番功夫！
作者: xuelin15 时间: 2021-9-23 19:23
作者: TDDSD 时间: 2021-9-23 20:44
有意思。这水平线，搞到极限，就是和地球的切线，那么如果在平面上任意挪动一下，它应该马上就不水平了。
根据水平线修出来的平板，只能得到地平线的弧面
用自准直仪吧，好做多了
作者: qinhfm 时间: 2021-9-24 08:08
精神可嘉
作者: fobyellow 时间: 2021-9-24 09:14
实不相瞒，有三台，一台702，一台泰勒，一台徕卡，都是鼓轮的，不好用，或者说我不怎么会用。一直打算改成CCD成像的，但是人很懒，拖延症晚期
至于水平，其实是一个相对概念，并不一定是切线方向，严格来说是重力方向的垂直方向。重力由万有引力和地球自转的向心力构成，所以不同纬度的重力方向不一致，只有赤道和南北极是垂直于切线方向的
作者: TDDSD 时间: 2021-9-24 17:59
反正也就是找个由头买东西。把高级的测量仪器买完以后，几十块钱买根平尺解决问题，这就没技术含量了。
作者: free-fly-h3 时间: 2021-9-25 19:56
想法不错，有意合作的话，机械部分我来完成，电子部分交给你，一起做2台。
国产前哨0.001的价格在1.8万左右，实在买不起，论坛里出过一台，当时没抢到，大腿都拍青了。
手里过手过前哨的，DEA的，Taylor的，WYLER的，进口那价格直接吐血
作者: free-fly-h3 时间: 2021-9-25 19:57
黄鱼上有台日本的，一台法国的，好像都是8000左右
作者: fobyellow 时间: 2021-9-25 21:58
free-fly-h3 发表于 2021-9-25 19:56 
想法不错，有意合作的话，机械部分我来完成，电子部分交给你，一起做2台。
国产前哨0.001的价格在1.8万 ...
感谢您的支持，我的材料已经准备齐了，估计再一个月就会有结果，等我有初步的验证结果再说。
法国的那套指标不行，日本的新泻里不错，标称指标和前哨的差不多，属于价格比较便宜的，我自己搞也实属无奈，太贵了
作者: 兴润 时间: 2021-9-26 08:30
作者: fobyellow 时间: 2021-9-27 21:41
电路部分做了下优化，使用两个背靠背的测头做了非恒温的静态测试，夹具是铝合金，本来打算用铜，后来问了下价格实在是有点贵，先上铝合金的，要是没有大问题，后面再上铜的。
测试结果比我想象的好，总共测试历时21小时半，一共采集了78000秒个数据，算是每秒钟一个读数的输出率，峰峰值噪声大约20nm，温度我没有记录，大约一个昼夜还是会有至少几度的变化吧，由于温度带来的波动大约是100nm，这也验证了我的一个想法，那就是差动的测量方案可以有效的降低共模信号的影响，比如温度信号就是一个共模信号，其余的磁场，电磁波等等都是共模信号
(, 下载次数: 22)
作者: free-fly-h3 时间: 2021-9-28 00:56
本帖最后由 free-fly-h3 于 2021-9-30 11:29 编辑
简易工作室恒温就是装个空调的事。20~25度都可以
我们这种精度级别的，±2℃以内就可以了
作者: free-fly-h3 时间: 2021-9-30 11:28
楼主，进度如何？10.1大假可以狠干一波了，期待你的大作
作者: fobyellow 时间: 2021-10-8 00:02
本帖最后由 fobyellow 于 2021-10-8 09:16 编辑
打算先搭一个测试平台出来，找出了垃圾站买的框式水平仪，这个水平仪的水平泡破了，我本来打算拿来做方尺，没想到这个铲刮面的铲刮深度足足有5丝，这分明不是刮出来的，而是挖出来的，可见做工之粗糙，所以百分表的指数一直跳来跳去，现在终于有使用价值了。框式水平仪太重，打算锯掉一半，再装个轻质的圆弧手柄。
(, 下载次数: 23)
(, 下载次数: 16)
(, 下载次数: 16)
作者: fobyellow 时间: 2021-10-8 00:05
直接上锯，锯的过程很轻松，锯口丝毫未变形，一点也不夹锯，可见热处理还是做到位了的
(, 下载次数: 12)
(, 下载次数: 20)
作者: fobyellow 时间: 2021-10-8 00:08
由于水平仪上有比较多的调整用螺丝孔，所以用蜡做了密封处理，以便之后填充阻尼液。处理的过程是在开水中做的，这样温度有保障
(, 下载次数: 19)
(, 下载次数: 22)
