一种相对误差恒定的水平仪的制作方法

1.本发明涉及水平仪设计技术领域，具体而言，涉及一种相对误差恒定的水平仪。


背景技术：

2.水平仪是一种小角度测量精密装置，广泛应用于机床安装、高精度试验仪器调平等领域，是重要的测量工具。水平仪通常由副水准管及高精度水准管组成，其精度受主水准管曲面的曲率半径控制，在水准管内装有液体，当水平仪发生倾斜时，水准管中的气泡会向水平仪升高的一端移动，从而确定水平面的位置。水准管内壁的曲率半径越大，分辨率就越高，曲率半径越小，分辨率就越低，因此水准管的曲率半径就决定了水平仪的精度。
3.传统的水平仪主要用于检测仪器、机床等基准是否水平，其水准管的曲面选用圆弧面，为达到秒级的角度精度，选取很大的曲率半径圆弧，测量范围(量程)很小。


技术实现要素：

4.本发明提供了一种相对误差恒定的水平仪，通过将主水准管设置有用于容纳液体的腔室，腔室的顶壁设置为曲面，曲面在预设平面上的投影为预设曲线，预设平面平行于主水准管的长度方向，预设曲线的方程如下：f(x)＝a-a
·ecx
。其能够解决测量范围(量程)和误差之间的矛盾，实现相对误差恒定的水平仪在较大角度测量中的应用。
5.本发明的实施例可以这样实现：
6.第一方面，本发明提供一种相对误差恒定的水平仪，包括：
7.底座；
8.主水准管，设置于底座，主水准管设置有用于容纳液体的腔室，腔室的顶壁为曲面，曲面在预设平面上的投影为预设曲线，预设平面平行于主水准管的长度方向，预设曲线的方程如下：
9.f(x)＝a-a
·ecx
10.其中，x为横坐标，f(x)为纵坐标，a、c为常数，e为自然常数。
11.在可选的实施方式中，主水准管通过第一螺纹件连接于底座，第一螺纹件用于校准主水准管。
12.在可选的实施方式中，底座开设有供第一螺纹件穿设的通孔。
13.在可选的实施方式中，主水准管沿底座长度方向设置。
14.在可选的实施方式中，相对误差恒定的水平仪还包括副水准管，设置于底座，用于测量时选取倾角的方向。
15.在可选的实施方式中，副水准管通过第二螺纹件连接于底座，第二螺纹件用于校准副水准管。
16.在可选的实施方式中，副水准管沿底座宽度方向设置，且与主水准管垂直。
17.在可选的实施方式中，相对误差恒定的水平仪还包括上盖，设置于底座，上盖为中空结构，与底座共同形成容纳主水准管及副水准管的空间。
18.在可选的实施方式中，上盖的顶部开设有观测窗，用于观测主水准管及副水准管的情况。
19.在可选的实施方式中，曲面上设置有刻度线。
20.本发明实施例的有益效果包括：
21.本相对误差恒定的水平仪包括底座和主水准管，主水准管设置于底座，主水准管设置有用于容纳液体的腔室，腔室的顶壁为曲面，曲面在预设平面上的投影为预设曲线，预设平面平行于主水准管的长度方向，预设曲线的方程如下：f(x)＝a-a
·ecx
。此种曲面的设置能够保证测量时相对误差恒定，适用于大角度测量，解决了测量范围(量程)和误差之间的矛盾。
附图说明
22.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
23.图1为本发明实施例中相对误差恒定的水平仪的结构示意图；
24.图2为本发明实施例中主水准管的结构示意图；
25.图3为本发明实施例中主水准管沿预设平面的剖视图。
26.图标：1-相对误差恒定的水平仪；10-预设平面；11-预设曲线；20-底座；30-主水准管；301-第一连接部；302-第二连接部；303-第三连接部；304-第四连接部；305-第五连接部；306-顶壁；40-副水准管；50-上盖；60-观测窗；1000-第一螺纹件；2000-第二螺纹件。
具体实施方式
27.水平仪是一种小角度测量精密装置，若要扩大测量范围(量程)，则选用较小的曲率半径圆弧，但这极大降低了小角度测量的角度分辨率，极大增加小角度测量时的相对误差和绝对误差。
28.本发明提出一种相对误差恒定的水平仪，解决了测量范围(量程)和误差之间的矛盾，减少测量时的相对误差，实现水平仪在较大角度测量中的应用。
29.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
30.因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
31.应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
32.在本发明的描述中，需要说明的是，若出现术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方
位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
33.此外，若出现术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
34.需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例中的特征可以相互结合。
35.请参考图1和图2，本实施例提供了一种相对误差恒定的水平仪1，包括底座20和主水准管30，主水准管30设置于底座20，主水准管30设置有用于容纳液体的腔室，腔室的顶壁306为曲面。本实施例中，底座20为相对误差恒定的水平仪1的承载部分，其上承载了相对误差恒定的水平仪1的各种零部件，主水准管30设置于底座20上，具体地，主水准管30通过第一螺纹件1000连接于底座20，第一螺纹件1000用于校准主水准30，主水准管30沿底座20长度方向设置，与底座20的上表面接触，底座20开设有供第一螺纹件1000穿设的通孔，主水准管30的两端分别开设有供第一螺纹件1000穿设的通孔，当第一螺纹件1000穿入通孔内时，能够使相对误差恒定的水平仪1定位于待测平面，且能够通过调节第一螺纹件1000实现相对误差恒定的水平仪1的校准。
36.图2为主水准管30的结构示意图，主水准管30包括第一连接件，第一连接件包括第一连接部301、第二连接部302、第三连接部303、第四连接部和第五连接部，第一连接部301通过第一螺纹件1000连接于底座20，第二连接部302和第三连接部303相对设置于第一连接部301的两侧，第四连接部304和第五连接部305相对设置于第一连接部301的两端，第一连接部301、第二连接部302、第三连接部303、第四连接部304、第五连接部305与顶壁306共同围成容纳液体的腔室。
