学习制作一台电子水平仪

fobyellow · 发表于 2021-9-23 13:41

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

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。

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）。

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。

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。

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。

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

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。

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。

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

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。

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

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

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。

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

电磁弹射 · 发表于 2021-9-23 14:11

楼主下了一番功夫！

xuelin15 · 发表于 2021-9-23 19:23

TDDSD · 发表于 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

qinhfm · 发表于 2021-9-24 08:08

精神可嘉

fobyellow · 发表于 2021-9-24 09:14

TDDSD 发表于 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。
...

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

TDDSD · 发表于 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。

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

free-fly-h3 · 发表于 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

fobyellow · 发表于 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

兴润 · 发表于 2021-9-26 08:30

fobyellow · 发表于 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

free-fly-h3 · 发表于 2021-9-28 00:56

本帖最后由 free-fly-h3 于 2021-9-30 11:29 编辑

fobyellow 发表于 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 ...

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

free-fly-h3 · 发表于 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

fobyellow · 发表于 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。

fobyellow · 发表于 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

fobyellow · 发表于 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

fobyellow · 发表于 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

fobyellow · 发表于 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

fobyellow · 发表于 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

倒的不多，估计有30ml的样子

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

学习制作一台电子水平仪

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