數(shù)字水準(zhǔn)儀檢定方法的探討

程鵬里 蘇清磊 劉紅樂(lè) 李 博

(河南省計(jì)量科學(xué)研究院，鄭州 450000)

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數(shù)字水準(zhǔn)儀檢定方法的探討

程鵬里 蘇清磊 劉紅樂(lè) 李 博

(河南省計(jì)量科學(xué)研究院，鄭州 450000)

本文結(jié)合筆者在實(shí)際工作中的檢定經(jīng)驗(yàn)，主要探討了數(shù)字水準(zhǔn)儀電子計(jì)量部分的檢定。首先介紹了CCD安置狀態(tài)、系統(tǒng)分辨力、標(biāo)尺傾斜對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響和檢定辦法，最后重點(diǎn)介紹了i角檢定的幾種方法，包括富斯特乃爾法、納保爾法、庫(kù)卡馬可法以及日本方法。

數(shù)字水準(zhǔn)儀；檢定；分辨力；i角

0 引言

水準(zhǔn)儀是在測(cè)量工作中應(yīng)用比較多的一種儀器。早期所用的都是普通光學(xué)水準(zhǔn)儀，1990年徠卡公司首先研制出數(shù)字水準(zhǔn)儀NA2000。數(shù)字水準(zhǔn)儀具有讀數(shù)客觀、精度高、速度快、效率高等特點(diǎn)，所以被快速推廣并得到廣泛應(yīng)用。數(shù)字水準(zhǔn)儀是在自動(dòng)安平水準(zhǔn)儀基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，其主要包括光學(xué)測(cè)量和電子測(cè)量?jī)纱蟛糠?，以往的精密光機(jī)型計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)足以勝任其光學(xué)部分的檢定工作，新增的以測(cè)高和測(cè)平距為主要內(nèi)容的電子計(jì)量性能的檢定，則需要在室外進(jìn)行[1]。JJG 425—2003水準(zhǔn)儀檢定規(guī)程主要是針對(duì)光學(xué)部分進(jìn)行的檢定，對(duì)電子測(cè)量部分所提并不多?；诖耍疚闹饕榻B了數(shù)字水準(zhǔn)儀電子計(jì)量部分的檢定。

1 儀器CCD安置狀態(tài)及技術(shù)參數(shù)的檢查

數(shù)字水準(zhǔn)儀是以自動(dòng)安平水準(zhǔn)儀為基礎(chǔ)，采用圖像處理電子系統(tǒng)的光機(jī)電測(cè)一體化的高科技產(chǎn)品，它在望遠(yuǎn)鏡部分增加了光電圖像接收與處理元件。在觀測(cè)時(shí)，標(biāo)尺條碼一方面被成像在望遠(yuǎn)鏡分劃板上，供目視觀測(cè)；另一方面通過(guò)望遠(yuǎn)鏡的分光鏡，標(biāo)尺條碼又被成像在光電傳感器(CCD)上，并對(duì)其進(jìn)行分析解碼并輸出顯示標(biāo)尺的高度信息[2]。在數(shù)字水準(zhǔn)儀中，CCD是其核心器件。理想情況下，CCD(圖像傳感器)敏感面的中心位置與望遠(yuǎn)鏡準(zhǔn)直軸(經(jīng)分光棱鏡反射后)重合[3](如圖1)，但是在實(shí)際中，安裝的CCD存在一定的偏差，所以在對(duì)儀器進(jìn)行首次或修理后的檢定時(shí)，應(yīng)首先在專(zhuān)用的檢測(cè)設(shè)備上對(duì)CCD的安置狀態(tài)、儀器的定焦參數(shù)等技術(shù)參數(shù)進(jìn)行檢查。

圖1 數(shù)字水準(zhǔn)儀的測(cè)量系統(tǒng)

2 系統(tǒng)分辨力

系統(tǒng)分辯力，也稱(chēng)系統(tǒng)精度，是指儀器與標(biāo)尺配套使用時(shí)，在高度方向上實(shí)際能識(shí)別的最小高度變化量(應(yīng)注意系統(tǒng)分辯力與儀器的最小顯示值不是同一概念)[4]。電子水準(zhǔn)儀沒(méi)有光學(xué)測(cè)微器，檢驗(yàn)該項(xiàng)目相當(dāng)于檢驗(yàn)電子水準(zhǔn)儀的測(cè)微能力，實(shí)際上是檢驗(yàn)電子水準(zhǔn)儀圖像處理的能力。該項(xiàng)指標(biāo)一般是歸算到每10m視距時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)偏差。

