数字水准仪室外检定及检定场建立

数字水准仪室外检定及检定场建立

陈明

中铁一院集团有限公司计修中心甘肃兰州730000

【摘要】数字水准仪由光学机械部分、自动安平补偿装置和电子设备组成。利用数字水准仪进行水准观测时，水准铟钢条码尺刻度分划图像在望远镜中成像，通过分光器分成两束光路，一束转射到观测镜供人眼观察，另一束转射到图像传感器。转射到图像传感器的视频信号被光敏二极管感应，并转换成电子信号，经滤波整形后进入模数转换系统，输出的数字信号送入微处理器处理并由其软件解算得到观测值。

【关键词】数字水准仪；室外检定；建立方案

1数字水准仪

1．1数字水准仪构造

数字水准仪的主要构造包括3个部分:第一部分是电子设备，电子设备的组成部分很多，如显示器、调焦编码器、自动读取器等;第二部分是光学设备;第三部分是自动安平补偿装置。当然，数字水准仪的生产厂家有很多，不同厂家在水准仪的构造方面存在一定的差异，且不同环境下，对于水准仪的要求也不同，因此，水准仪的构造可能并不会完全一样。

1．2数字水准仪工作原理

尽管不同的水准仪在构造上可能存在差异，但是其工作原理大致一样，主要是借助于编码标尺，自动完成照准和调焦，然后读取数据。通常来说，标尺的条码包括两个部分:第一部分是分布在分划板上，该部分的条码主要是通过工作人员的直接观察来进行读取;第二部分是在光电传感器上，从而转变成电信号，由测量仪实现对数据的自动读取和输出。

2数字水准仪的室外检定方法

数字水准仪在光学自动安平水准仪的基础上进行了数字修正和补偿，其读数系统是一套高精度光敏传感器系统，在检定过程中按原光学水准仪的方法不能完全描述其性能。为此，对数字水准仪的检定除原有的光学水准仪检定项目外，还须配合水准条码尺进行室外检定。室外检定项目主要有电子ｉ角设置及剩余ｉ角测定、电子补偿性能误差测定、调焦运行误差和测站单次高差标准差测定。

2.1电子ｉ角设置及剩余ｉ角测定

数字水准仪的电子ｉ角是指经过物镜光心的水平入射光线与这条水平光线经过补偿器到图像传感器参考点的水平视准线之间的夹角。各个仪器厂家均提供了多种电子ｉ角设置软件，可以对其进行设置。常用的设置方法有费氏法（Ｆｏｒｓｔ－ｎｅｒ）、李氏法（Ｎａｂａｕｅｒ）、库氏法（Ｋｕｋｋａｍａｅｋ）和日本法（Ｊａｐａｎｅｓｅ）。

2.1.1费氏法。

选择长约４５ｍ的距离，将其分成３等份，按图１所示安置仪器和条码尺。

2.1.2李氏法

选择长约４５ｍ的距离，将其分成３等份，按图２所示安置仪器和条码尺。

2.1.3库氏法

选择长约４０ｍ的距离，将其分成２等份，按图３所示安置仪器和条码尺。

2.1.4日本法

将两标尺相距３０ｍ安置。首先在两标尺中间安置仪器站，然后在两标尺连线上距其中之一３ｍ处设置另一仪器站，如图４所示。对数字水准仪的电子ｉ角完成设置并存储后，再对剩余电子ｉ角进行测定。剩余电子ｉ的测定可以采用４种方法中的任意一种，其作业步骤与设置电子ｉ角的步骤一致。常规测量模式下，在两个测站上对条码尺进行测量，人工记录数字水准仪显示的视线高和距离，再按照下式计算剩余电子ｉ角：

式中，ｒ１Ａ、ｒ１Ｂ、ｒ２Ａ、ｒ２Ｂ为仪器在测站１和２时对Ａ、Ｂ尺的读数，Ｄ１Ａ、Ｄ１Ｂ、Ｄ２Ａ、Ｄ２Ｂ为仪器在测站１和２时相对Ａ、Ｂ尺的距离。

2.2电子补偿性能误差

在平坦的地方丈量一长为Ｄ＝４０ｍ的直线，在其两端点Ａ、Ｂ处打下两个圆柱形铜点针，在Ａ、Ｂ的中点架设仪器。安置仪器时，需使其两脚螺旋连线与Ａ、Ｂ垂直。仪器整平后，交替在Ａ、Ｂ标尺照准读数１０次并计算其中数ａ和ｂ，则Ａ、Ｂ间的高差为：