(, 下载次数: 23)
(, 下载次数: 19)
(, 下载次数: 26)
作者: fobyellow 时间: 2021-10-8 00:15
用铝条做了一个横摆，临时用铝合金做了一个上盖，摆长50mm，这个思路可以拓展下，就这个尺寸可以做到100左右的摆长，之后有空可以再验证下
(, 下载次数: 25)
(, 下载次数: 21)
(, 下载次数: 16)
(, 下载次数: 28)
作者: fobyellow 时间: 2021-10-8 09:48
本帖最后由 fobyellow 于 2021-10-8 10:23 编辑
直接装上看了下，读数一直在震荡，等了几分钟也没有停下来，至少说明这个摆的Q值蛮高的
作者: fobyellow 时间: 2021-10-8 10:07
本帖最后由 fobyellow 于 2021-10-8 10:38 编辑
然后将整个摆的空腔内倒入阻尼液体，我闻了下老婆用的甘油，有一股香味，和百度上说的甘油是无色甜味的描述不符，于是只能重新买了一瓶
(, 下载次数: 33)
倒的不多，估计有30ml的样子
(, 下载次数: 24)
然后将摆重新安装好，此时读数不再来回震荡，但是一直往一个方向慢慢移动，我以为是阻尼太大，收敛时间过长，就等了两分钟，但是结果读数一直在缓慢变化，透过两侧的小孔，我发现了问题，丙三醇和铝合金的表面发生了不浸润的现象，多以一直在发生缓慢的变化。没办法只能用注射器把它慢慢吸出来，换用白油，选用白油的原因是据说这个没有毒。
效果好了不少，按压两侧也有了读数变化
灵敏度未知，精度未知，目前只知道回零不太好，暂时不知道是不是我铺了静电胶皮的缘故
作者: fobyellow 时间: 2021-10-8 10:14
本帖最后由 fobyellow 于 2021-10-8 11:00 编辑
补发一张摆的照片，请原谅我的加工水平只能如此了。那两个很漂亮的元件是LVDT的动铁，材质不清楚，但是看颜色应该是含铁或者镍的，我担心会带磁，后续打算更换为铁氧体。
这个摆很简陋，但是需要的东西已经都在了，整个摆的重量大约80克，在质心的位置安装一个夹片，用来夹装弹簧片，这里的摆长有50mm，左右对称，其实起作用的只有一半，只要检出部分的灵敏度足够高，其实簧片可以用厚，这样可以增加抗桡性，具体推导过程如下：
由f=m×a，得e=f×s=（m×a）×s=m×（a×s）。
由a=v/t，得a×s=（v/t）×s=v×（s/t）=v×v=v∧2。
即，e=m×v∧2
当V=c时，e=m×c∧2
(, 下载次数: 31)
作者: fobyellow 时间: 2021-10-9 09:49
看了一万贴关于浸润的资料，同时还发现自己遗漏了浮力这个重要的因素，于是在阻尼液体里面加入了了一些乙醇，还好乙醇和白油相容，然后重新做了测试，用于标定的工作台还没有进度，所以只能把我之前用的钳工水平仪放在这个电子水平仪上做测试
(, 下载次数: 34)
等两个水平仪读数归零之后，在右侧放一个重物，然后记录两个水平仪的读数，水平泡大约走了2.8格，表头读数大约58，我的水平泡是0.02mm/M的分度，算下来一共是20*2.8=56um，约等于电子水平仪给出来的读数，也就是目前的分度值大约是1um/M，初步达到了设计要求。
由于乙醇的作用，目前小范围内的回零和响应速度都有略微的进步
作者: fobyellow 时间: 2021-10-17 10:36
2.0版本的摆，偏心设计，这样有效摆长可以做到100mm，另一边做了配重处理
(, 下载次数: 34)
(, 下载次数: 29)
作者: free-fly-h3 时间: 2021-11-22 00:34
朋友，搞什么样了？说说进展啊
作者: fobyellow 时间: 2022-2-16 10:52
(, 下载次数: 38)
(, 下载次数: 25)
(, 下载次数: 39)
(, 下载次数: 34)
佛系制作中，昨晚刚测试了下。目前使用的弹簧片是就地取材的0.02不锈钢片，我估计换向回零的误差和这个有关系，当然也有可能是阻尼器的问题，液体阻尼不像气体阻尼，我没有学过流体力学，很多问题还搞不明白
作者: fobyellow 时间: 2022-2-16 11:03
还有个很神奇的现象就是这个摆目前并不会静止下来，我使用10sps采样率的时候大约能看到频率是5Hz左右的振动，看起来没有要停止的意思，我使用限位器把摆卡住，这个神奇的震动就消失了，也就是说这个震动并不是位移采集部分引入的，而是真的是摆的运动，我目前的摆长是180mm，有大神可以告诉我如何计算阻尼条件下的谐振频率问题，或者请帮我分析下这个半夜也不停止的振动的原因？我做这个测试的时候站在电脑旁，虽然我已经尽量屏住呼吸减小动作，但是还是不可避免的产生了直流变化，请只关注交流分量。
