自动安平水准仪的仪器原理 水准仪是如何工作的

　　水准仪是在17～18世纪发明了望远镜和水准器后出现的。老式的活镜水准仪如图1。20世纪初，在制出内调焦望远镜和符合水准器的基础上生产出微倾水准仪。50年代初出现了自动安平水准仪，60年代研制出激光水准仪。 　　微倾水准仪 　借助于微倾螺旋获得水平视线的一种常用水准仪。作业时先用圆水准器将仪器粗略整平，每次读数前再借助微倾螺旋，使符合水准器在竖直面内俯仰，直到符合水准气泡精确居中，使视线水平。微倾的精密水准仪同普通水准仪比较，前者管水准器的分划值小、灵敏度高，望远镜的放大倍率大，明亮度强，仪器结构坚固,特别是望远镜与管水准器之间的联接牢固,装有光学测微器，并配有精密水准标尺，以提高读数精度。中国生产的微倾式精密水准仪（图2）,其望远镜放大倍率为40倍,管水准器分划值为10″/2毫米，光学测微器最小读数为0.05毫米，望远镜照准部分、管水准器和光学测微器都共同安装在防热罩内。 　　自动安平水准仪 　借助于自动安平补偿器获得水平视线的一种水准仪。它的特点主要是当望远镜视线有微量倾斜时,补偿器在重力作用下对望远镜作相对移动,从而能自动而迅速地获得视线水平时的标尺读数。补偿的基本原理是:当望远镜视线水平时,与物镜主点同高的水准标尺上物点P构成的像点Z0应落在十字丝交点Z上（图3a）。当望远镜对水平线倾斜一小角α后，十字丝交点Z向上移动，但像点Z0仍在原处，这样即产生一读数差Z0Z（图3b）。当α很小时可以认为 Z0Z 的间距为α·f′（f′为物镜焦距）,这时可在光路中K点装一补偿器,使光线产生屈折角嗘0,在满足α·f′=嗘0·s0（s0为补偿器至十字丝中心的距离，即KZ）的条件下，像Z0就落在Z点上(图3c)；或使十字丝自动对仪器作反方向摆动,十字丝交点Z落在Z0点上。如光路中不采用光线屈折而采用平移时，只要平移量等于Z0Z，则十字丝交点Z落在像点Z0上,也同样能达到Z0和Z重合的目的。自动安平补偿器按结构可分为活动物镜、活动十字丝和悬挂棱镜等多种。补偿装置都有一个“摆”，当望远镜视线略有倾斜时，补偿元件将产生摆动，为使“摆”的摆动能尽快地得到稳定，必须装一空气阻尼器或磁力阻尼器。这种仪器较微倾水准仪工效高、精度稳定，尤其在多风和气温变化大的地区作业更为显著。
　　激光水准仪 　利用激光束代替人工读数的一种水准仪。将激光器发出的激光束导入望远镜筒内，使其沿视准轴方向射出水平激光束。
　　利用激光的单色性和相干性，可在望远镜物镜前装配一块具有一定遮光图案的玻璃片或金属片，即波带板，使之所生衍射干涉。经过望远镜调焦，在波带板的调焦范围内，获得一明亮而精细的十字型或圆形的激光光斑，从而更精确地照准目标。如在前、后水准标尺上配备能自动跟踪的光电接收靶，即可进行水准测量。在施工测量和大型构件装配中，常用激光水准仪建立水平面或水平线。

原理

　电子水准仪又称数字水准仪，它是在自动安平水准仪的基础上发展起来的。它采用条码标尺，各厂家标尺编码的条码图案不相同，不能互换使用。目前照准标尺和调焦仍需目视进行。人工完成照准和调焦之后，标尺条码一方面被成象在望远镜分化板上，供目视观测，另一方面通过望远镜的分光镜，标尺条码又被成象在光电传感器（又称探测器）上，即线阵CCD器件上，供电子读数。因此，如果使用传统水准标尺，电子水准仪又可以象普通自动安平水准仪一样使用。不过这时的测量精度低于电子测量的精度。特别是精密电子水准仪，由于没有光学测微器，当成普通自动安平水准仪使用时，其精度更低。

　　当前电子水准仪采用了原理上相差较大的三种自动电子读数方法：

　　1）相关法（徕卡NA3002/3003）

　　2) 几何法（蔡司DiNi10/20）

　　3) 相位法（拓普康DL101C/102C）

　　1.3 相位法原理;

