數(shù)字電子水準儀誤差校檢

1、內蒙古科技大學畢業(yè)設計說明書(畢業(yè)論文)摘 要 目前對于數(shù)字水準儀的各種精度的檢測,還沒有一套完整的并且詳盡的檢定規(guī)程.有的只是進行野外觀測得辦法，由于這種方法存在一些缺陷，例如外業(yè)工作量大，易受外界環(huán)境條件、觀測者讀數(shù)水平以及已知點成果精度等的影響。所以這種方法不能較客觀的評價儀器的本身精度?；谏鲜?，本文主要論述了數(shù)字水準儀的原理與特點，分析總結了數(shù)字水準儀的誤差源及其影響的大小，并深入的介紹了儀器檢定項目和方法，從而為了解和掌握數(shù)字水準儀的工作原理、誤差 分析以及水準儀的檢定作出系統(tǒng)的分析。關鍵詞: 數(shù)字水準儀；精度；誤差分析；檢驗55Abstract At present for th

2、e detection of various precision digital leveling instrument, there is no a set of complete and detailed verification regulation. Some just field observation way, because this method has some shortcomings, such as industry workload, vulnerable to read number level of known points and the accuracy of

3、 the results and effects of environmental conditions, the observer. So this method can't objectively evaluate the accuracy of the instrument itself. Based on the above, this paper mainly discusses the principle and characteristics of digital leveling instrument, the analysis summarizes the size

4、of digital leveling instrument error sources and their effects, and deeply describes the instrument calibration items and methods, so as to understand and grasp the working principle of digital leveling instrument, error analysis and leveling instrument verification system to make the analysis.Key w

5、ord: Digital level meter; Precision; Error analysis;Test目錄摘 要IABSTRACTII目錄III第一章緒論11.1數(shù)字電子水準儀的發(fā)展現(xiàn)狀及應用11.1.1電子水準儀的發(fā)展現(xiàn)狀11.1.2數(shù)字電子水準儀的應用11.2國內外研究現(xiàn)狀21.3 課題的研究內容31.4 論文組織結構4第二章 數(shù)字水準儀的工作原理及特點52.1數(shù)字水準儀的基本原理52.1.1數(shù)字水準儀的基本結構52.1.2數(shù)字水準儀的工作原理52.1.3數(shù)字水準儀的讀數(shù)原理62.2數(shù)字水準儀的特點與指標122.2.1數(shù)字水準儀的特點122.2.2水準儀的精度指標13第三章 數(shù)字

6、水準儀的誤差來源及分析153.1.1圓水準器誤差153.1.2自動補償器誤差153.1.3視準軸誤差163.1.4線陣探測器CCD的物理特性引起的誤差173.1.5信號分析和處理的誤差173.1.6外界條件變化引起的誤差173.1.7十字絲分劃板豎絲與CCD傳感器焦線的一致性18第四章 數(shù)字水準儀的檢定內容及校正194.1數(shù)字水準儀的檢定項目194.2數(shù)字水準儀常規(guī)項目檢定及方法204.2.1 數(shù)字水準儀I角的檢定實驗204.2.2 數(shù)字水準儀鑒別率的檢定實例分析324.2.3 1千米往返測高差標準差檢定實驗354.2.4視距測量精度檢定實驗404.2.5調焦成像質量對測量結果影響檢定實驗42

7、第五章 結束語44參 考 文 獻45附 錄47致 謝53第一章 緒論1.1數(shù)字電子水準儀的發(fā)展現(xiàn)狀及應用1.1.1電子水準儀的發(fā)展現(xiàn)狀迄今為止，幾何水準測量仍是傳遞高程精度最高的一種方法，還不能被別的方法所替代，因此一直運用至今。但是傳統(tǒng)幾何水準測量存在一些缺點，比如存在測量速度慢，作業(yè)勞動強度大等問題。這些年來測量工作者們一直致力于尋找一種全新的方法來解決存在的這些不足之處，于是摩托車載水準儀等一些機車化測量方式應用而生，它使測量作業(yè)效率稍有提高，作業(yè)勞動強度有所下降，現(xiàn)在已被不少國家所采用。八十年代大多數(shù)國家已經開始普遍使用電子測距及電子測角技術。但是八十年代末測量工作者們仍在使用傳統(tǒng)儀器

8、進行幾何水準測量，究其原因是水準儀和 水準標尺不是一個完整的體系，它們在空間是分離的，并且它們之間的距離也不確定，從1米到100米之間變化。所以數(shù)字化讀數(shù)在技術上存在一些困難。測量研究者為了實現(xiàn)水準儀讀數(shù)的數(shù)字化，經過長期的不斷嘗試，1990年威特廠首先研制成功了世界上第一臺數(shù)字電子水準儀NA2000，這也標志著大地測量儀器開始從精密光電儀器逐漸向光機電測一體化的全新高技術產品的過渡。同時也攻克了傳統(tǒng)大地測量儀器在數(shù)字化讀數(shù)方面的一大難關。1994年蔡司廠也研制成功了它們的第一臺數(shù)字水準儀DiNi10/20，這年拓普康廠也推出了數(shù)字水準儀DL101/102.標志著數(shù)字水準儀已經開始慢慢走入人們

