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数字水准仪i角检校方法探讨

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数字水准仪i角检校方法探讨数字水准仪i角检校方法探讨 42装备园地测绘技术装备季刊第5卷2003年第4期 数字水准仪i角检校方法探讨 罗官德任道胜陈如丽 (中国地震局第二地形变监测中心710054) 摘要:数字水准仪在精密水准测量中应用愈来愈广,但在实际使用过程中由于外界 条件的影响,仪器i 角随之变化甚至超限,给用户带来较大的实际问题,至今国内还没有提出解决办法. 本文对仪器结构原理 进行分析,从而提出数字水准仪i角的调整办法,供有关使用和检修人员参考. 关键词:数字水准仪i角含义调整方法 1引言 众所周知,水准测量中采用...

数字水准仪i角检校方法探讨
数字水准仪i角检校方法探讨 42装备园地测绘技术装备季刊第5卷2003年第4期 数字水准仪i角检校方法探讨 罗官德任道胜陈如丽 (中国地震局第二地形变监测中心710054) 摘要:数字水准仪在精密水准测量中应用愈来愈广,但在实际使用过程中由于外界 条件的影响,仪器i 角随之变化甚至超限,给用户带来较大的实际问题,至今国内还没有提出解决办法. 本文对仪器结构原理 进行分析,从而提出数字水准仪i角的调整办法,供有关使用和检修人员参考. 关键词:数字水准仪i角含义调整方法 1引言 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. 随着科学技术特别是电子技术的迅速发展,数 字水准仪在水准测量中被广泛应用.它融电子技术, 计算机于一体,以条码间隔影像信 图像处理技术, 息与参考信号进行图像数学处理的测量原理,自动 采集测量数据,信息处理和获取自动记录每一个观 测值,从而实现水准测量仪器的发展方向.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角进行自动修正功能,但仪器i角受外界 温度,湿度,振动的影响而瞬时变化仍然存在.《国 家一,二等水准测量规范》要求:用于一等水准测 量DSZ05级水准仪,i角?15",超限的仪器禁止 使用.因此,研究讨论数字水准仪i角问题非常有 必要. 2水准仪i角的含义 2.1常规符合气泡水准仪i角 水准仪的主要目的是如何得到一条比较接近水 平的视准线,而这条水平视准线为物镜光心和分划 板十字丝交点的连线.那么,又是如何得知这条视 准线接近水平呢?常规水准仪是借助符合水准气泡 的水准轴得到仪器的视准线处于接近水平状态.因 此,常规水准仪i角指的是水准仪望远镜的视准线 和符合气泡水准管的水准轴在竖直平面上投影的夹 角.它的大小和稳定性取决于符合水准管的水准轴 的精度. 2.2自动安平水准仪i角 自动安平水准仪采用的是光学自动安平补偿 器,用它取代过去常规水准仪符合水准气泡.因此, 自动安平水准仪的i角指的是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后的准绝对水 平视准线之间的夹角.它的大小和稳定性取决于这 条准绝对水平线的准确程度. 2.3数字水准仪i角 数字水准仪具有与传统tl动安平水准仪相同的 光学机械结构,自动安平系统仍采用典型的交叉吊 带光学机械补偿摆,如图1所示.在数字水准仪光 路中,具有 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 刻度光敏电件的CCD探测器(参考 信号)固定于望远镜焦平面上.这时标尺上的条码 分划经过仪器物镜,调焦,补偿器,分光镜,并通 过分光镜的作用,条码影像的一束光线成像于分划 板上,便于目镜肉眼观测,因此,数字水准仪又可 以当作一般普通自动水准仪使用.而条码分划影像 的另一束光线成像于CCD探测器上.在CCD探测器 上得到标尺条码分划影像(测量信号)与CCD探测 器内存的标准码(参考信号)按相关方法进行比对. 比对十字丝中央位置周围的测量信号,使之移动直 至两个信号最佳符合,通过电子CPU运算处理后, 得到望远镜中丝在标尺上的视高数值,如图2所示. 比对上,下丝的测量信号及条码尺成像的比例,可 得到仪器与条码尺之间的距离. 图1 图2 测绘技术装备季刊第5卷2003年第4期装备园地43 由仪器结构原理得知,数字水准仪i角具有两 个含义:一个是光学系统i角,由图i所示,避开 电子系统,将数字水准仪当作一般自动安平水准仪, 它的i角如同上1.2自动安平水准仪i角.另一个 是光电系统i角,它是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CCD探测器参考点 的水平视准线之间的夹角,这就是数字水准仪机内 所显示的i角.显然,这两个系统i角的含义是不 一 样,相互之间也没有多大关联. 3数字水准仪i角的检定方法 3.1光学系统i角的平行光管法 这与检验光学水准仪i角完全一样,可以在室 内进行.预先调平平行光管作为基准水平线,将仪 器置于可以升降工作台上,调平仪器上圆水准气泡, 通过仪器调焦,观察仪器十字丝横丝与平行光管内 基准水平线是否重合,若两者有偏差,表明仪器i 角存在,其i角大小看它的偏离程度. 3.2光电系统i角的测试方法 在数字水准仪i角检测程序中,提供以下不同 检测方法的选择: 3.2.1费式(Forstner)法 如图3所示.将两根条码尺(A,B)安置在 相距45m的距离,将其分为三等份,在 冀K^舅尺B 1人的II煳l,3I舶I,3I 图3 距标尺15m处设两仪器站(1,2).则仪器i角为: (Y1a-Y1b)一(Y2a-Y2b) iarctg———-?