　　拓普康电子水准仪DL101C/102C采用相位法。标尺的条码象经望远镜、调焦镜、补偿器的光学零件和分光镜后，分成两路，一路成象在CCD线阵上，用于进行光电转换，另一路成象在分划板上，供目视观测。DL101标尺上部份条码的图案，其中有三种不同的码条。R表示参考码，其中有三条2mm宽的黑色码条，每两条黑色码条之间是一条1mm宽的黄色码条。以中间的黑码条的中心线为准，每隔30mm就有一组R码条重复出现。在每组R码条左边10mm处有一道黑色的B码条。在每组参考码R的右边10mm处为一道黑色的A码条。读者不难发现，每组R码条两边的A和B码条的宽窄不相同，实际上A和B码条的宽度是在0到10mm之间变化，这两种码包含了水准测量时的高度信息。仪器设计时有意安排了它们的宽度按正弦规律变化。其中A码条的周期为600mm，B码条的周期为570mm。当然，R码条组两边的黄码条宽度也是按正弦规律变化的，这样在标尺长度方向上就形成了亮暗强度按正弦规律周期变化的亮度波。条码的下面画出了波形。纵坐标表示黑条码的宽度，横坐标市标尺的长度。实线为A码的亮度波，虚线为B码的亮度波。由于A和B两条码变化的周期不同，也可以说A和B亮度波的波长不同，在标尺长度方向上的每一位置上两亮度波的相位差也不同。这种相位差就好象传统水准标尺上的分划，它可由标出标尺的长度。只要3能测出标尺底部某处的相位差，也就可由知道该处到标尺底部的高度，因为相位差可以作到和标尺长度一一对应，即具有单值性。这就是适当选则两亮度波的波长，在DL101中A码的周期为600mm，B码的周期为570mm，它们的最小公倍数为11400mm，因此在3m长的标尺上不会有相同的相位差。为了确保标尺底端面，或说相位差分划的端点相位差具有唯一性，A和B码的相位在此错过了π/2。

　　DL－102C的标尺与DL－101C的略有区别，DL－102C的标尺为白底黑条码，A码的波长为330mm，最小公倍数为3300mm。A和B码在波长底部错开的相位差为π。DL101－C的标尺与DL－102C的标尺可由互换使用。

　　当望远镜照准标尺后，标尺上某一段的条码就成象在线阵CCD上，黄条码使CCD产生光电流，随条码宽窄的改变，光电流强度也变化。将它进行模数转换(A/D)后，得到不同的灰度值。视距在Δ0.6m时标尺上某小段成象到CCDA上经A/D转换后，得到的不同灰度值(纵坐标)，横坐标是CCD上象素的序号，当灰度值逐一输出时，横轴就代表时间了。横坐标标记的数字判断，仪器采用了512个象素的线阵CCD。视距和视线高的信息的测量信号。

　　如何从上述测量信号中求出A和B两亮度波的相位差呢？下文用测量人员容易理解的方式来说明。设想纵坐标的灰度值就是表示亮度大小的十进位数字，而且横坐标尺寸已放大到和标尺尺寸一致。我们用一波长为600mm的正弦曲线中的离散灰度值曲线拟合，就可由得到A波的最大振幅和初相位。再用波长为570mm的正弦曲线，就可由得到B波的最大振幅和初相位。我们对最大振幅不太感兴趣，因为随着标尺上的照度不同，最大振幅在不同次数的测量中也不同，对我们求视线高无关紧要。我们求出的A和B两亮度波的初相位之差就是高度数据。不过这是与CCD上第一个象素对应的位置到标尺底端面的高度。我们不难把它换算成CCD中点象素上的相位差，这就好象是中丝读数。

　　像上述那样人工处理测量信号是很麻烦的，而且很费时间。在DL系列中则采用快速傅里叶变换(FFT)计算方法将测量信号在信号分析器中分解成三个频率分量。由A和B两信号的相位求相位差，即得到视线高读数。这只是初读数。因为视距不同时，标尺上的波长与测量信号波长的比例不同。虽然在同一视距上A和B的波长相同，可由求出相位差，或说视线高，但是可以想象其精度并不高。

　　R码是为了提高读数精度和求视距二安排的。设两组R码的间距为P(=30mm)，它在CCD行阵上成象所占的象素个数为Z,象素宽为D(=25μm)，则P在CCD行阵上的成象长度为:

　　L=Z*b (1－5)

　　Z可由一信号分析中得出，b是CCD光敏窗口的宽度，因此l和P都为已知数据。根据几何光学成象原理，可以象传统仪器用视距丝测量距离的视距测量原理一样求出视距：

　　D=P/l*f (1－6)

　　式中f是望远镜物镜的焦距。同时还可以求出物象比

　　A=P/l (1－7)

　　于是将测量信号放大到与标尺上的一样时，再进行相位测量，就可以精确得出相位差，即视线高。

　　电子水准仪的三种测量原理各有奥妙，三类仪器都经受了各种检验和实际测量的考验，能胜任精密水准测量作业。拓普康公司在原理上能独树一帜，说明该公司具有雄厚的技术实力，市的值得信赖的公司。

