數(shù)字水準(zhǔn)儀室內(nèi)檢定裝置

龐尚益，吳學(xué)文，楊 坤，沈迎光

(陜西測(cè)繪儀器計(jì)量監(jiān)督檢定中心，陜西西安710054)

一、引 言

數(shù)字水準(zhǔn)儀作為承載高精度傳感器的電子測(cè)量設(shè)備，具有自動(dòng)讀數(shù)、測(cè)量精度高、測(cè)量速度快、測(cè)量結(jié)果可進(jìn)行數(shù)字化處理的優(yōu)勢(shì)，其在精密水準(zhǔn)測(cè)量領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣。與光學(xué)水準(zhǔn)儀相比，數(shù)字水準(zhǔn)儀具有與其相同或相似的光學(xué)機(jī)構(gòu)，但卻多了一套信號(hào)采集和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，這套系統(tǒng)正是數(shù)字水準(zhǔn)儀的核心。因此，檢定數(shù)字水準(zhǔn)儀不能像檢定光學(xué)水準(zhǔn)儀一樣，僅僅評(píng)估其光學(xué)性能指標(biāo)是不夠的，甚至是舍本逐末的。數(shù)字水準(zhǔn)儀核心電子部件CCD傳感器，與望遠(yuǎn)鏡、補(bǔ)償器等光學(xué)部件會(huì)產(chǎn)生光機(jī)電結(jié)合誤差，如電子i角、電子補(bǔ)償性等，這些誤差直接影響著測(cè)量和計(jì)算精度，必須要進(jìn)行檢定或校準(zhǔn)。為了對(duì)數(shù)字水準(zhǔn)儀的各項(xiàng)性能指標(biāo)做出全面公正的評(píng)定，保證其正常使用精度，探索和研究新型穩(wěn)定的數(shù)字水準(zhǔn)儀檢定裝置是十分必要的。

二、數(shù)字水準(zhǔn)儀原理

數(shù)字水準(zhǔn)儀測(cè)量系統(tǒng)由編碼水準(zhǔn)標(biāo)尺、望遠(yuǎn)鏡、補(bǔ)償器、分光鏡、CCD傳感器、微處理器、圖像和數(shù)據(jù)處理軟件等組成，如圖1所示。數(shù)字水準(zhǔn)儀的工作原理是，條碼標(biāo)尺經(jīng)過光反射，光束經(jīng)過分光鏡后分成兩路，一路直接成像在十字絲分劃板上供目鏡觀測(cè)，一路成像在線陣CCD傳感器上供電子讀數(shù)。電子讀數(shù)是將條碼標(biāo)尺的影像作為測(cè)量目標(biāo)，CCD將光學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)，再將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，形成的測(cè)量信號(hào)與CCD內(nèi)存的參考信號(hào)(標(biāo)準(zhǔn)信號(hào))進(jìn)行比對(duì)，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)量讀數(shù)。

三、數(shù)字水準(zhǔn)儀的檢定現(xiàn)狀

傳統(tǒng)的用于檢定光學(xué)水準(zhǔn)儀的檢定裝置只能完成數(shù)字水準(zhǔn)儀光學(xué)部分的檢定，對(duì)電子部分沒有涉及。由于數(shù)字水準(zhǔn)儀需要配套的條碼標(biāo)尺才能完成檢定，影響其測(cè)量精度的電子i角和補(bǔ)償性能等項(xiàng)目的檢定只能在室外進(jìn)行。室外檢定需要天氣晴朗、光線充足、視場(chǎng)通透、儀器內(nèi)外溫差小等條件。在檢定過程中，數(shù)字水準(zhǔn)儀要進(jìn)行人為地架站、移站以及水準(zhǔn)標(biāo)尺的架設(shè)整置。除此之外，室外氣溫、濕度和震動(dòng)等環(huán)境條件的變化，諸多不穩(wěn)定因素將對(duì)數(shù)字水準(zhǔn)儀的測(cè)量精度產(chǎn)生很大的影響，從而影響對(duì)其計(jì)量性能的評(píng)定。

