數(shù)字水準(zhǔn)儀產(chǎn)品及原理介紹課件

數(shù)字水準(zhǔn)儀及原理

2/6/20231水準(zhǔn)測(cè)量原理水準(zhǔn)測(cè)量是由水準(zhǔn)儀利用重力獲得水平視線求取兩點(diǎn)間的高差。abhab=a-b2/6/20232水準(zhǔn)測(cè)量原理—-一個(gè)測(cè)站的工作h=[(a1-b1)+(a2-b2)]/2a1a2

b1

b22/6/20233線路測(cè)量BF,aBFBFaBFB1F4F2B3B1F2B4F3奇數(shù)站偶數(shù)站2/6/20235BFFBaBFFB奇數(shù)站偶數(shù)站B11B24F12F23F23F12B11B24B11B24F12F23F24F11B12B23線路水準(zhǔn)—BFFB/aBFFB2/6/20236水準(zhǔn)測(cè)量線路符合水準(zhǔn)路線回歸水準(zhǔn)路線2/6/20237水準(zhǔn)測(cè)量的誤差來源i角誤差iiD1D2dH=i(D2-D1)2/6/20239水準(zhǔn)測(cè)量的誤差來源標(biāo)尺零點(diǎn)差之差d1d2d0=d2-d1奇數(shù)站偶數(shù)站d0=d1-d22/6/202310水準(zhǔn)測(cè)量的誤差來源儀器/標(biāo)尺升沉誤差大氣折光差測(cè)量誤差標(biāo)尺傾斜誤差標(biāo)尺刻劃誤差F24F11B12B23B12/6/202311二、競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手–TrimbleDiNi12/DiNi22

主要特點(diǎn):

0.3mm/0.7mm/km

PCMCIA數(shù)據(jù)存貯(DiNi12)或在線數(shù)據(jù)存貯(DiNi22)

靜態(tài)的30cm電子視場(chǎng) 補(bǔ)償器置平精度0.2?

/0.5?

放大倍率32x/26x主要亮點(diǎn): 字母與數(shù)字鍵盤

線路平差 精度0.3mm 視場(chǎng)=30cm缺點(diǎn): 笨大

較小的顯示窗(4x21字符) 稍有點(diǎn)重 較老式 無圓水準(zhǔn)器的照明 無標(biāo)準(zhǔn)電池的概念 用 Trimble儀器的PCMCIA卡才能測(cè)量2/6/202313競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手-SokkiaSDL30

主要特點(diǎn):

0.6mm/1.0mm/km

內(nèi)部數(shù)據(jù)存貯(2000個(gè)點(diǎn))

1°20’的電子視場(chǎng) 補(bǔ)償器置平精度0.3?

放大倍率32x主要亮點(diǎn): 放大倍率

測(cè)量時(shí)間短 1.0mm精度 1°20’的視場(chǎng) 價(jià)格低缺點(diǎn): 按鍵少

無字母數(shù)字鍵盤

顯示少（4x21個(gè)字符) 比較大 無圓水準(zhǔn)器照明 無標(biāo)準(zhǔn)電池概念 只有內(nèi)存/RS232

做一等水準(zhǔn)差點(diǎn)2/6/202314競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手-TopconDL–101/102主要特點(diǎn):

0.4mm/1.0mm/km

PCMCIA卡數(shù)據(jù)存貯和內(nèi)部數(shù)據(jù)存貯

1°20’的電子視場(chǎng) 補(bǔ)償器置平精度0.3?

/0.5? 放大倍率32x/30x主要亮點(diǎn): 字母數(shù)字輸入

5m標(biāo)尺 內(nèi)存和PCMCIA卡 1°20’的視場(chǎng)角缺點(diǎn): 顯示窗小(2x8字符)

卡槽位于電池倉(cāng)后 無圓水準(zhǔn)器照明 無標(biāo)準(zhǔn)電池概念 內(nèi)存小(51KB)、PCMCIA(256KB)卡存貯能力小

