電子水準(zhǔn)儀的基本原理

　　電子水準(zhǔn)儀又稱(chēng)數(shù)字水準(zhǔn)儀，它是在自動(dòng)安平水準(zhǔn)儀的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。它采用條碼標(biāo)尺，各廠(chǎng)家標(biāo)尺編碼的條碼圖案不相同，不能互換使用。目前照準(zhǔn)標(biāo)尺和調(diào)焦仍需目視進(jìn)行。人工完成照準(zhǔn)和調(diào)焦之后，標(biāo)尺條碼一方面被成象在望遠(yuǎn)鏡分化板上，供目視觀(guān)測(cè)，另一方面通過(guò)望遠(yuǎn)鏡的分光鏡，標(biāo)尺條碼又被成象在光電傳感器（又稱(chēng)探測(cè)器）上，即線(xiàn)陣CCD器件上，供電子讀數(shù)。因此，如果使用傳統(tǒng)水準(zhǔn)標(biāo)尺，電子水準(zhǔn)儀又可以象普通自動(dòng)安平水準(zhǔn)儀一樣使用。不過(guò)這時(shí)的測(cè)量精度低于電子測(cè)量的精度。特別是精密電子水準(zhǔn)儀，由于沒(méi)有光學(xué)測(cè)微器，當(dāng)成普通自動(dòng)安平水準(zhǔn)儀使用時(shí)，其精度更低。

　　當(dāng)前電子水準(zhǔn)儀采用了原理上相差較大的三種自動(dòng)電子讀數(shù)方法：

　　1）相關(guān)法（徠卡NA3002/3003）

　　2) 幾何法（蔡司DiNi10/20）

　　3) 相位法（拓普康DL101C/102C）

　　1.3 相位法原理;

　　拓普康電子水準(zhǔn)儀DL101C/102C采用相位法。標(biāo)尺的條碼象經(jīng)望遠(yuǎn)鏡、調(diào)焦鏡、補(bǔ)償器的光學(xué)零件和分光鏡后，分成兩路，一路成象在CCD線(xiàn)陣上，用于進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，另一路成象在分劃板上，供目視觀(guān)測(cè)。DL101標(biāo)尺上部份條碼的圖案，其中有三種不同的碼條。R表示參考碼，其中有三條2mm寬的黑色碼條，每?jī)蓷l黑色碼條之間是一條1mm寬的黃色碼條。以中間的黑碼條的中心線(xiàn)為準(zhǔn)，每隔30mm就有一組R碼條重復(fù)出現(xiàn)。在每組R碼條左邊10mm處有一道黑色的B碼條。在每組參考碼R的右邊10mm處為一道黑色的A碼條。讀者不難發(fā)現(xiàn)，每組R碼條兩邊的A和B碼條的寬窄不相同，實(shí)際上A和B碼條的寬度是在0到10mm之間變化，這兩種碼包含了水準(zhǔn)測(cè)量時(shí)的高度信息。儀器設(shè)計(jì)時(shí)有意安排了它們的寬度按正弦規(guī)律變化。其中A碼條的周期為600mm，B碼條的周期為570mm。當(dāng)然，R碼條組兩邊的黃碼條寬度也是按正弦規(guī)律變化的，這樣在標(biāo)尺長(zhǎng)度方向上就形成了亮暗強(qiáng)度按正弦規(guī)律周期變化的亮度波。條碼的下面畫(huà)出了波形�？v坐標(biāo)表示黑條碼的寬度，橫坐標(biāo)市標(biāo)尺的長(zhǎng)度。實(shí)線(xiàn)為A碼的亮度波，虛線(xiàn)為B碼的亮度波。由于A和B兩條碼變化的周期不同，也可以說(shuō)A和B亮度波的波長(zhǎng)不同，在標(biāo)尺長(zhǎng)度方向上的每一位置上兩亮度波的相位差也不同。這種相位差就好象傳統(tǒng)水準(zhǔn)標(biāo)尺上的分劃，它可由標(biāo)出標(biāo)尺的長(zhǎng)度。只要3能測(cè)出標(biāo)尺底部某處的相位差，也就可由知道該處到標(biāo)尺底部的高度，因?yàn)橄辔徊羁梢宰鞯胶蜆?biāo)尺長(zhǎng)度一一對(duì)應(yīng)，即具有單值性。這就是適當(dāng)選則兩亮度波的波長(zhǎng)，在DL101中A碼的周期為600mm，B碼的周期為570mm，它們的最小公倍數(shù)為11400mm，因此在3m長(zhǎng)的標(biāo)尺上不會(huì)有相同的相位差。為了確保標(biāo)尺底端面，或說(shuō)相位差分劃的端點(diǎn)相位差具有唯一性，A和B碼的相位在此錯(cuò)過(guò)了π/2。

　　DL－102C的標(biāo)尺與DL－101C的略有區(qū)別，DL－102C的標(biāo)尺為白底黑條碼，A碼的波長(zhǎng)為330mm，最小公倍數(shù)為3300mm。A和B碼在波長(zhǎng)底部錯(cuò)開(kāi)的相位差為π。DL101－C的標(biāo)尺與DL－102C的標(biāo)尺可由互換使用。