(, 下载次数: 38)
作者: free-fly-h3 时间: 2022-2-16 14:24
弹簧片替换成 铍铜片 试试，找个好点的 空心杯电机，取里边的电刷。
或者用0.02的塞尺试试
作者: free-fly-h3 时间: 2022-2-17 17:17
国产机0.001的万元以上，楼主搞成功了至少相当于赚8000
作者: fobyellow 时间: 2022-2-21 10:28
我已经知道了这个低频振动的原因了，我试着做了摆体的运动分析和固有频率分析，得到了6Hz左右的一个尖峰，所以应该是摆长太长，本来是上悬挂的摆体，在下方增加了阻尼之后变成了下悬挂的摆体，现在只需要把这个尖峰破坏了就行了
作者: fobyellow 时间: 2022-2-22 13:55
本帖最后由 fobyellow 于 2022-2-22 14:13 编辑
把摆体的上部分自由振动破坏了，现在自由振动的幅度有所降低，大约还剩下+-1um/m的样子，下次改良的时候要用0.05的板材，先测试了下灵敏度和分辨率，由于噪声已经淹没了1um/m内的所有信息，所以只保留到了1um/m的分度值，基本上达到了设计指标
[media=x,500,375][/media]
作者: fobyellow 时间: 2022-2-22 14:39
本帖最后由 fobyellow 于 2022-2-22 14:43 编辑
关于簧片，不同的设计不一样，taylor-hobson的设计是采用5个点的悬丝，federal-mahr采用的是3个悬挂点的簧片，总体来讲簧片的长度都比较长，mahr的簧片比较厚，还可以提供一定的垂直方向的支撑，taylor的用的铜丝，基本上就只能靠限位了，所以泰勒设计了3个方向一共6个限位，巧妙的是这6个限位一做，还顺便解决了跌落的可靠性问题，所以看起来若不经风的几根细丝也可以撑起大约50-100克重的摆锤，当然缺陷也很明显，就是如果正交方向的水平度如果没有在设计范围内，摆体就会和限位点发生接触，导致测量失败，这也就限制了它的使用场景。
我的设计不一样，我没有做完全柔性的摆，而是使用了刚性和柔性二合一的摆体，个中滋味，您试制的时候便清楚了。泰勒的摆体由于悬丝的弹力非常小（相对于摆重），几乎为零，所以我猜想他应该不用太在意铜丝的蠕变。而mahr的设计在所有的摆体非自由方向的刚性都不错，所以一定会遇到蠕变的问题，还有加工孔位和裁剪尺寸之后的变形导致的应力问题，这些问题网上基本上没有发现什么有价值的文献，我只能摸索。我的下一个摸索方向主要有两个：
1、尽量破坏摆体顶端的共振，这个需要研究的文献主要是地磁方面的，地磁观测用的水准仪会有类似的问题，所以关于大自然中、城市里的振动噪声源的频谱特性他们应该了解的比较多
2、对于簧片本身采用压平或者张力条件下的热处理，想办法把应力尽量消除掉的同时，保证簧片是平的，另外其实还有个方案就是使用中间开窗的簧片，甚至我都想过把簧片做成波纹状的，只是长期的蠕变没法保证
以上两点如果都有小的突破，这台试验机就有机会实现0.1um/m的分辨率了
作者: fobyellow 时间: 2022-2-23 14:16
本帖最后由 fobyellow 于 2022-2-23 14:21 编辑
关于数据分析我已经有点凌乱了，我提高了采样率，尝试分析这个周迫振动的特性，发现我增加了上摆端的阻尼之后只是改变了它的谐振频率，读了下地质的文献，发现有轨道交通的城市的底噪曲线
(, 下载次数: 24)
这里说在10Hz附近会有人为造成的影响（比如车辆、工厂之类的）
(, 下载次数: 25)
这里说地球自身建模之后算出来的自由谐振频谱就在0.5Hz左右
(, 下载次数: 22)
我使用1KHz的采样率，总共采样4秒钟左右，获得了两组曲线，上面的对称曲线是因为对称布置了两个LVDT传感器，所以可以确认这个数据的波动并不是读数噪声，而是单摆的确在摆动。
有意思的是这个共模信号在4秒钟之内居然呈现了一组频率大约为0.05-0.1Hz的缓慢变化，这个是啥信号？？？？
不过到这里我算是有点明白为什么taylor和Federal都选择相对很长的簧片了，这个簧片很长，所以它的受迫振动在除去单摆公式决定的频率以外几乎没有其他的谐振点，而我做的软硬结合摆体有两个谐振器，问题复杂化了