2/6/202315三、LeicaDNA03/10的特性和優(yōu)點(diǎn)1重量輕.直觀好用的字母數(shù)字鍵盤(TPS700概念)。大存貯容量.閃存.PCMCIA卡槽.RS232接口. 易提，易搬?？s短了學(xué)習(xí)時(shí)間.快速、容易、方便的數(shù)據(jù)存貯，無電纜，可處理大的任務(wù)。長(zhǎng)期保存數(shù)據(jù)不用電。

易進(jìn)行野外與辦公室的數(shù)據(jù)傳輸?？稍黾油獠繑?shù)據(jù)采集器。特性優(yōu)點(diǎn)2/6/202317LeicaDNA03/10的特性和優(yōu)點(diǎn)28行24字符的大屏幕顯示機(jī)載程序功能用戶鍵。 程序鍵。 顯示屏液晶加熱易讀數(shù)。減少了外部計(jì)算?？焖龠M(jìn)入用戶自定義的操作，在線程序和編碼功能?？稍诤錀l件下繼續(xù)工作。特性優(yōu)點(diǎn)2/6/202318LeicaDNA03/10的特性和優(yōu)點(diǎn)3雙側(cè)無限位微動(dòng)螺旋鉆石般的圓水準(zhǔn)器(有照明)帶有概略瞄準(zhǔn)器的固定提把低耗能電池字母數(shù)字鍵盤RS232接口PCMCIA卡優(yōu)秀的光學(xué)系統(tǒng)可定制的顯示屏2/6/202319‘你所要用的’-應(yīng)用程序和功能機(jī)內(nèi)即時(shí)調(diào)用應(yīng)用簡(jiǎn)單，操作容易在線作業(yè)管理按當(dāng)?shù)匦枨蟾闹骑@示內(nèi)容用戶可定義數(shù)據(jù)輸出格式DNA系列軟件–概要2/6/202321DNA系列的外部特性顯示內(nèi)容可按層、名稱和流程定制固件是可升級(jí)儀器軟件接口上載通過PCMCIA卡輸出數(shù)據(jù)2/6/202322四、數(shù)字水準(zhǔn)儀工作原理1、相關(guān)法（威特NA2000，LeicaDNA03/10）2、幾何法（蔡司DINI10/20）3、相位法(拓普康DL101C/102C)4、相關(guān)法2（索佳SDL30）2/6/202323相關(guān)法—標(biāo)尺及相關(guān)原理（1）徠卡數(shù)字水準(zhǔn)儀配套的水準(zhǔn)標(biāo)尺為偽隨機(jī)條碼，該條碼圖象已被存儲(chǔ)在數(shù)字水準(zhǔn)儀中作為參考信號(hào)。在條碼標(biāo)尺上，最窄的條碼寬為2.025mm（黑的、黃的或白的），稱為基本碼寬。在標(biāo)尺上共有2000個(gè)基本碼(指4.05m的標(biāo)尺)，不同數(shù)量的同顏色的基本碼相連在一起，就構(gòu)成了寬窄不同的碼條。

2/6/202325相關(guān)法—標(biāo)尺及相關(guān)原理（2）測(cè)量信號(hào)與參考信號(hào)進(jìn)行比較，

這就是相關(guān)過程,稱為相關(guān)。例如先與標(biāo)尺底部對(duì)齊，發(fā)現(xiàn)不相同，然后往上移動(dòng)一個(gè)步距（基本碼寬），再比較，直到兩碼相同為止，或說兩信號(hào)相同為止，也就是最佳相關(guān)位置時(shí)，

讀數(shù)就可以確定。如圖中的０.116ｍ。移動(dòng)一個(gè)基本碼寬來進(jìn)行比較的精度是不夠的，但是可以作為粗相關(guān)過程，得到粗讀數(shù)。再在粗讀數(shù)上下選取一定范圍，減少步距，進(jìn)行精相關(guān)，就可以得到足夠精度的讀數(shù)。

