【文章內(nèi)容簡介】 光學(xué)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(bǔ)償范圍177。1039。177。1039。177。1039。177。1039。177。1039。補(bǔ)償精度177。177。177。177。177。電子水準(zhǔn)儀相對于光學(xué)水準(zhǔn)儀的特點(diǎn)電子水準(zhǔn)儀是以自動安平水準(zhǔn)儀為基礎(chǔ)，在望遠(yuǎn)鏡光路中增加了分光鏡和探測器(CCD)，并采用條碼標(biāo)尺和圖像處理電子系統(tǒng)而構(gòu)成的光機(jī)電測量一體化的高科技產(chǎn)品。采用普通標(biāo)尺時，又可象一般自動安平水準(zhǔn)儀一樣使用。它與傳統(tǒng)光學(xué)水準(zhǔn)儀相比有以下優(yōu)點(diǎn):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(biāo)尺分劃誤差的影響。多數(shù)儀器都有進(jìn)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(biāo)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(jìn)行測量(補(bǔ)償器已經(jīng)開始工作)，而且電子水準(zhǔn)儀沒有測微器，省去了一次照準(zhǔn)兩次測微器符合進(jìn)行重復(fù)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(qiáng)度。視距還能自動記錄，檢核，處理并能輸入電子計算機(jī)進(jìn)行后處理，可實(shí)線內(nèi)外業(yè)一體化:5）操作簡單，由于儀器實(shí)現(xiàn)了讀數(shù)和記錄的自動化，并預(yù)存了大量測量和檢核程序，在操作時還有實(shí)時提示，因此測量人員可以很快掌握使用方法，減少了培訓(xùn)時間，即使不熟練的作業(yè)人員也能進(jìn)行高精度測量。6)易于實(shí)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(xué)水準(zhǔn)儀的標(biāo)尺讀數(shù)，只能用人工鍵盤式輸入電子手薄，難以實(shí)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(jī)上處理，形成自動流程。另外，電子水準(zhǔn)儀也存在一些不如光學(xué)水準(zhǔn)儀的缺點(diǎn)，主要表現(xiàn)為:1)電子水準(zhǔn)儀測量不如光學(xué)水準(zhǔn)儀測量靈活。由于電子水準(zhǔn)儀只能對其配套標(biāo)尺進(jìn)行照準(zhǔn)讀數(shù)，而在有些部門的應(yīng)用中，使用自制的標(biāo)尺，甚至是普通的鋼板尺，只要有刻劃線，光學(xué)水準(zhǔn)儀就能讀數(shù)，而電子水準(zhǔn)儀則無法工作。同時，電子水準(zhǔn)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(jìn)行照準(zhǔn)讀數(shù)，這時就只能使用光學(xué)水準(zhǔn)儀。2)電子水準(zhǔn)儀受外界條件影響大。由于電子水準(zhǔn)儀是由CCD探測器來分辨標(biāo)尺條碼的圖像，然后進(jìn)行電子讀數(shù)，而光照強(qiáng)度、大氣折射、熱抖動、調(diào)焦質(zhì)量的好壞，都會影響編碼標(biāo)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(qiáng)度、通視程度等因素都會影響電子水準(zhǔn)儀測量。由于各廠家的標(biāo)尺編碼規(guī)則不同，電子讀數(shù)的原理也不同，導(dǎo)致不同廠家的產(chǎn)品在技術(shù)指標(biāo)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(zhǔn)儀加以比較。1）測量原理與編碼標(biāo)尺規(guī)則不同:徠卡儀器采用相關(guān)法讀數(shù)，蔡司采用幾何法讀數(shù)，拓?fù)淇挡捎孟辔环ㄗx數(shù)。2)技術(shù)指標(biāo)的差別:各廠家的電子水準(zhǔn)儀由于設(shè)計思路不同，采用的原理不同，導(dǎo)致在技術(shù)指標(biāo)上存在一些差別，如測量時間不同，對標(biāo)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(dāng)視線靠近地面時，由于受折光的影響，標(biāo)尺影像將產(chǎn)生形變，導(dǎo)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(biāo)尺截距，并沒有用的到全視場的條碼，所以當(dāng)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(jié)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(zhǔn)儀具有“譜靈敏度”，即電子水準(zhǔn)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(jìn)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(biāo)尺像的背景色也有一定的要求，當(dāng)標(biāo)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(yīng)加以注意。而蔡司和拓普康的電子水準(zhǔn)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(biāo)尺要有足夠的照明。