　　當(dāng)望遠(yuǎn)鏡照準(zhǔn)標(biāo)尺后，標(biāo)尺上某一段的條碼就成象在線(xiàn)陣CCD上，黃條碼使CCD產(chǎn)生光電流，隨條碼寬窄的改變，光電流強(qiáng)度也變化。將它進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換(A/D)后，得到不同的灰度值。視距在Δ0.6m時(shí)標(biāo)尺上某小段成象到CCDA上經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后，得到的不同灰度值(縱坐標(biāo))，橫坐標(biāo)是CCD上象素的序號(hào)，當(dāng)灰度值逐一輸出時(shí)，橫軸就代表時(shí)間了。橫坐標(biāo)標(biāo)記的數(shù)字判斷，儀器采用了512個(gè)象素的線(xiàn)陣CCD。視距和視線(xiàn)高的信息的測(cè)量信號(hào)。

　　如何從上述測(cè)量信號(hào)中求出A和B兩亮度波的相位差呢？下文用測(cè)量人員容易理解的方式來(lái)說(shuō)明。設(shè)想縱坐標(biāo)的灰度值就是表示亮度大小的十進(jìn)位數(shù)字，而且橫坐標(biāo)尺寸已放大到和標(biāo)尺尺寸一致。我們用一波長(zhǎng)為600mm的正弦曲線(xiàn)中的離散灰度值曲線(xiàn)擬合，就可由得到A波的最大振幅和初相位。再用波長(zhǎng)為570mm的正弦曲線(xiàn)，就可由得到B波的最大振幅和初相位。我們對(duì)最大振幅不太感興趣，因?yàn)殡S著標(biāo)尺上的照度不同，最大振幅在不同次數(shù)的測(cè)量中也不同，對(duì)我們求視線(xiàn)高無(wú)關(guān)緊要。我們求出的A和B兩亮度波的初相位之差就是高度數(shù)據(jù)。不過(guò)這是與CCD上第一個(gè)象素對(duì)應(yīng)的位置到標(biāo)尺底端面的高度。我們不難把它換算成CCD中點(diǎn)象素上的相位差，這就好象是中絲讀數(shù)。

　　像上述那樣人工處理測(cè)量信號(hào)是很麻煩的，而且很費(fèi)時(shí)間。在DL系列中則采用快速傅里葉變換(FFT)計(jì)算方法將測(cè)量信號(hào)在信號(hào)分析器中分解成三個(gè)頻率分量。由A和B兩信號(hào)的相位求相位差，即得到視線(xiàn)高讀數(shù)。這只是初讀數(shù)。因?yàn)橐暰嗖煌瑫r(shí)，標(biāo)尺上的波長(zhǎng)與測(cè)量信號(hào)波長(zhǎng)的比例不同。雖然在同一視距上A和B的波長(zhǎng)相同，可由求出相位差，或說(shuō)視線(xiàn)高，但是可以想象其精度并不高。

　　R碼是為了提高讀數(shù)精度和求視距二安排的。設(shè)兩組R碼的間距為P(=30mm)，它在CCD行陣上成象所占的象素個(gè)數(shù)為Z,象素寬為D(=25μm)，則P在CCD行陣上的成象長(zhǎng)度為:

　　L=Z*b (1－5)

　　Z可由一信號(hào)分析中得出，b是CCD光敏窗口的寬度，因此l和P都為已知數(shù)據(jù)。根據(jù)幾何光學(xué)成象原理，可以象傳統(tǒng)儀器用視距絲測(cè)量距離的視距測(cè)量原理一樣求出視距：

　　D=P/l*f (1－6)

　　式中f是望遠(yuǎn)鏡物鏡的焦距。同時(shí)還可以求出物象比

　　A=P/l (1－7)

　　于是將測(cè)量信號(hào)放大到與標(biāo)尺上的一樣時(shí)，再進(jìn)行相位測(cè)量，就可以精確得出相位差，即視線(xiàn)高。

　　電子水準(zhǔn)儀的三種測(cè)量原理各有奧妙，三類(lèi)儀器都經(jīng)受了各種檢驗(yàn)和實(shí)際測(cè)量的考驗(yàn)，能勝任精密水準(zhǔn)測(cè)量作業(yè)。拓普康公司在原理上能獨(dú)樹(shù)一幟，說(shuō)明該公司具有雄厚的技術(shù)實(shí)力，市的值得信賴(lài)的公司。

　　1.4 電子水準(zhǔn)儀的特點(diǎn)

　　1.4.1電子水準(zhǔn)儀的共同特點(diǎn)

　　電子水準(zhǔn)儀是以自動(dòng)安平水準(zhǔn)儀為基礎(chǔ)，在望遠(yuǎn)鏡光路中增加了分光鏡和探測(cè)器(CCD),并采用條碼標(biāo)尺和圖象處理電子系統(tǒng)二構(gòu)成的光機(jī)電測(cè)一體化的高科技產(chǎn)品。采用普通標(biāo)尺時(shí)，又可象一般自動(dòng)安平水準(zhǔn)儀一樣使用。 它與傳統(tǒng)儀器相比有以下共同特點(diǎn)：

