電子水準儀原理.doc

電子水準儀原理培訓講課人：羅迪輝候 講課時間：4小時1.1 概述 1963 年Fennel廠研制出了編碼經緯儀，加上四十年代已經出現的電磁波測距技術，隨著光電技術、計算機技術和精密機械的發(fā)展，到八十年代已開始普遍使用電子測角和電子測距技術，然而到八十年代末水準測量還在使用傳統(tǒng)儀器。這是由于水準儀和水準標尺不僅在空間上是分離的，而且兩者的距離可以以1米多變化到100米，因此在技術上引起數字化讀數的困難。 為現實水準儀讀數的數字化，人們進行了近30年嘗試，如蔡司廠的RENI 002A已使測微器讀數能自動完成，但粗度數還需人工讀出并按鍵輸入，與精讀數一起存入存儲器，因此還算不上真正的電子水準儀，又如利用激光掃平儀和帶探測的水準標尺，可以使讀數 由標尺自動記錄，由于這種試驗結果還不能達到精密幾何水準測量的要求，因此也沒有解 決水準測量讀數自動化的難題。 1990年威特廠首先研制出數字水準儀NA2000?？梢哉f，從1990年起，大地測量儀器已經完成了從精密光機儀器向光機電測一體化的高技術產品的過渡，攻克了大地測量儀器中水準儀數字化讀數的這一最后難關。 到1994年蔡司廠研制出了電子水準儀DiNi10/20，同年拓普康廠也研制出了電子水準儀DL101/102。這意味著電子水準儀也將普及，并開始了激烈的市場競爭。同時也說明，目前還是幾何水準測量的精度高，沒有其它方法可以取代。GPS技術只能確定大地高，大地高換算成工程上感興趣的正，還需要知道高程異常，確定高程異常還少不了精密水準測量。這也是各廠家努力開發(fā)電子水準儀的原因之一。最后還說明了拓普康公司具有較 高的技術能力，能在世界上第二批研制出電子水準儀。 電子水準儀具有測量速度快、讀數客觀、能減輕作業(yè)勞動強度、精度高、測量數據便于輸入計算機和容易實現水準測量內外業(yè)一體化的特點，因此它投放市場后很快受到用戶青睞。國外的低精度高程測量盛行使用各種類型的激光定線儀和激光掃平儀。因此電子水準 儀定位在中精度和高精度水準測量范圍，分為兩個精度等級，中等精度的標準差為：1.0-1.5mm/Km,高精度的為：0.3-0.4mm/Km。 1.2 電子水準儀的基本原理 電子水準儀又稱數字水準儀，它是在自動安平水準儀的基礎上發(fā)展起來的。它采用條碼標尺，各廠家標尺編碼的條碼圖案不相同，不能互換使用。目前照準標尺和調焦仍需目視進行。人工完成照準和調焦之后，標尺條碼一方面被成象在望遠鏡分化板上，供目視觀測，另一方面通過望遠鏡的分光鏡，標尺條碼又被成象在光電傳感器（又稱探測器）上，即線陣CCD器件上，供電子讀數。因此，如果使用傳統(tǒng)水準標尺，電子水準儀又可以象普通自動安平水準儀一樣使用。不過這時的測量精度低于電子測量的精度。特別是精密電子水準儀，由于沒有光學測微器，當成普通自動安平水準儀使用時，其精度更低。 當前電子水準儀采用了原理上相差較大的三種自動電子讀數方法： 1）相關法（徠卡NA3002/3003） 2) 幾何法（蔡司DiNi10/20） 3) 相位法（拓普康DL101C/102C） 1.3 相位法原理 拓普康電子水準儀DL101C/102C采用相位法。標尺的條碼象經望遠鏡、調焦鏡、補償器的光學零件和分光鏡后，分成兩路，一路成象在CCD線陣上，用于進行光電轉換，另一路成象在分劃板上，供目視觀測。DL101標尺上部份條碼的圖案，其中有三種不同的碼條。R表示參考碼，其中有三條2mm寬的黑色碼條，每兩條黑色碼條之間是一條1mm寬的黃色碼條。以中間的黑碼條的中心線為準，每隔30mm就有一組R碼條重復出現。在每組R碼條左邊10mm處有一道黑色的B碼條。在每組參考碼R的右邊10mm處為一道黑色的A碼條。讀者不難發(fā)現，每組R碼條兩邊的A和B碼條的寬窄不相同，實際上A和B碼條的寬度是在0到10mm之間變化，這兩種碼包含了水準測量時的高度信息。儀器設計時有意安排了它們的寬度按正弦規(guī)律變化。其中A碼條的周期為600mm，B碼條的周期為570mm。當然，R碼條組兩邊的黃碼條寬度也是按正弦規(guī)律變化的，這樣在標尺長度方向上就形成了亮暗強度按正弦規(guī)律周期變化的亮度波。條碼的下面畫出了波形?？v坐標表示黑條碼的寬度，橫坐標市標尺的長度。實線為A碼的亮度波，虛線為B碼的亮度波。由于A和B兩條碼變化的周期不同，也可以說A和B亮度波的波長不同，在標尺長度方向上的每一位置上兩亮度波的相位差也不同。這種相位差就好象傳統(tǒng)水準標尺上的分劃，它可由標出標尺的長度。只要3能測出標尺底部某處的相位差，也就可由知道該處到標尺底部的高度，因為相位差可以作到和標尺長度一一對應，即具有單值性。這就是適當選則兩亮度波的波長，在DL101中A碼的周期為600mm，B碼的周期為570mm，它們的最小公倍數為11400mm，因此在3m長的標尺上不會有相同的相位差。為了確保標尺底端面，或說相位差分劃的端點相位差具有唯一性，A和B碼的相位在此錯過了/2。 DL102C的標尺與DL101C的略有區(qū)別，DL102C的標尺為白底黑條碼，A碼的波長為330mm，最小公倍數為3300mm。A和B碼在波長底部錯開的相位差為。