2/6/202326相關(guān)法—標(biāo)尺及相關(guān)原理（3）由于標(biāo)尺到儀器的距離不同，條碼在探測(cè)器上成像的“寬窄”也將不同，測(cè)量信號(hào)片段條碼的“寬窄”會(huì)變化，引起相關(guān)困難。徠卡數(shù)字水準(zhǔn)儀采用二維相關(guān)法，以一定步距改變儀器內(nèi)部參考信號(hào)的“寬窄”與CCD采集到的測(cè)量信號(hào)相比較，如果沒有相同的兩信號(hào)，則再改變，再進(jìn)行一維相關(guān)，直到信號(hào)相同為止。參考信號(hào)的“寬窄”與視距是對(duì)應(yīng)的?！皩捳毕嗤膬尚盘?hào)相比較是求視線高的過程，在此二維相關(guān)中，一維是視距，另一維是視線高，二維相關(guān)之后視距就可以精確算出。

2/6/202327相關(guān)法—標(biāo)尺及相關(guān)原理（5）移動(dòng)一個(gè)基本碼寬來進(jìn)行比較的精度是不夠的，但是可以作為粗相關(guān)過程，得到粗讀數(shù)。再在粗讀數(shù)上下選取一定范圍，減少步距，進(jìn)行精相關(guān)，就可以得到精度足夠的讀數(shù)。

2/6/202329相關(guān)法—調(diào)焦移動(dòng)傳感器可以想象從原始參考信號(hào)一步一步縮放比較的相關(guān)的計(jì)算量會(huì)很大，使讀數(shù)時(shí)間過長(zhǎng)。為了縮短讀數(shù)時(shí)間，徠卡數(shù)字水準(zhǔn)儀內(nèi)部設(shè)計(jì)有調(diào)焦移動(dòng)量傳感器采集調(diào)焦鏡的移動(dòng)量，由此可以反算出概略視距，初步可以確定物像比例。對(duì)儀器內(nèi)部的參考信號(hào)的“寬窄”進(jìn)行縮放，使其接近探測(cè)器采集到的測(cè)量信號(hào)的“寬窄”，然后再進(jìn)行二維相關(guān)。這樣可以減少８０％的相關(guān)計(jì)算量．使讀數(shù)時(shí)間縮短到４秒以內(nèi)。

2/6/202330相關(guān)法—電子原理調(diào)焦編碼器補(bǔ)償器監(jiān)視CCD讀出電子部件ADACCU500mAh模塊信號(hào)處理芯片8BitCPUGatearray門陣列鍵盤顯示屏GSI接口機(jī)外電源機(jī)外接口鍵盤和測(cè)量按鈕調(diào)焦透鏡位置條碼影像視頻信號(hào)CCD（ChargeCoupledDevice）是由按照一定規(guī)律排列的ＭＯＳ（金屬一氧化物一半導(dǎo)體）電容器陣列組成的移位寄存器，線陣ＣＣＤ長(zhǎng)約6.5mm，由中心距為２５μm的２５６個(gè)光敏二極管組成．其光敏窗口寬度為２５μｍ。一個(gè)光敏窗口也稱一個(gè)象素（或象元）。2/6/202331相關(guān)法—偽隨機(jī)碼簡(jiǎn)介

偽隨機(jī)碼屬于二進(jìn)制碼，它的結(jié)構(gòu)可以預(yù)先確定，并且可以重復(fù)產(chǎn)生和復(fù)制，另一方面它還具有隨機(jī)特性，即統(tǒng)計(jì)特性。GPS中的載波就是用這種偽隨機(jī)碼調(diào)制的。該碼由線性移位寄存器產(chǎn)生。這種碼用在數(shù)字水準(zhǔn)儀中具有可以在1.8—100m距離內(nèi)使用相關(guān)法的特點(diǎn)。

標(biāo)尺上的白碼條或黃碼條在CCD器件上產(chǎn)生光電流，在電路上為高電平，我們用二進(jìn)制的“1”表示，相反黑碼條用“0”表示。從條碼標(biāo)尺上測(cè)量得到的徠卡儀器的參考碼序列為：

{P}=111110111…10011012/6/202332相關(guān)法—相關(guān)函數(shù)假定望遠(yuǎn)鏡從條碼標(biāo)尺上截取的條碼片段經(jīng)電子部件處理后得到的測(cè)量碼序列為：

