Nivel 20 精密倾角计
qiuzheru12023/03/06拆机鉴赏 IP:瑞士

最近搞到一个Kern Swiss Nivel 20双轴倾角计,这是一个测绘用的传感器,内置一个液体水平面,通过光束反射和一个四象限光电探测器来读出液面倾角。这个型号的换代产品是Leica Nivel 210/220,探测原理一样,只是用CCD来进行光点位置读出。技术指标基本一致,但是测量范围扩大了两倍。价格应该在$3000以上。

N20workingprinciple.png


为了确定引脚定义,拆开查看。结果发现引脚定义与github上可以找到资料的后继型号200系列完全一致,白白破坏了防水密封。。。

IMG20230221213132.jpg

两张PCB堆叠,由一个接口板互联。

IMG20230221213150.jpg

接口板,同时有RS232和RS485的转换芯片, 两个pinout完全相同的LEMO接口(mating: FGG.0B.305)附在一块小板上。

IMG20230221213519.jpg

数字板,古代MCU和12 bits ADC中可以看出时代的印记

IMG20230221213137.jpg

模拟板,左上角的插针是用于与光电组件相连的, PD的信号放大应该用的是这个古代LS404CD,旁边有一个LM35用于温度补偿。

IMG20230221213958.jpg IMG20230221214041.jpg

光学组件就不敢拆了,从网络上找到一张内部图,供参考

Nivel_20_Teile.jpg


这个传感器基本上代表了state-of-the-art的分辨率与稳定性指标,可以分辨到1 um/m = 1 urad = 0.2 arcsec, 零点稳定性指标值< 5 urad/˚C,并且没有长期稳定性问题,好于大多数servo inclinometer或者MEMS inclinometer。 不足之处在于测量带宽以及量程(动态范围),其量程只有1.5 mrad,在现在居住的公寓楼里地板上几乎处处超量程,测试稳定性的时候需要费不少功夫垫平。作为参考,近期在垃圾场废铝区捡到的Sensorex 41210 servo inclinometer量程宽达至少5.75 degree,0.01%FS/˚C= 10 urad/˚C的指标也很优秀,但是2000ppm的零点年稳定性对应了200 urad,长期漂移可能会是个问题。其中原因也好理解,为了实现宽量程,Sensorex传感器内部的sensing mass需要有电磁作动器来维持在光学读出传感器的光束范围内,而这部分电子学较难实现高零点稳定性 (相似原理的电子天平上不放测物的时候相当于随时都在校零,但对于倾角计这就不可能了)。

读出软件可以奇迹一般的在网上找到,虽然如果发邮件去问这个瑞士公司可能也会愿意提供。Windows的兼容性真伟大,23年前的binary只需要设置一下兼容性配置就能在Windows 11上完美运行,考虑到现在消费电子产品的换代速度这简直是个奇迹。

接下来进行一些测评。首先是稳定性与噪声。 SX41200的模拟输出经过了40 Hz cutoff的简单RC滤波。

agreewithSX41200.png

这是放在公寓地板上记录大半天的结果,可见有一轴在缓慢但稳定的漂移,而另一轴相对更noisy一点。与另一个传感器对照,可见这个漂移是真实的,可能与建筑材料的热膨胀有关系,更长时间的记录显示出这个漂移以一天为周期。另一轴间的噪声其实是因为我在房间中活动,造成了楼板的微小形变。

下图中的event就是我从记录中的探测器旁走过时留下的信号。

walkpast16avg.png

因为楼板的不稳定性,长时间稳定性是没法测的,对于较短时间尺度上的稳定性,可以用Allan variance来表征

adev.png

看上去与捡来的SX41210差别不大,在10 s到100 s积分时间左右能接近0.1 urad RMS噪声,SX41210可能还稍好一点。

用Welch method算一下噪声谱密度,其中有一些峰可能来源于居民活动或者风。SX41210在3 Hz的噪声峰猜测是内部振子的本征频率。*这里因为(在不使用陀螺仪的情况下)测量倾角其实等价于测量垂直重力平面上的加速度,所以单位就写成ug了。

noisedensity.png

我并没有想到什么很好的表征带宽的方式,就用个土办法来测阶跃响应,找来两片报废的7 inch fuse silica板(猜猜做什么用的),一侧对齐,另一侧夹个piezo speaker,然后通过piezo amplifier给一个100V的冲击,可见夹有piezo的那一侧有一个6 um左右的阶跃,对应着几十urad的角度变化。


VID20230226235315.mp4 点击下载

然后从采集的数据来看,小信号rise time在0.5 s量级。因为流体的粘性,表面张力等等原因,这个sensor的响应应该是非线性的,rise time数值很可能随阶跃的大小变化,仅供参考。

nivelpulseresponse.png

SX41210的响应快很多,甚至加10 Hz的调制都还有显著的响应,可能一定程度上受RC filter和piezo限制,就不放结果了。


来自:仪器与装备 / 拆机鉴赏
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~~空空如也
RodTech
1年3个月前 IP:英国
917708

有意思,不过一个不怎么好玩,要是两个一套就可以做差分应用,检测大理石平板平不平,车床导轨直不直之类

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qiuzheru1作者
1年3个月前 IP:瑞士
917955

重新用手动扫频的方式测试了频率响应

Nivel20-freqres-1.png

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量子隧道
1年3个月前 IP:广东
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XXXXXXXXXXXXXXXXXXX/XXXXXXXXp?mod=viewthread&tid=1574645&highlight=%CB%AE%C6%BD%D2%C7

XXXXXXXXXXXXXXXXXXX/XXXXXXXXp?mod=viewthread&tid=1581377&extra=page%3D6

和这玩意是啥关系?

话说PCB上那种圆柱形元件,当年做这个的贴片时是如何吸取和防滚的?

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qiuzheru1作者
1年3个月前 修改于 1年3个月前 IP:瑞士
917984
引用量子隧道发表于3楼的内容
XXXXXXXXXXXXXXXXXXX/XXXXXXXXp?mod=viewthread&tid=1...

尝试DIY这个的人应该挺多的,sensing mass, 读出原理各不相同。读了一下您推荐的第一个帖子,看上去水平比较高,挺佩服。

他们说的摆锤传感器的产品我也见过,差点还在垃圾场捡来一个(NivelTronic), 可惜当时嫌太重(>4kg)没提回去,晚些时候带包来就发现手慢无了。

eevblog上也有国外网友尝试做电容读出的液泡传感器 XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX/forum/projects/suggestions-for-high-resolution-tiltmeter-(inclinometer)-sensor/275/ ,电容读出的分辨率是足够了,但可能受液泡在玻璃表面的粘滞限制,效果一般。


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RodTech
1年3个月前 IP:英国
917985

可惜楼主不折腾小车床,不然弄两个这东西就可以搞出钻石车级别的家用机了。

我在用自己做的autocollimator,勉强能代替wyler的差分套装,就是慢了很多。。

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qiuzheru1作者
1年3个月前 IP:瑞士
918305

还是用piezo speaker那套简易装置,加上上次捡来的NI采集卡,测了一下作为对照的Sensorex SX41210的频率响应,结果诡异

SX41210.png

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WernerPleischner
1年3个月前 IP:广东
918331

看起来是水准仪上用的

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