基于水銀開關的兩維水平調節指示儀的研制

宋連鵬，周 麗，艾娉婷

(海軍大連艦艇學院 基礎部，遼寧 大連 116018)

水平儀是用來對某一平面或基準進行水平測量的工具，在機械加工和工程建設等領域得到了廣泛的應用。水平儀在各類實驗中也發揮著至關重要的作用[1]，如大學物理實驗中的密立根油滴實驗等，而學生在使用水平儀進行水平調整時往往不能很好的調平，或是由于不知道該調哪一個旋鈕，或是由于不知道該調高還是調低，水平調節指示儀很好地解決了這個問題。

1 水平調節指示儀的設計制作

1.1 電路的設計

水銀開關，亦稱傾側開關，是以一連接電極的容器存儲水銀來實現開關的閉合，他是電路開關的一種，容器中多為真空或注入惰性氣體[2-4]，如圖1所示。

圖1 水銀開關

由于水銀的表面張力較大且富于流動性，在容器傾斜時，水銀在重力作用下會向較低地勢流去，如果水銀同時接觸到兩個電極，由于水銀良好的導電性，就會閉合電路。

考慮到水平調節通常都是由三個調節旋鈕控制的，水平調節指示儀設計了三個支路，如圖2所示，每個支路包括用于指示的LED燈泡一個、用于檢測水平的水銀開關一個和限流電阻一個，另加一個直流電壓源。每個水銀開關對應一個水平調節旋鈕，當指示儀置于傾斜的平臺時，水銀球會運動到容器的一端，若水銀接通兩個電極形成閉合電路，LED燈發光，可以根據三個LED的發光情況來判斷平臺的傾斜情況。

圖2 水平調節指示儀電路圖

2.2 指示儀的制作

制備6 cm×10 cm的PCB萬用板一塊，在萬用板的中間成“Y”形插入24歐姆的電阻三個，在電阻外側，再相互成等角度插入水銀開關各一個，水銀開關的旁側分別插入LED燈，按照如圖2的電路進行焊接。最后將兩節5號電池裝入電池盒，構成一個5 V電源，正負極分別接入三個LED燈和三個電阻各自的公共端，水平調節指示儀制作完成。

2 水平調節指示儀的使用

2.1 指示儀的放置

利用三線擺的擺盤模擬需要調節的平臺，每根擺線對應一個調節旋鈕，將三個水銀開關呈“Y”形排列，分別正對三根擺線如圖3所示，同時在擺盤上放置水平儀，打開電源開關，若三個LED燈都不亮，說明平臺水平無須調節，可以看到此時水平儀氣泡正好位于中心。

圖3 水平調節指示儀放置

2.2 指示儀的使用

若其中一個LED燈1亮，另外兩個LED燈2和燈3不亮，如圖4(a)所示，可見與燈1串聯的水銀開關中的水銀運動到了容器有電極的一端，說明燈1所對擺線處偏高，需要適當調低些，同時可見水平儀的氣泡偏向了燈1所對的擺線一側也說明了燈1所對擺線處偏高；若有兩個LED燈2和燈3亮，另外一個LED燈1不亮，如圖4(b)所示，可見與燈1串聯的水銀開關中的水銀運動到了容器沒有電極的一端，說明燈1所對的擺線處偏低，需要適當調高些，同時可見水平儀的氣泡遠離燈1所對的擺線一側也說明了燈1所對擺線處偏低。

(a)

因此可以得出水平調節指示儀的使用法則：調異不調同；燈亮向低調，燈滅向高調。即調節與其他兩個亮滅情況不同，即單獨點亮或單獨熄滅那支LED燈所對應的調節旋鈕，且若燈點亮，要通過旋鈕調節使平臺降低，若燈熄滅，要通過旋鈕調節使平臺升高，當三個LED燈都不亮的時候，則說明平臺已經處于水平狀態無須調節。水平調節指示儀指明了該調哪一個旋鈕，并且指出該如何調節旋鈕，因此可以幫助學生更好的學習掌握水平調節的方法。

4 結 語

水平調節指示儀反應迅速、方便快捷，能夠快速對平臺的傾斜情況做出指示，并且可以為下一步的調節做出準確的提示。基于成本和維護考慮采用了水銀開關，水平調節指示儀顯示的精度和靈敏度可以滿足正常使用[5]，并且結構簡單、便于制作，非常適合在各高校實驗室中制作使用。水平調節指示儀同時具有非常好拓展性能，若配置相應的邏輯電路和驅動電機還可以實現自動調平功能。