9、的視野，也進入了激烈的競爭市場。GPS只能得出大地高值，而工程工程用的都是正常高。這同樣是各個廠家積極開發(fā)數(shù)字水準儀的原因之一孫堅編譯.數(shù)字水準儀的現(xiàn)狀與發(fā)展.北京測繪，1998（3）：33351.1.2數(shù)字電子水準儀的應用數(shù)字水準儀具有精度高、測量速度快、作業(yè)勞動強度小、讀數(shù)客觀、容易實現(xiàn)測量內外業(yè)一體化等特點，數(shù)字水準儀的問世明確了今后水準儀的發(fā)展方向，因此它的出現(xiàn)很快受到廣大用戶的青睞。目前市場上，以徠卡，蔡司，拓普康，索佳為數(shù)字水準儀的代表，數(shù)字水準儀的應用薄志鵬，劉國輝，王澤民.數(shù)字水準儀述評J.測繪通報，1996 (2):3035主要分為以下幾方面：（1）高精度水準測量：數(shù)字水準儀

10、的精度位處于中精度與高精度的范圍之間，被分成兩個等級，中等精度的標準差是1.0-1.5mm/km，高精度的標準差是0.3-0.4mm/km。（2）變形觀測：建筑物沉降觀測，大壩位移變形觀測，建筑物撓曲程度觀測、 機械設備轉動角觀測和建筑物振動觀測等。（3）線路測量：公路測量應用，鐵路測量應用，隧道測量應用，河道等縱、橫斷面測量應用。（4）工業(yè)測量：外形測量，質量檢測，人工構筑物內結構測量等。（5）建筑施工：施工放樣，土地整平。1.2國內外研究現(xiàn)狀數(shù)字水準儀它是集光機電、計算機系統(tǒng)和圖像處理技術為一體的高精度測量儀器，其測量結果的誤差源較光學水準儀復雜得多，因此適用于傳統(tǒng)光學水準儀的檢定方法不再

11、完全適用于數(shù)字水準儀的檢定。因為對數(shù)字水準儀的研制時間不長，所以它出現(xiàn)時間較短，它的讀數(shù)原理獨特且復雜，其讀數(shù)原理與傳統(tǒng)光學水準儀沒有絲毫聯(lián)系，而且有些儀器廠家也對各自研制的產品也進行了保密，到目前為止，數(shù)字水準儀其實還沒有一整套規(guī)范切詳盡的檢定規(guī)程，我們知道的只是數(shù)字水準測量的方法與一些不詳盡的技術規(guī)范要求。國外學者對數(shù)字水準儀的檢定方工作與性能分析研究工作等方面開展的比較早，國外許多學者將數(shù)字水準儀與配套標尺作為一個測量系統(tǒng)持有一致的觀點，對其進行綜合檢定或稱為系統(tǒng)精度的檢定。早在1993年，奧地利格拉茨大學的Reithofer博士提出一整套水平比長器，對 10和3000這兩種儀器進行了系

12、統(tǒng)精度的檢定。當時利用水平比長器對數(shù)字水準儀進行檢定時，條碼標尺必須處于水平位置，這樣的話就與實際的水準測量不相符，平時水準測量標尺都是豎直放置的，因此，1996年他們又將原先的裝置作了調整，改建成豎直比長器，雖然國外絕大多數(shù)學者認為應該對數(shù)字水準儀進行系統(tǒng)精度的檢定，但也有部分學者否認這種觀點，他們認為這種方法分不清楚究竟是對數(shù)字水準儀的主機檢定，還是在對條碼標尺進行檢定。我們國內對數(shù)字水準儀的檢定研究工作開展較慢，理解不夠透徹。與國外的研究情況相比存在很大的差距，主要表現(xiàn)為以下幾方面：(1)缺乏對數(shù)字水準儀測量原理的深入研究與剖析(2)缺乏統(tǒng)一完整的檢定方法用于實際現(xiàn)場檢定數(shù)字水準儀各項精

13、度是否達標(3)缺乏用于數(shù)字水準儀檢定的必要關鍵設備(4)目前國內采用的檢定方法主要是根據傳統(tǒng)光學水準儀所采用過的檢定方法，對各項誤差沒有集中進行檢定，而是分開進行檢定。基于以上各種原因，各單位對數(shù)字水準儀的檢定大多是基于光學水準儀的檢定工作而發(fā)展起來的。基本上利用了原有的檢定方法和內容。許多單位對數(shù)字水準儀的檢定分為室外檢定和室內檢定的方式，目前國內基本采用外業(yè)觀測的原始辦法，這種辦法不但工作量極大，而且精度受到外界環(huán)境、觀測者技術水平、已知點成果精度等各方面的影響。因此這種方法不能客觀的評定儀器本身的精度。數(shù)字水準儀室內檢定過程，依然是仿照光學水準儀的檢定過程?？偠灾?，國內對數(shù)字水準儀檢

14、定方法這方面的研究還不夠透徹與全面，單項檢定較多，系統(tǒng)檢定則較少，所以無法對數(shù)字水準儀精度作出客觀系統(tǒng)的評價。1.3 課題的研究內容數(shù)字水準儀是一種集光、電、機于一體的水準測量儀器，具有測量速度快，操作簡單，讀數(shù)客觀等特點，已應用于工程的各個領域，各型號的水準儀都是采用條碼標尺，并采用電子圖像處理技術進行數(shù)字化讀數(shù)，目前市場上的水準儀主要來自蔡司，徠卡，拓普康，索佳四個廠家。因為各個廠家儀器的工作原理不同，所以它們電子讀數(shù)的方式也就存在差異。數(shù)字水準儀相比光學水準儀的原理要更加復雜一些，因此這給檢定工作帶來了一定的困難，尋求一個完整的檢定規(guī)程是我們急待解決的難題。隨著數(shù)字水準儀應用于不同領域，

