学习制作一台电子水平仪

fobyellow

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

fobyellow

aband 发表于 2023-1-9 15:39
楼主国外论坛上个链接呀

https://www.practicalmachinist.com/

aband

fobyellow 发表于 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

楼主国外论坛上个链接呀

fobyellow

guangming 发表于 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 ...

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

guangming

fobyellow 发表于 2022-3-20 23:54
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 ...

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。

fobyellow

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

fobyellow

guangming 发表于 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。

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

guangming

fobyellow 发表于 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 ...

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。

fobyellow

guangming 发表于 2022-4-28 23:32
传感器密闭起来隔绝热气对流试试，是否还会振动。

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

guangming

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。

fobyellow

hsp2008 发表于 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

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

free-fly-h3

fobyellow 发表于 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

                                          

hsp2008

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

fobyellow

free-fly-h3 发表于 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

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

free-fly-h3

fobyellow 发表于 2022-4-13 15:19
没关系，我提供套件就行

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

fobyellow

free-fly-h3 发表于 2022-4-12 13:48
电子方面比较欠缺

没关系，我提供套件就行

free-fly-h3

fobyellow 发表于 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

电子方面比较欠缺

fobyellow

free-fly-h3 发表于 2022-3-29 23:59
用35的线轨自己做的小角度检测仪，

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

fobyellow

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

free-fly-h3

fobyellow 发表于 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 ...

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