学习制作一台电子水平仪

fobyellow · 发表于 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

fobyellow · 发表于 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

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

fobyellow · 发表于 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

free-fly-h3 · 发表于 2021-11-22 00:34

fobyellow 发表于 2021-9-25 21:58
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 ...

朋友，搞什么样了？说说进展啊

fobyellow · 发表于 2022-2-16 10:52

free-fly-h3 发表于 2021-11-22 00:34
朋友，搞什么样了？说说进展啊

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

fobyellow · 发表于 2022-2-16 11:03

fobyellow 发表于 2022-2-16 10:52
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 ...

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。

free-fly-h3 · 发表于 2022-2-16 14:24

fobyellow 发表于 2022-2-16 10:52
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 ...

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

free-fly-h3 · 发表于 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

fobyellow · 发表于 2022-2-21 10:28

free-fly-h3 发表于 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

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

fobyellow · 发表于 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]

fobyellow · 发表于 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

fobyellow · 发表于 2022-2-23 14:16

本帖最后由 fobyellow 于 2022-2-23 14:21 编辑

fobyellow 发表于 2022-2-22 14:39
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 ...

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

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）

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

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

fobyellow · 发表于 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

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

fobyellow · 发表于 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。

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

fobyellow · 发表于 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

fobyellow · 发表于 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

fobyellow · 发表于 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

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

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。

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！！！！

fobyellow · 发表于 2022-3-16 09:54

fobyellow 发表于 2022-3-15 11:36
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
这个是上盖，中间的圆孔用于 ...

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

free-fly-h3 · 发表于 2022-3-17 01:07

fobyellow 发表于 2022-3-15 11:36
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
这个是上盖，中间的圆孔用于 ...

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

free-fly-h3 · 发表于 2022-3-17 01:09

fobyellow 发表于 2022-3-15 11:36
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
这个是上盖，中间的圆孔用于 ...

如需高精密机加工，我可以效劳，不管是配磨还是研磨

学习制作一台电子水平仪

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