【文章內(nèi)容簡介】 光學讀數(shù)電子讀數(shù)測程范圍 60m玻璃鋼尺 110m錮瓦尺 100m折疊條碼尺 100m錮瓦尺2 60m玻璃鋼尺2 100m錮瓦尺6 100m玻璃鋼尺6 100m玻璃鋼尺 100m最小顯示測量時間3秒3秒4秒3秒4秒放大倍率24X32X32X32X28X補償范圍177。1039。177。1039。177。1039。177。1039。177。1039。補償精度177。177。177。177。177。電子水準儀相對于光學水準儀的特點電子水準儀是以自動安平水準儀為基礎，在望遠鏡光路中增加了分光鏡和探測器(CCD)，并采用條碼標尺和圖像處理電子系統(tǒng)而構成的光機電測量一體化的高科技產(chǎn)品。采用普通標尺時，又可象一般自動安平水準儀一樣使用。它與傳統(tǒng)光學水準儀相比有以下優(yōu)點:1)讀數(shù)客觀。不存在誤讀、誤記問題，沒有人為讀數(shù)誤差。2)精度優(yōu)。視線高和視距讀數(shù)都是采用大量條碼分劃圖像經(jīng)過處理后取平均得出來的，因此削弱了標尺分劃誤差的影響。多數(shù)儀器都有進行多次讀數(shù)取平均的功能，可以削弱外界條件如振動、大氣擾動等的影響。這同時也就要求標尺條碼要有足夠的可見范圍，任何對有效條碼的遮擋都將影響儀器的測量精度。3)速度快，效率高。由于只需整置儀器圓氣泡居中后即可進行測量(補償器已經(jīng)開始工作)，而且電子水準儀沒有測微器，省去了一次照準兩次測微器符合進行重復測量，測量時間與傳統(tǒng)儀器相比至少可以節(jié)省1/3左右。4)效率高，只需調(diào)焦和按鍵就可以自動讀數(shù)，減輕了勞動強度。視距還能自動記錄，檢核，處理并能輸入電子計算機進行后處理，可實線內(nèi)外業(yè)一體化:5）操作簡單，由于儀器實現(xiàn)了讀數(shù)和記錄的自動化，并預存了大量測量和檢核程序，在操作時還有實時提示，因此測量人員可以很快掌握使用方法，減少了培訓時間，即使不熟練的作業(yè)人員也能進行高精度測量。6)易于實現(xiàn)測量內(nèi)外一體化。測量數(shù)據(jù)能自動采集、檢核、處理。光學水準儀的標尺讀數(shù)，只能用人工鍵盤式輸入電子手薄，難以實現(xiàn)自動化。數(shù)字電子儀將數(shù)據(jù)直接記錄在卡上，時檢核，按規(guī)定格式輸出，便于在計算機上處理，形成自動流程。另外，電子水準儀也存在一些不如光學水準儀的缺點，主要表現(xiàn)為:1)電子水準儀測量不如光學水準儀測量靈活。由于電子水準儀只能對其配套標尺進行照準讀數(shù)，而在有些部門的應用中，使用自制的標尺，甚至是普通的鋼板尺，只要有刻劃線，光學水準儀就能讀數(shù)，而電子水準儀則無法工作。同時，電子水準儀要求有一定的視場范圍，但有些情況下，只能通過一個較窄的狹縫進行照準讀數(shù)，這時就只能使用光學水準儀。2)電子水準儀受外界條件影響大。由于電子水準儀是由CCD探測器來分辨標尺條碼的圖像，然后進行電子讀數(shù)，而光照強度、大氣折射、熱抖動、調(diào)焦質(zhì)量的好壞，都會影響編碼標尺在CCD上的成像質(zhì)量，從而影響測量精度。此外，周圍環(huán)境的磁場強度、通視程度等因素都會影響電子水準儀測量。由于各廠家的標尺編碼規(guī)則不同，電子讀數(shù)的原理也不同，導致不同廠家的產(chǎn)品在技術指標和性能上也有一些差別。下面對徠卡、蔡司(Trimble)和拓普康三個廠家的精密電子水準儀加以比較。1）測量原理與編碼標尺規(guī)則不同:徠卡儀器采用相關法讀數(shù)，蔡司采用幾何法讀數(shù)，拓撲康采用相位法讀數(shù)。