数字水准仪的功能特点及测量原理

数字水准仪原理及误差分析摘要：在科技不断发展的背景下，工程测量项目逐渐朝着数字化的方向转变，传统光学水准仪逐渐被市场淘汰，取而代之的是数字水准仪，这是一种集光、电、机、微处理器等为一体的几何水准测量设备，能够对数据整合、分析等进行自动化处理，最大化地降低人为误差，确保测量数据更精准，本文作者结合多年的计量检定经验，介绍了数字水准仪误差分析的原理与误差分析，以提高数字水准仪的检测水平。

关键词：数字水准仪；误差分析；原理；计量1引言数字水准仪又称作“电子水准仪”，是20世纪90年代研制的一种全新测量仪器，其是根据电子工程学原理进行测量、计算的，能够确定所有观测值的一般平差。

由于这一设备具有较高的精准性，对此，市场应用范围不断扩大，在今后的技术领域中，数字水准仪取代光学水准仪是一个必然的发展趋势。

不过，该如何加强仪器的有效质量控制则是一个最关键的问题。

为了确保数据测量更精准，误差得到有效控制，则需要对数字水准仪的误差原因进行分析，并对其应用原理等进行逐一探究，以便于能够更好地发挥事半功倍的作用。

2数字水准仪的原理分析从应用角度来看，数字水准仪需要在自动安平水准仪的辅助下进行研制，其内部构件有三个：自动安平补偿设备、电子设备、光学设备。

其中，电子设备一般是指：光电传感仪、调焦编码器、读取电子元件、CIS接口、显示屏、键盘、单片微处理机、数据处理软件、光学传感器、测量键、影像等。

对于其使用的标尺来说，则是通过条形码的方式进行电子测量的。

不同的厂家在研制的过程中，选择的数据处理方式是不一样的。

通过调查发现，一般厂家的数据处理方式包括：相关法、几何法、相位法等。

由于方法有差异，所以精确度也是有很大差异的。

对于采用相关法的数字水准仪来说，其望远镜照准标尺且调焦后，标尺的伪随机码影像利用分光镜成像于行阵传感器中，并借助于入射的红外波段来收集测量信号，并且，入射光谱的可见光部分成像于分划板中，便于目测。

对于电子测量来说，标尺条码成像于行阵传感仪中，其随之能够把接收的图像转化为模拟信号，然后进行信号读出，并对视频信号进行放大处理，由此获得测量信号[1]。

数字水准仪在某火电厂二等水准测量的应用随着数字技术的发展，传统的光学水准仪正在被数字水准仪所替代，它实现了水准测量的数字采集、记录和处理的自动化目前各厂家生产的数字水准仪,虽然仪器型号不同,但在标尺读数、数据记录、各种误差(限差)报警等方面均已实现自动,从而减轻了仪器使用者的劳动强度并大幅度提高了观测工作的效率它具有人为干预少、工作速度快、读数准确、测量精度高等优点,目前已成为沉降观测、工程水准测量、高精度水准网观测的骨干仪器1、数字水准仪工作原理为:一个数字水准仪测量系统主要是由编码标尺、光学望远镜、补偿器、CCD 传感器以及微处理控制器和相关的图象处理软件等组成。

工作基本原是标尺上的条码图案经过光反射，一部分光束直接成像在望远镜分划板上，供目视观测，另一部分光束通过分光镜被转折到线阵CCD传感器的像平面上，经光电转换、整形后再经过模数转换，输出的数字信号被送到微处理器进行处理和存储，并将其与仪器内存的标准码（参考信号）按一定方式进行比较，即可获得高度读数和水平距离。

2数字水准仪的误差影响及解决方法2.1视准线误差由数字水准仪的构造和测量原理知道,数字水准仪存在两个完全不同的i角,如图1所示,数字水准仪在它的望远镜光路中加装有分光镜和光电探测器CCD。

望远镜照准标尺并进行调焦后,标尺条码影像一方面被成像在望远镜十字丝分划板上供观测者目视观测;另一方面又在分光镜的作用下成像在光电探测器CCD上进行电子测量。

用于目视观测的光线与仪器水平轴线的夹角称作仪器的光学i角,而用于电子测量的光学(虚拟线)仪器水平轴线的夹角即是数字水准仪的电子i角。

带的i角检测程序测出其值,却无法通过改变探测器CCD或补偿器位置的方法来对其进行校正。

如图1所示,因为探测器CCD内存着标准编码,其参考点稍有变化都将直接影响仪器的精度,而调整补偿器位置也只能在工厂中进行。

由此可知数字水准仪的电子i角存在着工作中只能测定、不可校正的特性。

水准测量的基本原理及测量方法内容：理解水准测量的基本原理；掌握DS3 型微倾式水准仪、自动安平水准仪的构造特点、水准尺和尺垫；掌握水准仪的使用及检校方法；掌握水准测量的外业实施（观测、记录和检核）及内业数据处理（高差闭合差的调整）方法；了解水准测量的注意事项、精密水准仪和电子水准仪的构造及操作方法。