作者: fobyellow 时间: 2022-2-24 13:33
我重新进行了自由态的测试，也就是说这个摆没有阻尼，需要等半个小时才会稳定到一个可读数的状态，测试结果是我这个摆体的自由谐振频率是大约1.4Hz。总共记录了几百万个数据，但是我的EXCEL版本不够，只能计算到凌晨3:50，一共大约4个小时。由于这是个对称的正弦波震荡，所以我的数据处理手段比较粗狂，直接在100个数里面找最大值和最小值的平均值，结果如下图
(, 下载次数: 25)
具体分析结果有以下几点：
1、整体体现出来的噪声大约是0.6um p-p@1.4Hz
2、对比之前的有阻尼状态下的噪声大约是1um p-p@6Hz，所以在去掉阻尼之后，悬挂点的第二个谐振频率并没有参与进来
3、我开始越来越怀疑Talyvel使用的液滴阻尼器的误差了，在Richard E Reason的描述里面，的确有讲到当摆体在新的位置停下来之后，液滴的形状会重新调整，并且在调整完成之前会造成轻微的误差，Talyvel的表头读数只有0.01mm/m，所以这个1um左右的噪声是不是本来就不能对Talyvel造成足够的影响？？还有就是在之前的丙三醇实验中，我的确是发现了液体和固体的浸润现象造成的误差，而目前这个硅油我暂时还没有观察到肉眼可见的影响。
4、6Hz的噪声源还是不好过滤，如果设计读数时间是两秒钟的话，这个频率离0.5Hz得读数频率还是靠的太近，我在考虑把上摆的谐振频率再提高一点，如果能到20-30Hz就比较好办了
作者: fobyellow 时间: 2022-2-25 22:57
本帖最后由 fobyellow 于 2022-2-25 23:00 编辑
今天小有体会，在车库做了8个小时的带阻尼的静态测试，吃惊地发现我的车库恒温条件居然很好，从中午11点到晚上7点，居然温度只波动了0.3度的样子，所以说成都才是真正的春城。当然水平仪的读数值波动也很小，大约只有0.6um/m的直流波动，说明目前的测头和读数部分包括摆体并没有出现明显的漂移。黄色的曲线是温度，参考左边的纵轴数值，蓝色的是水平仪读数，参考右边的坐标轴。
(, 下载次数: 25)
同时我理解到，电子水平仪的一个核心技术就是摆体的设计，目前在夹紧摆体的条件下，纯读数部分可以做到大约0.05um/m的分辨率，对应0.01角秒，但是摆体我还做不到，下图是我最新改良了阻尼得到的结果，目前摆体上有一个周期为6秒频率大约为0.16Hz的摆动，幅度大约是0.4um/m，这要么是新的自由振荡频率，要么是什么地质运动，不得而知。我今天还构思了一个多段的组合摆，就像铁链一样，一节刚性，一节柔性，目的是把每段刚性的摆长减小，这样可以提高固有频率，同时也可以保证灵敏度和准确性，就是制作比较麻烦，有线切割的同学可以参与下
(, 下载次数: 25)
作者: fobyellow 时间: 2022-3-6 10:37
开始做第二代原型机，第一代机器的最大的缺点是液滴阻尼有不可预知的漂移，有时两天都不漂，有时半天可以漂10个字，暂时不深究，先继续往前走。
重新定义了下设计目标，减小了摆长，用铸铁和20钢的材料，目的是做更好的磁屏蔽，这节是长度130的80.40，壁厚10的无缝管材，啥都好，就是重
(, 下载次数: 24)
作者: fobyellow 时间: 2022-3-15 11:35
所需的材料大概是这些，筒体用的是C20的钢材，内孔不太标准，这点很折腾我
(, 下载次数: 22)
作者: fobyellow 时间: 2022-3-15 11:36
本帖最后由 fobyellow 于 2022-3-15 12:01 编辑
铸铁好加工，c20的钢材对于我的小机器而言，简直就是噩梦，损失了两根定心钻
(, 下载次数: 22)
这个是上盖，中间的圆孔用于出线，并且我设计了5层密封胶，分别是环氧树脂、PVC胶水、有机硅、PVC胶水，环氧树脂，我不知道原因，只想搞扎实点，避免以后去处理泄露的问题
(, 下载次数: 28)
需要注意的是密封圈的使用条件对于表面粗糙度有要求，所以试制的朋友们要注意下，我使用了纤维油石搞了十来分钟，感觉勉强可用。压缩量我设计的0.2，选用的氟胶密封条，比丁晴的要硬一些，没有别的原因，只是因为它要贵一点点。
(, 下载次数: 27)
传感器支架我用的铝合金做的，悬挂点使用了3颗螺丝，在后期调整绝对零点的时候可以方便的用油石做处理。要实现绝对零点可用的话（可以理论上解决长期蠕变的问题），弹簧片的安装点要求比较高。Federal的设计里面使用了3点悬挂，我给简化成了两点，所以悬挂点和铜摆的两个安装面建议配磨，并使用千分表检查平行度，关于平行度的要求，我并没有科学的计算值，大家看着办吧