2)技術指標的差別:各廠家的電子水準儀由于設計思路不同，采用的原理不同，導致在技術指標上存在一些差別，如測量時間不同，對標尺條碼截取的范圍不同，計算方法不同等。3)性能的差別:由于不同廠家產(chǎn)品的電子讀數(shù)原理不同，從而反映在它們的性能上也存在差別。(1) 折光差:由于空氣中折射率的梯度的存在，對視線高的影響。當視線靠近地面時，由于受折光的影響，標尺影像將產(chǎn)生形變，導致光電傳感器圖形處理的困難，從而對電子讀數(shù)產(chǎn)生影響，造成折光差。但由于三種儀器的讀數(shù)原理不同，受折光差的影響大小也不同，蔡司儀器受折光差的影響要小于其它兩種儀器。這主要是因為蔡司電子電子儀在讀數(shù)時，僅用到中絲上下各15cm的標尺截距，并沒有用的到全視場的條碼，所以當視線靠近地面時，受折光差的影響小，而其它兩種儀器利用視場中的所有條碼，靠近地面的條碼也參加讀數(shù)，而最后的判讀結果是所有這些條碼的平均值，所以受折光差的影響大。(2) 紅外光線的影響不同徠卡NA系列電子水準儀具有“譜靈敏度”，即電子水準儀的探測器是利用光線的紅外部分接收和檢測條碼影像的。因此，在人工光線下進行測量時，如果紅外光成分較弱時，會造成測量誤差，甚至無法讀數(shù)。另外，對標尺像的背景色也有一定的要求，當標尺背景為紅色(如紅色墻等)或接近探測器的工作色譜時，則電子讀數(shù)將遇到困難，作業(yè)時應加以注意。而蔡司和拓普康的電子水準儀是利用可見光來接收和檢測條碼影像的，所以不受此影響，它們只要求標尺要有足夠的照明。(3)調(diào)焦對測量結果的影響不同蔡司電子水準儀的標尺每2cm劃分為一個測量間距，其中的條碼構成一個碼詞，每個測量間距的邊界由黑白過渡線構成，其下邊界到標尺底部的高度，可以由該測量間距中的碼詞判讀出來，望遠鏡中絲照準的那個碼詞，被判讀出來后就可得到視線高讀數(shù)。這種讀數(shù)原理對條碼分劃邊沿的成像質(zhì)量要求高，要求調(diào)焦要清晰，否則對讀數(shù)將產(chǎn)生較大影響。而徠卡和拓普康的電子水準儀是利用視場中的每個條碼的中心線讀數(shù)，因此條碼成像質(zhì)量對讀數(shù)沒有多大影響，但是條碼成像模糊時，儀器會通過延長圖像處理時間來獲得讀數(shù)。但是也應該注意，雖然通常調(diào)焦波動，對測量結果只產(chǎn)生微不足道的影響，但若是大量測量都是這樣，就會影響最后的測量精度。因此要獲得最佳的測量精度，每站的儀器調(diào)焦質(zhì)量也很重要。(4)對標尺遮擋的容許幅度不同在水準測量中，標尺不同部位常遭樹枝、雜草等障礙物遮擋，在山地或公路旁作業(yè)時更是如此。各廠家的電子水準儀在設計時也考慮到了這一點，因此在儀器出廠時都給出了此項性能指標。由于電子水準儀的讀數(shù)并不是采用編碼標尺上的某一處條碼刻劃，而是對視場中標尺截距編碼的平均值，因此允許標尺部分遮擋。只是不同廠家的儀器由于讀數(shù)原理和采用的條碼范圍不同，對標尺遮擋的容許幅度也不同。蔡司的電子水準儀是利用對稱于視準軸上下各15cm的標尺編碼來讀數(shù)，即使視場中有多余的標尺編碼，也不參與讀數(shù)，這部分標尺被遮擋不影響測量值，若視距位于最小視距和幾米之間時(視場角是一定的)，落在視場里的編碼尺段只要有10cm就能觀測。同時，蔡司的電子水準儀具有標尺非對稱截距測量功能。但是，這類儀器的中絲附近條碼不允許遮擋。對于徠卡和拓普康的儀器，是利用視場中的所有條碼來進行讀數(shù)。當視距大于5m時，徠卡電子水準儀對遮擋的容許幅度一般為20%30%，當視距小于5m時，標尺稍有遮擋可能就無法讀數(shù)，而對中絲是否遮擋沒有特殊要求。