2024年2月20日发(作者：)
顾耀宗／上海市计量测试技术研究院第九讲水平仪水平仪是机械制造业以及长度计量中常用的量具之一。普通水平仪主要用于机床、设备在水平、垂直位置安装时的调整。高精度水平仪用于测量机床、设备、仪器工作面或圆柱轴线相对于水平面的倾斜角度，也可用于测量机床、仪器导轨、平板、平尺工作面的直线度和平面度。常用的水平仪有条式、框式水平仪和合象水平仪以及电子水平仪。一、水平仪的结构和工作原理１．框式水平仪和条式水平仪框式水平仪（见图１）和条式水平仪（图２）是利用液面水平的自然原理，以水准器作为测量和读数元件的一种水平仪。在水平仪上通常装有纵向水准器和横向水准器。纵向水准器即主水准泡，准确度要求高，用于测量：横向水准器即副水准泡，准确度稍低，主要用于测量时的调整。绝热手柄主水准泡副水准泡调整机构盖板图１框式水平仪盖板绝热手柄圈２条式水平仪水准器是内壁制成一定曲率半径的密封玻璃管，其结构如图３所示。管内装乙醚（或酒精），并留有很小的空隙，形成气泡。在管的外壁垂直曲率半径方向刻有刻度。水准器的工作原理是当水平仪位子水平位置时，气泡位于中央两刻线之间，即曲率半径的最高处。若不在水平位置，气泡则向高的方向移动，倾斜角的大小可从玻璃管上的刻线读出。万 方数据图３水准器的结构水准器的分度值取决于水准器玻璃管的曲率半径，如图４所示，当水平仪位于水平位置时，即气泡处于水准器的中间，水平线为ＯＯ。若水准器倾斜，气泡偏离水准器中间位置时，弦线倾斜到位置Ｄ。Ｄ。，设水准器的倾斜角为Ｔ，气泡与水准器中间位置的偏移量为ｅ，［１ｉｅ为水准器的刻线间距，则倾斜角ｔ、刻线间距ｅ与水准器玻璃管的曲率半径尺之间关系：Ｔ：导ｐ。２百ｐ（１）Ｌ１Ｊ式中：Ｐ＝２０６２６５。Ｉ～＼１翁一｜～，置譬耳警＞ｇ“‘．－．三孑‘弋．习｜．｜圈４水准器倾斜角与曲翠半径的关系当ｅ＝２ｍｍ，Ｔ＝２”时，可由上式求得水准器玻璃管的曲率半径只。尺；—＿ｅ（２）‘ｐ：—２×２０－６２６５：２０６２６５ｍｍＺ由此可见不同分度值所对应的水准器玻璃管的曲率半径Ｒ的数值不同。水平仪的刻度值是指气泡移动一格刻度时，水平仪所需倾斜角的大小。由于水平仪的使用倾斜角ｔ很小，所以谵Ｔ≈．ｒ。因此，水平仪又可用斜率（培Ｔ）表示。常用的框式水平仪和条式水平仪的刻度值为０．０２ｍｍ／ｍ、０．０５ｍｍ／ｍ和０．１０ｍｍ／ｍ。２．合象水平仪国内统一刊号ｃｉ，４３１．］４７Ａ／Ｉ＂Ｂ５３
合象水平仪也是利用液面水平的自然原理，以测微螺旋副相对基座测量面调整水准器气泡，并由光学合象原理使水准器气泡居中后读数的水平仪。合象水平仪的外形如图５图５合象水平仪的外形ｌ一观察窗２一微动螺丝钮３－－分度盘４一主水准器５一壳体６－－ｍｍ／ｍ￥１Ｊ线７－－底工作面８一ｖ形工作面合象水平仪有两套读数系统：从窗口ｍｍ／ｍ刻线６上读毫米整数，在分度盘３上读毫米小数。合象水平仪的合像过程如图６所示。将合象水平仪的底工作面放在被测量面上，如果被测量面不是绝对的水平面，则合象水平仪气泡的两个像就合不到一起（见图６．６），不能进行读数。这时就需旋转微动螺丝钮６（见图６．口），在旋钮转动过程中气泡的两个像就会互相错动，互相接近。当旋钮转到一定位置时，两个像就合成为一个半圆像（见图６．ｃ）。待两个像合成为一个半圆像且稳定后，即可在分度盘上读取该测量位置的数值。合象水平仪的合像过程是水准器气泡的移动过程，而旋钮的作用是将弧形玻璃管调到水平位置，使气泡处于玻璃管的中央位置，其调整量从分度盘上读出，气泡合像仅起到指示作用，读数在分度盘上进行。分度盘上读得毫米小数，从窗口和ｍｍ／ｍ翔Ｊ线上读毫米整数值，将上述两个读数相加，即得到该测量位置的测量结果。８④④【ａ）（ｂ）【ｃ）图６合象水平仪的结构原理ｌ一主水准器活动端２一主水准器３一合像棱镜４一观察窗５一主水准器固定端６一微动螺丝钮７一测微螺杆８－－ｍｍ／ｍ刻线９一杠杆架常用的合象水平仪的分度值为０．０１ｍｍ／ｍ；测量范围为（０～１０）ｍｍ／ｍ或（０～２０）ｍｍ／ｍ。３．电子水平仪电子水平仪是利用液面水平或铅垂的自然原理将微小角位移由传感器转换成电信号，经放大后，由显示器或指示器显示或指示的水平仪。电子水平仪按其指示形式分为指针式电子水平仪（图７）和数显式电子水平仪（图８）。图７．ａ为只有一个工作面的指针式电子水平仪，图７．ｂ为有两个相互垂直工作面的指针式电子水平仪。５４万 方数据ｍ内Ｅ－－ＣｌｑＯ～１３１．１４２４／ＴＢ兽画６一匿鱼４攀液体医道ＲＩ白母彳∥
