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楼主: fobyellow
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学习制作一台电子水平仪

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发表于 2022-3-17 10:11 | 只看该作者
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 ...

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

欢迎继续阅读楼主其他信息

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发表于 2022-3-17 15:01 | 只看该作者
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
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 楼主| 发表于 2022-3-17 22:14 | 只看该作者
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
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 楼主| 发表于 2022-3-17 22:17 | 只看该作者
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
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 楼主| 发表于 2022-3-17 22:23 | 只看该作者
第二代原型机,目前重量高达3.3kg

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发表于 2022-3-18 00:23 | 只看该作者
fobyellow 发表于 2022-3-17 22:23
第二代原型机,目前重量高达3.3kg

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)
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 楼主| 发表于 2022-3-18 10:46 | 只看该作者
free-fly-h3 发表于 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)

您的点子多,我先做实验,回头发图纸给您,您给琢磨琢磨
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发表于 2022-3-19 00:00 | 只看该作者
fobyellow 发表于 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

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
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 楼主| 发表于 2022-3-20 00:12 | 只看该作者
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





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 楼主| 发表于 2022-3-20 21:23 | 只看该作者
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

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 楼主| 发表于 2022-3-20 23:54 | 只看该作者
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。


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 楼主| 发表于 2022-3-21 08:54 | 只看该作者
本帖最后由 fobyellow 于 2022-3-21 10:05 编辑

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
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 楼主| 发表于 2022-3-21 10:17 | 只看该作者
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
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发表于 2022-3-23 00:00 | 只看该作者
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 ...

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

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发表于 2022-3-23 00:01 | 只看该作者
fobyellow 发表于 2022-3-21 10:17
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 ...

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
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发表于 2022-3-23 00:04 | 只看该作者
free-fly-h3 发表于 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

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。
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发表于 2022-3-23 00:08 | 只看该作者
fobyellow 发表于 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 ...

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
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 楼主| 发表于 2022-3-29 10:53 | 只看该作者
free-fly-h3 发表于 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 ...

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

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。


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。

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



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发表于 2022-3-29 23:59 | 只看该作者
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
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 楼主| 发表于 2022-4-7 13:06 | 只看该作者
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

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