昨天在做实验的时候发现，黄铜居然带磁！！！！！！我用细铜丝悬挂了3个不同的黄铜件（一个3mm的铜柱，一根德力西空开拆出来的黄铜零件，一片我买来垫车刀的黄铜片），下方放的伺服电机拆出来的强磁，发现三个黄铜件在靠近磁铁的时候都明显发生了摆动，被吸到磁铁上了！！！！
作者: fobyellow 时间: 2022-3-16 09:54
针对黄铜带磁的问题我研究了下，常用的H59、H62黄铜的成分里面都有铁，分别是0.3%和0.15%，并且可能会有镍的成分。这两种材料都是带磁的。
我测试了我手头的磷青铜QSN6.5-0.1，在我的简陋的测试条件下，几乎就看不到磁吸了，查了下标准，铁的含量是小于等于0.05%的，比例更小的有QSN6.5-0.4，或者日标的5111/5103/5191/5212，对应的铁含量都在0.02%以下。
还有个重要的原因是磷青铜由于性能特殊，要求较高，生产工艺大都是新料冶金，而黄铜的来源就不好说了，各种回收料应该最终都变成黄铜了
作者: free-fly-h3 时间: 2022-3-17 01:07
淘宝搜 不锈钢间隙片，不锈钢塞尺 目前好像有0.005厚度的，供你参考
曲高和寡啊，搬个凳子围观大神，羡慕你手上的前哨花岗岩方尺
作者: free-fly-h3 时间: 2022-3-17 01:09
如需高精密机加工，我可以效劳，不管是配磨还是研磨
作者: free-fly-h3 时间: 2022-3-17 10:11
成品0.001的国产，进口水平仪基本不超过1.2~2千克（且大部分质量是底座质量），太重的话操作不便，自重也会对较单薄的被测物产生较大的挠度。
所以单纯考虑电磁屏蔽的话建议采用轻质材料（比如蜂窝铝，泡沫铜之类的）贴层，或非磁合金类的薄板材。
10mm的方管（钢的或许还会沾磁）太夸张了
作者: free-fly-h3 时间: 2022-3-17 15:01
分度值为0.001mm/m的电子水平仪，国内的无论是纯数字电路还是模拟电路的，稳定性不好，漂移的厉害，拿到现场没办法使用，不知道其他单位用的咋样？
你谈到的电容式电子水平仪的情况是符合实际的。该类型的电子水平仪确实灵敏度高，而稳定性差了些，这不管国外还是国内产品都先天性的存有这个问题，相对来讲，瑞士维拉进口的水平仪由于传感器的密封技术好了些，稳定性也相对要好些，但这也需要筛选。至于飘移的问题，同样是共性的，所以使用电容式电子水平仪做较长时间的监测（非检测）是不适宜的。另外漂移的问题如果是两个方向来回飘，还是不错的，就怕单方向漂移，那样可能会连零位也无法调整出来了，就只有返厂修理了。
电容式电子水平仪尽管已生产许多年了，但稳定性不好以及漂移的问题一直解决的不算好。这件事情上，国内外生产制造商之间的技术竞争非常激烈，我们打开水平仪的外壳可以清楚地看到，里面所有的电子元器件（包括线路板）都没有型号规格及生产厂家的标识，那些东西均做了可以理解的“技术处理”。而电容式小角度传感器则无法打开，否则肯定会损坏。
另外，使用者应该注意：电子水平仪必须通电30分钟后再使用，这样稳定性及漂移正常情况下会好些。
转自计量论坛，供你参考
作者: fobyellow 时间: 2022-3-17 22:14
free-fly-h3 发表于 2022-3-17 10:11
成品0.001的国产，进口水平仪基本不超过1.2~2千克（且大部分质量是底座质量），太重的话操作不便，自重也 ...
选择铁质材料的原因是可以实现磁屏蔽，也不算是屏蔽，其实是把磁力线尽量按照设计的导磁路径来做约束，这样可以减少外部磁场泄露到水平仪内部的强度，减小对水平仪的摆和lvdt线圈的影响。talyvel在做第一版的时候都卖了几百台了，才发现在用户那里并不都是无磁环境，所以迅速的改了第二版talyvel2，造型不变，专门针对有磁环境做了优化，我猜想最可能的做法就是把铸铝的外壳换成铸铁的。
我这个壳子之所以选择那么厚是很无奈的，要预留密封条的位置和螺丝的位置，初步准备做好之后对中间的一大截做减厚处理，处理完之后的整体重量大约是2.3kg，这个重量大约等于200-250的框式水平仪重量
作者: fobyellow 时间: 2022-3-17 22:17
free-fly-h3 发表于 2022-3-17 15:01
分度值为0.001mm/m的电子水平仪，国内的无论是纯数字电路还是模拟电路的，稳定性不好，漂移的厉害，拿到现 ...
