试论数字水准仪组成原理及应用分析

试论数字水准仪组成原理及应用分析

郝小闯

西安煤航信息产业有限公司陕西西安710054

摘要：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。文章阐述数字水准仪的基本原理，对测量中的应用进行分析。

关键词：数字水准仪；原理；应用

引言

目前，现代的科学技术发展的非常迅速，在测量方面，采用的设备、方法以及手段都在进步。在工程测量里，精度要求较高使用的硬件以及软件等仪器都在不断的出现，并且在各个工程测量的领域都被迅速的采用，所以，在测量的精度要求比较高的工程里，所使用的手段一直都在进步。数字水准仪所采用的技术已经是比较靠前的了，它拥有很多优点，例如：测量精度高，测量效率高等，用不了多久，数字水准仪就会将光学水准测量仪器代替掉。

1.数字水准仪的基本原理

1.1数字水准仪的基本组成

数字水准仪又被称作电子水准仪，是在自动安平水准仪的基础上发展起来的，现在各大厂家采取基本一致的结构进行生产，由光学机器部分、自动安平补偿装置和电子设备组成其基本的构造，其中电子设备是由光电传感器、读取电子元件、单片微处理机、CSI接口、数据处理软件、标尺等组成，标尺采用条形码供电子测量使用。由于专利权的原因使得各公司标尺的编码方式和电子读数2求值过程大不相同。

1.2数字水准仪的基本工作原理

就目前来看，数字水准仪采取基本测量原理相似的三种自动电子读数方法：采用编码标尺，图像数据处理系统和仪器内图像装置识别器。标尺通过使用不同宽度的条码组合来表示不同位置的尺面，在人工完成照准调焦之后，水准尺上的编码图像经过望远系统、调焦镜和分光镜后一方面被成像在分划板上，另一方面在线阵CCD上进行光电的转换，等到转换成电信号后进入到模数转化系统，进而将输出的数字信号送入微处理器中进行储存，将其按照一定的方式与内存标准码进行比较从而获得编码标尺的读数。与传统测量仪器相比较，数字水准仪的精度高，读数误差较小，不存在人为的读数误差；在人工完成照准和调焦后按键即可自动生成数据并处理，实现内外的一体化，减轻了劳动强度，加快了速度提高了工作效率。

1.3数字水准仪i角的原理

众所周知，水准测量中采用前、后视距相等的方法，以消除仪器i角对观测数据的影响。但在实际测量中，由于地形和丈量等客观条件的限制，不可能完全遵守前后视距相等的原则。因此，对水准测量特别是精密水准测量，仪器i角的大小和稳定性是保证水准测量精度的一个重要条件。

虽然数字水准仪具有将测定的i角存入机内，并对所测数据按该i角进行自动修正的功能。但仪器i角受外界温度、湿度、振动的影响而瞬时变化，因此，研究讨论数字水准仪i角问题很有必要。在外业工作时应经常对i角进行检验，以保证测量精度。

2.数字水准仪在测量过程中的应用技巧

2.1补偿误差。数字水准仪最初的发展原理是光学自动安平水准仪。由于补偿器都属于吊带重力补偿器，通过温度变化、运输等条件的影响，仪器的内应力发生变化，补偿性能差异大，因此要及时进行检测，如果超过限差要及时予以调校。同时，还需注意补偿器的稳定时间，置平仪器后不能马上进行测量，通常要有2～3秒的延迟时间。

2.2视准线误差。由于水准测量结果受视准线误差大小的直接影响，因此在测量过程中一定要确保前后视距离差在规定的范围内。通常情况下，数字水准仪具有独立的测距功能，在水准尺读数前要依据距离测量值调整水准仪或者水准尺位置。

2.3调焦对测量的影响。数字水准仪调焦对测量结果产生的影响远远低于光学水准仪，因为数字水准仪依靠的是用于测量的所有间隔码元估算并多次测量的平均值。如果读数时焦距没有调整清楚，容易导致测量失败。如果只是调焦波动，不会对测量结果产生明显影响。