　　1.4 电子水准仪的特点

　　1.4.1电子水准仪的共同特点

　　电子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二构成的光机电测一体化的高科技产品。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：

　　1) 读数客观。不存在误差、误记问题，没有人为读数误差。

　　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。不熟练的作业人员业也能进行高精度测量。

　　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。

　　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。

　　1.4.2拓普康DL©系列的具体特点

　　拓普康DL系列作为电子水准仪家族中的一员。以高性能、低价格深受广大用户的欢迎。DL系列造型美观、内置功能强、菜单功能丰富、操作界面友好，有各种信息提示，大大方便了实际操作。

　　主要特点为：

　　１） 在字母状态下，可输入数字、大小写字母及常用标点符号如(！"＃％§＄’()*_+@<>等)。

　　２） 即可以进行自动测量(用条码标尺，目前可使用三种标尺：铝合金标尺SA－5M、玻璃纤维尺SG－3M和铟钢尺SI－3/T或SI－3)，又可以进行人工读数(普通标尺)。

　　３） 有多次测量、自动求平均值，统计测量误差功能。

　　４） 有三种线路水准测量模式：后前前后、后后前前、后前。给定测量限差值，仪器可自动判断测量现差，超限时 提示重测，能自动计算线路闭合差等。

　　５） DL系列有三种记录模式：即RAM方式，直接存在仪器内部RAM中(128K)，可存大约2400组数据：RS－232C方式，可通过电缆将测量数据存到外接计算机或用户开发的电子手簿，进行联机实时测量：OFF方式，测量结果只显示在仪器屏幕上，不进行存储。DL系列主机内存可存储约1100个点的数据，并在前一型号DL系列基础上增加了PCMCIA卡存储功能。目前，PCMCIA卡的容量主要有256K、512K、1M。

　　６） 虽然仪器的显示屏较小，但保存在仪器内部的测量结果可在仪器上用SRCH键进行查阅。

　　7） 具有高程放样和测量水准支点的功能。

　　８） 当测量键不起作用时(如光线太暗、遮挡太多时)，可输入人工测量的高程和平距读数，以使线路水准测量程序能继续进行。

　　９） 有倒置标尺功能，适合于天花板、地下水准测量。

　　１０） DL©系列具有独立的测距功能可方便地用于前、后视距离测量，精度为1Cm至5Cm

　　１１） 可用来概略测定水平角，精度到1度或1gon。

　　１２） 标尺为等间距分划，可以象检验普通水准标尺一样，检验它的分划误差。

　　１３） 仪器有I角检验程序，在野外可方便地进行I角检验  

须知

操作要点
在未知两点间，摆开三脚架，从仪器箱取出水准仪安放在三脚架上，利用三个机座螺丝调平，使圆气泡居中，跟着调平管水准器。水平制动手轮是调平的，在水平镜内通过三角棱镜反射，水平重合，就是平水。将望远镜对准未知点（1）上的塔尺，再次调平管水平器重合，读出塔尺的读数（后视），把望远镜旋转到未知点（2）的塔尺，调整管水平器，读出塔尺的读数（前视），记到记录本上。 　　计算公式：两点高差=后视－前视。
校正方法
将仪器摆在两固定点中间，标出两点的水平线，称为a、b线，移动仪器到固定点一端，标出两点的水平线，称为a’、b ’。计算如果a－b≠a’－b ’时，将望远镜横丝对准偏差一半的数值。用校针将水准仪的上下螺钉调整，使管水平泡吻合为止。重复以上做法，直到相等为止。

自动安平水准仪补偿器

1) 补偿器种类

　　自动安平水准仪补偿器，按照阻尼方式可分为空气阻尼补偿器和磁阻补偿器。其中磁阻尼补偿器按照构造不同有可分为台式磁阻尼补偿器、交叉式磁阻尼补偿器。 

(2) 不同种类补偿器应用情况

　　空气阻尼补偿器，受环境周边磁场影响小，但由于装配工艺复杂多应用于产量不大、精度要求高的自动安平水准仪。 　　交叉式磁阻尼补偿器，装配工艺简单、部件精度要求不是很苛刻、成本低廉，但该补偿器对于倒置后若经受较强烈震动后，由于吊线弯折变形引起补偿功能失效的概率非常高；所以这种补偿器目前被广泛应用于中低档自动安平水准仪，而很少被应用于高档仪器当中。 　　台式磁阻尼补偿器，装配工艺相对复杂、对部件要求比较高、成本比较高，但由于抗震优于其它补偿器，多被应用于中、高档自动安平水准仪。

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