數字水準儀室內檢定裝置

龐尚益，吳學文，楊 坤，沈迎光

(陜西測繪儀器計量監督檢定中心，陜西西安710054)

一、引 言

數字水準儀作為承載高精度傳感器的電子測量設備，具有自動讀數、測量精度高、測量速度快、測量結果可進行數字化處理的優勢，其在精密水準測量領域的應用越來越廣。與光學水準儀相比，數字水準儀具有與其相同或相似的光學機構，但卻多了一套信號采集和數據處理系統，這套系統正是數字水準儀的核心。因此，檢定數字水準儀不能像檢定光學水準儀一樣，僅僅評估其光學性能指標是不夠的，甚至是舍本逐末的。數字水準儀核心電子部件CCD傳感器，與望遠鏡、補償器等光學部件會產生光機電結合誤差，如電子i角、電子補償性等，這些誤差直接影響著測量和計算精度，必須要進行檢定或校準。為了對數字水準儀的各項性能指標做出全面公正的評定，保證其正常使用精度，探索和研究新型穩定的數字水準儀檢定裝置是十分必要的。

二、數字水準儀原理

數字水準儀測量系統由編碼水準標尺、望遠鏡、補償器、分光鏡、CCD傳感器、微處理器、圖像和數據處理軟件等組成，如圖1所示。數字水準儀的工作原理是，條碼標尺經過光反射，光束經過分光鏡后分成兩路，一路直接成像在十字絲分劃板上供目鏡觀測，一路成像在線陣CCD傳感器上供電子讀數。電子讀數是將條碼標尺的影像作為測量目標，CCD將光學信號轉換為模擬信號，再將模擬信號轉換為數字信號，形成的測量信號與CCD內存的參考信號(標準信號)進行比對，從而實現自動測量讀數。

三、數字水準儀的檢定現狀

傳統的用于檢定光學水準儀的檢定裝置只能完成數字水準儀光學部分的檢定，對電子部分沒有涉及。由于數字水準儀需要配套的條碼標尺才能完成檢定，影響其測量精度的電子i角和補償性能等項目的檢定只能在室外進行。室外檢定需要天氣晴朗、光線充足、視場通透、儀器內外溫差小等條件。在檢定過程中，數字水準儀要進行人為地架站、移站以及水準標尺的架設整置。除此之外，室外氣溫、濕度和震動等環境條件的變化，諸多不穩定因素將對數字水準儀的測量精度產生很大的影響，從而影響對其計量性能的評定。

圖1 數字水準儀測量系統的構成

目前，國內已經出現不少數字水準儀的室內檢定裝置，但都是在光學水準儀室內檢定裝置的基礎上改造的。將各類數字水準儀的編碼標尺影像定制到目標分劃板上，通過調焦可實現目標視距的調節，但是此類裝置價格昂貴，并且容易產生調焦誤差。本文要介紹的基于平行光管的數字水準儀檢定裝置，構造簡易、操作簡單、成本低，并且視距和焦距固定，可以完成常規的數字水準儀檢定項目。

四、新型數字水準儀檢定裝置的構建與測試

鑒于當前使用的數字水準儀檢定裝置的局限性，為完善室內檢定，克服當前數字水準儀檢定裝置和方法的不足。經過研究試驗，構建了基于平行光管的數字水準儀全室內檢定裝置。該裝置以焦距為1．2m和1．6m的平行光管作為一對平行光管組，以平行光管的目標分劃板作為各類條碼水準標尺影像的載體，以四維微傾工作臺作為數字水準儀的安置臺，整體構成一套數字水準儀的檢定系統。如圖2所示，一套數字水準儀檢定校準系統的基本構造。

圖2 數字水準儀檢定校準平臺

1．新裝置的原理

數字水準儀獲取編碼水準標尺的影像進行測量結果的計算，可直接以編碼水準標尺的影像作為測量目標，將實物測量目標變為數字測量目標，從而完成室外到室內的模擬。水準標尺的編碼影像大小以數字水準儀的可測視場范圍定制。由于平行光管焦距是可調的，在已知編碼影像寬度和視距的情況下，可以計算出焦距。然后，將焦距調到數字水準儀測量距離在15m和30m的位置，以便進行數字水準儀電子i角和補償性能的檢定。該裝置將 Leica、Trimble(Zeiss)、Topcon 和 Sokkia 4 種常用的數字水準儀的編碼標尺作為綜合觀測目標微縮到平行光管的目標分劃板上。如圖2所示的條碼標尺分劃，每個分劃板上載有兩幅標尺的編碼影像，分別為15m和30 m的距離。因此，只需在四維工作臺上旋轉照準不同距離的編碼標尺，即可完成不同數字水準儀的電子i角和補償性能的檢定。

