基于水银开关的两维水平调节指示仪的研制

宋连鹏，周 丽，艾娉婷

(海军大连舰艇学院 基础部，辽宁 大连 116018)

水平仪是用来对某一平面或基准进行水平测量的工具，在机械加工和工程建设等领域得到了广泛的应用。水平仪在各类实验中也发挥着至关重要的作用[1]，如大学物理实验中的密立根油滴实验等，而学生在使用水平仪进行水平调整时往往不能很好的调平，或是由于不知道该调哪一个旋钮，或是由于不知道该调高还是调低，水平调节指示仪很好地解决了这个问题。

1 水平调节指示仪的设计制作

1.1 电路的设计

水银开关，亦称倾侧开关，是以一连接电极的容器存储水银来实现开关的闭合，他是电路开关的一种，容器中多为真空或注入惰性气体[2-4]，如图1所示。

图1 水银开关

由于水银的表面张力较大且富于流动性，在容器倾斜时，水银在重力作用下会向较低地势流去，如果水银同时接触到两个电极，由于水银良好的导电性，就会闭合电路。

考虑到水平调节通常都是由三个调节旋钮控制的，水平调节指示仪设计了三个支路，如图2所示，每个支路包括用于指示的LED灯泡一个、用于检测水平的水银开关一个和限流电阻一个，另加一个直流电压源。每个水银开关对应一个水平调节旋钮，当指示仪置于倾斜的平台时，水银球会运动到容器的一端，若水银接通两个电极形成闭合电路，LED灯发光，可以根据三个LED的发光情况来判断平台的倾斜情况。

图2 水平调节指示仪电路图

2.2 指示仪的制作

制备6 cm×10 cm的PCB万用板一块，在万用板的中间成“Y”形插入24欧姆的电阻三个，在电阻外侧，再相互成等角度插入水银开关各一个，水银开关的旁侧分别插入LED灯，按照如图2的电路进行焊接。最后将两节5号电池装入电池盒，构成一个5 V电源，正负极分别接入三个LED灯和三个电阻各自的公共端，水平调节指示仪制作完成。

2 水平调节指示仪的使用

2.1 指示仪的放置

利用三线摆的摆盘模拟需要调节的平台，每根摆线对应一个调节旋钮，将三个水银开关呈“Y”形排列，分别正对三根摆线如图3所示，同时在摆盘上放置水平仪，打开电源开关，若三个LED灯都不亮，说明平台水平无须调节，可以看到此时水平仪气泡正好位于中心。

图3 水平调节指示仪放置

2.2 指示仪的使用

若其中一个LED灯1亮，另外两个LED灯2和灯3不亮，如图4(a)所示，可见与灯1串联的水银开关中的水银运动到了容器有电极的一端，说明灯1所对摆线处偏高，需要适当调低些，同时可见水平仪的气泡偏向了灯1所对的摆线一侧也说明了灯1所对摆线处偏高；若有两个LED灯2和灯3亮，另外一个LED灯1不亮，如图4(b)所示，可见与灯1串联的水银开关中的水银运动到了容器没有电极的一端，说明灯1所对的摆线处偏低，需要适当调高些，同时可见水平仪的气泡远离灯1所对的摆线一侧也说明了灯1所对摆线处偏低。

(a)

因此可以得出水平调节指示仪的使用法则：调异不调同；灯亮向低调，灯灭向高调。即调节与其他两个亮灭情况不同，即单独点亮或单独熄灭那支LED灯所对应的调节旋钮，且若灯点亮，要通过旋钮调节使平台降低，若灯熄灭，要通过旋钮调节使平台升高，当三个LED灯都不亮的时候，则说明平台已经处于水平状态无须调节。水平调节指示仪指明了该调哪一个旋钮，并且指出该如何调节旋钮，因此可以帮助学生更好的学习掌握水平调节的方法。

4 结 语

水平调节指示仪反应迅速、方便快捷，能够快速对平台的倾斜情况做出指示，并且可以为下一步的调节做出准确的提示。基于成本和维护考虑采用了水银开关，水平调节指示仪显示的精度和灵敏度可以满足正常使用[5]，并且结构简单、便于制作，非常适合在各高校实验室中制作使用。水平调节指示仪同时具有非常好拓展性能，若配置相应的逻辑电路和驱动电机还可以实现自动调平功能。