37.本实施例中，主水准管30由第一连接部301、第二连接部302、第三连接部303、第四连接部304、第五连接部305和顶壁306围绕而成，第一连接部301为长方形结构，主水准管30上的螺纹孔开设于第一连接部301的两端，用于将主水准管30定位于底座20上，且具有校准主水准管30的功能。第二连接部302和第三连接部303沿第一连接部301长度方向相对设置，且均垂直于第一连接部301；第四连接部304和第五连接部305沿第一连接部301宽度方向相对设置，且均垂直于第一连接部301，第二连接部302、第三连接部303、第四连接部304和第五连接部305均设置于第一连接部301的上表面，另一端与顶壁306接触的部分为弧形边，设置与顶壁306的曲面相配合，以共同围成容纳液体的腔室。
38.曲面在预设平面10上的投影为预设曲线11，预设平面10平行于主水准管30的长度方向，腔室顶壁306的曲面根据实际需要设置，本实施例中，预设曲线11的方程如下：
39.f(x)＝a-a
·ecx
40.其中，x为横坐标，f(x)为纵坐标，a、c为常数，e为自然常数，c确定了相对误差的大小。
41.请参考图3，本实施例中，预设平面10为图3中标有“x，f(x)”的图样的平面，即沿着x方向和f(x)方向无线延伸的一个平面，该预设平面10平行于主水准管30的长度方向，曲面投影于该平面形成预设曲线11，预设曲线11设置为指数函数曲线，从而实现相对误差不变，具体的数学原理如下：
42.设主水准管30的腔室顶壁306的曲面方程为y＝f(x)，x为横坐标。则对应x处倾角
为f
′
(x)，角度的相对误差系数为f
″
(x)/f
′
(x)，要使相对误差不变，则相对误差系数应为常量，亦即满足如下方程：
43.f
″
(x)-cf
′
(x)＝0
44.该方程的解为f(x)＝a-a
·ecx
，于是，当腔室内的气泡中心位于x处时，所测角度值为θ＝|f
′
(x)|＝ace
cx
，将其标在相应x的刻度上，通过读取气泡中心的刻度即可知当前设备测得的倾角。系数a、c之积ac确定了主水准管30在x＝0时的设备分辨率，系数c确定了相对误差的大小。
45.经计算，曲面一个典型的参数是，取a＝0.00025，c＝0.04，则可实现零点分辨率为0.01mm/m，测量范围为0.01mm/m～1.2mm/m的相对误差恒定的水平仪1。其他实施例中，可通过调整系数a、c，实现测量范围、测量相对误差的改变。
46.采用此种负指数函数的方式设置曲面，能够保证测量时相对误差恒定，且在相对误差可以接受的情况下，能进行大角度测量。
47.主水准管30上根据指数函数设置有相应的刻度，具体地，曲面上设置有刻度线，能够通过刻度线读出倾角值。
48.本相对误差恒定的水平仪1还包括副水准管40，设置于底座20，用于测量时选取倾角的方向。副水准管40是常规的水准管，用于测量时选取最大倾角方向，副水准管40包括一个底面和四周的侧面，底面与侧面共同围成容纳液体的腔体，腔体内液体表面设置有气泡，实际操作时，观测气泡是否处于副水准管40的中间位置，进而判断测量时的倾角方向。
49.副水准管40通过第二螺纹件2000连接于底座20，第二螺纹件2000用于校准副水准管40，副水准管40的底面开设有供第二螺纹件2000穿设的通孔，通过第二螺纹件2000来校准副水准管40。
50.副水准管40沿底座20宽度方向设置，且与主水准管30垂直。副水准管40的尺寸相对于主水准管30小，本实施例中，副水准管40设置的方向与主水准管30垂直，且呈现一定的间隔，副水准管40上也设置有限值刻度线，用来观测相对误差恒定的水平仪1的倾角方向。
51.相对误差恒定的水平仪1还包括上盖50，设置于底座20，上盖50为中空结构，与底座20共同形成容纳主水准管30及副水准管40的空间。上盖50包括顶板、第一侧板、第二侧板、第三侧板和第四侧板，第一侧板的一端与第二侧板连接，第二侧板远离第一侧板的一端连接第三侧板，且第三侧板与第二侧板垂直，第一侧板与第二侧板垂直，第三侧板与第一侧板同方向设置于第二侧板，第三侧板远离第二侧板的一端连接第四侧板，且第四侧板的另一端连接第一侧板，顶板分别与第一侧板、第二侧板、第三侧板和第四侧板的上边缘相贴合，形成上盖50的基本结构，上盖50与底座20通过螺纹结构连接进而共同形成一个空间，用来放置主水准管30和副水准管40。
52.上盖50的顶部开设有观测窗60，用于观测主水准管30及副水准管40的情况。本实施例中，上盖50的顶板开设有两个观测窗60，分别为主观测窗60和副观测窗60，主观测窗60开设于主水准管30的上方，副观测窗60开设于副水准管40的上方，主观测窗60和副观测窗60的内壁均为弧形结构，且主观测窗60开设的大小与主水准管30的大小一致，副观测窗60开设的大小与副水准管40的大小一致。
53.本相对误差恒定的水平仪1的工作原理和过程是：
54.本相对误差恒定的水平仪1安装于需要调平的位置，或者进行变形监测，首先将主
水准管30、副水准管40分别由第一螺纹件1000和第二螺纹件2000固定在底座20上，盖上上盖50，观测主水准管30和副水准管40中的气泡位置变化，通过分别调节第一螺纹件1000和第二螺纹件2000来实现相对误差恒定的水平仪1的调平，即气泡处于主水准管30和副水准管40的中间位置，在规定位置安置好了相对误差恒定的水平仪1后，就能够通过观测窗60监测桥涵、渡槽等结构的变形及边坡、滑坡等地质灾害的倾斜度。
55.本相对误差恒定的水平仪1至少具有以下优点：
56.本相对误差恒定的水平仪1包括底座20和主水准管30，主水准管30设置于底座20，主水准管30设置有用于容纳液体的腔室，腔室的顶壁306为曲面。本相对误差恒定的水平仪1由于将主水准管30腔室的顶壁306设置为曲面，且曲面对应的曲线设置为指数函数，能够扩大测量范围(量程)，这种曲面能够保证测量时相对误差恒定，解决了测量范围(量程)和误差之间的矛盾，实现相对误差恒定的水平仪1在较大角度测量中的应用，且能够推广应用于桥涵、渡槽等结构的变形监测及边坡、滑坡等地质灾害的倾斜监测。
57.以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

