國產數字水準儀溫度性能測試與研究

熊指南

(天津市陸海測繪有限公司，天津 300191)

國產數字水準儀溫度性能測試與研究

熊指南

(天津市陸海測繪有限公司，天津 300191)

環境溫度是影響數字水準儀性能的關鍵因素。測試溫度對國產數字水準儀i角的影響，發現當儀器內外溫差較大時，儀器i角的變化顯著。測試結果表明，i角設置與測試、水準測量都需要在儀器內外溫度平衡時，才能夠獲得可靠的成果。

數字水準儀；溫度性能；i角

目前我國已經成為測繪儀器的制造大國[1]：電子經緯儀已經完全占領中國市場；全站儀產量世界第一，測地型GNSS接收機產量世界第一；全站儀及測地型GNSS接收機不但占有國內大部分市場，而且還大量出口，這些中國制造的產品能夠在國際測繪儀器市場與國外知名品牌一爭高低。特別是光學水準儀每年的產量達30萬臺，而且大部分用于出口，幾乎占領普通光學水準儀的國際市場[2]。制約水準儀自動化的關鍵技術近年來取得了突破，國產數字水準儀如雨后春筍涌現，已有諸多國內廠家研制成功具有中國特色的新產品。預計在不久的將來，數字水準儀也會如其他測繪儀器一樣，逐步占領數字水準儀的國際市場。

測繪儀器是由光機電構成的精密科學儀器，但其特殊性在科學儀器中是少見的：除了要求其精度高外，還對使用環境條件要求苛刻，例如無論嚴寒酷暑還是風霜雪雨，只要工程在進行施工就需要測繪儀器引領方向，這要求測繪儀器具有良好的溫度性能；每天往返駐地及工作現場間的顛簸，相當于在做振動試驗，這要求測繪儀器具有良好的抗震性能。對于測繪儀器生產廠家來說，很難對每件產品的溫度性能及抗震性能進行長期的實際試驗，這需要廣大用戶為國產測繪儀器積累實驗數據，共同為提高國產測繪儀器的產品質量貢獻力量。

國產數字水準儀是非常有前途的產品，而且有些型號還擁有自主知識產權[3]，對這些產品進行后續研究，是一件非常有意義的工作。

限于試驗條件及試驗時間的限制，本文僅對國產DAL1528R數字水準儀溫度性能進行初步試驗。

1 DAL1528R數字水準儀簡介

DAL1528R型數字水準儀是由北京博飛儀器股份有限公司與武漢大學測繪學院葉曉明等研制的擁有自主知識產權的產品，與其它品牌的數字水準儀相比較，DAL系列數字水準儀的特點是測量速度快[4]，這主要得益于DAL數字水準儀配套條碼尺采用簡潔的編碼。

1.1 DAL1528R的測量原理概述

目前，國內外已經有多家儀器生產廠家在生產數字水準儀，且都聲稱擁有自己的專利技術。如果不考慮儀器的具體構造和數據處理等方面的差異，可以將其歸納成由主機、條碼尺及數據處理軟件3大部分組成，如圖1所示。其中條碼尺由寬度相等或不等的黑白條碼按某種編碼規則進行有序排列而成；主機則是在自動安平水準儀的基礎上發展起來的，它由望遠鏡物鏡系統、補償器、分光棱鏡、目鏡系統、圖像傳感器、計算機、鍵盤等組成；數據處理軟件對圖像傳感器獲取的圖像進行處理，獲得視距及視線高。數據處理軟件及與數字水準儀相配套的條碼尺的編碼方法構成了數字水準儀技術的核心，其中條碼尺的編碼方法為儀器生產廠家的專利保護條款[5]。關于數據處理軟件，目前還沒有儀器生產廠家公開過，能夠查詢到的資料都是些原理性概述[5]。

圖1 數字水準儀測量原理示意圖[5]