重点：水准测量原理；水准测量的外业实施及内业数据处理。

难点：水准仪的检验与校正。

§2.1 高程测量（Height Measurement ）的概念测量地面上各点高程的工作, 称为高程测量。

高程测量根据所使用的仪器和施测方法的不同，分为：（1）水准测量(leveling)（2）三角高程测量(trigonometric leveling)（3）气压高程测量(air pressure leveling)（4）GPS 测量(GPS leveling)§2.2 水准测量原理一、基本原理水准测量的原理是利用水准仪提供的“水平视线”，测量两点间高差，从而由已知点高程推算出未知点高程。

a ——后视读数A ——后视点b ——前视读数 B ——前视点1、A 、 B 两点间高差：2、测得两点间高差后，若已知 A 点高程，则可得B点的高程：。

3、视线高程：4、转点TP(turning point) 的概念：当地面上两点的距离较远，或两点的高差太大，放置一次仪器不能测定其高差时，就需增设若干个临时传递高程的立尺点，称为转点。

二、连续水准测量如图所示，在实际水准测量中， A 、 B 两点间高差较大或相距较远，安置一次水准仪不能测定两点之间的高差。

此时有必要沿 A 、 B 的水准路线增设若干个必要的临时立尺点，即转点（用作传递高程）。

根据水准测量的原理依次连续地在两个立尺中间安置水准仪来测定相邻各点间高差，求和得到 A 、B 两点间的高差值，有：h 1 = a 1 － b 1h 2 = a 2 － b 2……则：h AB = h 1 + h 2 +…… + h n = Σ h = Σ a －Σ b结论：A 、 B 两点间的高差等于后视读数之和减去前视读数之和。

一、实习目的本次实训的主要目的是通过实际操作，使学生对数字水准仪的构造、工作原理、操作方法和应用领域有更深入的了解，提高学生的实际操作技能和解决问题的能力。

具体目标如下：1. 熟悉数字水准仪的构造、工作原理和操作方法；2. 掌握数字水准仪的校准、测量和数据处理方法；3. 学会使用数字水准仪进行实际工程测量，如高程测量、地形测绘等；4. 培养学生的团队合作精神和实际操作能力。

二、实习内容1. 数字水准仪的基本知识（1）数字水准仪的构造：数字水准仪主要由望远镜、测微器、光电传感器、数据处理单元等组成。

（2）数字水准仪的工作原理：利用光电传感器将望远镜中物体成像，通过测微器测量像点移动的距离，进而计算出高程差。

（3）数字水准仪的特点：高精度、高效率、自动化程度高、操作简便。

2. 数字水准仪的校准（1）仪器校准：在测量前，对数字水准仪进行校准，确保仪器精度。

（2）标尺校准：将标尺放置在已知高程点上，读取数字水准仪显示的高程值，与实际高程值进行比对，进行标尺校准。

3. 数字水准仪的测量（1）测量前准备：选择合适的测量路线，检查仪器和标尺，设置测量参数。

（2）测量操作：按照测量路线，使用数字水准仪进行高程测量。

（3）数据处理：将测量数据导入计算机，进行数据处理，计算高程差、高程等。

4. 数字水准仪的应用（1）高程测量：利用数字水准仪进行高程测量，如地形测绘、建筑物高程测量等。

（2）地形测绘：将数字水准仪与全站仪结合，进行地形测绘。

（3）其他应用：如土地测量、水利工程测量等。

三、实习过程1. 实习前期，学生通过查阅资料、课堂讲解等方式，了解数字水准仪的基本知识。

2. 实习中期，学生在教师指导下，进行数字水准仪的校准、测量和数据处理。

3. 实习后期，学生分组进行实际工程测量，如高程测量、地形测绘等。

四、实习总结1. 学生通过本次实训，掌握了数字水准仪的构造、工作原理、操作方法和应用领域。

2. 学生提高了实际操作技能和解决问题的能力，培养了团队合作精神。

数字水准仪的应用研究作者：国海峰来源：《科技创新导报》 2015年第10期国海峰(海伦市土地勘测技术服务中心黑龙江海伦 152300)摘?要：水准仪作为测量高程差的仪器，在建筑、采矿以及地震预警等多种领域中广泛应用，数字水准仪因为。

数字水准仪因为其测量的精确度达到了一定程度而具有较高的使用价值。

该文首先分析了数字水准仪的工作原理，然后讨论了其具体的操作方法和注意事项，最后分析了其优缺点并对其今后的发展方向进行了相关探头。

希望该文能够为相关工作者提供一些参考信息。

关键词：数字化水准仪应用中图分类号：P204文献标识码：A 文章编号：1674-098X(2015)04(a)-0238-01矿山矿物开采和建筑工程地质测量以及地震预测报警等多个领域中都会应用到水准仪，矿藏开采力度的加大与建筑行业繁荣发展以及四川地震频发等诸多现实都对水准仪的测量的精确度提出了更高的要求，数字水准仪是人们对科技进一步追求的产物，同时也体现了科学技术对于各个行业和领域的重要影响。