第三章 電子水準儀的誤差電子水準儀依據(jù)圖像識別的原理，將編碼尺的圖像信息與己存貯的參考信息進行比較，從而獲得高程信息。它的測量速度快，操作簡單，易于實現(xiàn)內(nèi)外業(yè)一體化，代表了水準儀的發(fā)展方向。電子水準儀基于自動安平水準儀，因此，在傳統(tǒng)的自動安平水準儀上存在的誤差，在電子水準儀上仍然存在。電子水準儀獲取的是編碼尺多條編碼的信息，其結果取平均效應，其檢驗方法與光學水準儀有所差別。在一般情況下，光學水準儀的檢驗是將儀器和標尺分開進行的，電子水準儀則應當與其配套的水準標尺一起進行檢驗。根據(jù)在檢測工作中所接觸到的儀器，對電子水準儀的檢驗進行討論[15]。(1)圓水準器位置不正確圓水準器位置不正確可引起水準儀豎軸傾斜，形成“水平面傾斜”誤差。各自的產(chǎn)品時，只在儀器上配置了圓水準器和電子水準器(沒有長水準器)，同時增加了補償器的補償范圍(1039。1539。)，只要圓水準器居中，補償器就可以工作，而無需用電子水準器來精密調(diào)平儀器，這樣旨在提高測量速度。目前各廠家電子水準儀上安裝有靈敏度為839。/2mm(索佳、蔡司、徠卡)或1039。/2mm(拓普康)的圓水準器，長時間的使用、運輸或溫度變化，都會使氣泡偏離其正確位置而產(chǎn)生漂移，致使儀器豎軸傾斜，無法建立正確的水平視線。偏移量較大時，還會導致補償器無法工作。(2)補償器誤差 電子水準儀的補償器與光學自動安平水準儀的補償器，都屬于交叉吊帶重力擺補償器，其表現(xiàn)特性也基本一致，基本能夠滿足精密水準測量的要求(《)。但是，經(jīng)過運輸、溫度變化和長時間的使用使其內(nèi)應力變化，其補償性能差異也較大。補償器誤差分為補償器安置誤差和補償器滯后誤差。前者反映補償器建立水平視線的重復精度，通常作為儀器出廠的重要技術指標。后者指補償器的平衡位置和靜止位置之差。(3)視準軸誤差(i角誤差) 在電子水準儀上，i角誤差分為光學i角誤差和電了i角誤差。由于環(huán)境溫度、機械振動(如儀器搬站等)、望遠鏡調(diào)焦和磁場(包括地球磁場和外部電磁場)會引起i角變化。因此i角誤差通常指環(huán)鏡溫度為20oC，在日標無窮遠時儀器視準軸與水平面間的夾角。電子水準儀在電子讀數(shù)時，是以CCD器件上認定的中點附近的這個像素為參考基準的，改正電i角，或說電子視準軸。各廠家的儀器中內(nèi)置的i角自檢程序，就是用軟件改變認定的這個參考像素的位置，通過儀器內(nèi)置軟件計算出電i角的值，該值已存儲到儀器中，并自動對測量結果進行改正。但是，還存在電子i角的殘余誤差，影響電子水準儀測量結果的，正是這部分誤差。(4)補償誤差由于補償器性能不完善導致的儀器視準軸傾斜，會對前后觀測帶來“水平面傾斜”誤差。(5)高程誤差其它原因?qū)е碌摹八矫鎯A斜”誤差(6）望遠鏡調(diào)焦誤差當觀測前后視距不等時，望遠鏡在旋進或旋出的過程中，引起視準軸的位置發(fā)生變化，從而給觀測值帶來影響。它是反映電子水準儀望遠鏡性能好壞的一項指標。(1)尺底面缺陷尺底面缺陷包括零點誤差、尺底面不平和尺底面與尺的軸線不垂直等。(2)水準尺缺陷水準尺缺陷卞要有水準尺上的圓水準器不正確、因瓦鋼帶的拉力不正確、水準尺的比例誤差(包括比例誤差和比例誤差的變化)、溫度膨脹和尺彎曲和扭曲等。其中圓水準器不正確將引起水準尺的傾斜，導致較大系統(tǒng)誤差。(3)水準尺分劃誤差包括標尺條碼線的編碼分劃誤差和有缺陷的條碼線引起的分劃誤差。