淺析數(shù)字水準(zhǔn)儀的測(cè)量誤差

秦薇

(成都市工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)校,四川成都 610081)

淺析數(shù)字水準(zhǔn)儀的測(cè)量誤差

秦薇

(成都市工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)校,四川成都 610081)

介紹數(shù)字水準(zhǔn)儀的基本結(jié)構(gòu)及測(cè)量原理,分析和論述數(shù)字水準(zhǔn)儀在測(cè)量上產(chǎn)生的誤差。

數(shù)字水準(zhǔn)儀 測(cè)量 誤差

自第一臺(tái)數(shù)字水準(zhǔn)儀問世以來(lái)，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字水準(zhǔn)儀經(jīng)不斷地改進(jìn)，其觀測(cè)精度有了很大的提高。數(shù)字水準(zhǔn)儀具有光學(xué)水準(zhǔn)儀無(wú)可比擬的優(yōu)點(diǎn)，與光學(xué)水準(zhǔn)儀相比，它具有測(cè)量速度快、操作簡(jiǎn)單、讀數(shù)客觀、不存在誤讀或誤記等人為誤差，自動(dòng)記錄存儲(chǔ)測(cè)量數(shù)據(jù)，容易實(shí)現(xiàn)水準(zhǔn)測(cè)量?jī)?nèi)外業(yè)一體化等諸多優(yōu)點(diǎn)，數(shù)字水準(zhǔn)儀是代替?zhèn)鹘y(tǒng)光學(xué)水準(zhǔn)儀的理想產(chǎn)品。作為數(shù)字水準(zhǔn)儀，在實(shí)際野外觀測(cè)工作中，也存在著測(cè)量方面的誤差，由于數(shù)字水準(zhǔn)儀的工作原理和方法與傳統(tǒng)的光學(xué)水準(zhǔn)儀不同，構(gòu)造比較復(fù)雜，本文只對(duì)數(shù)字水準(zhǔn)儀在測(cè)量上產(chǎn)生的誤差加以概念性的分析和論述。

1 數(shù)字水準(zhǔn)儀的原理

1.1 數(shù)字水準(zhǔn)儀的基本結(jié)構(gòu)

數(shù)字水準(zhǔn)儀是利用電子工程學(xué)的原理制造，能夠進(jìn)行自動(dòng)觀測(cè)、記錄信息、處理數(shù)據(jù)的電子儀器，它是在自動(dòng)安平水準(zhǔn)儀基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。數(shù)字水準(zhǔn)儀基本結(jié)構(gòu)是由光學(xué)部件、機(jī)械部件、自動(dòng)補(bǔ)償裝置和電子設(shè)備組成。光學(xué)和機(jī)械部件同光學(xué)儀器基本相同，自動(dòng)補(bǔ)償裝置包括了重力擺和阻尼器等部件，電子設(shè)備方面，主要是由調(diào)焦編碼器、光電傳感器(線陣CCD器件)、讀數(shù)電子元件、單片微處理機(jī)、GIS接口、顯示器、鍵盤和影像、數(shù)據(jù)處理軟件等組成，這些部件使儀器具備了智能化，觀測(cè)更加便捷。

1.2 數(shù)字水準(zhǔn)儀的測(cè)量原理

數(shù)字水準(zhǔn)儀采用相關(guān)法進(jìn)行測(cè)量和讀數(shù)，該水準(zhǔn)儀有兩個(gè)視準(zhǔn)軸，一是光視準(zhǔn)軸，它由光學(xué)分劃板十字絲中心和望遠(yuǎn)鏡物鏡的光心構(gòu)成，另一個(gè)是電視準(zhǔn)軸，它是由線陣CCD器件上中點(diǎn)附近的一個(gè)像素和望遠(yuǎn)鏡物鏡光心構(gòu)成。光視準(zhǔn)軸用于照準(zhǔn)和調(diào)焦，電視準(zhǔn)軸用于讀數(shù)。數(shù)字水準(zhǔn)儀的望遠(yuǎn)鏡照準(zhǔn)編碼標(biāo)尺，通過(guò)所發(fā)射出的紅外光線進(jìn)行自動(dòng)測(cè)量，在測(cè)量過(guò)程中，標(biāo)尺條碼一方面被望遠(yuǎn)鏡物鏡組成像在光學(xué)分劃板上，供目視觀察，另一方面通過(guò)光學(xué)分劃板前的分光鏡，把標(biāo)尺條形碼成像在線陣CCD器件的光敏面上，供電子讀數(shù)。儀器自身存儲(chǔ)的標(biāo)尺的條紋碼能作為參照信號(hào)，儀器的線譯碼器捕獲儀器視場(chǎng)內(nèi)的標(biāo)尺影像作為測(cè)量信號(hào)，然后與儀器的參照信號(hào)進(jìn)行比較，就獲得視線高度和水平距離。