{Q}=1011111000則相關(guān)函數(shù)表示為：

式中：N為測(cè)量碼序列中碼元的個(gè)數(shù)；

i=1,2,…,N為測(cè)量碼序列中碼元的序號(hào);

表示模二和運(yùn)算。

t=0,1,.2,…,M-N-1，是移位相關(guān)的次數(shù)，而步距為一個(gè)碼元

M為參考碼元的個(gè)數(shù)；表示兩序列中相同元素的個(gè)數(shù)和減去不同元素的個(gè)數(shù)和。相關(guān)系數(shù)表示為：

+2/6/202333相關(guān)法—相關(guān)示例模二和的運(yùn)算規(guī)則如下：

0⊕0=1

0⊕1=0

1⊕0=0

1⊕1=1

設(shè)t=0,

{P}=1111011111

{Q}=1011111000

相關(guān)函數(shù)序列{R}=1011011000

由此得相關(guān)函數(shù)R0=11－10＝1

相關(guān)系數(shù)

ρ0=1/21=0.05

P=111110111…Q=1011111000R=11101110012/6/202334相關(guān)法—相關(guān)示例設(shè)t=1,：{P}=1110111110{Q}=1011111000

{R}=1110111001此相關(guān)函數(shù)R1=12－9＝3

相關(guān)系數(shù)ρ1＝3／21＝0.14同理有t=2時(shí)R2=13－8＝5ρ2=5/21=0.24

2/6/202335相關(guān)法—相關(guān)示例t=3時(shí)R3=21-0=21ρ3=1

t=4時(shí)R4=11－10＝1ρ4=0.05

t=5時(shí)R5=10－11＝－1ρ5=－0.05

t=6時(shí)R6=9－12＝－3ρ6=－0.14

條碼片段的下邊界到標(biāo)尺低端：h=b×t=2.025×3=6.75(mm)

2/6/202336相關(guān)法——二維相關(guān)徠卡數(shù)字水準(zhǔn)儀的數(shù)值處理以相關(guān)原理為基礎(chǔ)。這就是將儀器“巳知的”代碼，即式（1－2）所示的二進(jìn)制碼同行陣傳感器上標(biāo)尺條碼成像經(jīng)處理構(gòu)成的測(cè)量信號(hào)進(jìn)行比較。數(shù)字水準(zhǔn)儀運(yùn)用相關(guān)方法時(shí)需要優(yōu)化的兩個(gè)參數(shù)，也就是“視線高”和“物象比”。儀器的視線高表現(xiàn)為標(biāo)尺條碼像在線性傳感器CCD上的上下的位移，另一方面標(biāo)尺上的條碼與其成象的物象比取決于儀器到標(biāo)尺的距離，或說物象比是視距的函數(shù)。因此在徠卡數(shù)字水準(zhǔn)儀中，二維離散相關(guān)系數(shù)為：

式中：ρPQ為Ｑ和Ｐ之間的相關(guān)系數(shù);

Ｑ（y）為測(cè)量信號(hào);

Ｐ（ｄ，ｙ－h(huán)）為參考信號(hào);

d為視距；

h為視線高。2/6/2023372、幾何法——光路示意圖蔡司ＤＩＮＩ１０／２０采用幾何法原理讀數(shù)。

2/6/2023382、幾何法——條碼標(biāo)尺ＤＩＮＩ系列的標(biāo)尺每２ｃｍ劃分為一個(gè)測(cè)量間距，其中的碼條構(gòu)成一個(gè)碼詞，每個(gè)測(cè)量間距的邊界由黑白過渡線構(gòu)成，其下邊界到標(biāo)尺底部的高度，可由該測(cè)量間距中的碼詞判讀出來，就象區(qū)格式標(biāo)尺上的注記一樣ＤＩＮI系列測(cè)量時(shí)，只利用中絲的上下兩邊各１５cm的標(biāo)尺截距，也就是１５個(gè)測(cè)量間距來計(jì)算視距和視線高。

