數字水準儀的工作原理及其在測量過程中的應用

許嬋 肖小平 劉源

摘要：隨著電子技術的快速發展，傳統測量方法發生了巨大的改變，數字水準儀已經在測量過程中得到了廣泛的應用。數字水準儀能夠自動記錄觀測數據，將測量誤差降低到了極致，具有極大的便利。文章基于多年的數字水準儀使用經驗，闡述了數字水準儀的工作原理，詳細地介紹了數字水準儀在測量過程中的應用技巧和優勢。

關鍵詞：幾何水準測量；數字水準儀；測量；補償誤差

中圖分類號：P224 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2012）31-0055-02

1 概述

電子技術的迅猛發展，改變了傳統的測量方法。同時，GPS定位技術的出現，不僅提高了測量精度，而且為控制測量提供了極大便利。GPS測量技術和電磁波測距三角高程測量的精度可以替代等級較低的幾何水準測量，但是在精度測量中，依舊采用幾何水準測量。傳統的重力測量和水準測量依舊是精確測定各點間正常高差的主要方法。在實際的測量過程中，如果幾何水準測量使用傳統的光學水準儀，不僅受到外界誤差、人工和儀器的影響，配備專業計算能力的記錄人員，而且效率低、投入多。雖然水準儀的自動化是從光學微傾發展至自動安平水準儀，但是依舊依靠人工讀數，還會帶來誤差。數字水準儀的產生，不僅實現了自動記錄觀測數據，而且使內外業一體化，減少了誤差，提高了效率，減少了投入。

2 數字水準儀的工作原理

數字水準儀的生產廠家很多，其擁有的儀器結構和相關的條形碼編碼方式不盡相同，但是數字水準儀的工作原理是統一的。數字水準儀的工作原理是儀器內配置圖像識別器和圖像數據處理系統，使用編碼標尺，標尺可以使用具有不同寬度的條形碼及其組合標識在尺面的不同位置上，在使用時，人工完成調焦和照準之后，標尺條碼一方面通過被成像在望遠鏡的分劃板上，以便測量人員進行目視觀測，同時，另一方面測量人員可以通過望遠鏡的分光鏡，將標尺條碼成像在光電傳感器上，將其轉換為電信號，經過處理整形之后進入模數轉化系統，這樣就可以輸出數字信號，將信號送入微處理器上進行處理和儲存，此時可以使用處理器將其與內存中的標準碼按照一定的方式比較分析，即可獲得編碼標尺的讀數。

3 數字水準儀在測量工作中的應用

3.1 數字水準儀在測量過程中的應用技巧

目前，數字水準儀以其精度高、操作方便和實用性強的特點，在測量過程中得到了大規模的使用，基于筆者多年的使用經驗，本文詳細地分析了其在使用過程中的相關技巧。

3.1.1 補償誤差。數字水準儀最初的發展原理是光學自動安平水準儀。由于補償器都屬于吊帶重力補償器，通過溫度變化、運輸等條件的影響，儀器的內應力發生變化，補償性能差異大，因此要及時進行檢測，如果超過限差要及時予以調校。同時，還需注意補償器的穩定時間，置平儀器后不能馬上進行測量，通常要有2～3秒的延遲時間。

3.1.2 視準線誤差。由于水準測量結果受視準線誤差大小的直接影響，因此在測量過程中一定要確保前后視距離差在規定的范圍內。通常情況下，數字水準儀具有獨立的測距功能，在水準尺讀數前要依據距離測量值調整水準儀或者水準尺

位置。

3.1.3 調焦對測量的影響。數字水準儀調焦對測量結果產生的影響遠遠低于光學水準儀，因為數字水準儀依靠的是用于測量的所有間隔碼元估算并多次測量的平均值。如果讀數時焦距沒有調整清楚，容易導致測量失敗。如果只是調焦波動，不會對測量結果產生明顯影響。

3.1.4 標尺安置狀態對測量的影響。在數字水準儀使用過程中，標尺安置要備受關注。因為數字水準的在自動測量的過程中對標尺安置狀態的監視極為緩慢，在偏離垂直狀態范圍很大的情況下，依然會測量。為了有效提高標尺的安置速度，通常在精密因瓦條碼標尺上安置圓水準器。

3.1.5 磁致誤差。目前，數字水準儀的補償器大多是由非磁性材料或鋁制造而成的，在均勻磁場中檢測不受影響，但是如果處于交變磁場中，就會檢測到補償器的偏轉量。受此影響，在通過有變電樞紐、電氣化鐵路或者大功率的發電廠時，一定要選用正確的測量儀器，檢測因磁場導致的誤差影響幅度。

3.1.6 儀器的晾置和預熱。由于數字水準儀的參數容易受環境溫度的影響，因此在開始測量作業前一定要對儀器進行預熱或者晾置，保證儀器和外界溫度趨于一致，防止儀器在溫度不穩定階段實施測量而影響精度。對于晾曬時間的把握，晾置時間通常是溫差的2～3倍，即如果溫差在5℃，那么晾置時間就大約是10℃～15℃。在潮濕環境中，應當準備好干燥劑，把儀器存放在干燥環

境中。

3.1.7 振動對測量的影響。數字水準儀還會受到振動影響，導致補償器的視準線不穩。在測量環境中，如果有明顯的風力過大、機械振動、重載車輛通過等，要暫停測量。

3.2 在測量過程中應用數字水準儀的優勢

3.2.1 使用方便。數字水準儀的重量輕、攜帶方便、操作簡單，減少了測量人員的勞動強度。

3.2.2 速度快。數字水準儀可以實現自動測量讀數、檢核、記錄，無需人工觀測，其作業速度僅受跑尺人員速度和儀器裝置速度影響。

3.2.3 精度高。數字水準儀對圖形影響多個分劃取平均值，避免了標尺分劃的誤差。同時，它的圖像處理技術自動判別讀數，有利于消除因人工讀數和夾準分劃帶來的影響。另外，較快的測量速度也避免了和時間相關的外界條件的影響。

3.2.4 有利于測量內外業一體化的實現。數字水準儀把測量數據直接儲存到內存或者卡上，依據規定格式輸出，及時檢核，形成了自動流程，方便在計算機上進行處理。避免了因人工記錄和計算出現的差錯，極大地提高了工作效率。

4 結語

隨著我國科學技術的發展，許多科學工作者對數字水準儀進行了跟蹤研究，在未來的時間內，其儀器結構和測量的準確度必將大幅度提高，其應用也更加廣泛。

參考文獻

[1] 鄭國才，高俊強，劉三枝，胡燦.數字水準儀的測量原理及測試精度分析[J].南京工業大學學報（自然科學版），2006，（4）.

[2] 曾和平.數字水準儀應用中的若干問題探討[J].長江工程職業技術學院學報，2008，（3）.

[3] 葉曉明，闕江.數字電子水準儀檢定方法的研究[J].測繪通報，2008，（11）.

作者簡介：許嬋，女，海南三亞人，湖南省計量檢測研究院工程師。

（責任編輯：周 瓊）