2 數(shù)字水準(zhǔn)儀的誤差分析

數(shù)字水準(zhǔn)儀測(cè)量精度是由條形碼本身及其數(shù)字化和離散化產(chǎn)生的背景噪聲所決定的。光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量，補(bǔ)償器的精度，以及視軸穩(wěn)定性等因素也都會(huì)影響測(cè)量精度。由數(shù)字水準(zhǔn)儀的結(jié)構(gòu)和測(cè)量原理，可返現(xiàn)影響測(cè)量精度的誤差來(lái)源包括以下幾個(gè)方面。

2.1 光學(xué)和機(jī)械部件引起的誤差

數(shù)字水準(zhǔn)儀是光學(xué)機(jī)械設(shè)備和電子設(shè)備相結(jié)合的產(chǎn)物，具有與傳統(tǒng)水準(zhǔn)儀相同的光學(xué)和機(jī)械結(jié)構(gòu)，因此數(shù)字水準(zhǔn)儀光學(xué)和機(jī)械部件本身引起的誤差與光學(xué)水準(zhǔn)儀相同。主要表現(xiàn)為：圓水準(zhǔn)器誤差；調(diào)焦透鏡運(yùn)行誤差；豎軸傾斜引起的視軸的誤差。

2.2 自動(dòng)補(bǔ)償器的誤差

數(shù)字水準(zhǔn)儀的補(bǔ)償器與自動(dòng)安平水準(zhǔn)儀的原理相同，結(jié)構(gòu)和工藝上略有不同，它是由重力擺和阻尼器構(gòu)成。數(shù)字水準(zhǔn)儀的自動(dòng)補(bǔ)償器誤差包括：補(bǔ)償器的安平精度；剩余補(bǔ)償誤差；遲滯影響；地磁影響。

2.3 電子設(shè)備引起的誤差

數(shù)字水準(zhǔn)儀是根據(jù)條碼影像在探測(cè)器上的位置和比例進(jìn)行測(cè)量的。線陣CCD器件的物理特性決定其在光線過(guò)強(qiáng)、過(guò)弱、以及條碼標(biāo)尺表面光照部均勻、觀測(cè)瞬間強(qiáng)光閃、外界熱閃爍等情況，都會(huì)降低標(biāo)尺成像的對(duì)比度，從而產(chǎn)生測(cè)量誤差。因?yàn)楣饩€過(guò)強(qiáng)時(shí)，線陣CCD會(huì)出現(xiàn)飽和，條碼影像灰度值會(huì)發(fā)生不同的變化而不相等，儀器對(duì)標(biāo)尺條碼無(wú)法辨認(rèn)，就會(huì)引起測(cè)量誤差，甚至無(wú)法讀數(shù)；光線過(guò)弱，就相當(dāng)于標(biāo)尺被遮擋，自然會(huì)產(chǎn)生誤差。對(duì)電子設(shè)備工作的原理進(jìn)行分析，可知電子設(shè)備引起的誤差主要包括以下幾個(gè)方面：(1)線陣CCD器件的物理特性引起的誤差；(2)標(biāo)尺遮擋引起的條碼信息丟失；(3)調(diào)焦的準(zhǔn)確性引起的圖像分辨力誤差；(4)標(biāo)尺傾斜引起的圖像變形；(5)外界條件的變化引起的影像誤差；(6)條碼標(biāo)尺上偽隨條碼寬度的精度引起的誤差；(7)條碼標(biāo)尺上的條碼在使用中受損造成的影像誤差；(8)電子設(shè)備對(duì)測(cè)量信號(hào)處理、分析時(shí)的誤差；(9)水準(zhǔn)儀內(nèi)置軟件的算法和技術(shù)誤差。