在室內(nèi)建立一個(gè)可以升降標(biāo)尺的檢驗(yàn)臺(tái)，檢驗(yàn)臺(tái)下面固定一個(gè)螺旋測(cè)微裝置(如圖2)，檢驗(yàn)時(shí)，把銦鋼條碼標(biāo)尺放在升降檢驗(yàn)臺(tái)上，向上或向下移動(dòng)銦鋼條碼標(biāo)尺的量為0.09或0.11mm，共計(jì)移動(dòng)10次，將觀測(cè)值歸算到零點(diǎn)，求其歸算量的平均值：

(1)

式中，Hi為銦鋼條碼標(biāo)尺在各個(gè)位置的高程觀測(cè)值；hi為銦鋼條碼標(biāo)尺在升降檢驗(yàn)臺(tái)上由零點(diǎn)開(kāi)始改變的距離觀測(cè)值；則分辨力為：

(2)

式中，vi=Hi-H0-hi

圖2 系統(tǒng)分辨力檢定示意圖

3 標(biāo)尺傾斜的影響

在進(jìn)行水準(zhǔn)測(cè)量時(shí)，如果標(biāo)尺傾斜，會(huì)使得電子水準(zhǔn)儀電子傳感器CCD線陣上的像也歪斜[5]。輕則造成讀數(shù)誤差，重則使得儀器無(wú)法識(shí)別讀數(shù)。檢定標(biāo)尺在一定的傾斜范圍內(nèi)數(shù)字水準(zhǔn)儀所讀讀數(shù)對(duì)高程的影響具有很重要的意義。

在裝載微傾裝置的工作平臺(tái)上，把銦鋼條碼標(biāo)尺向左、右、前、后傾斜，多次觀測(cè)讀數(shù)，可以發(fā)現(xiàn)，在2°以?xún)?nèi)，對(duì)讀數(shù)變化很小，不超過(guò)儀器標(biāo)稱(chēng)精度；超過(guò)2°以后，讀數(shù)誤差急劇上升(如圖3、圖4)。

圖3 標(biāo)尺前后傾斜時(shí)的讀數(shù)誤差曲線

圖4 標(biāo)尺左右傾斜時(shí)的讀數(shù)誤差曲線

檢定時(shí)，在銦鋼條碼標(biāo)尺下面裝載微傾工作臺(tái)分別向前后左右各傾斜2°，用電子水準(zhǔn)儀進(jìn)行讀數(shù)，并和原始數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，觀測(cè)其是否超過(guò)標(biāo)稱(chēng)精度。

4 i角的檢定

在水準(zhǔn)測(cè)量中，如果i=0，則水準(zhǔn)軸水平(氣泡居中)后，視準(zhǔn)軸也是水平的，否則視準(zhǔn)軸不水平，在讀數(shù)中對(duì)高差產(chǎn)生影響。

4.1i角在讀數(shù)中的影響

i角使視線向上或向下傾斜，那么設(shè)它在A點(diǎn)尺子上的讀數(shù)較水平視線的讀數(shù)增大或減小一個(gè)Δ值。若A點(diǎn)距儀器的距離為S，則

Δ=S·tani

(3)

當(dāng)i角的大小不變時(shí)，則Δ的大小與S成正比；即尺子離儀器越遠(yuǎn)，i角對(duì)讀數(shù)的影響越大[2]。現(xiàn)在設(shè)有A、B兩點(diǎn)，使用水準(zhǔn)儀來(lái)測(cè)量其之間的高差，設(shè)

(4)

式中，a′為后視讀數(shù)；b′為前視讀數(shù)。則A，B兩點(diǎn)的正確高差應(yīng)為：

(5)

式中，ΔA-ΔB為角在高差中的影響，用ΔhAB表示，即

(6)