15、不同行業(yè)。要想體現(xiàn)出它的高性能，就必須要了解它的工作原理，以及它的檢定規(guī)程。也是有價值的研究課題。鑒于上述，本文主要進行了以下幾個方面的討論和研究：（1） 數(shù)字水準儀的測量原理（2） 數(shù)字水準儀的誤差分析（3） 數(shù)字水準儀的檢定過程（4） 數(shù)字水準儀的誤差校正1.4 論文組織結構第一章是緒論，主要介紹了數(shù)字水準儀的發(fā)展現(xiàn)狀及應用，國內外數(shù)字水準儀檢驗方法的研究情況，課題的研究內容。第二章分析歸納了現(xiàn)在日常生活中常用的幾種數(shù)字水準儀的基本原理結構：包括基本構造，基本工作原理，讀數(shù)原理。比較了各種品牌數(shù)字水準儀的特點與精度指標。第三章主要進行的是數(shù)字水準儀的誤差分析。第四章主要論述了數(shù)字水準儀的檢

16、驗項目與校正第五章是結束語，對全文研究內容進行了分析總結，并分析了存在的不足之處，以便下一步工作的順利進行。第二章 數(shù)字水準儀的工作原理及其特點2.1數(shù)字水準儀的基本原理2.1.1數(shù)字水準儀的基本結構 數(shù)字水準儀是依據自動安平水準儀的工作原理而研制成功的，各廠家生產的數(shù)字水準儀基本結構大致相同。它的基本結構是由光學機械部分、相關電子設備和自動安平補償裝置組成。相關的一些電子設備主要包括：調焦編碼器、讀數(shù)電子器件、光電傳感器（即線陣CCD）、單片微處理機、接口（外部電源及外部記錄存儲）、鍵盤、顯示器件以及圖像處理軟件等，其結構如圖所示。條碼尺望遠鏡分光鏡分劃板目鏡傳感器A/DCPUPC存儲卡液晶

17、顯示屏圖2-1 數(shù)字水準儀的結構2.1.2數(shù)字水準儀的工作原理 數(shù)字水準儀又稱電子水準儀，它的研制原理是依據自動安平水準儀的工作原理。它采用配套條碼標尺，各個廠家生產的標尺編碼條碼圖案都存在或多或少的差別，而且這些條碼標尺不能互相替換使用?，F(xiàn)在照準標尺和調焦等一系列操作仍然需要目視觀測者進行操作。首先進行人工照準和調焦操作，隨后標尺條碼圖案一方面被成像望遠鏡的十字絲分劃板上，提供給觀測者加以讀數(shù)，另一方面則通過望遠鏡的分光鏡，標尺條碼的圖案又一次被成像在CCD（又稱探測器）上，可得電子讀數(shù)。使用傳統(tǒng)的光學水準標尺，數(shù)字水準儀也可以像使用自動安平水準儀那樣的方法進行測量，只是此時的測量結果精度往

18、往低于電子測量結果的精度。2.1.3數(shù)字水準儀的讀數(shù)原理1)相關法 徠卡數(shù)字水準儀采用的讀數(shù)原理即為偽隨機條形碼相關法林四新。數(shù)字水準儀的自動讀數(shù)原理分析。2002年全國測繪儀器綜合學術年會論文集，長春，2002(8)：5458，首先將望遠鏡照準條碼標尺并進行調焦，然后會在探測器CCD上成像，提供電子讀數(shù)。條碼標尺總長是4.05m，一共分為三段，它是由2000個碼元所組成，各個碼元長度都是2.025 mm。如圖2-2左邊表示為偽隨機條碼，圖2-2右邊表示為截取以后的片段偽隨機碼。此片段偽隨機碼首先會在CCD上成像，CCD會把此圖像轉換成電子信號，也就是我們說的測量信號。測量信號與偽隨機碼的參考

19、信號經過比較，這便是相關法的基本過程，我們一般稱之為相關法。圖2-2 相關法原理在圖2-2中由上到下的比對。當兩個測量信號一樣時，即為最佳相關的位置，讀數(shù)因此能確定。二維相關法可以解決某些相關的問題。若沒有一樣的兩個測量信號，就變換水準儀內部參考信號的“寬窄”程度，再一次經過一維相關運算，直到兩個測量信號一樣時為止，因此能確定讀數(shù)。即 （2.1）表示條碼在探測器CCD上成像的寬度，y表示條碼的實際寬度，代表視距.有以上公式可知，條碼影像與視線高和視距存在某些的關關聯(lián)，這就是所說的二維相關，之后把觀測到的值經過相關運算，可求得到視線高和視距數(shù)值。為了縮短二維相關運算所需時間，NA儀器里都內設有調

20、焦移動量傳感器，它的作用是采集調焦的移動量，從而求解出視距，基本可以將物象比例確定下來，并可以對儀器內部的參考信號的“寬窄”加以縮放，將其盡可能的縮放到接近探測器采集到的測量信號的“寬窄”，最后進行二維相關計算。 假設調焦透鏡在參考零點位置時調焦移動量為零，則有物方焦距為，像方焦距為，像距為，根據牛頓公式可得知。滿足以下關系： （2.2）其中，表示一個比例系數(shù)，即可解出等效光學系統(tǒng)的物距為： （2.3）則垂直放大率相對于高斯公式有如下關系： （2.4）因為有，則有：當時， (2.5)依據垂直放大率的有關定義，即 (2-4)其中表示物高，表示像高，由（2-3）（2-4）得： (2.6)此刻，已經