圖1 數(shù)字水準(zhǔn)儀測(cè)量系統(tǒng)的構(gòu)成

目前，國內(nèi)已經(jīng)出現(xiàn)不少數(shù)字水準(zhǔn)儀的室內(nèi)檢定裝置，但都是在光學(xué)水準(zhǔn)儀室內(nèi)檢定裝置的基礎(chǔ)上改造的。將各類數(shù)字水準(zhǔn)儀的編碼標(biāo)尺影像定制到目標(biāo)分劃板上，通過調(diào)焦可實(shí)現(xiàn)目標(biāo)視距的調(diào)節(jié)，但是此類裝置價(jià)格昂貴，并且容易產(chǎn)生調(diào)焦誤差。本文要介紹的基于平行光管的數(shù)字水準(zhǔn)儀檢定裝置，構(gòu)造簡易、操作簡單、成本低，并且視距和焦距固定，可以完成常規(guī)的數(shù)字水準(zhǔn)儀檢定項(xiàng)目。

四、新型數(shù)字水準(zhǔn)儀檢定裝置的構(gòu)建與測(cè)試

鑒于當(dāng)前使用的數(shù)字水準(zhǔn)儀檢定裝置的局限性，為完善室內(nèi)檢定，克服當(dāng)前數(shù)字水準(zhǔn)儀檢定裝置和方法的不足。經(jīng)過研究試驗(yàn)，構(gòu)建了基于平行光管的數(shù)字水準(zhǔn)儀全室內(nèi)檢定裝置。該裝置以焦距為1．2m和1．6m的平行光管作為一對(duì)平行光管組，以平行光管的目標(biāo)分劃板作為各類條碼水準(zhǔn)標(biāo)尺影像的載體，以四維微傾工作臺(tái)作為數(shù)字水準(zhǔn)儀的安置臺(tái)，整體構(gòu)成一套數(shù)字水準(zhǔn)儀的檢定系統(tǒng)。如圖2所示，一套數(shù)字水準(zhǔn)儀檢定校準(zhǔn)系統(tǒng)的基本構(gòu)造。

圖2 數(shù)字水準(zhǔn)儀檢定校準(zhǔn)平臺(tái)

1．新裝置的原理

數(shù)字水準(zhǔn)儀獲取編碼水準(zhǔn)標(biāo)尺的影像進(jìn)行測(cè)量結(jié)果的計(jì)算，可直接以編碼水準(zhǔn)標(biāo)尺的影像作為測(cè)量目標(biāo)，將實(shí)物測(cè)量目標(biāo)變?yōu)閿?shù)字測(cè)量目標(biāo)，從而完成室外到室內(nèi)的模擬。水準(zhǔn)標(biāo)尺的編碼影像大小以數(shù)字水準(zhǔn)儀的可測(cè)視場(chǎng)范圍定制。由于平行光管焦距是可調(diào)的，在已知編碼影像寬度和視距的情況下，可以計(jì)算出焦距。然后，將焦距調(diào)到數(shù)字水準(zhǔn)儀測(cè)量距離在15m和30m的位置，以便進(jìn)行數(shù)字水準(zhǔn)儀電子i角和補(bǔ)償性能的檢定。該裝置將 Leica、Trimble(Zeiss)、Topcon 和 Sokkia 4 種常用的數(shù)字水準(zhǔn)儀的編碼標(biāo)尺作為綜合觀測(cè)目標(biāo)微縮到平行光管的目標(biāo)分劃板上。如圖2所示的條碼標(biāo)尺分劃，每個(gè)分劃板上載有兩幅標(biāo)尺的編碼影像，分別為15m和30 m的距離。因此，只需在四維工作臺(tái)上旋轉(zhuǎn)照準(zhǔn)不同距離的編碼標(biāo)尺，即可完成不同數(shù)字水準(zhǔn)儀的電子i角和補(bǔ)償性能的檢定。

2．新裝置的測(cè)試與分析

數(shù)字水準(zhǔn)儀的i角和補(bǔ)償性能是評(píng)價(jià)其光電系統(tǒng)測(cè)量精度的重要指標(biāo)，想要精確檢驗(yàn)這兩種性能，對(duì)檢定裝置的精度要求也比較高。首先，應(yīng)該保證目標(biāo)分劃板垂直，在豎直方向上與水準(zhǔn)儀目鏡分劃板平行。其次，要保證平行光管的平直度小于1″，這就要求在同一平行光管測(cè)量近距離(15 m)和遠(yuǎn)距離(30 m)的目標(biāo)時(shí)，測(cè)得的尺高應(yīng)該大致相同，高差應(yīng)該小于0．1mm，保證遠(yuǎn)、近距離目標(biāo)分劃在同一條直線上。最后，要保證測(cè)量遠(yuǎn)、近距離時(shí)目標(biāo)亮度一致，減小對(duì)測(cè)量精度的影響，同時(shí)做好裝置的防震，減小測(cè)量過程中儀器或目標(biāo)的晃動(dòng)對(duì)測(cè)量精度的影響。只有滿足了以上條件，才能將檢定裝置本身對(duì)i角和補(bǔ)償性能檢定精度的影響降到最低。