电容式的那个阿基米德螺旋摆对我来讲简直就是天方夜谭，等我挑战完电感式的，我就去搞下cmos光电式的，这个东西基本上没有人搞，要是搞出来，优点还是很明显的
作者: fobyellow 时间: 2022-3-17 22:23
第二代原型机，目前重量高达3.3kg
(, 下载次数: 54)
作者: free-fly-h3 时间: 2022-3-18 00:23
把方管换成1mm铁板折弯焊接，两头焊上法兰研磨端面后攻丝（也可以填满石膏后用磨床磨端面）
作者: fobyellow 时间: 2022-3-18 10:46
您的点子多，我先做实验，回头发图纸给您，您给琢磨琢磨
作者: free-fly-h3 时间: 2022-3-19 00:00
论坛本就是志同道合的朋友相互学习玩耍的地方
电子方面还是要多向你请教学习
作者: fobyellow 时间: 2022-3-20 00:12
边做边改，进度比较慢，油封已经验证过了，发现了一个问题，那就是液体的线性膨胀率大约都在0.00x级别，也就是说如果要在-20～+50度的环境下工作的话，阻尼液的膨胀是必须考虑的。目前的想法是液体不充满了，留出1倍的膨胀空间为空气，这样最多也就2个大气压，不会由于超压漏油。这部分空间必须不得进入摆体空间内，所以要做成迷宫，并且设计一个毛细节流阀，只通过油，不通过气
(, 下载次数: 56)
(, 下载次数: 41)
(, 下载次数: 45)
(, 下载次数: 37)
(, 下载次数: 45)
作者: fobyellow 时间: 2022-3-20 21:23
薄铜片不好加工，一不小心就变形，下次再做一定找卖铜片的代加工。
这次我只能用我的西门子牌热处理炉将就下了
(, 下载次数: 48)
作者: fobyellow 时间: 2022-3-20 23:54
fobyellow 发表于 2022-3-20 21:23
薄铜片不好加工，一不小心就变形，下次再做一定找卖铜片的代加工。
这次我只能用我的西门子牌热处理炉将就 ...
虽然不漂亮，但是好用，使用两个平整的夹具把变形的簧片夹在中间，加热至330度，两小时后空冷，据说这是一个重结晶的过程，获得的铜片果然十分平整，只是天然气灶环境太差，我尝试使用704做密封剂，效果不好，出来的铜片任然氧化严重。
(, 下载次数: 31)
(, 下载次数: 37)
作者: fobyellow 时间: 2022-3-21 08:54
本帖最后由 fobyellow 于 2022-3-21 10:05 编辑
(, 下载次数: 43)
更新下设计图，利用线圈支架和外壳把整个摆的运动范围作了约束，减重之后大约1.8Kg，如果只有上下盖用铁，中间的筒体用铝合金，重量只有1.2kg。
外壳的材料热膨胀率大约是10，铝合金的线圈支架热膨胀率22，铜的摆锤热膨胀率19，好在LVDT对于径向的运动不敏感，所以虽然在130mm的尺度上会产生可观的尺寸变化，但是在最终的结果中并不会体现出来（假如左右的直角都可以做到垂直）。轴向上的热膨胀率减下来还有3，摆锤长度50mm，摆部分算下来的理论温漂值是0.65um/m/℃，不过这个值可以通过对称的双传感器布局进行消除。
余下的温度系数将会体现在动铁的温度-尺寸变化、动铁的温度-导磁率变化、线圈的温度-尺寸变化（固定点的位置考虑？？用电气零点来做三点支撑？？？）。因素较多，所以我在考虑内置一个PT100来做温度曲线的评估，只是做这个实验的条件太严格了，以我目前考虑的因素只能做一个假设线性的粗狂的两个端点的校正
作者: fobyellow 时间: 2022-3-21 10:17
free-fly-h3 发表于 2022-3-17 01:07
淘宝搜 不锈钢间隙片，不锈钢塞尺 目前好像有0.005厚度的，供你参考
曲高和寡啊，搬个凳子围观大 ...
这几个前哨的尺子是从成量的仓库搬出来的，最大的3米，我搬不动，最小的150，一大摞。那个年代还是zb-j的标准，从成量的自检结果来看，这个对应今天的00-000之间，只是我目前还没有条件检测。如果是真的可以达到那张标签的精度，目前的市场价怕是要接近5位数了
作者: free-fly-h3 时间: 2022-3-23 00:00
西德H+S模具垫片不锈钢精密调整垫片不锈钢垫片间隙片0.005-1.0mm，
目前只有0.005*12.7的
作者: free-fly-h3 时间: 2022-3-23 00:01
越大的越难得，也越贵，有渠道的话雇帮搬运工去全部搞出来，有搞头
作者: free-fly-h3 时间: 2022-3-23 00:04
我这里 有原来深圳做电池时的紫铜箔（0.007~0.011），可惜折痕比较多，那天有空翻翻看。
作者: free-fly-h3 时间: 2022-3-23 00:08
一般这种精密测量都是在恒温室完成（20℃），即使车间测量，考虑温度20±5顶天了。
何况一般都有个等温过程
作者: fobyellow 时间: 2022-3-29 10:53
您说的是对的，我的主要工作是产品设计类，我深知一切在实验室发生的事情在客户的现场都会发生，在实验室不会发生的事情在客户现场也会发生……我在读Talyvel原型机的发明人Richard E Reason（前期的泰勒水平仪、粗糙度仪、圆度仪都是这家伙总设计的）的文章的时候，他说我们做了一个指标更好的设备出来，就要让它变得好用，他的同事担心仅仅用5根直径0.08的铜丝来悬挂重量为82克的摆锤会很容易损坏，于是他就拿了5台机器出来，要求每天上班的时候同事都模拟现场的粗犷操作，像对待普通的水泡水平仪一样对待这个精密的电子水平仪，然后每天检查零位的漂移。当然最终我也吸收了他的很多想法，在不同的维度都对零位做了行程的限制。