21、初步確定了物象比例,將水準儀內部的參考信號的“寬碼”加以進行縮放，將其盡可能接近于探測器CCD上采集到的測量信號的“寬窄”，之后再進行相關。這樣可以極大的縮短讀數(shù)所需時間。 綜合以上所述，徠卡數(shù)字水準儀的標尺編碼應該表達出距離和視線高這兩個信息。2）幾何法蔡司10/20采用的讀數(shù)原理是幾何法郭金運，徐泮林，曲國慶.數(shù)字水準儀的性能比較與分析J.測繪通報，2002（3）:5557。它的標尺是采用雙相位碼。首先將望遠鏡照準條碼標尺并進行調焦，然后會在探測器CCD上成像，提供電子讀數(shù)。 l0/20系列儀器測量時，只需利用中絲的上下兩邊各15cm長的標尺截距，即是利用15個測量間距來解算出視距和視線高

22、。幾何法原理如圖2-3，圖中表示某個測量間距的下邊界，表示其上邊界，其在CCD行陣上的成像分別為和。其到光軸(中絲)的距離分別用和來表示。我們知道CCD行陣上的象素的寬度是己知的，這兩段距離在CCD行陣上所占用象素的個數(shù)便可由CCD輸出的信號得以計算出來，則可以算出和，即和是計算視距和視線高的己知量。和在光軸上都顯示為負值，在光軸下都顯示正值。若從標尺上看，則是在光軸上顯示為正值，反之為負值。圖 2-3 幾何法原理設g代表測量間距長(2cm )，利用第個測量間距來測量時，測量間距與該間距在CCD行陣上的成像之比（物象比），可由圖2-3中的相似三角形解出: (2.7)視線高讀數(shù)為: （2.8）式

23、中表示第個測量間距由標尺下端逐次向上的序號，我們依據屬碼詞判讀出該序號。表示標尺第個測量間距的中間點與標尺底端地面的之間的距離。表示標尺上第個測量間距的中點到儀器光軸的距離。 為了提高測量精度， 10/20一般取N個測量間距平均值加以計算，即取標尺上中絲上下兩邊各15cm的范圍，也就是將13個測量間距取平均值來計算?？傻梦锵蟊葹? （2.9）式中和各自表示探測器CCD 0.3m測量截距上下各邊至光軸的長度。垂直放大率有關定義為： (2-9)，視線高計算公式如下： （2.10）垂直放大率相對于高斯公式有如下關系： （2.11）因為,則即可計算出視距： （2.12） 其中為定值。綜上分析可知，蔡司

24、系列數(shù)字水準儀，解算出物象比以后，它的標尺條碼編碼只需體現(xiàn)出視線高的一些有關信息，隨后根據數(shù)字水準儀的光學參數(shù)來求解出視距。計算原理同利用視距絲進行視距測量原理基本是一樣的，不同的地方是，此固定基線是處于標尺上的，而傳統(tǒng)視距測量的基線則是十字絲分劃板上的上下視距絲的間距。3）相位法 拓普康采用的讀數(shù)原理是相位法范會敏，李晉惠.數(shù)字水準儀的測量算法概述J.西安工業(yè)學院學報，2002，（4）。標尺條碼成像經過分光鏡后，被分成兩路走向，其中一路被成像在探測器CCD上，顯示電子讀數(shù)，另一路則被成像在分劃板上面，可以提供觀測者讀數(shù)。圖2-4 標尺的編碼在圖2-4中展示了條碼標尺上半部分條碼的圖案，我們由

25、圖可以看出，其中包括三種寬度各不相同的碼條。R代表參考碼，其中包括三條寬為2mm的黑色條碼，并且每兩條黑色碼條中間是一條寬度為1mm的黃色碼條，我們一般以中間的黑碼條的中心線作為基準，則每間隔30mm便會有一組R碼條周期性重復出現(xiàn)。每組R碼條兩邊的A碼條和B碼條的寬窄程度不同，設計時使它們的寬度呈正弦函數(shù)在0到l0mm之間變化。其中，A碼的周期為600mm, B碼的周期為570mm。R碼條組兩邊的黃色碼條寬度則也是呈正弦函數(shù)周期性變化的，這樣便可在標尺上形成一些亮暗強度按正弦函數(shù)周期變化的亮度波，波形見圖2-4以下。通常情況下，縱坐標代表黑條碼的寬度，橫坐標代表標尺的長度。實線與虛線分別代表A

26、碼與B碼亮度波。因為A條碼和B條碼變化周期不相同，也就是說A亮度波和B亮度波它們的波長不相同，還有就是標尺的每個位置上兩亮度波的相位差也不一樣。若能測出標尺某處的相位差，便可求出該處至標尺底部的高度，原因是相位差可以與標尺長度具有相互對應關系，也就是具有單特性，這其實也是要適當選擇兩亮度波的波長的原因之一。 (2.13) (2.14)其中、分別表示A和B兩條碼的寬度，、表示A和B兩條碼的變化周期。因為、是x的函數(shù)，滿足： (2.15) (2.16)其中，D表示A、B條碼的最大寬度。由（2-15）、（2-16）可得， (2.17)可知視線高的計算公式為： (2.18) 我們在實際測量過程中，當水