2/6/2023392、幾何法——測(cè)量原理圖中Gi為某測(cè)量間距的下邊界，Gi+1為上邊界，它們?cè)冢肅D行陣上的成像為Bi及Bi+1。它們到光軸（中絲）的距離分別用用ｂi及ｂi+1表示。ＣＣＤ上象素的寬度是己知的，這兩距離在ＣCＤ上所占象素的個(gè)數(shù)可以由ＣＣＤ輸出的信號(hào)得知，因此可以算出ｂi和ｂi+1，也就是說ｂi和ｂi+1是計(jì)算視距和視線高的己知數(shù)。ｂi和ｂi+1在光軸之上方為負(fù)值，在光軸之下方取正值。如果在標(biāo)尺上看，則是在光軸之上為正,反之為負(fù)。

2/6/202340幾何法——測(cè)量原理ｇ為測(cè)量間距長(zhǎng)（２cm），用第ｉ個(gè)測(cè)量間距來測(cè)量時(shí)，則物象比Ａi=g/（bi+1－bi）

視線高讀數(shù)為：Hi=g(Ci+l/2)-A(bi+1+bi)/2Ｃi是第ｉ個(gè)測(cè)量間距從標(biāo)尺底部數(shù)起的序號(hào)，可由所屬碼詞判讀出來

2/6/202341幾何法——測(cè)量原理為了提高測(cè)量精度，ＤＩＮｉ系列?。蝹€(gè)測(cè)量間距平均來計(jì)算，也就是取標(biāo)尺上中絲上下各１５ｃｍ的范圍，即１５個(gè)測(cè)量間距取平均來計(jì)算。

2/6/2023423、相位法——光路示意圖拓普康數(shù)字水準(zhǔn)儀ＤＬ１０1Ｃ／１０２Ｃ采用相位法。望遠(yuǎn)鏡光路見圖1—11。標(biāo)尺的條碼像經(jīng)望遠(yuǎn)鏡、物鏡、調(diào)焦鏡、補(bǔ)償器的光學(xué)零件和分光鏡后，分成兩路。一路成像在ＣＣＤ線陣上，用于進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換；另一路成像在分劃板上，供目視觀測(cè)。

2/6/202343相位法——標(biāo)尺編碼有三種不同的碼條，Ｒ表示參考碼，其中有三條２mm寬的黑色碼條，每?jī)蓷l黑色碼條之間是一條1mm寬的黃色碼條，以中間的黑碼條的中心線為準(zhǔn)，每隔３０mm就有一組Ｒ碼條重復(fù)出現(xiàn)。在每組Ｒ碼條左邊１０mm處有一道黑色的Ｂ碼條。在每組一參考碼Ｒ的右邊1０mm為一道黑色的Ａ碼條。每組Ｒ碼條兩邊的Ａ和Ｂ碼條的寬窄不相同。實(shí)際上Ａ和Ｂ碼條的寬度是在1到１０mm之間變化，這兩種碼包含了水準(zhǔn)測(cè)量時(shí)的高度信息。其中Ａ碼條的周期為600mm，Ｂ碼條的周期為570mmRRBBBAAP10mm2/6/202344相位法——標(biāo)尺編碼在標(biāo)尺長(zhǎng)度方向上就形成了亮暗強(qiáng)度按正弦規(guī)律周期變化的亮度波。在圖中條碼的上面畫出了波形?？v坐標(biāo)表示黑條碼的寬度，橫坐標(biāo)是標(biāo)尺的長(zhǎng)度。實(shí)線為Ａ碼的亮度波，虛線為Ｂ碼的亮度波。由于Ａ和Ｂ兩條碼變化的周期不同，也可以說Ａ和Ｂ亮度波的波長(zhǎng)不同，在標(biāo)尺長(zhǎng)度方向上的每一位置上兩亮度波的相位差也不同。這種相位差就好象傳統(tǒng)水準(zhǔn)標(biāo)尺上的分劃，可由它標(biāo)出標(biāo)尺的長(zhǎng)度。只要能測(cè)出標(biāo)尺某處的相位差，也就可以知道該處到標(biāo)尺底部的高度，因?yàn)橄辔徊羁梢宰龅胶蜆?biāo)尺長(zhǎng)度一一對(duì)應(yīng)，即具有單值性，這也是適當(dāng)選擇兩亮度波的波長(zhǎng)的原因。在ＤL-101C中，Ａ碼的周期為６００ｍｍ，Ｂ碼的周期為５７０ｍｍ，它們的最小公倍數(shù)為１１４００ｍｍ，因此在３ｍ長(zhǎng)的標(biāo)尺上不會(huì)有相同的相位差。為了確保標(biāo)尺低端面，或說相位差分劃的端點(diǎn)相位差具有唯一性，Ａ和Ｂ碼的相位在此錯(cuò)開了π／２。600mm570mmRA碼B碼2/6/202345相位法——信號(hào)分析人工處理測(cè)量信號(hào)是很麻煩的，而且很費(fèi)時(shí)間。在ＤＬ系列中采用快速傅里葉變換（ＦＦＴ）計(jì)算方法將測(cè)量信號(hào)在信號(hào)分析器中分解成三個(gè)頻率分量。由Ａ和B兩信號(hào)的相位求相位差，即得到視線高讀數(shù)。這只是粗讀數(shù)，因?yàn)橐暰嗖煌瑫r(shí)，標(biāo)尺上的波長(zhǎng)與測(cè)量信號(hào)波長(zhǎng)的比例不同。雖然在同一視距上Ａ和Ｂ的波長(zhǎng)比例相同，可以求出相位差，或說是視線高，但是可以想象其精度并不高。