(1)數(shù)字水準(zhǔn)儀i角的檢驗(yàn)

數(shù)字水準(zhǔn)儀 i角的檢定一般采用弗爾斯特(F?rstner)法，該方法要求將儀器架設(shè)在45 m距離的1/3處，標(biāo)尺設(shè)在兩端，優(yōu)先測(cè)量短距離(15m)，儀器可自動(dòng)測(cè)算出新的i角值及與舊i角值的殘差。使用這種新裝置檢測(cè)i角可以采用單光管法，也可以采用雙光管法，測(cè)量過程中只需選擇不同距離的編碼尺影像目標(biāo)，可以適當(dāng)?shù)厣祪x器高度模擬室外的移站。為了對(duì)比室內(nèi)外i角檢測(cè)的差異，試驗(yàn)中筆者采用同一臺(tái)徠卡DNA03數(shù)字水準(zhǔn)儀。表1為室內(nèi)外i角檢測(cè)數(shù)據(jù)的比對(duì)。

表1 室內(nèi)外i角檢測(cè)比對(duì) (″)

本次試驗(yàn)采用的DNA03數(shù)字水準(zhǔn)儀原存i角為-21．0″，檢測(cè)數(shù)據(jù)中，新值為新測(cè)的i角改正量，筆者把i角殘差值當(dāng)做評(píng)判i角大小的依據(jù)。從數(shù)據(jù)可以分析，室內(nèi)檢測(cè)對(duì)儀器原i角的改正更為顯著，改正后的i角均小于1″，最大最小值之差僅為0．2″。而室外檢測(cè) i角改正后大于 5″，最大最小值之差為0．7″。室內(nèi)檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)差小于室外，可以看出室內(nèi)檢測(cè)更加穩(wěn)定，表明該裝置的穩(wěn)定性很好，可以用于數(shù)字水準(zhǔn)儀的檢定。

(2)數(shù)字水準(zhǔn)儀補(bǔ)償性能的檢驗(yàn)

依據(jù)《數(shù)字水準(zhǔn)儀檢定規(guī)程》(CH/T 8019—2009)規(guī)定，進(jìn)行數(shù)字水準(zhǔn)儀補(bǔ)償性能的檢定時(shí)，標(biāo)尺安置在30～40m的距離兩端，儀器在中間。在進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)時(shí)，筆者將儀器安置在16m處進(jìn)行補(bǔ)償性能的檢驗(yàn)。

補(bǔ)償性能的檢測(cè)以儀器向前、后、左、右4個(gè)方向傾斜8'為準(zhǔn)，采用同一臺(tái)DNA03水準(zhǔn)儀，室內(nèi)、室外各檢測(cè)5次。從表2的數(shù)據(jù)可以看出，室內(nèi)、外檢測(cè)數(shù)據(jù)接近，但室外檢測(cè)數(shù)據(jù)稍有波動(dòng)，而室內(nèi)檢測(cè)效果非常穩(wěn)定。由此可見，室內(nèi)、外檢測(cè)的差異并不是儀器本身的原因造成的，而是人為的或環(huán)境因素造成的。室內(nèi)可通過微傾臺(tái)讓儀器每次都精確傾斜到8'的位置，而室外只能通過旋轉(zhuǎn)腳螺旋傾斜儀器，每次并不能定位到同一位置，導(dǎo)致測(cè)得的視線高發(fā)生差異，從而影響補(bǔ)償誤差的大小。

表2 室內(nèi)外補(bǔ)償性能檢測(cè)比對(duì)