顯然，當(dāng)后視與前視的距離相等時(shí)，i角對(duì)于高差的影響ΔhAB=0，可得到正確的高差；而當(dāng)后視與前視的距離不相等時(shí)，則所測(cè)得的高差不正確。

4.2 數(shù)字水準(zhǔn)儀i角校準(zhǔn)的幾種方法

傳統(tǒng)的平行光管法對(duì)于電子水準(zhǔn)儀來(lái)說(shuō)只適用于檢驗(yàn)光學(xué)i角，數(shù)字顯示的i角校準(zhǔn)可以根據(jù)其內(nèi)部設(shè)置的程序進(jìn)行[3]。調(diào)用儀器上的校正菜單，可以采用以下4種方法進(jìn)行校正。4種方法的外業(yè)設(shè)置如下(如圖5～圖8)，按照儀器的屏幕菜單提示進(jìn)行操作，即可完成檢驗(yàn)和校正。

1)富斯特乃爾法(Forstnermethod)

如圖5，在相距45m處設(shè)立兩根標(biāo)尺(A、B)，將此距離分成三等份，并在其連線上設(shè)2個(gè)儀器站(1、2)，相距標(biāo)尺約15m，然后從測(cè)站量測(cè)兩個(gè)標(biāo)尺。i角為:

(7)

式中，H1A、H1B、H2B、H2A分別是數(shù)字水準(zhǔn)儀在(1、2)處所觀測(cè)的兩根標(biāo)尺(A、B)的讀數(shù)，S為每等分的距離。

圖5 富斯特乃爾法

2)納保爾法(Nabauermethod)

如圖6，量取一段45m長(zhǎng)的距離，將其分為三等份，在(1、2)上設(shè)儀器，并在距兩端1/3處(A、B)立標(biāo)尺，從測(cè)站測(cè)量?jī)筛鶚?biāo)尺。公式同式(7)。

圖6 納保爾法

3)庫(kù)卡馬可法(Kukkamakimethod)

如圖7，在距約20m處設(shè)兩根標(biāo)尺(A、B)，首先從位于兩標(biāo)尺連線的中間的測(cè)站(1)在兩標(biāo)尺上讀數(shù)。然后從距兩標(biāo)尺連線外延20m處的測(cè)站(2)在兩標(biāo)尺上讀數(shù)。公式為：

(8)

圖7 庫(kù)卡馬可法

4)日本方法(Japanesemethod)

如圖8，與庫(kù)卡馬可法方法基本相同。然而兩標(biāo)尺(A、B)相距約30m，而測(cè)站(1)在(A、B)的中間，測(cè)站(2)在標(biāo)尺(A)后約3m處。公式為：

(9)

圖8 日本方法

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)以上幾個(gè)項(xiàng)目的校準(zhǔn)，再配合JJG 425—2003中對(duì)水準(zhǔn)儀光學(xué)項(xiàng)目的檢定，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)字水準(zhǔn)儀全面系統(tǒng)的檢定，保證了測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確可靠，滿足了工程測(cè)量中對(duì)數(shù)字水準(zhǔn)儀精度的要求，而且對(duì)評(píng)價(jià)數(shù)字水準(zhǔn)儀的質(zhì)量和性能也具有一定的借鑒意義，進(jìn)而促使數(shù)字水準(zhǔn)儀更加全面和健康的發(fā)展。

[1] 李燦.電子水準(zhǔn)儀i角誤差室外檢測(cè)的線值表示[J].計(jì)量技術(shù)，2006(3)：49～50

[2] 張曉.光學(xué)成像條碼定位理論研究及應(yīng)用[D].南京理工大學(xué)，博士論文，2006

[3] 顧若冰.電子水準(zhǔn)儀i角檢驗(yàn)校正方法比較研究[J].礦山測(cè)量，2008，(4)：15～20

[4] 葉曉明，闕江.數(shù)字電子水準(zhǔn)儀檢定方法的研究[J].測(cè)繪通報(bào)，2008，(11)：68～70

[5] 耿麗清，李晉惠，程君.電子水準(zhǔn)儀水準(zhǔn)標(biāo)尺的條碼識(shí)別[J].微計(jì)算機(jī)信息，2005，(21)：132～134

10.3969/j.issn.1000-0771.2015.10.18