　　1) 讀數(shù)客觀(guān)。不存在誤差、誤記問(wèn)題，沒(méi)有人為讀數(shù)誤差。

　　2) 精度高。 視線(xiàn)高和視距讀數(shù)都是采用大量條碼分劃圖象經(jīng)處理后取平均得出來(lái)的，因此削弱了標(biāo)尺分劃誤差的影響。多數(shù)儀器都有進(jìn)行多次讀數(shù)取平均的功能，可以削弱外界條件影響。不熟練的作業(yè)人員業(yè)也能進(jìn)行高精度測(cè)量。

　　3) 速度快。由于省去了報(bào)數(shù)、聽(tīng)記、現(xiàn)場(chǎng)計(jì)算的時(shí)間以及人為出錯(cuò)的重測(cè)數(shù)量，測(cè)量時(shí)間與傳統(tǒng)儀器相比可以節(jié)省1/3左右。

　　4) 效率高。只需調(diào)焦和按鍵就可以自動(dòng)讀數(shù)，減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度。視距還能自動(dòng)記錄，檢核，處理并能輸入電子計(jì)算機(jī)進(jìn)行后處理，可實(shí)線(xiàn)內(nèi)外業(yè)一體化。

　　1.4.2拓普康DL©系列的具體特點(diǎn)

　　拓普康DL系列作為電子水準(zhǔn)儀家族中的一員。以高性能、低價(jià)格深受廣大用戶(hù)的歡迎。DL系列造型美觀(guān)、內(nèi)置功能強(qiáng)、菜單功能豐富、操作界面友好，有各種信息提示，大大方便了實(shí)際操作。

　　主要特點(diǎn)為：

　　１） 在字母狀態(tài)下，可輸入數(shù)字、大小寫(xiě)字母及常用標(biāo)點(diǎn)符號(hào)如(！"＃％§＄’()*_+@<>等)。

　�。玻� 即可以進(jìn)行自動(dòng)測(cè)量(用條碼標(biāo)尺，目前可使用三種標(biāo)尺：鋁合金標(biāo)尺SA－5M、玻璃纖維尺SG－3M和銦鋼尺SI－3/T或SI－3)，又可以進(jìn)行人工讀數(shù)(普通標(biāo)尺)。

　�。常� 有多次測(cè)量、自動(dòng)求平均值，統(tǒng)計(jì)測(cè)量誤差功能。

　�。矗� 有三種線(xiàn)路水準(zhǔn)測(cè)量模式：后前前后、后后前前、后前。給定測(cè)量限差值，儀器可自動(dòng)判斷測(cè)量現(xiàn)差，超限時(shí) 提示重測(cè)，能自動(dòng)計(jì)算線(xiàn)路閉合差等。

　�。担� DL系列有三種記錄模式：即RAM方式，直接存在儀器內(nèi)部RAM中(128K)，可存大約2400組數(shù)據(jù)：RS－232C方式，可通過(guò)電纜將測(cè)量數(shù)據(jù)存到外接計(jì)算機(jī)或用戶(hù)開(kāi)發(fā)的電子手簿，進(jìn)行聯(lián)機(jī)實(shí)時(shí)測(cè)量：OFF方式，測(cè)量結(jié)果只顯示在儀器屏幕上，不進(jìn)行存儲(chǔ)。DL系列主機(jī)內(nèi)存可存儲(chǔ)約1100個(gè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，并在前一型號(hào)DL系列基礎(chǔ)上增加了PCMCIA卡存儲(chǔ)功能。目前，PCMCIA卡的容量主要有256K、512K、1M。

　�。叮� 雖然儀器的顯示屏較小，但保存在儀器內(nèi)部的測(cè)量結(jié)果可在儀器上用SRCH鍵進(jìn)行查閱。

　　7） 具有高程放樣和測(cè)量水準(zhǔn)支點(diǎn)的功能。

　�。福� 當(dāng)測(cè)量鍵不起作用時(shí)(如光線(xiàn)太暗、遮擋太多時(shí))，可輸入人工測(cè)量的高程和平距讀數(shù)，以使線(xiàn)路水準(zhǔn)測(cè)量程序能繼續(xù)進(jìn)行。

　　９） 有倒置標(biāo)尺功能，適合于天花板、地下水準(zhǔn)測(cè)量。

　�。保埃� DL©系列具有獨(dú)立的測(cè)距功能可方便地用于前、后視距離測(cè)量，精度為1Cm至5Cm

　�。保保� 可用來(lái)概略測(cè)定水平角，精度到1度或1gon。

　�。保玻� 標(biāo)尺為等間距分劃，可以象檢驗(yàn)普通水準(zhǔn)標(biāo)尺一樣，檢驗(yàn)它的分劃誤差。

　�。保常� 儀器有I角檢驗(yàn)程序，在野外可方便地進(jìn)行I角檢驗(yàn)