2/6/202346相位法——信號(hào)分析Ｒ碼是為了提高讀數(shù)精度和求視距而安排的。設(shè)兩組Ｒ碼之間的間距為（P＝30mm）,它在ＣＣＤ行陣上成像所占象素的個(gè)數(shù)為Ｚ，象素寬為b（＝25μm）,則P在CCD行陣上的成像長(zhǎng)度為：I=z×bZ可由信號(hào)分析中得出，b是CCD光敏窗口的寬度，因此I和P都是已知數(shù)據(jù)。根據(jù)幾何光學(xué)成像原理，可以像傳統(tǒng)儀器用視距絲測(cè)量距離的視距測(cè)量原理一樣求出視距：D=P/I×f式中f是望遠(yuǎn)鏡物鏡的焦距。同時(shí)還可以求出物相比A=P/I于是將測(cè)量信號(hào)放大到與標(biāo)尺上一樣時(shí)，再進(jìn)行相位測(cè)量，就可以精確得出相位差，即視線高2/6/202347隨機(jī)雙碼—索佳數(shù)字水準(zhǔn)儀索佳電子水準(zhǔn)儀的標(biāo)尺編碼采用RAB碼（隨機(jī)雙碼）。標(biāo)尺條碼寬度分別為3mm、4mm、7mm、8mm、11mm、12mm，條碼之間的中心距離為16mm，采用6進(jìn)制碼和3進(jìn)制碼兩種編碼形式，并把標(biāo)尺的相關(guān)數(shù)碼信息預(yù)置在儀器的CPU內(nèi)。1.6m～9.0m短視距測(cè)量取6進(jìn)制碼的5個(gè)以上數(shù)碼作為計(jì)算依據(jù)，而9.0m～100m長(zhǎng)視距測(cè)量取3進(jìn)制碼的8個(gè)以上數(shù)碼作計(jì)算依據(jù)，另外對(duì)RAB碼標(biāo)尺的編碼信息掃描有兩種方式：即短距離測(cè)量是采用邊緣探測(cè)方式2/6/202348隨機(jī)雙碼—索佳數(shù)字水準(zhǔn)儀六進(jìn)制碼條碼寬（mm）16mm三進(jìn)制碼01234781112012345標(biāo)尺條碼寬度分別為3mm、4mm、7mm、8mm、11mm、12mm，條碼之間的中心距離為16mm，采用6進(jìn)制碼和3進(jìn)制碼兩種編碼形式，并把標(biāo)尺的相關(guān)數(shù)碼信息預(yù)置在儀器的CPU內(nèi)。1.6m～9.0m短視距測(cè)量取6進(jìn)制碼的5個(gè)以上數(shù)碼作為計(jì)算依據(jù)，而9.0m～100m長(zhǎng)視距測(cè)量取3