—--—-——___?——-—-___Il___?__??-__—— (d1a-dIb)一(d2a-d2b) (y2a-y2b)一(yla-yIb) ? (Yla-YIb)-(Y2a-Y2b) i:arctg—— (dla-dIb)-(d2a-d2b) (Y2a-Y2b)一(Yla-Ylb) ? 30 (2) I/1'大妁I内1大约I舟 图4 式中各符号与式(1)一致. 3.2.3库式(Kukkamaek)法 R^矗尺8 图5 将两条码尺(A,B)置于相距20m处,首先 在两条码尺(A,B)中点安置仪器站(1)进行读数, 然后在两条码尺连线上距其中之一20m安置另一仪 器站(2)进行读数,如图5所示.则仪器i角为: (Yla-Y1b)一(y2a-y2b) i=arctg ? (dla-dIb)-(d2a-d Y2a-Y2b)一(Yla—(YIb) (3) ZU 式中各符号与式(1)一致. 3.2.4日本(Japanese)法 该方法基本上与库式法相同,只是两条码尺的 距离为30m,另一仪器站(2)距标尺A的距离为3m. 则仪器i角为: (Y1a-Y1b)一(Y2a-Y2b) i=arctg'.'......'''.'....'......'..''..一 (dla-d1b)一(d2a-d2b) 式中:Y1a为仪器在测站1时对A尺的读数;Ylb 为仪器在测站1时对B尺的读数:Y2a为仪器在测 站2时对A尺的读数;Y2b为仪器在测站2时对B 尺的读数;dla为仪器在测站1时到A尺的距离; dlb为仪器在测站l时对B尺的距离:d2a为仪器 在测站2时到A尺的距离:d2b为仪器在测站2到 B尺的距离. 3.2.2李式(Nabauer)法 选择约45m长的距离,将其分成三等份,如图 4所示安置仪器和条码尺,则仪器i角为: 27 式中各符号与式(1)相同. (4) 4数字水准仪光电系统i角随温度变化的测试 数字水准仪具有将测定的i角存入机内,并对 每一数据按i角进行自动改正功能.但仪器光电系 统i角受温度影响而变化很大,这主要是仪器表里 温度不一致所至.我们曾对德国蔡司厂生产的 DiNi10数字水准仪i角做了下面简单的定性试验. 在冬天室内室外温差约20~C的不同环境下进行测 44装备园地测绘技术装备季刊第5卷2003年第4期 试,由机内i角处理程序计算.如附表所示,一个 多小时后,i角的变化量达6.1". 附表 时间环境温度(?)仪器上温度(?)i角() 8:40室内15.O15.5 9:O0一2.512.O—6.3 9:20—3.O4.O—8.3 9:33一3.OO.0—11.1 9:5O一3.7一1.0-12.7 10:10—4.O—2.5-12.4 从附表中可以看出,在此温度范围内,数字水 准仪光电系统i角随温度变化是比较大的,温度每 降低10?,仪器i角向负值方向变化7"左右.如 果仪器再受到运输或高机械强烈振动,机内CCD探 测器的位置可能发生变化,导致数字水准仪光电系 统i角容易超限,按《国家一,二等水准测量规范》 要求,当i角?15"时,就得送到专门修理部门或 者厂家进行调校. 5数字水准仪i角的调校 5.1光电系统i角的校正 目前,国外各个厂家生产的数字水准仪,虽然 仪器型号不同,但仪器结构原理基本相同.文章前 面对数字水准仪的结构原理已作较详细的研究和分 析,得知数字水准仪光电系统i角与光学系统i角 的含义不一样,因此,两者的校正方法也不一样. 国内有些文章提出数字水准仪i角的调整方法:(1) 首先利用水准仪检定仪,调整仪器十字丝位置,使 仪器i角从几何关系上满足规范上要求.(2)利用仪 器提供i角检测程序,选择一种方法进行i角测定. 这时测出的i角值可能较大,存贮新的i角,并认 为:显示的新i角值=已存贮的i角值+十字丝的 调整量.通过十字丝校正,可以将仪器i角校正过 来.笔者认为这种调整方法没有确切依据,以数字 水准仪结构原理上看,如图1所示,调整仪器十字 丝上下位置,只改变数字水准仪光学系统i角,而 对数字水准仪光电系统i角没有关系. 那么,如何校正数字水准仪光电系统i角呢? 从仪器光电系统光路中,改变CCD探测器参考点位 置或改变补偿器出射主光轴方向,才能改变光电系 统i角.EED探测器具有4个自由度和一个常数设 置,每个自由度不正确将直接影响仪器精度.因此, CCI)探测器的位置不能轻易改变,只能调整补偿器 出射主光轴方向,使之落在CcD探测器参考点位置 上.这样,保持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后到CCD探测器中点的水平 视线之间的夹角最小.我们已解决了两家用户 DiNi10数字水准仪i角值超限的这一疑难问题,用 户感到十分满意1 5.2光学系统i角的校正 当校正数字水准仪光电系统i角后,其光学系 统i角也随之发生变化.从仪器光学系统成像光路 中,由图1所示,改变补偿器出射主光轴方向,使 之不能落在十字丝交点上,导致仪器光学i角变大. 校正数字水准仪光学系统i角完全与普通光学自动 安平水准仪完全一样,方法极其简单,卸去仪器目 镜端盖罩,调整目镜上下两枚校正螺丝,改变仪器 十字丝位置即可. 6结论 通过以上对数字水准仪i角检校方法的介绍, 可参考选择 供有关单位结合自己所使用的水准仪, 适当的i角检校方法,提高水准仪的观测精度,满 足各类项目,工程对测量高度精度的要求. 参考文献 【1】任道胜译.DiNilO,11系列数字水准仪使用说明书 【2】2000年全国测绘仪器综合学术年会论文集 【3】((国家一,二等水准测量规范》.GB12897—91.国家技术监督局发布
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