五、數(shù)字水準(zhǔn)儀的校準(zhǔn)維修

本文介紹的這種新型的基于平行光管的數(shù)字水準(zhǔn)儀檢定裝置不僅可以用于檢定數(shù)字水準(zhǔn)儀，還可以作為校準(zhǔn)維修數(shù)字水準(zhǔn)儀的平臺(tái)，為數(shù)字水準(zhǔn)儀提供穩(wěn)定的、可以實(shí)時(shí)觀測(cè)的校準(zhǔn)維修平臺(tái)。對(duì)于數(shù)字水準(zhǔn)儀經(jīng)常出現(xiàn)的電子i角超限、補(bǔ)償器超限、CCD偏移等問題均可以在此裝置上進(jìn)行校正。由于數(shù)字水準(zhǔn)儀的校準(zhǔn)、維修過程中必須要進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)測(cè)試，而在室外由于場(chǎng)地、環(huán)境等因素的影響無法進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)、維修。在室內(nèi)校正過程中，可根據(jù)光路和信號(hào)傳遞的原理和過程，進(jìn)行有目的的校正，并進(jìn)行反復(fù)地測(cè)量比對(duì)，可確保儀器回歸到正常測(cè)量狀態(tài)。

六、結(jié)束語

對(duì)同一類型數(shù)字水準(zhǔn)儀，分別在室外和室內(nèi)進(jìn)行電子i角的檢校和補(bǔ)償性能的檢定，通過對(duì)比觀測(cè)試驗(yàn)，對(duì)兩種方法的檢定結(jié)果進(jìn)行評(píng)定，試驗(yàn)結(jié)果證明，室內(nèi)法檢定對(duì)電子i角的校正能力更強(qiáng)，對(duì)補(bǔ)償性能的檢定更加顯著、準(zhǔn)確。

基于平行光管的數(shù)字水準(zhǔn)儀檢定裝置能夠完成數(shù)字水準(zhǔn)儀的電子檢定項(xiàng)目，結(jié)合JSJ-ⅡZ型精密水準(zhǔn)儀綜合檢驗(yàn)儀完成數(shù)字水準(zhǔn)儀光學(xué)檢定項(xiàng)目的檢定，從而實(shí)現(xiàn)了數(shù)字水準(zhǔn)儀的全室內(nèi)檢定。該裝置占地面積小，不需移動(dòng)水準(zhǔn)儀和水準(zhǔn)標(biāo)尺，水準(zhǔn)儀旋轉(zhuǎn)照準(zhǔn)前后站目標(biāo)不需調(diào)焦即可測(cè)量，水準(zhǔn)標(biāo)尺視場(chǎng)內(nèi)光照均勻，儀器內(nèi)外溫差小，檢定不受天氣和時(shí)間限制，檢定裝置穩(wěn)定、抗震性強(qiáng)，構(gòu)建成本低，可節(jié)省大量的人力物力，很好地克服了室外檢定的種種弊端。使用該裝置依據(jù)《數(shù)字水準(zhǔn)儀檢定規(guī)程》(CH/T 8019—2009)進(jìn)行常用4種數(shù)字水準(zhǔn)儀的檢定，經(jīng)過檢驗(yàn)測(cè)試，可以滿足數(shù)字水準(zhǔn)儀的檢定要求。

[1]楊俊志，劉宗泉．?dāng)?shù)字水準(zhǔn)儀的測(cè)量原理及其檢定[M]．北京：測(cè)繪出版社，2005．

[2]王永尚，肖學(xué)年，龐尚益，等．?dāng)?shù)字水準(zhǔn)儀的試驗(yàn)結(jié)果及其分析[J]．測(cè)繪通報(bào)，2002(4)：58-61 ．

[3]路杰，付輝清，歐同庚，等．一種新型數(shù)字水準(zhǔn)儀室內(nèi)檢定裝置[J]．大地測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué)，2007，27(6)：92-96．

[4]羅官德，任道勝，陳如麗．?dāng)?shù)字水準(zhǔn)儀i角檢校方法探討[J]．測(cè)繪技術(shù)裝備，2003(4)：42-44．

[5]陳耿彪，烏建中，樂韻斐．?dāng)?shù)字水準(zhǔn)儀標(biāo)尺編碼原理研究[J]．測(cè)繪學(xué)報(bào)，2008，37(3)：380-383．

[6]郭金運(yùn)，徐泮林，曲國慶．?dāng)?shù)字水準(zhǔn)儀的性能比較與分析[J]．測(cè)繪通報(bào)，2002(3)：55-57．

[7]國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局．JJG 425—2003水準(zhǔn)儀[S]．北京：中國質(zhì)檢出版社，2003．

[8]國家測(cè)繪局．CH/T 8019—2009數(shù)字水準(zhǔn)儀檢定規(guī)程[S]．北京：測(cè)繪出版社，2009．