從圖1可以看出：條碼尺的一段圖像經過望遠鏡后傳輸到圖像傳感器，儀器所配的數據處理軟件對該段圖像進行處理后，得到儀器視準軸在條碼尺上的位置及條碼尺距儀器的視距。為了能夠獲得正確的測量結果，在對條碼尺進行編碼時，需要考慮以下幾個因素：①在整個條碼尺的范圍內，測量結果具有唯一性；②在儀器的視距范圍(一般1.5～100 m)，圖像傳感器接收到的條碼圖像變化達幾十倍，這就要求條碼寬窄恰當，在遠視距能夠區分不同的條碼，在短視距時條碼的變化足夠多；③能夠區分自動識別出其它品牌的條碼尺并給出不能夠測量的信息；④自動識別條碼尺的正倒并給出恰當的信息。基于這些條件，DAL系列數字水準儀采用表1所示的4種類型的條碼。

表1 與DAL系列數字水準儀相配套條碼尺的參數表

1.2 與DAL水準儀配套條碼尺的特點

1)條碼結構簡單,便于制造。與DAL系列數字水準儀配套的條碼尺只使用表1所示的4種條碼，結構形式簡單，黑白條碼均是1 mm的整倍數，便于生產制造。圖2為該類條碼尺段110～130 cm的實際編碼。經筆者對2 m長的條碼尺實測數據確定，在近距離時，最少需要連續5個條碼才能夠獲得測量結果。在遠視距時，條碼(15∶5)及(13∶7)區別不顯著，將其認為是一種條碼；條碼(7∶13)及(5∶15)區別不顯著，將其認為是一種條碼，即在遠視距時，條碼尺只有2種類型條碼，這時最少需要連續10個條碼才能夠獲得測量結果。

2)相鄰黑白條碼寬度之和相等。從表1可以看出，相鄰黑白條碼寬度之和為20 mm，數據處理軟件可以充分利用這個特點來判別DAL數字水準儀是否使用了正確的條碼尺；如果條碼尺處于倒置狀態，相鄰的黑白條碼寬度之和則不相等，這樣DAL就能夠很快識別出條碼尺是否安置到正確的位置。這可以節省大量的運算時間，提高測量速度。

1.3 DAL1528R 主要技術參數[6]

1)1 km往返水準測量標準差為：±1.5 mm；2)最大測程為100 m，最小測程為2 m；3)單次測量時間為1～2 s；4)高程最小顯示值為0.2 mm，距離最小顯示值為0.01 m。

2 DAL1528R 溫度性能試驗

2.1 已有研究結果簡介

為了在水準測量中獲得高精度的測量成果，需要保證數字水準儀的視準軸穩定而且一直處于水平位置。但補償器的性能、溫度變化及震動等都會給視準軸的穩定性帶來影響。視準軸的穩定性通常用視準軸的i角(通常可以將i角簡單地定義為視準軸的實際位置與應有位置之間的夾角)的穩定性來表征。自數字水準儀投入測繪生產以來，國內外許多學者對國外數字水準儀的溫度特性進行研究，得出的結論如下：①i角隨環境溫度的升高而降低[7-8]；②i角隨環境溫度的降低而降低[9-10]；③急速升降溫階段與緩慢升降溫階段，i角隨環境溫度變化特別顯著[8-9]。已有的研究結果表明環境溫度對數字水準儀影響的復雜性，這些研究成果可以為數字水準儀的正確使用提供參考。

2.2 試驗方法

首先在相距30 m的距離上設置兩穩固標志點A，B，如圖3所示。將NI002精密光學水準儀安置15 m處，用配套的因瓦水準尺測量A，B點的高差作為真值；按照文獻[6]所示方法設置DAL1528R的(電子)i角。為消除水準尺零點差對測量結果的影響，用NI002和DAL1528R進行高差測量時，均只使用配套的一根水準尺。

取下DAL1528R的機載電池，將DAL1528R用塑料袋密封后置于冰箱冷凍5 h以上，使儀器內部元器件充分適應冰箱冷凍室的溫度；把DAL1528R從冰箱冷凍室取出后按圖3所示的C點上架設儀器，對A，B點的高差進行測量，開始時每隔3 min測量一次，0.5 h后每5 min測量一次，連續觀測1 h。測試開始時間為2013-10-05T13:00:00，由于沒有溫度計，沒有對環境溫度進行測量。

2.3 數據處理方法

從圖3并結合文獻[3]知i角算式為

(1)