2.4标尺安置状态对测量的影响。在数字水准仪使用过程中，标尺安置要备受关注。因为数字水准的在自动测量的过程中对标尺安置状态的监视极为缓慢，在偏离垂直状态范围很大的情况下，依然会测量。为了有效提高标尺的安置速度，通常在精密因瓦条码标尺上安置圆水准器。

2.5磁致误差。目前，数字水准仪的补偿器大多是由非磁性材料或铝制造而成的，在均匀磁场中检测不受影响，但是如果处于交变磁场中，就会检测到补偿器的偏转量。受此影响，在通过有变电枢纽、电气化铁路或者大功率的发电厂时，一定要选用正确的测量仪器，检测因磁场导致的误差影响幅度。

2.6仪器的晾置和预热。由于数字水准仪的参数容易受环境温度的影响，因此在开始测量作业前一定要对仪器进行预热或者晾置，保证仪器和外界温度趋于一致，防止仪器在温度不稳定阶段实施测量而影响精度。对于晾晒时间的把握，晾置时间通常是温差的2～3倍，即如果温差在5℃，那么晾置时间就大约是10℃～15℃。在潮湿环境中，应当准备好干燥剂，把仪器存放在干燥环境中。

2.7振动对测量的影响。数字水准仪还会受到振动影响，导致补偿器的视准线不稳。在测量环境中，如果有明显的风力过大、机械振动、重载车辆通过等，要暂停测量。

3.提高数字水准仪的精度应注意的问题

3.1仪器预热问题

仪器首次测量如果不预热时，容易出现读数不准、测量速度慢等现象，因此要针对性能特点和测区环境在测量前对仪器进行预热和测试，待仪器各性能及状态稳定后进行测量。

3.2光线问题

光线太强、不均匀或标尺部分遮挡将会导致CCD信号产生饱和偏差进而影响读数。野外条件下，避免标尺受树叶等遮挡，同时应根据相应的规范要求使成像清晰稳定。据有关实验可得出结论：无论何种遮挡，只要仪器可读数，则可能出现的最大偏差为0.5mm上下，视场遮挡的比例越大对读数的影响越大；动态遮挡对读数影响较小，所以在野外测量时，要尽量避免标尺被遮挡。

3.3地面震动对测量精度的影响

由于地面震动造成的标尺成像在视场中上下跳动，将会出现读数不准的现象，据有关资料显示给出结论：震动源距标尺越近产生的影响越大，在观测时产生振动，对观测数据产生约0.2mm的影响，因此说，在观测时最好避开强震动。

4.数字水准仪使用的前景

随着测绘行业的不断发展，国家规范的形成，仪器的不断改进，数字水准仪将以它效率高、精度高等优点，广泛应用于地震、测绘、电力、水利等行业，将在我国现代化建设中发挥重要的作用。

国外已开始应用于几何水平测量，并利用带自动对焦和电动水准仪同时对几个目标进行长期的自动观测。此外，改进电动水平或垂直测量、跟踪大型设备变形等领域的应用也正在开发之中。可以预见，数字水准仪的应用将会有广阔的前景。

5.结束语

数字水准仪作为水准测量仪器的发展趋势，具有自动读数、作业效率高、操作简便、高防水性能、测量速度快、减轻作业劳动强度、采用GPS模块自动记录和储存数据或直接电脑操作的特点，推向市场以来，受到顾客的青睐，并迅速应用于路线水准测量、水文基准测量、变形监测、工业测量等多种领域。

参考文献：

[1]王彦.论数字水准仪的优点与缺点[J].神州，2013（10）．

[2]肖天雄.数字水准仪在精密水准测量中的应用[J].硅谷，2008（14）．

[3]孔祥元，郭际明.控制测量学[M].武汉：武汉大学出版社，2006.

[4]蔡正凯.电子水准仪在沉降观测中的应用分析[J].应用科技，2012，（2）.