数字水准仪的功能特点及测量原理理工科技论文.doc

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数字水准仪的功能特点及测量原理_理工科技论文【摘要】数字水准仪的问世革新了传统意义上的水准测量，利用水准标尺上（条形码）得到的光学图像转换成数字电子图像并加以处理，避免了测量员目估分划值的误差，极大地提高了测量精度和生产效率。【关键词】数字水准仪;测量系统;工作原理;误差;精密工程测量0.引言数字水准仪是20世纪90年代初出现的新型几何水准测量仪器，它的出现解决了水准仪数字化读数的难题，标志着大地测量完成了从精密光机仪器到光机电测一体化的高科技产品的过渡。由于数字水准仪克服了传统水准测量的诸多弊端，具有读数客观、精度高、速度快、能够减轻作业强度、测量结果便于输入计算机和容易实现水准测量内外业一体化的特点，其市场应用前景十分乐观。目前占据数字水准仪市场的主要是瑞士Leica公司、德国Zeiss公司以及日本Topcon和Sokkia公司生产的几种型号的产品。本文以瑞士Leica公司为例介绍数字水准仪的特点、误差来源、测量系统的组成及工作原理等。1.数字水准测量系统的组成及工作原理一个数字水准仪测量系统主要是由编码标尺、光学望远镜、补偿器、CCD传感器以及微处理控制器和相关的图象处理软件等组成。工作基本原理是标尺上的条码图案经过光反射，一部分光束直接成像在望远镜分划板上，供目视观测，另一部分光束通过分光镜被转折到线阵CCD传感器的像平面上，经光电转换、整形后再经过模数转换，输出数字信号被送到微处理器进行处理和存储，并将其与仪器内存的标准码（参考信号）按一定方式进行比较，即可获得视线高度和水平距离。就象光学水准测量一样，测量标尺要直立，只要把标尺照亮，还可以在夜间进行测量（传感器的敏感范围从最高频率的可见光到亚红光的频率）。2．数字水准仪的特点数字水准仪是以自动安平水准仪为基础，在望远镜光路中增加了分光镜和探测器（CCD）,并采用条码标尺和图象处理电子系统而构成的光机电测量一体化的高科技产品。主要优点是感光读数，自动识别，消除了人为误差。可进行地球曲率及气象改正。采用普通标尺时，又可象一般自动安平水准仪一样使用。它与传统仪器相比有以下共同特点：2.1读数客观不存在误差、误记问题，没有人为读数误差。2.2精度高视线高和视距读数都是采用大量条码分划图象经处理后取平均得出来的，因此削弱了标尺分划误差的影响。多数仪器都有进行多次读数取平均的功能，可以削弱外界条件影响。不熟练的作业人员也能进行高精度测量。2.3速度快由于省去了报数、听记、现场计算的时间以及人为出错的重测数量，测量时间与传统仪器相比可以节省1/3左右。2.4效率高只需调焦和按键就可以自动读数，减轻了劳动强度。视距还能自动记录、检核、处理并能输入电子计算机进行后处理，可实线内外业一体化。3．数字水准仪的误差来源由数字水准仪的构造及其测量原理可知，数字水准仪的误差来源主要包含两方面，即光学、机械部分和电子部分。3.1光学和机械部件引起的误差一般说来，数字水准仪具有与光学水准仪相同或相似的光学和机械结构，因此，数字水准仪因光学和机械部件本身引起的误差与光学水准仪基本相同。同时，数字水准仪是光学、机械部件和电子部件相结合的产物，而光学、机械部件引起的误差，又会因其与电子部件结合而表现出新的特征，如圆水准器误差、调焦透镜运行误差和竖轴倾斜引起的视轴误差等。3.2自动补偿装置引起的误差数字水准仪的补偿功能与自动安平水准仪原理相同，结构和工艺略有不同，它仍由重力摆和阻尼器构成。因此，数字水准仪自动补偿器误差包括：补偿器安平误差、剩余补偿误差、迟滞影响和恒磁场中的状态(地磁影响)等。3.3电子设备引起的误差数字水准仪是根据探测器(CCD)获取的条码影像进行测量的，CCD的物理特性决定其在光线强弱变化、条码标尺表面光照不均匀、观测瞬间强光闪烁、外界气流抖动等情况下，可能会降低标尺成像的对比度而引起误差。还包括线阵探测器(CCD)的物理特性引起的误差、信号分析和处理的误差以及电子视轴i角的误差等。3.4外界条件改变而引起的误差数字水准仪与条码标尺组成的测量系统是处在时刻变化的外界条件下进行工作的，外界条件的变化将引起仪器各部件产生误差。这种影响常常表现为各部件及其组合的综合影响。外界因素的影响产生的误差主要有：温度变化对电子i角的影响、大气垂直折光的影响、仪器和标尺垂直位移的影响、地面振动的影响和地面电磁场的影响等。4.数字水准仪的应用数字水准仪主要用于国家一、二等水准测量和高精度的工程测量。例如建筑物沉降观测、大型精密设备安装等各个领域。因为它精度高，特别适用于下表的各种测量。数字水准仪的应用范围举例5.结论数字水准仪对标尺分划的自动测量技术，防止了人为读数和传递误差，观测员集中于照准、调焦和启动测量。测量过程简捷迅速，测量数据真实可靠，节省了人力。数字水准仪取代光学水准仪是测绘仪器发展的必然趋势，但是还必须遵循水准测量的基本规律和测量规范的基本技术要求。随着技术进步和仪器价格的下调，越来越多的测量单位都会使用数字水准仪。【参考文献】［１］徕卡DNA03/DNA10用户手册．［２］肖进丽，等.几种数字水准仪标尺的编码规则和读数原理比较[J].测绘通报，2004,(10)：57-58.注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。