式中：rA，sA分別為條碼尺安置在A點時的視線高及視距5次讀數的平均值；rB，sB分別為條碼尺安置在B點時的視線高及視距5次讀數的平均值；ΔhAB為A，B兩點間的高差，ρ=206 265″。

圖3 數字水準儀溫度性能檢定試驗場地示意圖

2.4 試驗結果

試驗原始數據如表2所示。A，B點間的高差Δh=-14.78 mm。

表2 數字水準儀DAL1528R溫度試驗結果

從表2可以看出：從冷凍室取出儀器的0.5 h內，i角變化顯著；在以后的1 h內，i角已經穩定，其差值在測量誤差范圍內。

3 結束語

試驗表明：國產數字水準儀與國外數字水準儀具有類似的溫度特性：即在儀器自身溫度與環境溫度差異較大時，i角的變化顯著。這要求在設置和測量儀器的(電子)i角時，需要選定在溫度差異不大的時候進行；進行水準測量作業時，需要將儀器置于作業環境中足夠的時間(例如0.5 h)，使儀器的內外溫度一致，這樣才能獲得高精度的測量成果。

[1]繆小林.國產當自強——談中國測繪儀器的國產化[N].南方測繪，2012-01-15(8).

[2]陳耿彪.數字水準儀標尺編碼理論與識別技術研究[EB/OL].(2010-11-30)[2013-12-06].http://www.docin.com/p-102121529.html.

[3]葉曉明.用于數字水準儀條碼尺和電子經緯儀度盤的條碼及其編碼解碼方法：中國，200410061193.8[P].2005-06-29.

[4]佚名.武大工程師發明數字式電子水準儀 測量速度世界最快[EB/OL].(2007-01-20)[2013-12-06].http://www.cnhubei.com/200701/ca1259006.htm.

[5]閻錫臣.應用數字水準儀進行長視距水準測量的研究[J].測繪工程，2013，22(2)：42-44，56.

[6]北京博飛儀器股份有限公.DAL1528 1528R數字水準儀說明書[EB/OL].(2012-12-04)[2013-12-06].http://www.baidu.com/s?tn=98010089_dg&ie=utf-8&bs=%E5%A4%A9%E6%B4%A5%E5%B8%82%E9%99%86%E6%B5%B7%E6%B5%8B%E7%BB%98%E6%9C%89%E9%99%90%E5%85%AC%E5%8F%B8&f=8&rsv_bp=1&wd=DAL1528R+%E6%95%B0%E5%AD%97%E6%B0%B4%E5%87%86%E4%BB%AA+%E4%BD%BF%E7%94%A8%E6%89%8B%E5%86%8C&rsv_n=2&rsv_sug3=9&rsv_sug4=250&inputT=1984.

[7]SHEIL E.Evaluation of a Wild NA3000 Digital Level[EB/OL].(2001-10-15)[2013-12-06].http://www.google.com.hk/search?newwindow=1&safe=strict&hl=zh-CN&q=NA3000+&oq=NA3000+&gs_l=serp.12...152047.165125.0.167531.11.11.0.0.0.0.0.0..0.0....0...1c.1.32.serp..11.0.0.1xHzu8eq94g.

[9]AKSAMITAUSKAS1 V ?,REKUS D, WASILEWSKI A.Investigation of Error Sources Measuring Deformations of Engineering Structures by Geodetic Methods[EB/OL].[2013-12-06].http://dspace.vgtu.lt/bitstream/1/465/1/1071-0176_aksamitauskas_rekus_et_al.pdf.

[10]羅官德,任道勝,陳如麗.數字水準儀i角檢校方法探討[J].測繪信息與工程,2002,27(4):45-47.

[責任編輯：張德福]

Temperature dependence of domestic digital level

XIONG Zhi-nan

(Tianjin Surveying and Hydrography Co., Ltd，Tianjin 300191,China)

Environment temperature is the key factor affecting the performance of digital level.The influence of temperature on the collimation error of digital level is tested practically, which is that the collimation error changes dramatically when the temperature difference inside and outside of the instrument is big. The test results show that reliable results of collimation error set-up,test, leveling can only be achieved when the temperature inside and outside of the instrument is balanced.

digital level;temperature dependence;collimation error

2014-03-02

熊指南(1979-)，男，工程師.

P204

：A

：1006-7949(2014)07-0072-04