数字水准仪室内检定装置

庞尚益，吴学文，杨 坤，沈迎光

(陕西测绘仪器计量监督检定中心，陕西西安710054)

一、引 言

数字水准仪作为承载高精度传感器的电子测量设备，具有自动读数、测量精度高、测量速度快、测量结果可进行数字化处理的优势，其在精密水准测量领域的应用越来越广。与光学水准仪相比，数字水准仪具有与其相同或相似的光学机构，但却多了一套信号采集和数据处理系统，这套系统正是数字水准仪的核心。因此，检定数字水准仪不能像检定光学水准仪一样，仅仅评估其光学性能指标是不够的，甚至是舍本逐末的。数字水准仪核心电子部件CCD传感器，与望远镜、补偿器等光学部件会产生光机电结合误差，如电子i角、电子补偿性等，这些误差直接影响着测量和计算精度，必须要进行检定或校准。为了对数字水准仪的各项性能指标做出全面公正的评定，保证其正常使用精度，探索和研究新型稳定的数字水准仪检定装置是十分必要的。

二、数字水准仪原理

数字水准仪测量系统由编码水准标尺、望远镜、补偿器、分光镜、CCD传感器、微处理器、图像和数据处理软件等组成，如图1所示。数字水准仪的工作原理是，条码标尺经过光反射，光束经过分光镜后分成两路，一路直接成像在十字丝分划板上供目镜观测，一路成像在线阵CCD传感器上供电子读数。电子读数是将条码标尺的影像作为测量目标，CCD将光学信号转换为模拟信号，再将模拟信号转换为数字信号，形成的测量信号与CCD内存的参考信号(标准信号)进行比对，从而实现自动测量读数。

三、数字水准仪的检定现状

传统的用于检定光学水准仪的检定装置只能完成数字水准仪光学部分的检定，对电子部分没有涉及。由于数字水准仪需要配套的条码标尺才能完成检定，影响其测量精度的电子i角和补偿性能等项目的检定只能在室外进行。室外检定需要天气晴朗、光线充足、视场通透、仪器内外温差小等条件。在检定过程中，数字水准仪要进行人为地架站、移站以及水准标尺的架设整置。除此之外，室外气温、湿度和震动等环境条件的变化，诸多不稳定因素将对数字水准仪的测量精度产生很大的影响，从而影响对其计量性能的评定。

图1 数字水准仪测量系统的构成

目前，国内已经出现不少数字水准仪的室内检定装置，但都是在光学水准仪室内检定装置的基础上改造的。将各类数字水准仪的编码标尺影像定制到目标分划板上，通过调焦可实现目标视距的调节，但是此类装置价格昂贵，并且容易产生调焦误差。本文要介绍的基于平行光管的数字水准仪检定装置，构造简易、操作简单、成本低，并且视距和焦距固定，可以完成常规的数字水准仪检定项目。

四、新型数字水准仪检定装置的构建与测试

鉴于当前使用的数字水准仪检定装置的局限性，为完善室内检定，克服当前数字水准仪检定装置和方法的不足。经过研究试验，构建了基于平行光管的数字水准仪全室内检定装置。该装置以焦距为1．2m和1．6m的平行光管作为一对平行光管组，以平行光管的目标分划板作为各类条码水准标尺影像的载体，以四维微倾工作台作为数字水准仪的安置台，整体构成一套数字水准仪的检定系统。如图2所示，一套数字水准仪检定校准系统的基本构造。

图2 数字水准仪检定校准平台

1．新装置的原理

数字水准仪获取编码水准标尺的影像进行测量结果的计算，可直接以编码水准标尺的影像作为测量目标，将实物测量目标变为数字测量目标，从而完成室外到室内的模拟。水准标尺的编码影像大小以数字水准仪的可测视场范围定制。由于平行光管焦距是可调的，在已知编码影像宽度和视距的情况下，可以计算出焦距。然后，将焦距调到数字水准仪测量距离在15m和30m的位置，以便进行数字水准仪电子i角和补偿性能的检定。该装置将 Leica、Trimble(Zeiss)、Topcon 和 Sokkia 4 种常用的数字水准仪的编码标尺作为综合观测目标微缩到平行光管的目标分划板上。如图2所示的条码标尺分划，每个分划板上载有两幅标尺的编码影像，分别为15m和30 m的距离。因此，只需在四维工作台上旋转照准不同距离的编码标尺，即可完成不同数字水准仪的电子i角和补偿性能的检定。

