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1、3新型二维水平传感器余和五(南京师范大学物理科学与技术学院南京210097)摘要提出一种新型高精度二维水平传感器,其输出为直流毫伏信号,测量灵敏度为015mVParcsec,检测范围为±200arcsec,精度达1arcsec,时间响应为1s.该传感器可直接与自动测量系统连接,也可接二次仪表成为水平仪.关键词二维水平传感器,弹性簧片,扭转角度ANEWTYPEOFTWO2DIMENSIONALHORIZONTALSENSORYUHe2Wu(CollegeofPhysicalScienceandTechnology,NanjingNormalUniversity,Nanjing210097,Ch
2、ina)AbstractAnewtypeofhigh2precisionsensortwo2dimensionalhorizentalsensorisdescribedwhichgivesaDCmVoutputsignal.Themeasurementsensitivityis015mVParcsecoverarangeof±200arcsec.Theaccuracyis1arc2secandtheresponsetime1second.Thissensorcanbedirectlyconnectedtoanauto2detectsystem,ortoasecondarymetertofor
3、mahorizontalmeter.Keywordstwo2dimensionhorizontalsensor,elasticreed,rotationangle1引言水平传感器是一种重要的测量用传感器件,利用这种传感器制作的水平仪广泛地应用于工程、建筑以及实验室中.目前常用水平仪有液面式、电阻式、电感式、应变式、悬挂式等等.其中最常用的是水泡型的水平仪.水泡型的水平传感器又分为两类:一类是测量一维水平误差的长水泡,其测量精度最高可达2arcsec;另一类是测量二维水平面的圆水泡,其测量精度一般为30′.圆水泡不能实现高精度二维水平测量;而长水泡精度高,体积大,做二维测量时需要相互垂直的两个
4、,占用体积更大,且无法与智能图1弹性簧片结构化的自动测量系统直接连接起来工作.其他几种水平传感器也有类似的种种缺点,不能满足现代测量簧片支撑,悬挂在弹性簧片的下方,且与簧片刚性连仪器的需要,尤其是大地测量仪器对体积小的高精接.因此,弹性簧片应具有二维自由度.考虑到上述度二维水平传感器的要求.本文提出的新型水平传因素,我们将弹性簧片的结构设计成十字型簧片形感器,采用十字型簧片作为敏感元件,对于紧固其下状(见图1),该十字型簧片具有二维自由度.的平衡板受到的重力方向变化,具有很高的灵敏度,弹性簧片中心圆孔与平衡板刚性连接(见图造成平衡板偏离水平面的倾斜.通过对于平衡板倾1),簧片通过外圈4个圆孔
5、固定在水平传感器壳体斜造成的微小电容变化的精确测量,从而实现二维上.当被测平面发生倾斜时,放置在该平面上的水平水平倾角的精确测量.传感器以同样的角度γ发生倾斜.平衡板由于重力2水平传感器的基本原理3江苏省自然科学基金(批准号:BJ95111)资助项目要使传感器能进行二维水平度的测量,反映水2001-04-09收到初稿,2001-04-26修回平度的平衡板必须具有二维自由度.平衡板由弹性31卷(2002年)2期·101·©1994-2010ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreserved.http://www.cnk
6、i.net的作用,支持它的弹性簧片筋条发生扭转,使水平平剪切弹性模量;θ为杆件的单位扭转角(radPm);衡板与水平传感器底座之间产生一扭角α(见图2),(2n+1)πkn=.该扭转角α的方向与被测平面倾斜角γ的方向相a(1)式中大括号内几何量仅与矩形截面尺寸有同,其大小与γ成正比例.由于平衡板表面有4个圆形电极,与测量电路组成相互垂直的两组电容-位关,以符号It表示,It称为扭转惯性矩,则(1)式可移传感器.通过高精度的电容测量,可测出x轴与y改写成:轴两相互垂直方向的水平角度的变化.因任意方向Mtθ=,(2)G·It上水平角度变化总可以分解为绕x轴和y轴的角度变化,从而实现二维水平倾角的
7、测量.其中3∞ab961384It=61+π4∑(24-5·n=0n+1)π∞ath(kn·bP2)3∑5=Cab,(3)bn=0(2n+5)式中C仅与a、b的比值有关,其大小在2125—513之间.当杆长为l时,可得杆的扭转角度:Mtlα=3.(4)G·Cab在水平传感器中(图2),力矩Mt由平衡板产生.如图2水平传感器原理图果水平平衡板的中心柱轴线与垂直线的夹角为β,1弹性簧片;2垂直线;3平衡板;4壳体