27、準儀望遠鏡瞄準標尺以后，標尺的其中一段的條碼圖案便會在CCD上成像，黃色條碼促使CCD線陣產生光電流，隨著、的不斷變化，光電流的強度隨之也不斷發(fā)生改變。隨著標尺的光照亮度的不同，甚至在不同次數(shù)的測量之中，振幅都將會不同，這對解算視線高沒有影響。只須相位表示出視線高，此時，通過一定的門限，進行二值化處理分析，經過計時比對，便可求出條碼的寬度。R碼的作用是為了提高讀數(shù)精度和解算視距而設計的。利用R參考碼，可解算物像比。假設有兩組R參考碼，它們之間的間距q為0.03m，其在探測器CCD上成像占有的像素個數(shù)為x，每個像素的寬度是a，那么間距P在CCD上的成像長度為:，根據信號分析可以求出，a代表CCD

28、光敏窗口的寬度，在此， I和Q都是己知量。故可解算出物像比:，我們可以利用物像比A，首先縮放信號，使之與標尺上的相同時，便能精確的讀取視線高。依據幾何成像原理中橫軸放大率的相關定義和解算視距的方法，便能求算出視距: (2.19)其中f表示物方焦距。 綜合上述所講內容可知，拓普康數(shù)字水準儀采用的條碼標尺的編碼表達了視線高，再根據物像比以及儀器的光學參數(shù)便能計算出視距。2.2數(shù)字水準儀的特點與指標2.2.1數(shù)字水準儀的特點劉群，張恒. 數(shù)字水準儀測量系統(tǒng)及其精度評定.四川建筑，第29卷 2期 2009.041. 讀數(shù)客觀。根本不存在人為誤讀、誤記等問題，即不存在人為讀數(shù)誤差。2. 效率較高。首先，

29、數(shù)字水準儀本身重量很輕輕，并且自動讀數(shù)，測量工作者的勞動強度極大減輕，并且觀測速度快，無需專門的記錄員，很大程度上提高了外業(yè)的工作效率. 3. 精度較高。視線高和視距讀數(shù)基本全是利用大量條碼分劃，圖像經處理后求取最終的平均值，這樣可以削弱標尺分劃誤差產生的影響。大多數(shù)儀器基本都有多次讀數(shù)自動求取平均值的功能，這樣做的目的是削弱外界條件影響，使其性能更加穩(wěn)定。4. 測量速度快。利用數(shù)字水準儀進行測量省去了人工讀數(shù)、人工記錄、現(xiàn)場數(shù)據計算以及人為出錯因素的重測數(shù)量，測量所需時間與傳統(tǒng)光學水準儀相比大概可以節(jié)省1/3左右。5. 易于操作。因為數(shù)字水準儀可以自動進行讀數(shù)與記錄，并在儀器中預存了許多測量

30、和檢核內置計算程序，在操作數(shù)字水準儀時還有實時提示語音，因此測量工作者可以很快掌握與了解它的使用方法，即使非專業(yè)人員也能測出高精度數(shù)據。2.2.2水準儀的精度指標鄧融.如何評價電子水準儀的質量與性能.北京測繪，2002（3）：42441.溫度性能 溫度性能，也稱溫度狀態(tài)，是檢定數(shù)字水準儀能否適應溫度的一個重要指標。具體操作方法是將數(shù)字水準儀放置在+40到+45的高溫環(huán)境中，將其保溫大約數(shù)小時至10h后取出來再放到大約+20上下的室溫環(huán)境里，用儀器瞄準17m至20m遠處放置的配套標尺，數(shù)字水準儀進行讀數(shù)，此讀數(shù)是由外部計算機所控制的，每隔3讀數(shù)35次并記錄數(shù)據。讀數(shù)直至視線穩(wěn)定不再晃動為止，即視

31、線根本不存在有顯著的變化，此過程一般需要2h。 之后，再將水準儀放置在-5到-15的低溫環(huán)境中，重復以上測試過程。指標是均衡每度所需時間是11.5。2 遮擋影響遮擋影響就是表示望遠鏡視場內有物體遮擋條碼，這會對讀數(shù)精度造成很大影響甚至會造成不能讀數(shù)的情況。通常情況下是已知的。一般作法是利用標尺截距，用水準儀進行讀數(shù)，直至遮擋的范圍很大，以致儀器不能讀取讀數(shù)。若遮擋率大于或者等于廠方給出數(shù)據，我們就認為符合要求。在廠方遮擋率數(shù)據之間，讀數(shù)會隨著遮擋范圍的增加而降低。此情況目前基本沒有什么指標衡量。3標尺傾斜你影響根據數(shù)字水準儀的讀數(shù)原理可知，如果標尺左右傾斜后，在CCD行陣上所成的像也會隨之傾斜

32、斜，但是人眼無法察覺，此時水準儀可能就沒法識別條碼，個別儀器會發(fā)出警告，提示我們標尺需立直。目前標尺前后傾斜的情況，儀器還是無法識別，測量時需注意。4照明影響數(shù)字水準儀對標尺照明的要求一般高于普通光學水準儀。比如要在陰天或者夜晚進行測量，需注意要照亮整個標尺，這樣才能進行讀數(shù)，開始正常測量。因為各個廠家的標尺編碼規(guī)則不盡相同，所以讀數(shù)的原理也就不同，這樣就導致各個廠家的儀器的性能和技術指標也存在差別。以下著重對蔡司，徠卡，索佳，拓普康四個廠家的精密水準儀進行對比分析。表2-1 各型號水準儀技術指標技術指標徠卡公司拓普康公式蔡司公司索佳公式NA3003DNA03DL101CDL102CDiNi1

33、2DiNi22SDL1SDL1視線高測量精度/mm/km0.40.30.41.00.30.70.30.7視線高最小讀數(shù)/mm0.010.010.010.10.010.10.010.1距離測量精度/mm10505×1050105020252025測量范圍/m1.8601.81102602601.51001.51001.51001.5100補償器工作范圍±12±10±12±15±15±15±15±15補償精度0.40.30.30.50.20.50.40.5電子測量視場角2°2°(粗測)1.