2.4 電視軸i角的誤差

電視軸i角的誤差對(duì)水準(zhǔn)測(cè)量的影響在理論上與光學(xué)水準(zhǔn)儀i角誤差相同，但電視軸在電子水準(zhǔn)儀中又缺少像光學(xué)視軸那樣絕對(duì)標(biāo)定水平視線的性質(zhì)，或者說(shuō)，電子水準(zhǔn)儀不是以電“橫絲”為基礎(chǔ)讀數(shù)，兩者的讀數(shù)方式完全不同。雖然數(shù)字水準(zhǔn)儀機(jī)內(nèi)設(shè)置的程序能自動(dòng)改正i角誤差，在測(cè)量過(guò)程中前后視距等長(zhǎng)又加以減弱，但電視軸i角對(duì)水準(zhǔn)測(cè)量精度的影響是肯定存在，隨著外界溫度的變化而改變，而且在溫度變化區(qū)間內(nèi)的改成數(shù)不是線性變化的，因此電視軸i角對(duì)測(cè)量精度有很大影響。

2.5 外界因素引起的誤差

外界條件的變化將會(huì)引起儀器各部件產(chǎn)生測(cè)量誤差，而且對(duì)光學(xué)水準(zhǔn)儀和數(shù)字水準(zhǔn)儀的測(cè)量誤差影響都很大。數(shù)字水準(zhǔn)儀與條碼標(biāo)尺組成的測(cè)量系統(tǒng)是處在時(shí)刻變化的外界條件下進(jìn)行工作的，大氣垂直折光的影響，儀器與標(biāo)尺垂直位移的影響，在實(shí)際測(cè)量過(guò)程中都是不可避免的。在數(shù)字水準(zhǔn)儀讀數(shù)時(shí)，所有進(jìn)入視場(chǎng)的條碼均參與讀數(shù)，特別注意的是當(dāng)視線觀測(cè)靠近地面時(shí)，標(biāo)尺的條碼受折光的影響很大，對(duì)測(cè)量精度產(chǎn)生直接的影響。另外地面的震動(dòng)影響測(cè)量精度，由于數(shù)字水準(zhǔn)儀重量輕，受震動(dòng)的影響較光學(xué)水準(zhǔn)儀更明顯。通過(guò)大量的觀測(cè)經(jīng)驗(yàn)表明，外界因素引起的測(cè)量誤差，只能通過(guò)觀測(cè)人員在作業(yè)過(guò)程中加以減少，無(wú)法避免。

3 結(jié)語(yǔ)

數(shù)字水準(zhǔn)儀操作簡(jiǎn)單，使用方便，測(cè)量數(shù)據(jù)真實(shí)可靠，減少了人為誤差，提高了作業(yè)效率，但它本身的誤差是不可避免的。在實(shí)際作業(yè)中對(duì)儀器的保養(yǎng)和定期檢查也是十分重要的，除了常規(guī)的i角檢驗(yàn)、圓氣泡檢驗(yàn)、十字絲檢驗(yàn)外，還必須對(duì)電子元件進(jìn)行定期檢驗(yàn)。另外對(duì)標(biāo)尺的保護(hù)也是十分重要的，一旦條碼標(biāo)尺的條形碼刻畫受到損害，就會(huì)在差量讀數(shù)中產(chǎn)生誤差，因此要正確地使用數(shù)字水準(zhǔn)儀，就必須熟悉規(guī)范，熟練掌握儀器操作步驟，同時(shí)注意儀器的保養(yǎng)和檢驗(yàn)，盡量降低和減少測(cè)量誤差。

[1]楊蓬蓮.數(shù)字水準(zhǔn)儀測(cè)量原理及其檢定[J].測(cè)繪通報(bào),2005,(8).

[2]齊維君.王三明.數(shù)字水準(zhǔn)儀誤差源及檢定方法初探[J].測(cè)繪通報(bào),2005,(9).

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