2．新装置的测试与分析

数字水准仪的i角和补偿性能是评价其光电系统测量精度的重要指标，想要精确检验这两种性能，对检定装置的精度要求也比较高。首先，应该保证目标分划板垂直，在竖直方向上与水准仪目镜分划板平行。其次，要保证平行光管的平直度小于1″，这就要求在同一平行光管测量近距离(15 m)和远距离(30 m)的目标时，测得的尺高应该大致相同，高差应该小于0．1mm，保证远、近距离目标分划在同一条直线上。最后，要保证测量远、近距离时目标亮度一致，减小对测量精度的影响，同时做好装置的防震，减小测量过程中仪器或目标的晃动对测量精度的影响。只有满足了以上条件，才能将检定装置本身对i角和补偿性能检定精度的影响降到最低。

(1)数字水准仪i角的检验

数字水准仪 i角的检定一般采用弗尔斯特(Förstner)法，该方法要求将仪器架设在45 m距离的1/3处，标尺设在两端，优先测量短距离(15m)，仪器可自动测算出新的i角值及与旧i角值的残差。使用这种新装置检测i角可以采用单光管法，也可以采用双光管法，测量过程中只需选择不同距离的编码尺影像目标，可以适当地升降仪器高度模拟室外的移站。为了对比室内外i角检测的差异，试验中笔者采用同一台徕卡DNA03数字水准仪。表1为室内外i角检测数据的比对。

表1 室内外i角检测比对 (″)

本次试验采用的DNA03数字水准仪原存i角为-21．0″，检测数据中，新值为新测的i角改正量，笔者把i角残差值当做评判i角大小的依据。从数据可以分析，室内检测对仪器原i角的改正更为显著，改正后的i角均小于1″，最大最小值之差仅为0．2″。而室外检测 i角改正后大于 5″，最大最小值之差为0．7″。室内检测标准差小于室外，可以看出室内检测更加稳定，表明该装置的稳定性很好，可以用于数字水准仪的检定。

(2)数字水准仪补偿性能的检验

依据《数字水准仪检定规程》(CH/T 8019—2009)规定，进行数字水准仪补偿性能的检定时，标尺安置在30～40m的距离两端，仪器在中间。在进行对比试验时，笔者将仪器安置在16m处进行补偿性能的检验。

补偿性能的检测以仪器向前、后、左、右4个方向倾斜8'为准，采用同一台DNA03水准仪，室内、室外各检测5次。从表2的数据可以看出，室内、外检测数据接近，但室外检测数据稍有波动，而室内检测效果非常稳定。由此可见，室内、外检测的差异并不是仪器本身的原因造成的，而是人为的或环境因素造成的。室内可通过微倾台让仪器每次都精确倾斜到8'的位置，而室外只能通过旋转脚螺旋倾斜仪器，每次并不能定位到同一位置，导致测得的视线高发生差异，从而影响补偿误差的大小。

表2 室内外补偿性能检测比对

五、数字水准仪的校准维修

本文介绍的这种新型的基于平行光管的数字水准仪检定装置不仅可以用于检定数字水准仪，还可以作为校准维修数字水准仪的平台，为数字水准仪提供稳定的、可以实时观测的校准维修平台。对于数字水准仪经常出现的电子i角超限、补偿器超限、CCD偏移等问题均可以在此装置上进行校正。由于数字水准仪的校准、维修过程中必须要进行现场检验测试，而在室外由于场地、环境等因素的影响无法进行现场校准、维修。在室内校正过程中，可根据光路和信号传递的原理和过程，进行有目的的校正，并进行反复地测量比对，可确保仪器回归到正常测量状态。

六、结束语

对同一类型数字水准仪，分别在室外和室内进行电子i角的检校和补偿性能的检定，通过对比观测试验，对两种方法的检定结果进行评定，试验结果证明，室内法检定对电子i角的校正能力更强，对补偿性能的检定更加显著、准确。

基于平行光管的数字水准仪检定装置能够完成数字水准仪的电子检定项目，结合JSJ-ⅡZ型精密水准仪综合检验仪完成数字水准仪光学检定项目的检定，从而实现了数字水准仪的全室内检定。该装置占地面积小，不需移动水准仪和水准标尺，水准仪旋转照准前后站目标不需调焦即可测量，水准标尺视场内光照均匀，仪器内外温差小，检定不受天气和时间限制，检定装置稳定、抗震性强，构建成本低，可节省大量的人力物力，很好地克服了室外检定的种种弊端。使用该装置依据《数字水准仪检定规程》(CH/T 8019—2009)进行常用4种数字水准仪的检定，经过检验测试，可以满足数字水准仪的检定要求。

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