34、1°（精測）1°201°205°5°3°3°CCD工作光譜紅外光可見光可見光可見光可見光可見光紅外光紅外光CCD像素間距/m25141111141488CCD像素數(shù)量2564566006001800180018001800條碼特征條碼寬度2.025mm的倍數(shù)條碼寬度2.025mm的倍數(shù)黑條碼中心間隔10mm黑條碼中心間隔10mm條碼寬度0.5mm的倍數(shù)條碼寬度0.5mm的倍數(shù)黑條碼中心間隔16mm黑條碼中心間隔16mm測量時間43443242.5第三章 數(shù)字水準儀的誤差來源及分析3.1.1圓水準器誤差目前常用的幾種數(shù)字水準儀

35、基本都內置有靈敏度大約為8'/2 mm或10'/2 mm的圓水準器，若在圓水準器安裝上出現(xiàn)問題，會引起水準儀豎軸發(fā)生傾斜變化，最終導致形成水平面傾斜誤差。當然此項誤差在每個測站都及其微小，但是對等級測量而言，此誤差會導致形成系統(tǒng)誤差，這樣將會給整個測量結果的精度造成很大的影響。3.1.2自動補償器誤差數(shù)字水準儀上安裝的補償器大多屬于吊絲重力擺補償器，它的補償范圍一般不會小于，也就是只要使圓水準氣泡處于圓圈之內，便能發(fā)揮補償作用。 如果我們要評價一臺數(shù)字水準儀的補償器，那么最重要的指標是補償器的安置誤差、滯后誤差、補償剩余誤差以及磁致誤差這四項誤差張莉，齊維君，方愛平，李明，王三

36、明.數(shù)字水準儀誤差源及檢定方法初探.國家光電測距儀檢測中心，北京 100039。(1)補償器的安置誤差(即視線的安平精度)。補償器的安置誤差體現(xiàn)了補償器提供水平視線的反復精度，其可以作為一個非常重要的特征量來評價儀器是否符合要求，一般作為儀器出廠的重要技術參考指標。不可能利用別的觀測方法來減弱這項誤差，但是可以反映出整個補償器系統(tǒng)的質量。(2)補償器的滯后誤差。該項誤差即為補償器的平衡所處位置與靜止所處位置的差值，這項誤差反映了補償器存在一定時間延遲的現(xiàn)象。補償器一般需要一段時間以保證穩(wěn)定，這就意味著整平儀器以后不要馬上進行測量，因為存在1s2s 的時間延遲。 當進行水準測量時，水準儀從后視旋

37、轉至前視時，若提供給補償器進行穩(wěn)定的時間不夠，則最終的測量數(shù)據就會有誤差存在。  (3)補償器的補償剩余誤差。補償器性能不佳會致使水準儀的視準軸發(fā)生傾斜變化，將會造成水平面傾斜誤差。圓水準器氣泡前后方向偏移與左右方向偏移對該項誤差會造成不同的結果由實驗可知，當圓水準器氣泡向前后方向偏移時，數(shù)字水準儀的讀數(shù)變化量的分布形狀大致呈一條傾斜直線，即表示觀測值當中必定含有線性系統(tǒng)誤差。當圓水準氣泡前后左右傾斜1的補償剩余誤差可以表示為： （3.1）式中:L一水準儀歪斜和圓水準氣泡居中時標尺讀數(shù)之差,mm;    S一檢定時儀器至標尺的距離;  

38、0; b一儀器傾斜補償極限角。(4)補償器的磁致誤差。當數(shù)字水準儀附近存在磁場時，有些補償器就會到磁場的干擾影響，便會使視準線的位置發(fā)生偏離，往往會造成讀數(shù)誤差。雖然現(xiàn)在的數(shù)字水準儀補償器的材料是鋁或非磁性等物質，但一些數(shù)字水準儀中仍可以檢測到有磁致誤差的影響。實驗說明.數(shù)字水準儀處于均勻磁場中時磁致誤差均未超過給定限差。但數(shù)字水準儀處在交變磁場時，可以檢測到補償器會發(fā)生很大的偏轉量，另外擺幅與磁場強度的平方存在關聯(lián)。一般來說，測量工作者在設計水準線路時，必須先了解測區(qū)的磁偏角異常狀況，還要盡量避免水準測量線路經過大功率的發(fā)電廠、變電站、高壓電線等強磁場的工作環(huán)境；與此同時，測量工作

39、者必須向數(shù)字水準儀生產廠家了解掌握補償器的工作性能以及防磁的有關有效措施。3.1.3視準軸誤差數(shù)字水準儀同時擁有光學視準軸和電子視準軸兩視準軸。光學視準軸也就是我們傳統(tǒng)的光學水準儀的視準軸，它是指分劃板十字絲中心與望遠鏡的物鏡光心的連線，延長線視準軸所得直線就是視線，它是瞄準目標的重要依據；所以數(shù)字水準儀的i角分為光學i角與電子 i角。光學視準軸的作用是進行條碼尺的照準、調焦以及光學讀數(shù)；電子視準軸的作用則就是進行電子讀數(shù)。因為存在外界環(huán)境溫度變化、機械振動、望遠鏡調焦以及磁場的變化對視準軸i角的影響，所以i角誤差一般是指外界環(huán)境溫度為20。目標位于相當遠時，水準儀視準軸和水平面存在的角度。當