零位的设计背后有很多基础知识，由于电子水平的显示原理和水平泡的不一样，其读数都是根据需要做了二次封装的，所以零点变成了一个藏在研发人员手头的概念。比如这里面的零位包括1、弹簧片的零位。2、LVDT铁芯的零位。3、电子部分的零位。当然每个部分的零位也都可以不管，反正最后都可以由最终的读数输出的时候做一个回零按钮进行清零。我目前只能搞定电子部分的零位（实际上的漂移和线性度都是在10ppm以内，影响不大）和LVDT的零位（这个影响巨大）。关于簧片的零位涉及到簧片的各种加工工艺以及加工误差的计算，我都不会。
之前我自己做的簧片问题很多，测试已经失败了，这个是我重新画的图
(, 下载次数: 31)
实际加工出来的东西还是不错的，我开了很多孔的原因有两个，一个是减小刚性，一个是利于阻尼液的流动，只是目前的图案是规律性的图案，不利于第一个目的的实现，原因是我多做了几条，剪短了有其他用途，毕竟打样的费用太贵。
(, 下载次数: 34)
第二台原型机我已经很满意了，虽然重，但是起码有顶了，不用罩罩子了。测试环境如下图，还是之前搭的测试环境，用35的线轨自己做的小角度检测仪，和下边的大理石构成3点接触，单点的位置用一个微分头和钢球来调整斜度，不用担心微分头的间隙，整个实验平台重量大约有15kg，其中有7.5kg都由微分头承担，所以自然消隙。也不用担心精度，目前只是粗侧，后边我会在两端都加上电感测微仪来做实际倾角的检测。
(, 下载次数: 29)
早上7点钟完成装配，添了阻尼液，还未消泡。目前只能看下短期稳定性，纵坐标是读数值，单位是um/M，横坐标是时间，单位是秒（一共记录了6分钟），可见3个小时过去了，等温依然还未达成，目前的读数还是直直的在变化，速度大约是0.27um/M每分钟。但是从读书的噪声来看，距离我的设计目标值只差一半了，目前在每秒钟1个读数的条件下，峰峰值噪声大约是0.2um/M，就快要达到0.1um/M了，长期的数值只能等温度平衡之后再来看了
(, 下载次数: 32)
作者: free-fly-h3 时间: 2022-3-29 23:59
用35的线轨自己做的小角度检测仪，
线规改成平尺（岩石的，铸铁的都可以）
校准时注意搬个小板凳做好，人的重心别随便移动，特别是读数时
作者: fobyellow 时间: 2022-4-7 13:06
一不留神，时间又过去了小半个月，这个实验还是很折腾人的，做一次修改，等温8小时，测量8小时，急不得
这期间反复遇到双向回零不准确的问题，差异大的时候超过100um/m，怀疑过磷铜簧片，又换回了不锈钢，结果依然。后来发现只要不把水平仪拿起来，只是放在大理石平台上在两个固定位置之间来回轻推（模拟两个方向的摆动），回零的误差竟然有明显的下降，慢慢推可以达到小于1um/m的回零误差。又花了一整天时间才想出可能的问题点，结果是我设计密封圈的压缩量有点大，氟胶偏硬，所以8颗螺丝并未可靠的把两个平面锁紧
。
截至目前为止，已经解决的问题有如下：
1、环境振动导致的单摆寄生震荡
2、读数噪声
3、双向回零
待验证的问题还有
1、温漂
2、物理调零的实现
3、设计一个合适的量程范围，并检测线性度指标，必要的话做非线性校正。
目前我卡在了一个问题上，现象是每次拆装之后，重新装回去总是会遇到缓慢的漂移，这明显不是温漂（36小时单向漂移了32um/m），我的车库在一楼，门并未打开，车库里和地下温度差异不大，我监控了环境温度的变化，大约是16-17度之间的规律变化，但是这个36小时的连续监测读数呈现的结果是连续的单向运动。看斜率还没有要停下来的意思
。
怀疑的点有：
1、难道是簧片在被缓慢的拉长？？？
2、读数部分不小心滴了一些白油进去，难道是影响了ADC部分的电路？？可是白油不导电啊
3、某个部位的螺丝任然没有锁紧
(, 下载次数: 27)
作者: fobyellow 时间: 2022-4-8 14:58
您要打算做的话，可以开始动手了，余下的问题点我一个人啃效率有点低了
作者: free-fly-h3 时间: 2022-4-12 13:48
电子方面比较欠缺
作者: fobyellow 时间: 2022-4-13 15:19
没关系，我提供套件就行
作者: free-fly-h3 时间: 2022-4-24 11:17
行，等高手你搞定了，私信我价格看看，能买得起（努力攒DIY资金中）的话我来一套
作者: fobyellow 时间: 2022-4-25 09:15
电子的东西免费，只是后面您在机械上的设计思路和试验结果也对我免费就行
作者: hsp2008 时间: 2022-4-25 22:45
用手机做如何（利用水平测试APP软件）？那就简单方便多了,灵敏度貌似也很高
作者: free-fly-h3 时间: 2022-4-26 00:13
作者: fobyellow 时间: 2022-4-27 09:24
商业化的小型MEMS传感器目前能给出的最好的指标是0.0002度，大约对应20um/M，体积大约有小拇指那么大，目前还放不到手机里面。能放进手机里的传感器目前指标还要差10倍的样子
作者: guangming 时间: 2022-4-28 23:32
fobyellow 发表于 2022-2-16 11:03
还有个很神奇的现象就是这个摆目前并不会静止下来，我使用10sps采样率的时候大约能看到频率是5Hz左右的振 ...