電子水準儀不同于光學水準儀，觀測中測量的不是標尺上的單個分劃，標尺分劃誤差對觀測讀數(shù)的影響是成像在CCD探測器上的所有分劃線的分劃誤差的平均值，加上當前先進的制造加工工藝和過程確保了標尺編碼分劃線的誤差很小，因此標尺分劃誤差對電子水準儀測量的影響遠比光學水準儀小的多。實際測量中，觀測視距不能過長(標尺上所有分劃誤差都帶入觀測值中)，另外視準線避免過高或過低。 (4)其它包括普通水準尺的聯(lián)接誤差和因潮濕引起的膨脹。(1)最小讀數(shù)及其進位誤差(2)讀數(shù)誤差讀數(shù)誤差由測量信號遮擋、測尺照度不均勻、視線位于頂部或底部、調(diào)焦位置不正確、震動等外界因素和周期誤差(包括周期誤差隨視距變化)等內(nèi)在因素引起。國外對電子水準儀的研究結果表明，有些儀器讀數(shù)存在周期誤差，如Wild NA2000在視距15 mm,波長為2 mm的周期誤差。(3)內(nèi)符合精度通常情況下，儀器的內(nèi)符合精度與視距、震動、光強、對比度、調(diào)焦和氣象條件等因素直接相關。從上述分析可以看出，電子水準儀的誤差構成較為復雜。對普通用戶而言，只需檢定主要項目。常規(guī)檢定可以參照現(xiàn)行光學水準儀的檢定方法進行。但對儀器i角和綜合精度的檢定則須采用專門的方法。 第四章 電子水準儀的檢驗與校正通過前面對電子水準儀的原理及誤差的分析，可以看出:影響電子水準儀測量精度的誤差源比較多，既有繼承自光學自動安平水準儀的誤差源，又包含了由于光電技術的使用帶來的新的誤差源。有些誤差的影響，是可以通過在觀測過程中選擇合適的觀測條件，制定有效的觀測方法，對其削弱或消除，如觀測前晾置儀器一段時間、選擇合適的觀測視距和觀測路線(減少標尺遮擋影響)、避開熱抖動、強磁場環(huán)境、注意調(diào)焦質(zhì)量等措施進行觀測等。由于這些誤差對觀測值的影響程度很難確定(隨觀測儀器的類型、觀測人員和觀測條件的不同而不同，變化較大)，只能通過制定電子水準儀作業(yè)規(guī)范加以限制和改善，而在制定儀器檢定規(guī)程時，鑒于此類誤差的不確定性和室內(nèi)檢定的條件，作者認為應不列入檢定項目之中。確定電子水準儀的檢定項目，既要參照光學自動安平水準儀的定方法，還要增加新的檢驗項目和裝置，制定新的檢定方法和手段，才能檢驗儀器的各方面性能，全面、客觀反映儀器精度是否達標。參考國內(nèi)外對光學水準儀和電子水準儀檢驗的方法和經(jīng)驗，通過研究生期間所做的調(diào)研和觀測數(shù)據(jù)，結合目前檢定室內(nèi)的實際條件，作者認為將電子水準儀進行分項檢定和系統(tǒng)精度檢定相結合是比較客觀合理的(類似于全站儀檢定:分項檢定和精度評估)。分項檢定類似于常規(guī)光學水準儀的檢驗方法，檢定方法和指標明確，但不能完全滿足評價電子水準儀性能，:系統(tǒng)檢定是將電子水準儀和其配套標尺作為一個完整的測量系統(tǒng)，檢定該系統(tǒng)的整體精度。對電子水準儀進行分項檢定，大多數(shù)項目同光學自動安平水準儀相同，可參照自動安平水準儀的檢定方法和限差指標進行。目前國內(nèi)大多數(shù)計量部門對電子水準儀的檢定采用的就是這種方法，就此本文不作過多介紹，僅就不同于光學水準儀的一些檢定項目作以下四點說明:序號儀器檢驗項目新儀器作業(yè)前1電子水準儀儀器外觀、通電檢視++2圓水準器的檢校++3望遠鏡調(diào)焦運行誤差++4視線觀測中誤差(安平精度)++5視準軸誤差(光學i角和電子i角)++6內(nèi)符合精度++7補償范圍+8補償精度++9測站單次高差的中誤差++10系統(tǒng)分辨力++11條碼水準標尺圓水準器的檢校++12一對標尺的零點差++13標尺的檢視++14測程(視距)范圍+注:表中“+”表