(3)調(diào)焦對測量結(jié)果的影響不同蔡司電子水準(zhǔn)儀的標(biāo)尺每2cm劃分為一個測量間距，其中的條碼構(gòu)成一個碼詞，每個測量間距的邊界由黑白過渡線構(gòu)成，其下邊界到標(biāo)尺底部的高度，可以由該測量間距中的碼詞判讀出來，望遠(yuǎn)鏡中絲照準(zhǔn)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(zhǔn)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(yīng)該注意，雖然通常調(diào)焦波動，對測量結(jié)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(biāo)尺遮擋的容許幅度不同在水準(zhǔn)測量中，標(biāo)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(zhǔn)儀在設(shè)計時也考慮到了這一點(diǎn)，因此在儀器出廠時都給出了此項性能指標(biāo)。由于電子水準(zhǔn)儀的讀數(shù)并不是采用編碼標(biāo)尺上的某一處條碼刻劃，而是對視場中標(biāo)尺截距編碼的平均值，因此允許標(biāo)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(biāo)尺遮擋的容許幅度也不同。蔡司的電子水準(zhǔn)儀是利用對稱于視準(zhǔn)軸上下各15cm的標(biāo)尺編碼來讀數(shù)，即使視場中有多余的標(biāo)尺編碼，也不參與讀數(shù)，這部分標(biāo)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(zhǔn)儀具有標(biāo)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(jìn)行讀數(shù)。當(dāng)視距大于5m時，徠卡電子水準(zhǔn)儀對遮擋的容許幅度一般為20%30%，當(dāng)視距小于5m時，標(biāo)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(zhǔn)儀的誤差電子水準(zhǔn)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(jìn)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(shí)現(xiàn)內(nèi)外業(yè)一體化，代表了水準(zhǔn)儀的發(fā)展方向。電子水準(zhǔn)儀基于自動安平水準(zhǔn)儀，因此，在傳統(tǒng)的自動安平水準(zhǔn)儀上存在的誤差，在電子水準(zhǔn)儀上仍然存在。電子水準(zhǔn)儀獲取的是編碼尺多條編碼的信息，其結(jié)果取平均效應(yīng)，其檢驗方法與光學(xué)水準(zhǔn)儀有所差別。在一般情況下，光學(xué)水準(zhǔn)儀的檢驗是將儀器和標(biāo)尺分開進(jìn)行的，電子水準(zhǔn)儀則應(yīng)當(dāng)與其配套的水準(zhǔn)標(biāo)尺一起進(jìn)行檢驗。根據(jù)在檢測工作中所接觸到的儀器，對電子水準(zhǔn)儀的檢驗進(jìn)行討論[15]。(1)圓水準(zhǔn)器位置不正確圓水準(zhǔn)器位置不正確可引起水準(zhǔn)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(zhǔn)器和電子水準(zhǔn)器(沒有長水準(zhǔn)器)，同時增加了補(bǔ)償器的補(bǔ)償范圍(1039。1539。)，只要圓水準(zhǔn)器居中，補(bǔ)償器就可以工作，而無需用電子水準(zhǔn)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(zhǔn)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(zhǔn)器，長時間的使用、運(yùn)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(dǎo)致補(bǔ)償器無法工作。(2)補(bǔ)償器誤差 電子水準(zhǔn)儀的補(bǔ)償器與光學(xué)自動安平水準(zhǔn)儀的補(bǔ)償器，都屬于交叉吊帶重力擺補(bǔ)償器，其表現(xiàn)特性也基本一致，基本能夠滿足精密水準(zhǔn)測量的要求(《)。但是，經(jīng)過運(yùn)輸、溫度變化和長時間的使用使其內(nèi)應(yīng)力變化，其補(bǔ)償性能差異也較大。補(bǔ)償器誤差分為補(bǔ)償器安置誤差和補(bǔ)償器滯后誤差。前者反映補(bǔ)償器建立水平視線的重復(fù)精度，通常作為儀器出廠的重要技術(shù)指標(biāo)。后者指補(bǔ)償器的平衡位置和靜止位置之差。(3)視準(zhǔn)軸誤差(i角誤差) 在電子水準(zhǔn)儀上，i角誤差分為光學(xué)i角誤差和電了i角誤差。由于環(huán)境溫度、機(jī)械振動(如儀器搬站等)、望遠(yuǎn)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(biāo)無窮遠(yuǎn)時儀器視準(zhǔn)軸與水平面間的夾角。電子水準(zhǔn)儀在電子讀數(shù)時，是以CCD器件上認(rèn)定的中點(diǎn)附近的這個像素為參考基準(zhǔn)的，改正電i角，或說電子視準(zhǔn)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(rèn)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(jié)果進(jìn)行改正。