DL101C的標尺與DL102C的標尺可由互換使用。 當望遠鏡照準標尺后，標尺上某一段的條碼就成象在線陣CCD上，黃條碼使CCD產生光電流，隨條碼寬窄的改變，光電流強度也變化。將它進行模數轉換(A/D)后，得到不同的灰度值。視距在0.6m時標尺上某小段成象到CCDA上經A/D轉換后，得到的不同灰度值(縱坐標)，橫坐標是CCD上象素的序號，當灰度值逐一輸出時，橫軸就代表時間了。橫坐標標記的數字判斷，儀器采用了512個象素的線陣CCD。視距和視線高的信息的測量信號。 如何從上述測量信號中求出A和B兩亮度波的相位差呢？下文用測量人員容易理解的方式來說明。設想縱坐標的灰度值就是表示亮度大小的十進位數字，而且橫坐標尺寸已放大到和標尺尺寸一致。我們用一波長為600mm的正弦曲線中的離散灰度值曲線擬合，就可由得到A波的最大振幅和初相位。再用波長為570mm的正弦曲線，就可由得到B波的最大振幅和初相位。我們對最大振幅不太感興趣，因為隨著標尺上的照度不同，最大振幅在不同次數的測量中也不同，對我們求視線高無關緊要。我們求出的A和B兩亮度波的初相位之差就是高度數據。不過這是與CCD上第一個象素對應的位置到標尺底端面的高度。我們不難把它換算成CCD中點象素上的相位差，這就好象是中絲讀數。 象上述那樣人工處理測量信號是很麻煩的，而且很費時間。在DL系列中則采用快速傅里葉變換(FFT)計算方法將測量信號在信號分析器中分解成三個頻率分量。由A和B兩信號的相位求相位差，即得到視線高讀數。這只是初讀數。因為視距不同時，標尺上的波長與測量信號波長的比例不同。雖然在同一視距上A和B的波長相同，可由求出相位差，或說視線高，但是可以想象其精度并不高。 R碼是為了提高讀數精度和求視距二安排的。設兩組R碼的間距為P(=30mm)，它在CCD行陣上成象所占的象素個數為Z,象素寬為D(=25m)，則P在CCD行陣上的成象長度為: L=Z*b (15) Z可由一信號分析中得出，b是CCD光敏窗口的寬度，因此l和P都為已知數據。根據幾何光學成象原理，可以象傳統(tǒng)儀器用視距絲測量距離的視距測量原理一樣求出視距： D=P/l*f (16) 式中f是望遠鏡物鏡的焦距。同時還可以求出物象比 A=P/l (17) 于是將測量信號放大到與標尺上的一樣時，再進行相位測量，就可以精確得出相位差，即視線高。 電子水準儀的三種測量原理各有奧妙，三類儀器都經受了各種檢驗和實際測量的考驗，能勝任精密水準測量作業(yè)。拓普康公司在原理上能獨樹一幟，說明該公司具有雄厚的技術實力，市的值得信賴的公司。 1.4 電子水準儀的特點 1.4.1電子水準儀的共同特點 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象處理電子系統(tǒng)二構成的光機電測一體化的高科技產品。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)儀器相比有以下共同特點： 1) 讀數客觀。不存在誤差、誤記問題，沒有人為讀數誤差。 2) 精度高。 視線高和視距讀數都是采用大量條碼分劃圖象經處理后取平均得出來的，因此削弱了標尺分劃誤差的影響。多數儀器都有進行多次讀數取平均的功能，可以削弱外界條件影響。不熟練的作業(yè)人員業(yè)也能進行高精度測量。 3) 速度快。由于省去了報數、聽記、現場計算的時間以及人為出錯的重測數量，測量時間與傳統(tǒng)儀器相比可以節(jié)省1/3左右。 4) 效率高。只需調焦和按鍵就可以自動讀數，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，可實線內外業(yè)一體化。 1.4.2拓普康DL(C)系列的具體特點 拓普康DL系列作為電子水準儀家族中的一員。以高性能、低價格深受廣大用戶的歡迎。DL系列造型美觀、內置功能強、菜單功能豐富、操作界面友好，有各種信息提示，大大方便了實際操作。 主要特點為： ） 在字母狀態(tài)下，可輸入數字、大小寫字母及常用標點符號如(！“()*_+等)。 ） 即可以進行自動測量(用條碼標尺，目前可使用三種標尺：鋁合金標尺SA5M、玻璃纖維尺SG3M和銦鋼尺SI3/T或SI3)，又可以進行人工讀數(普通標尺)。 ） 有多次測量、自動求平均值，統(tǒng)計測量誤差功能。 ） 有三種線路水準測量模式：后前前后、后后前前、后前。給定測量限差值，儀器可自動判斷測量現差，超限時 提示重測，能自動計算線路閉合差等。 ） DL系列有三種記錄模式：即RAM方式，直接存在儀器內部RAM中(128K)，可存大約2400組數據：RS232C方式，可通過電纜將測量數據存到外接計算機或用戶開發(fā)的電子手簿，進行聯(lián)機實時測量：OFF方式，測量結果只顯示在儀器屏幕上，不進行存儲。DL系列主機內存可存儲約1100個點的數據，并在前一型號DL系列基礎上增加了PCMCIA卡存儲功能。目前，PCMCIA卡的容量主要有256K、512K、1M。 ） 雖然儀器的顯示屏較小，但保存在儀器內部的測量結果可在儀器上用SRCH鍵進行查閱。 ） 具有高程放樣和測量水準支點的功能。 ）