ｈ＝ａ－ｂ

用位于Ａ、Ｂ方向上的一脚螺旋使仪器竖轴向Ａ标尺倾斜一个正α角（α为仪器纵向倾斜的补偿范围）。如前，交替照准Ａ、Ｂ标尺读数各１０次，同样计算Ａ、Ｂ间的高差：

ｈ＋α＝ａ＋α－ｂ＋α

将仪器竖轴向Ａ尺方向倾斜一个负α角，如前，观测读数并计算高差：重新整平仪器，再用另两脚螺旋使仪器竖轴先后向两侧倾斜＋β和－β（β为仪器侧倾斜补偿范围）。如前，观测读数，并计算Ａ、Ｂ间高差：

ｈ＋β＝ａ＋β－ｂ＋β，ｈ－β＝ａ－β－ｂ－β

仪器竖轴倾斜时测得的４个高差与仪器置平时测得的高差的差Δｈ为：

最后，按下式计算仪器补偿误差Δα：

2.3调焦运行误差

选择一平坦场地，沿直线依次布设０、１、２、３、４、５号点，打入圆柱形铜点针，并使０号点到其余各点的距离分别为Ｄ１＝５ｍ，Ｄ２＝１０ｍ，Ｄ３＝２０ｍ，Ｄ４＝３０ｍ，Ｄ５＝５０ｍ。

每一仪器安置点观测４测回，测回间应变换仪器基座及仪器高。每测回先测往测，后测返测，返测观测标尺次序与往测相反。首先分别在０号点到其他各点的中点或中点一侧安置仪器，且使设站点到０号点的距离等于到ｉ号点的距离，然后按规定程序观测０号点到ｉ号点上的标尺读数，每测回均不得变动焦距。最后置仪器于０号点，按规定程序观测１号点至５号点的标尺读数。在整个过程中，一根标尺固定在０号点，另一根标尺作移动尺，立于１号点至５号点上。

０号点到其他各点的高差为：

ｈｉ＝Ｌ０－Ｌ

式中，Ｌ０为对应于Ｌｉ的０号点各测回往返读数的平均值，Ｌｉ为对应于Ｌ０的ｉ号点各测回往返测读数的平均值。

在０号点观测１至５号点的视线高度差为：

Ｈｉ＝Ｍｉ＋ｈｉ－７．８×１０－５×Ｄ２ｉ

式中，Ｍｉ为在０号点观测１至５号点的各测回往返标尺读数的平均值，单位ｍｍ；Ｄｉ为０号点到其他各点的距离，单位ｍ。则调焦运行误差为：

2.4测站单次高差标准差

建立一个稳定的阶梯水准点场地，通过标定得到相邻点的高差λｉ（ｉ＝１～４）。

将仪器分别架设在３ｍ和３０ｍ位置，相应的条码尺先置于０号点观测Ｈ′０，然后依次观测１～４号点Ｈｉ（ｉ＝１～４），最后回到０号点进行归零观测得Ｈ″０，取平均值Ｈ０＝（Ｈ′０＋Ｈ″０）／２。测量的相对高差为：

ｈｉ＝Ｈｉ－Ｈｉ－１（ｉ＝１～４）

其残差为：

ｖｉ＝ｈｉｉ－λｉ（ｉ＝１～４）

测站单次高差标准差为：

3检定场地的建立方案

综合各方面因素，可在室外建立一直线场地和一阶梯状场地，对数字水准仪进行室外检定。

3.1直线水准点埋点图

选择一处平坦稳定的场地，在场地内选取一条直线，依次丈量出０、３、５、１０、１５、２０、３０、４５和５０ｍ位置，每个点位埋设圆柱形铜点针，如图5所示，满足对数字水准仪电子ｉ角误差设置及剩余ｉ角测定、调焦运行误差和电子补偿误差的检定。其中，地基为５０．０ｍ×１．０ｍ×０．２ｍ的钢筋混凝土结构，点针为圆柱形铜点针。

3.2阶梯状水准点埋点图

阶梯状水准点埋点图可满足对数字水准仪测站单次高差标准差的检定。地基为３．０ｍ×１．０ｍ×０．２ｍ的钢筋混凝土结构，低于地面０．２ｍ；台阶底部长宽为２．５ｍ×０．５ｍ，高０．２ｍ，同样为钢筋混凝土结构；点针为圆柱形铜点针。

观测墩垂直于水准点排布距离３ｍ和３０ｍ两个位置，分别修建直径０．４ｍ、高１．５ｍ的钢筋混凝土观测墩，中间为强制对中归心盘。

4结论

在传统水准仪的基础上，研究人员发明了数字水准仪，该水准仪配置了数字成像系统，并且安装了条码水准尺，不需要借助于人工操作，且读取的数字更为准确，此外，数字水准仪还能够对读取的数据进行自动保存，避免数据丢失。数字水准仪不仅能够减少人力操作成本，而且还能够避免人为操作所造成的误差或错误，使得到的数据更为准确。

参考文献：

[1]曾征.电子水准仪室内检定方法的研究[D].华南理工大学,2012.

[2]薛志宏.数字水准仪的原理、检定及应用研究[D].中国人民解放军信息工程大学,2002.