但是，還存在電子i角的殘余誤差，影響電子水準(zhǔn)儀測量結(jié)果的，正是這部分誤差。(4)補(bǔ)償誤差由于補(bǔ)償器性能不完善導(dǎo)致的儀器視準(zhǔn)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(yuǎn)鏡調(diào)焦誤差當(dāng)觀測前后視距不等時，望遠(yuǎn)鏡在旋進(jìn)或旋出的過程中，引起視準(zhǔn)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(zhǔn)儀望遠(yuǎn)鏡性能好壞的一項指標(biāo)。(1)尺底面缺陷尺底面缺陷包括零點(diǎn)誤差、尺底面不平和尺底面與尺的軸線不垂直等。(2)水準(zhǔn)尺缺陷水準(zhǔn)尺缺陷卞要有水準(zhǔn)尺上的圓水準(zhǔn)器不正確、因瓦鋼帶的拉力不正確、水準(zhǔn)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(zhǔn)器不正確將引起水準(zhǔn)尺的傾斜，導(dǎo)致較大系統(tǒng)誤差。(3)水準(zhǔn)尺分劃誤差包括標(biāo)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(zhǔn)儀不同于光學(xué)水準(zhǔn)儀，觀測中測量的不是標(biāo)尺上的單個分劃，標(biāo)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(dāng)前先進(jìn)的制造加工工藝和過程確保了標(biāo)尺編碼分劃線的誤差很小，因此標(biāo)尺分劃誤差對電子水準(zhǔn)儀測量的影響遠(yuǎn)比光學(xué)水準(zhǔn)儀小的多。實(shí)際測量中，觀測視距不能過長(標(biāo)尺上所有分劃誤差都帶入觀測值中)，另外視準(zhǔn)線避免過高或過低。 (4)其它包括普通水準(zhǔn)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(jìn)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(zhǔn)儀的研究結(jié)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(qiáng)、對比度、調(diào)焦和氣象條件等因素直接相關(guān)。從上述分析可以看出，電子水準(zhǔn)儀的誤差構(gòu)成較為復(fù)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(xué)水準(zhǔn)儀的檢定方法進(jìn)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(zhǔn)儀的檢驗與校正通過前面對電子水準(zhǔn)儀的原理及誤差的分析，可以看出:影響電子水準(zhǔn)儀測量精度的誤差源比較多，既有繼承自光學(xué)自動安平水準(zhǔn)儀的誤差源，又包含了由于光電技術(shù)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(biāo)尺遮擋影響)、避開熱抖動、強(qiáng)磁場環(huán)境、注意調(diào)焦質(zhì)量等措施進(jìn)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(zhǔn)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(rèn)為應(yīng)不列入檢定項目之中。確定電子水準(zhǔn)儀的檢定項目，既要參照光學(xué)自動安平水準(zhǔn)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(dá)標(biāo)。參考國內(nèi)外對光學(xué)水準(zhǔn)儀和電子水準(zhǔn)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(jié)合目前檢定室內(nèi)的實(shí)際條件，作者認(rèn)為將電子水準(zhǔn)儀進(jìn)行分項檢定和系統(tǒng)精度檢定相結(jié)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(xué)水準(zhǔn)儀的檢驗方法，檢定方法和指標(biāo)明確，但不能完全滿足評價電子水準(zhǔn)儀性能，:系統(tǒng)檢定是將電子水準(zhǔn)儀和其配套標(biāo)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(zhǔn)儀進(jìn)行分項檢定，大多數(shù)項目同光學(xué)自動安平水準(zhǔn)儀相同，可參照自動安平水準(zhǔn)儀的檢定方法和限差指標(biāo)進(jìn)行。目前國內(nèi)大多數(shù)計量部門對電子水準(zhǔn)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(xué)水準(zhǔn)儀的一些檢定項目作以下四點(diǎn)說明:序號儀器檢驗項目新儀器作業(yè)前1電子水準(zhǔn)儀儀器外觀、通電檢視++2圓水準(zhǔn)器的檢校++3望遠(yuǎn)鏡調(diào)焦運(yùn)行誤差++4視線觀測中誤差(安平精度)++5視準(zhǔn)軸誤差(光學(xué)i角和電子i角)++6內(nèi)符合精度++7補(bǔ)償范圍+8補(bǔ)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(zhǔn)標(biāo)尺圓水準(zhǔn)器的檢校++12一對標(biāo)尺的零點(diǎn)差++13標(biāo)尺的檢視++14測程(視距)范圍+注:表中“+”表