40、數(shù)字水準儀進行讀數(shù)時，它是以CCD上指定中點周圍的參考像素為基準而進行讀數(shù)。3.1.4探測器CCD的物理特性造成的誤差數(shù)字水準儀是依據條碼影像在CCD上的所在位置與比例進行工作的，線陣探測器CCD在光線太強或太弱、條碼尺面光照不均勻、觀測瞬間強光閃爍、外界物質熱閃爍等情況下，其物理特性會發(fā)生變化，這將極大降低標尺成像的對比度，會引起條碼尺局部失真的情況，帶來的后果就是產生測量誤差，甚至會出現(xiàn)無法讀數(shù)的情況。3.1.5信號分析和處理的誤差（1）信號分析方法的誤差 徠卡NA系列數(shù)字水準儀采用相關法進行測量，根據經驗，儀器里預存的參考信號（偽隨機碼）與測量信號（偽隨機碼）的相關（對齊）精度大約是碼元

41、寬度（或碼的波長）的1%。條碼標尺碼元寬度是2.025mm。所以相關精度大約是0.02mm。（2）圖像處理造成的誤差只有做好數(shù)字水準儀的測量信號處理工作，我們才能進行高精度水準測量等后續(xù)工作， 若CCD線陣上的條碼成像不清晰、完整、穩(wěn)定，再加上圖像處理技術的不佳，測量精度就會大大降低。一般造成圖像誤差的主要誤差影像有：1）探測器CCD的某些物理特性造成的誤差2）條碼標尺被擋住造成條碼信息缺失造成的誤差3）調焦的質量的不佳造成圖像的分辨率不佳引起的誤差4）條碼標尺歪斜造成的圖像發(fā)生變形引起的誤差5）外界環(huán)境條件變化造成的影像誤差只有獲取到穩(wěn)定、清楚、對比適中、全面的條碼影像，我們才能進行測量信號

42、生成和處理的工作，這是測量工作的關鍵所在。一般來說，數(shù)字水準儀內置的軟件就可以完成圖像的處理工作。它的誤差大小取決于軟件的算法的可行性與技術的先進性。3.1.6外界條件變化引起的誤差通常情況下，數(shù)字水準儀和條碼標尺構成的整個系統(tǒng)總是處于不斷變化的外界環(huán)境中，各種外界條件的不斷變化會造成數(shù)字水準儀各個部位難免產生一些誤差，該誤差影響一般表現(xiàn)為整個系統(tǒng)組合的綜合影響。一般受外界環(huán)境因素的影響造成的誤差有以下幾種：外界溫度不斷變化對電子i角產生的影響、大氣垂直折光產生的影響。3.1.7十字絲分劃板豎絲和CCD陣列焦線的一致性我們知道數(shù)字水準儀內置有兩個分劃板，一個就是我們熟悉的十字絲分劃板，作為瞄準

43、條碼標尺使用。另外一個則是CCD傳感器的光敏面，其由數(shù)百個乃至上千個縱向排列的像素組成的一條“電豎絲”，該電豎絲的寬度一般要比光學分劃板上的豎絲寬，它的作用是供電子讀數(shù)。光學分劃板上的豎絲與CCD傳感器的光敏面基本都處于望遠鏡物鏡的焦平面上，還有電豎絲和光學分劃板上的豎絲是鉛垂關系，前后左右不能偏離或者交叉。這種情況即為光電兩分劃板的一致性。若兩個分劃板其中任一個不處于望遠鏡物鏡的焦平面上，經光學調焦清晰之后，位于CCD光敏面上的條碼成像便會模糊不清，就會造成讀數(shù)誤差或延長讀數(shù)所需時間(隨讀數(shù)原理不同而定)，十字絲分劃板上的成像清晰并不能說明CCD光敏面上成像也清晰，它們不存在對應關系。如果電

44、豎絲偏離了十字絲分劃板上豎絲，或兩者存在交角，電子讀數(shù)的標尺部位則會與十字絲分劃板豎絲照準的標尺部分不一致，導致產生較大的測量誤差，甚至可能會出現(xiàn)不能讀數(shù)的狀況。第四章 數(shù)字水準儀的檢定內容及校正4.1數(shù)字水準儀的檢定項目樊鋼，趙瑞，李廣云，薛志宏.數(shù)字水準儀綜合精度檢測方法研究.測繪學院學報，2001年第01期數(shù)字水準儀測量精度雖然很高，但是也會受到許多誤差的影響，既有來自傳統(tǒng)光學水準儀的誤差，也有很多新誤差的產生。因此，若要進行數(shù)字水準儀的檢定工作，既要參照原始光學水準儀的有關檢定方法，還要設計出新的裝置和嚴密的檢定方法。來檢定數(shù)字水準儀的誤差的性質及影響的大小程度。通過前面對數(shù)字水準儀測

45、量原理及誤差源的分析探討，還有結合國內外對數(shù)字水準儀檢定方法和積累的經驗，目前檢定大致可劃分為兩種。一種是分項即對每項誤差進行單獨檢定，類似于光學水準儀的檢定方法，其檢定項目見下表所示另一種是系統(tǒng)精度檢定，就是把數(shù)字水準儀與配套標尺看作是一個整體系統(tǒng)，測定該系統(tǒng)固有的精度。這兩種檢定方法相互補充，使其檢定結果滿足數(shù)字水準儀的檢定要求，并且能夠更好地對數(shù)字水準儀的性能進行全面的評估。表4.1 數(shù)字水準儀的分項檢定項目序號被檢部分檢定項目所需檢定設備1數(shù)字水準儀主機通電檢視2圓水準的校檢3調教透鏡運行誤差專用平行光管或檢定場4視線觀測精度（安平精度）條碼尺或專用平行光管，兩維微傾臺5視準軸誤差（光