作为现阶段最先进的水准仪其由于价格昂贵还没能够在相关的应用领域中广泛使用，因此应用该仪器的实践者比较少，所以要对数字水准仪进行深入的研究以扩大其生产制造规模和实际应用范围，从而使得科学技术能够服务于生产生活的各个方面，尤其是地震预测和建筑地质测量领域当中，高层建筑地测和地震报警关系到生命安危，因此,一定要将数字水准仪普及到这些领域中。

1 数字水准仪工作原理1.1 基本结构数字水准仪基本构造由光学机械部分、自动安平补偿装置和电子设备组成，电子设备主要包括调焦编码器和数据处理软件等等，标尺采用条形码供电子测量使用。

1.2 工作原理采用编码标尺，仪器内装置图像识别器和图像数据处理系统，标尺用不同宽度的条码组合来表征尺面的不同位置，人工完成照准和调焦之后，标尺条码一方面被成像在望远镜的分划板上，供目视观测;另一方面通过望远镜的分光镜，标尺条码又被成像在光电传感器（CCD）上，随后转换成电信号，经整形后进入模数转化系统（A/D），从而输出数字信号送入微处理器进行处理和存储，并将其与内存的标准码按一定的方式进行比较，即可获得编码标尺的读数。

电子水准仪的测量原理介绍
电子水准仪又叫数字水准仪，由基座、水准器、单远镜及数据处理系统组成，电子水准仪是以自动安平水准仪为基础，在望远镜光路中增加了分光镜和探测器(CCD)。

并采用条纹编码标尺和图像的处理电子系统而构成的光机电一体化的高科技产品。

电子水准仪利用数字图像处理技术,把由标尺进入望远镜的条码分划影像,用行阵探测器传感器替代观测员的肉眼,从而实现观测夹准和读数自动化。

测量作业时只要将水准仪概略整平,补偿器自动使视线水平,照准标尺并调焦,按测量键等4秒钟后,在显示器上即显示h和d。

每站观测数据在内存模块或PCMCIA卡上自动记录并进行各项检校,仪器可设置自动进行地球弯曲差和大气垂直折光差改正。

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电子水准仪
1。

电子水准仪基本构造和功能介绍电子水准仪又称数字水准仪，是在自动安平水准仪的基础上发展起来的。

它采用条码标尺，各厂家标尺编码的条码图案不相同，不能互换使用。

目前照准标尺和调焦仍需目视进行。

人工完成照准和调焦之后，标尺条码一方面被成象在望远镜分化板上，供目视观测，另一方面通过望远镜的分光镜，标尺条码又被成象在光电传感器（又称探测器）上，即线阵CCD器件上，供电子读数。

因此，如果使用传统水准标尺，电子水准仪又可以象普通自动安平水准仪一样使用。

不过这时的测量精度低于电子测量的精度。

电子水准仪一般由基座、水准器、望远镜及数据处理系统组成，它的光学系统和机械系统及自动安平水准仪基本相同，其原理和操作方法也大致相同，只是读数系统不同。

因各种电子水准仪操作方式大同小异，这里仅给出天宝DiNi电子水准仪的基本操作流程。

电子水准仪的主要特点是：(1) 操作简捷，实现了观测读数、记录、计算、显示的一体化，避免了人为误差；(2) 整个观测过程在几秒钟内即可完成，从而大大减少观测错误和误差；(3) 仪器的中央处理器配有专用软件，可将观测结果通过I/O接口输入计算机进入后处理，实现测量工作自动化和流水线作业，大大提高功效；(4) 除进行高程测量外，数字水准仪还可以进行水平角测量、距离测量、坐标增量测量、水平网的平差计算等。

1. 天宝DiNi电子水准仪(1) 各部件的名称1. 基座；2. 刻度盘；3. 微动螺旋；4. 圆水准器；5. 调焦螺旋；6. 测量快捷键；7. 提手；8. 物镜；9. PCMCIA卡插槽；10. 脚螺旋；11. 电池锁扣；12. 显示屏；13. 目镜；14. 水平气泡观察窗；15. 操作键附图3.1 天宝DiNi电子水准仪的各部件名称(2) 屏幕和键盘功能介绍屏幕左上方：已测量的数据信息屏幕右上方：下一个要测量点的信息屏幕左下方：Line：水准路线测量模式IntM：中间点测量模式SOut：放样模式F1~F6（功能键）：对应着按键上方显示的功能F6（ON/OFF）：电源开/关F7：屏幕背景光开/关F8：屏幕对比度调节F9：距离测量(不记录)F10：测量并记录当处于主测量显示屏时数字键有以下功能：RPT：重复测量模式INV：倒尺测量INP：输入尺子读数PNr：输入点号REM：输入记忆代码EDIT：编辑功能Menu：仪器设置等INFO：一般信息DISP：相关显示RPT (#1 key)：(1) 设置每次测量重复次数；(2) 设置重复次数测量后的最大标准误差。