技术特征：
1.一种相对误差恒定的水平仪，其特征在于，包括：底座；主水准管，设置于所述底座，所述主水准管设置有用于容纳液体的腔室，所述腔室的顶壁为曲面，所述曲面在预设平面上的投影为预设曲线，所述预设平面平行于所述主水准管的长度方向，所述预设曲线的方程如下：f(x)＝a-a
·
e
cx
其中，x为横坐标，f(x)为纵坐标，a、c为常数，e为自然常数。2.根据权利要求1所述的相对误差恒定的水平仪，其特征在于，所述主水准管通过第一螺纹件连接于底座，所述第一螺纹件用于校准所述主水准管。3.根据权利要求2所述的相对误差恒定的水平仪，其特征在于，所述底座开设有供所述第一螺纹件穿设的通孔。4.根据权利要求1所述的相对误差恒定的水平仪，其特征在于，所述主水准管沿所述底座长度方向设置。5.根据权利要求1所述的相对误差恒定的水平仪，其特征在于，所述相对误差恒定的水平仪还包括副水准管，设置于所述底座，用于测量时选取倾角的方向。6.根据权利要求5所述的相对误差恒定的水平仪，其特征在于，所述副水准管通过第二螺纹件连接于底座，所述第二螺纹件用于校准所述副水准管。7.根据权利要求6所述的相对误差恒定的水平仪，其特征在于，所述副水准管沿所述底座宽度方向设置，且与所述主水准管垂直。8.根据权利要求5所述的相对误差恒定的水平仪，其特征在于，所述相对误差恒定的水平仪还包括上盖，设置于所述底座，所述上盖为中空结构，与所述底座共同形成容纳所述主水准管及所述副水准管的空间。9.根据权利要求8所述的相对误差恒定的水平仪，其特征在于，所述上盖的顶部开设有观测窗，用于观测所述主水准管及所述副水准管的情况。10.根据权利要求1所述的相对误差恒定的水平仪，其特征在于，所述曲面上设置有刻度线。

技术总结
本发明提供了一种相对误差恒定的水平仪，涉及水平仪设计技术领域。本相对误差恒定的水平仪包括底座和主水准管，主水准管设置于底座，主水准管设置有用于容纳液体的腔室，腔室的顶壁为曲面，曲面在预设平面上的投影为预设曲线，预设平面平行于主水准管的长度方向，预设曲线的方程如下：f(x)＝a-a


技术研发人员：王安礼 冯楚桥 袁维 徐江 向国兴 万宁
受保护的技术使用者：贵州省水利水电勘测设计研究院有限公司
技术研发日：2022.01.06
技术公布日：2022/3/8