基于水銀開(kāi)關(guān)的兩維水平調(diào)節(jié)指示儀的研制

宋連鵬，周 麗，艾娉婷

(海軍大連艦艇學(xué)院 基礎(chǔ)部，遼寧 大連 116018)

水平儀是用來(lái)對(duì)某一平面或基準(zhǔn)進(jìn)行水平測(cè)量的工具，在機(jī)械加工和工程建設(shè)等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。水平儀在各類實(shí)驗(yàn)中也發(fā)揮著至關(guān)重要的作用[1]，如大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中的密立根油滴實(shí)驗(yàn)等，而學(xué)生在使用水平儀進(jìn)行水平調(diào)整時(shí)往往不能很好的調(diào)平，或是由于不知道該調(diào)哪一個(gè)旋鈕，或是由于不知道該調(diào)高還是調(diào)低，水平調(diào)節(jié)指示儀很好地解決了這個(gè)問(wèn)題。

1 水平調(diào)節(jié)指示儀的設(shè)計(jì)制作

1.1 電路的設(shè)計(jì)

水銀開(kāi)關(guān)，亦稱傾側(cè)開(kāi)關(guān)，是以一連接電極的容器存儲(chǔ)水銀來(lái)實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)的閉合，他是電路開(kāi)關(guān)的一種，容器中多為真空或注入惰性氣體[2-4]，如圖1所示。

圖1 水銀開(kāi)關(guān)

由于水銀的表面張力較大且富于流動(dòng)性，在容器傾斜時(shí)，水銀在重力作用下會(huì)向較低地勢(shì)流去，如果水銀同時(shí)接觸到兩個(gè)電極，由于水銀良好的導(dǎo)電性，就會(huì)閉合電路。

考慮到水平調(diào)節(jié)通常都是由三個(gè)調(diào)節(jié)旋鈕控制的，水平調(diào)節(jié)指示儀設(shè)計(jì)了三個(gè)支路，如圖2所示，每個(gè)支路包括用于指示的LED燈泡一個(gè)、用于檢測(cè)水平的水銀開(kāi)關(guān)一個(gè)和限流電阻一個(gè)，另加一個(gè)直流電壓源。每個(gè)水銀開(kāi)關(guān)對(duì)應(yīng)一個(gè)水平調(diào)節(jié)旋鈕，當(dāng)指示儀置于傾斜的平臺(tái)時(shí)，水銀球會(huì)運(yùn)動(dòng)到容器的一端，若水銀接通兩個(gè)電極形成閉合電路，LED燈發(fā)光，可以根據(jù)三個(gè)LED的發(fā)光情況來(lái)判斷平臺(tái)的傾斜情況。

圖2 水平調(diào)節(jié)指示儀電路圖

2.2 指示儀的制作

制備6 cm×10 cm的PCB萬(wàn)用板一塊，在萬(wàn)用板的中間成“Y”形插入24歐姆的電阻三個(gè)，在電阻外側(cè)，再相互成等角度插入水銀開(kāi)關(guān)各一個(gè)，水銀開(kāi)關(guān)的旁側(cè)分別插入LED燈，按照如圖2的電路進(jìn)行焊接。最后將兩節(jié)5號(hào)電池裝入電池盒，構(gòu)成一個(gè)5 V電源，正負(fù)極分別接入三個(gè)LED燈和三個(gè)電阻各自的公共端，水平調(diào)節(jié)指示儀制作完成。

2 水平調(diào)節(jié)指示儀的使用

2.1 指示儀的放置

利用三線擺的擺盤(pán)模擬需要調(diào)節(jié)的平臺(tái)，每根擺線對(duì)應(yīng)一個(gè)調(diào)節(jié)旋鈕，將三個(gè)水銀開(kāi)關(guān)呈“Y”形排列，分別正對(duì)三根擺線如圖3所示，同時(shí)在擺盤(pán)上放置水平儀，打開(kāi)電源開(kāi)關(guān)，若三個(gè)LED燈都不亮，說(shuō)明平臺(tái)水平無(wú)須調(diào)節(jié)，可以看到此時(shí)水平儀氣泡正好位于中心。

圖3 水平調(diào)節(jié)指示儀放置

2.2 指示儀的使用

若其中一個(gè)LED燈1亮，另外兩個(gè)LED燈2和燈3不亮，如圖4(a)所示，可見(jiàn)與燈1串聯(lián)的水銀開(kāi)關(guān)中的水銀運(yùn)動(dòng)到了容器有電極的一端，說(shuō)明燈1所對(duì)擺線處偏高，需要適當(dāng)調(diào)低些，同時(shí)可見(jiàn)水平儀的氣泡偏向了燈1所對(duì)的擺線一側(cè)也說(shuō)明了燈1所對(duì)擺線處偏高；若有兩個(gè)LED燈2和燈3亮，另外一個(gè)LED燈1不亮，如圖4(b)所示，可見(jiàn)與燈1串聯(lián)的水銀開(kāi)關(guān)中的水銀運(yùn)動(dòng)到了容器沒(méi)有電極的一端，說(shuō)明燈1所對(duì)的擺線處偏低，需要適當(dāng)調(diào)高些，同時(shí)可見(jiàn)水平儀的氣泡遠(yuǎn)離燈1所對(duì)的擺線一側(cè)也說(shuō)明了燈1所對(duì)擺線處偏低。

(a)

因此可以得出水平調(diào)節(jié)指示儀的使用法則：調(diào)異不調(diào)同；燈亮向低調(diào)，燈滅向高調(diào)。即調(diào)節(jié)與其他兩個(gè)亮滅情況不同，即單獨(dú)點(diǎn)亮或單獨(dú)熄滅那支LED燈所對(duì)應(yīng)的調(diào)節(jié)旋鈕，且若燈點(diǎn)亮，要通過(guò)旋鈕調(diào)節(jié)使平臺(tái)降低，若燈熄滅，要通過(guò)旋鈕調(diào)節(jié)使平臺(tái)升高，當(dāng)三個(gè)LED燈都不亮的時(shí)候，則說(shuō)明平臺(tái)已經(jīng)處于水平狀態(tài)無(wú)須調(diào)節(jié)。水平調(diào)節(jié)指示儀指明了該調(diào)哪一個(gè)旋鈕，并且指出該如何調(diào)節(jié)旋鈕，因此可以幫助學(xué)生更好的學(xué)習(xí)掌握水平調(diào)節(jié)的方法。

4 結(jié) 語(yǔ)

水平調(diào)節(jié)指示儀反應(yīng)迅速、方便快捷，能夠快速對(duì)平臺(tái)的傾斜情況做出指示，并且可以為下一步的調(diào)節(jié)做出準(zhǔn)確的提示?；诔杀竞途S護(hù)考慮采用了水銀開(kāi)關(guān)，水平調(diào)節(jié)指示儀顯示的精度和靈敏度可以滿足正常使用[5]，并且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便于制作，非常適合在各高校實(shí)驗(yàn)室中制作使用。水平調(diào)節(jié)指示儀同時(shí)具有非常好拓展性能，若配置相應(yīng)的邏輯電路和驅(qū)動(dòng)電機(jī)還可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)平功能。