传感器密闭起来隔绝热气对流试试，是否还会振动。
作者: fobyellow 时间: 2022-5-6 10:17
这个震荡的原因我已经清楚了，在之前的设计立面，摆的柔性位置位于悬挂点，也就是摆长度方向的最高点、顶点，而阻尼的位置是底部，也就是摆长方向的最低点。这样在外部震动的条件下（来自于建筑物、汽车、地壳等等所有的振动）就会产生一个寄生震荡（这个是由整个摆体的传递函数决定的），解决的方法是两个，第一是在柔性点的位置做阻尼，第二是改变柔性区域的长度，更改传递函数，让他在10Hz以内的传递函数响应变低，这两者我都做了实验，是有效的
作者: guangming 时间: 2022-5-6 17:07
第一种方式对灵敏度影响是否比第二种大？两种都对它的自振周期有所改变。
作者: fobyellow 时间: 2022-5-6 17:18
在我的设计里面，第一种方法影响比较小，原因是我用的有效柔性摆长只有不到1mm，在这里做行之有效的阻尼是比较难的，我用了10万cs的阻尼液，效果还是明显的，受迫运动的幅度降低了70%的样子，副作用是阻尼液的形状不收敛，或者说收敛速度过慢，导致读数一直有缓慢漂移，整整漂了两天都没有要停下来的意思。第二种方案我走了极端，把105mm的长度全部换成了柔性的，并且做了全密封的腔体处理，腔体内充满低粘度阻尼液，最终出来的结果是大约16-17位不动，对应的绝对位置大约是0.03um的样子，如果做16个数每秒的均值，大约是0.02um
目前这两种方案都被我抛弃了，原因太复杂，一两句话说不清楚
作者: fobyellow 时间: 2022-5-6 17:22
国内的论坛响应者太少，已经移步到国外的论坛，此贴暂时不更新了，等我解决完所有的问题再另起一贴
作者: guangming 时间: 2022-5-6 23:13
某些怕氧化零件可以用真空炉加工就没问题了。水平仪整个设计精度要求高，对环境气压温度以及安放台基都应该有较高要求。可以连续观察一段时间，对应一下气压气温和一定级别的地震数据资料，对解释某些无法排解的异常很可能会有意外对应和发现。
作者: fobyellow 时间: 2022-5-7 09:57
谢谢您的指导！
业余条件没有真空炉，更不打算自己再造一个，目前我有两个方案做这个事，一个是油浴，一个是用干冰加一个铝的饭盒，然后用加热台来做加热（只需要280-320度的温度，加热方式和隔绝氧气的方法还是有一些便宜方案的），这样应该比我之前的方案要好。
您说的水平仪的设计方向是完全正确的，我原本以为秘密在微位移的测量，做了3台原型机之后才搞明白秘密是机械部分。有个德国佬为了给大家解惑，拆了手头的传感器，装回之后发现重复性就再也不能恢复了，无数的专家给他支招也没有什么实际的改善，最终不得不接受大约有5um/m的不确定度
关于安装位置，我是这样理解的，咱的目的并不是地震监测，所以在设计频响的时候可以完全不用考虑更高频率的响应，只需要照顾好1Hz以下的响应就行，如果安装位置有不可排除的振动，这个咱只能硬抗，机械的不行咱就上软件的，毕竟使用场景可能会有更严酷的振动源（只是绝大部分的振动源应该都是高频的周期性的）。周期性的干扰源最终都是可以过滤的，依照我以往的项目经验，逐点的非线性矫正和CNN推理直流分量都不是什么困难的事情了
关于地震或者其他因素的干扰，我的方案是学习马斯克，用多个水平仪做同时观察，然后做投票，这样就可以区分到底是个体的问题还是环境的影响。
关于长期观测，目前我做过的最长的观测时间是21天，的确发现了一些暂时不能理解的事情，在宏观和微观的尺度上，记录的数据都出现了类似于电子水平泡的“粘连”现象，具体点就是数据有断崖式的突变，目前这个实验还没有停止，所以我暂时还没有能有确定性的分析结果
作者: aband 时间: 2023-1-9 15:39
楼主国外论坛上个链接呀
作者: fobyellow 时间: 2023-1-10 12:16
https://www.practicalmachinist.com/
| 欢迎光临 5iMX.com 我爱模型 玩家论坛 ——专业遥控模型和无人机玩家论坛（玩模型就上我爱模型，创始于2003年） (http://wz.5imx.com/) |
Powered by Discuz! X3.3 |