一系列处理后，变成指示器的指示。从指示值得知电子水平仪工作面相对于水平面倾斜角的大小。（３）惯性盘式电子水平仪图９．Ｃ是利用惯性盘作为电子水平仪传感元件的示意图。惯性盘的作用和工作过程与摆锤相似。惯性盘３与两侧的固定电极２、４构成一个密封的空气阻尼差值电容器。当电子水平仪工作面处于水平面时，惯性盘位于两个固定电极的中间，两个电极处于平衡状态，它们的电容值相等，电信号输出为零。当电子水平仪工作面相对于水平面产生倾斜时，在重力的作用下，惯性盘仍处于铅垂位置，两个电极随电子水平仪主体一起发生倾斜，造成两个电极的电容值不相等，有电信号输出。该信号经过电子系统一系列处理后，变成指示器的指示。从指示值得知电子水平仪工作面相对于水平面倾斜角的大小。常用的电子水平仪的分度值南：０．００１ｍｍ／ｍ、０．００５ｍｍ／ｍ和０．０１ｍｍ／ｍ；测量范围为±２０”或±４０”。二、水平仪主要项目的检查和校准方法１．零位误差有经验的使用者在使用水平仪之前，会先检查水平仪的零位误差。如图１０所示，将水平仪放在平板上，紧靠定位块，待气泡稳定后在气泡的一端读数ａ。；然后将水平仪调转１８０。，准确地放在原位置，按照第一次读数的一边记下气泡另一端的读数圈１０水平仪零位误差的检查口，，两次读数差的一半即为零位误差。２．分度值误差和示值误差水平仪标称分度值与实际平均分度值之差称为分度值误差。水平仪的显示值或指示值与标准值之差称为水平仪的示值误差。对于框式水平仪和条式水平仪只需校准其分度值误差；对于合象水平仪和电子水平仪应校准其示值误差。（１）分度值误差的校准框式和条式水平仪分度值误差校准时采用水平仪检定器作为计量标准器具，如图１１所示。调整水平仪检定器，使被校水平仪的气泡对准水准泡左边（或右边）的起始线，同时使水平仪检定器的示值位于某一整数值。然后依次改变水平仪检定器的示值，每次改变量为被检水平仪的标称分度值，待气泡稳定后，在气泡的～端进行读数，取其两次读数的平均值，分别测得嘞，口。，口２…，％。以同样的方法检定水准泡的另一边。为了消除水平仪检定器螺杆的空程影响，微动手轮时应按同一方向旋转。万 方数据田１１水平仪检定器校准水平仪分度值误差水平仪的实测平均分度值７－（ｍｍ／ｍ）可根据水平仪检定器的示值变化量与水平仪气泡的实测位移量按下式计算：一（１玩－６０Ｉ左＋Ｉ６。一６０ｆ右）．ｅ，＇、（１ｎ－口ｏ）左＋（口Ｒ－－口ｏ）右式中：Ｉｂ．－ｂｏＩ——水平仪检定器的示值变化量，格；瓴．ａ。卜一水平仪气泡的实测位移量，格；ｅ——水平仪检定器的分度值，ｍｍ／ｍ。水平仪如果标称分度值与实测平均分度值之差的绝对值超过标称分度值的１０％，而气泡的位移量呈线性变化时，可重新确定它的分度值，并按新的分度值使用。（２）示值误差的校准合象水平仪和电子水平仪的示值误差校准时采用小角度检查仪与量块（根据水平仪的分度值选择３等或４等）作为标准器具，如图１２。图１２水平仪示值误差的校准１一被校水平仪２一平工作台３一ｖ形架４一指示计５一球面测帽６一量块７一筋形台面８一调整螺丝９一基座１０－－水准器校准时，在小角度检查仪两端的分度值为１ｕｍ的指示计（根据水平仪的分度值选择测微计或光学计）下，各放置一块尺寸为ｌｍｍ量块，将指示计的示值调整至零或邻近的某一整数上，然后根据水平仪的校准位置，在一指示计的测头下，依次放置相应尺寸的量块，借助小角度检查仪的调整螺丝使水平仪调至水平，并在水平仪上读取示值。查仪与量块组成的标准角度为ｏ＝詈ｍｉｉｌ／ｍ；如果如果被校水平仪的分度值用ｍｍ／ｍ表示，小角度检分度值用秒表示，则０：罢×２０６２６５，ｏ式中：厶：校准ｉ间隔使用的量块尺寸简五）：Ｌ。：起始位置使用的量块尺寸（删：１１）。水平仪校准间隔处的示值误差为：△Ｉ＝ｄ一０。式中：Ｑ为水平仪被校间隔啦置读数与起始位置读数之差。国内统一刊母ＣＮ３１．１４“／＇ｒＢ５５
长度计量基础知识讲座(九)作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：顾耀宗上海市计量测试技术研究院上海计量测试SHANGHAI MEASUREMENT AND TESTING2008,35(2)
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