46、學i角和電子i角）條碼尺或專用平行光管6十字絲分劃板橫絲與豎絲是否垂直7補償誤差的檢定8磁致誤差檢定磁致誤差所需裝置9測站單次高差的標準差專用平行光管或條碼尺101千米往返測高差標準差專用平行光管、條碼尺或專用檢定場11鑒別率條碼尺和長度標準器12CCD傳感器位置正確性的檢定條碼尺或專用平行光管13標尺模糊對測量結果的影響條碼標尺或者專用平行光管14條碼標尺亮度對測量結果的影響條碼尺15視距測量精度的檢定專用檢定場16條碼標尺標尺的檢視17圓水準器的校檢兩臺經緯儀18標尺條碼表面彎曲差的檢定鋼直尺19條碼尺米真長及其條碼分劃誤差長度標準器具20標尺溫度膨脹系數(shù)高低溫試驗室21標尺零點差及一副標

47、尺零點不等差專用檢定設備或數(shù)字水準儀22標尺中心線和標尺底端是否垂直數(shù)字水準儀4.2數(shù)字水準儀常規(guī)項目檢定及方法從表可知，數(shù)字水準儀的全部檢定項目一共有22項，其中絕大多數(shù)檢定項目與光學水準儀的檢定方法一模一樣，本文重點討論以下幾個與數(shù)字水準儀直接關聯(lián)的檢定項目。4.2.1 數(shù)字水準儀角的檢定實驗（1）數(shù)字水準儀角檢定基本原理顧若冰.電子水準儀i角檢驗校正方法比較研究J.礦山測量，2008（10）:1520王欣.數(shù)字水準儀i角檢驗方法對比研究J.科技創(chuàng)新導報，2010（13）:1516在地面上選定兩個固定的點A、B，測出A、B的兩次觀測高差和，假設儀器存在角誤差，即按式知 (4.1) (4.2

48、)即 (4.3) (4.4) 目前在實際應用中常采用兩種方法，一種是設，所以就是沒有i角誤差影響的高差，將（4）式簡化可得 (4.5)另一種方法是設，此時有下式 (4.6)（2）數(shù)字水準儀i角的檢定與校正方法如圖下圖所示，首先架設數(shù)字水準儀在B點旁邊的處，與 B點相距大約3m左右，然后瞄準B點所立水準尺，得B水準尺讀數(shù)為。那么當兩軸平行時在A尺上的讀數(shù)為：，讀出A尺上的讀數(shù)，假設=，則水準管軸平行視準軸，否則存在i角。由圖可知： ，其中圖4.1數(shù)字水準儀i角變化示意圖為了保證保準確性，一共反復測量三次可得三組觀測數(shù)據，觀測數(shù)據如表所示 表4.2 觀測數(shù)據測站編號第一次AB1距離（m）30.03

49、130.097讀數(shù)（m）1.4611.4522距離（m）57.0123.014讀數(shù)（m）1.5601.548測站編號第二次AB1距離（m）30.03130.099讀數(shù)（m）1.4621.4532距離（m）57.0133.011讀數(shù)（m）1.5621.547測站編號第三次AB1距離（m）30.03030.096讀數(shù)（m）1.4611.4512距離（m）57.0133.012讀數(shù)（m）1.5611.548第一次測量數(shù)據代入公式得第二次測量數(shù)據代入公式得第三次測量數(shù)據代入公式得 費式法首先在站1位置處架數(shù)字水準儀，經過整平以后，在距離站1位置大約15m處的A點位置放置水準標尺，在該點安放尺墊，隨后點

50、擊測量鍵，并記下A點的水準尺讀數(shù)。旋轉水準儀，再在距A點相反的方向15m處的點安置水準尺，該點就是我們常說的轉點，需謹記該點絕不可放置尺墊，并標記該點所處位置，再在距離站1大約30m的B點再次安置水準尺，在該點安放尺墊，并記下B點的水準尺讀數(shù)，之后把儀器搬至剛才標記的轉點所在位置，整平以后，依次瞄準A、B點，記錄相應讀數(shù)，此方法即為費式法，具體方法即將兩條水準尺A、B放置在相距45m處的地方，將其平分為三份，水準儀則分別安置在這三個等分點上。根據有關公式，求出水準儀i角為： （4.7）式中：，是儀器在測站1時對A尺的讀數(shù)（視線高及視距）； ，是儀器在測站1時對B尺的讀數(shù)（視線高及視距）； ，是儀器在測站1時對A尺的讀數(shù)（視線高及視距）； ，是儀器在測站1時對B尺的讀數(shù)（視線高及視距）； 。如下圖所示標尺A 標尺B測站1測站2大約15m大約15m大約15m圖4.2 費式法檢定數(shù)字水準儀i角示意圖為了保證保準確性，一共反復測量三次可得三組觀測數(shù)據，觀測數(shù)據如表所示表4.3 觀測數(shù)據測站編號第一次AB1距離（m）15.09330.120讀數(shù)（m）1.4481.4472距離（m）30.13415.087讀數(shù)（m）1.3561.353測站編號第二次AB1距離（m）15.09430.121讀數(shù)（m）1.4481.44