2．新裝置的測試與分析

數字水準儀的i角和補償性能是評價其光電系統測量精度的重要指標，想要精確檢驗這兩種性能，對檢定裝置的精度要求也比較高。首先，應該保證目標分劃板垂直，在豎直方向上與水準儀目鏡分劃板平行。其次，要保證平行光管的平直度小于1″，這就要求在同一平行光管測量近距離(15 m)和遠距離(30 m)的目標時，測得的尺高應該大致相同，高差應該小于0．1mm，保證遠、近距離目標分劃在同一條直線上。最后，要保證測量遠、近距離時目標亮度一致，減小對測量精度的影響，同時做好裝置的防震，減小測量過程中儀器或目標的晃動對測量精度的影響。只有滿足了以上條件，才能將檢定裝置本身對i角和補償性能檢定精度的影響降到最低。

(1)數字水準儀i角的檢驗

數字水準儀 i角的檢定一般采用弗爾斯特(F?rstner)法，該方法要求將儀器架設在45 m距離的1/3處，標尺設在兩端，優先測量短距離(15m)，儀器可自動測算出新的i角值及與舊i角值的殘差。使用這種新裝置檢測i角可以采用單光管法，也可以采用雙光管法，測量過程中只需選擇不同距離的編碼尺影像目標，可以適當地升降儀器高度模擬室外的移站。為了對比室內外i角檢測的差異，試驗中筆者采用同一臺徠卡DNA03數字水準儀。表1為室內外i角檢測數據的比對。

表1 室內外i角檢測比對 (″)

本次試驗采用的DNA03數字水準儀原存i角為-21．0″，檢測數據中，新值為新測的i角改正量，筆者把i角殘差值當做評判i角大小的依據。從數據可以分析，室內檢測對儀器原i角的改正更為顯著，改正后的i角均小于1″，最大最小值之差僅為0．2″。而室外檢測 i角改正后大于 5″，最大最小值之差為0．7″。室內檢測標準差小于室外，可以看出室內檢測更加穩定，表明該裝置的穩定性很好，可以用于數字水準儀的檢定。

(2)數字水準儀補償性能的檢驗

依據《數字水準儀檢定規程》(CH/T 8019—2009)規定，進行數字水準儀補償性能的檢定時，標尺安置在30～40m的距離兩端，儀器在中間。在進行對比試驗時，筆者將儀器安置在16m處進行補償性能的檢驗。

補償性能的檢測以儀器向前、后、左、右4個方向傾斜8'為準，采用同一臺DNA03水準儀，室內、室外各檢測5次。從表2的數據可以看出，室內、外檢測數據接近，但室外檢測數據稍有波動，而室內檢測效果非常穩定。由此可見，室內、外檢測的差異并不是儀器本身的原因造成的，而是人為的或環境因素造成的。室內可通過微傾臺讓儀器每次都精確傾斜到8'的位置，而室外只能通過旋轉腳螺旋傾斜儀器，每次并不能定位到同一位置，導致測得的視線高發生差異，從而影響補償誤差的大小。

表2 室內外補償性能檢測比對

五、數字水準儀的校準維修

本文介紹的這種新型的基于平行光管的數字水準儀檢定裝置不僅可以用于檢定數字水準儀，還可以作為校準維修數字水準儀的平臺，為數字水準儀提供穩定的、可以實時觀測的校準維修平臺。對于數字水準儀經常出現的電子i角超限、補償器超限、CCD偏移等問題均可以在此裝置上進行校正。由于數字水準儀的校準、維修過程中必須要進行現場檢驗測試，而在室外由于場地、環境等因素的影響無法進行現場校準、維修。在室內校正過程中，可根據光路和信號傳遞的原理和過程，進行有目的的校正，并進行反復地測量比對，可確保儀器回歸到正常測量狀態。

六、結束語

對同一類型數字水準儀，分別在室外和室內進行電子i角的檢校和補償性能的檢定，通過對比觀測試驗，對兩種方法的檢定結果進行評定，試驗結果證明，室內法檢定對電子i角的校正能力更強，對補償性能的檢定更加顯著、準確。

基于平行光管的數字水準儀檢定裝置能夠完成數字水準儀的電子檢定項目，結合JSJ-ⅡZ型精密水準儀綜合檢驗儀完成數字水準儀光學檢定項目的檢定，從而實現了數字水準儀的全室內檢定。該裝置占地面積小，不需移動水準儀和水準標尺，水準儀旋轉照準前后站目標不需調焦即可測量，水準標尺視場內光照均勻，儀器內外溫差小，檢定不受天氣和時間限制，檢定裝置穩定、抗震性強，構建成本低，可節省大量的人力物力，很好地克服了室外檢定的種種弊端。使用該裝置依據《數字水準儀檢定規程》(CH/T 8019—2009)進行常用4種數字水準儀的檢定，經過檢驗測試，可以滿足數字水準儀的檢定要求。

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