数字水准仪的工作原理及其在测量过程中的应用

许婵 肖小平 刘源

摘要：随着电子技术的快速发展，传统测量方法发生了巨大的改变，数字水准仪已经在测量过程中得到了广泛的应用。数字水准仪能够自动记录观测数据，将测量误差降低到了极致，具有极大的便利。文章基于多年的数字水准仪使用经验，阐述了数字水准仪的工作原理，详细地介绍了数字水准仪在测量过程中的应用技巧和优势。

关键词：几何水准测量；数字水准仪；测量；补偿误差

中图分类号：P224 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2012）31-0055-02

1 概述

电子技术的迅猛发展，改变了传统的测量方法。同时，GPS定位技术的出现，不仅提高了测量精度，而且为控制测量提供了极大便利。GPS测量技术和电磁波测距三角高程测量的精度可以替代等级较低的几何水准测量，但是在精度测量中，依旧采用几何水准测量。传统的重力测量和水准测量依旧是精确测定各点间正常高差的主要方法。在实际的测量过程中，如果几何水准测量使用传统的光学水准仪，不仅受到外界误差、人工和仪器的影响，配备专业计算能力的记录人员，而且效率低、投入多。虽然水准仪的自动化是从光学微倾发展至自动安平水准仪，但是依旧依靠人工读数，还会带来误差。数字水准仪的产生，不仅实现了自动记录观测数据，而且使内外业一体化，减少了误差，提高了效率，减少了投入。

2 数字水准仪的工作原理

数字水准仪的生产厂家很多，其拥有的仪器结构和相关的条形码编码方式不尽相同，但是数字水准仪的工作原理是统一的。数字水准仪的工作原理是仪器内配置图像识别器和图像数据处理系统，使用编码标尺，标尺可以使用具有不同宽度的条形码及其组合标识在尺面的不同位置上，在使用时，人工完成调焦和照准之后，标尺条码一方面通过被成像在望远镜的分划板上，以便测量人员进行目视观测，同时，另一方面测量人员可以通过望远镜的分光镜，将标尺条码成像在光电传感器上，将其转换为电信号，经过处理整形之后进入模数转化系统，这样就可以输出数字信号，将信号送入微处理器上进行处理和储存，此时可以使用处理器将其与内存中的标准码按照一定的方式比较分析，即可获得编码标尺的读数。

3 数字水准仪在测量工作中的应用

3.1 数字水准仪在测量过程中的应用技巧

目前，数字水准仪以其精度高、操作方便和实用性强的特点，在测量过程中得到了大规模的使用，基于笔者多年的使用经验，本文详细地分析了其在使用过程中的相关技巧。

3.1.1 补偿误差。数字水准仪最初的发展原理是光学自动安平水准仪。由于补偿器都属于吊带重力补偿器，通过温度变化、运输等条件的影响，仪器的内应力发生变化，补偿性能差异大，因此要及时进行检测，如果超过限差要及时予以调校。同时，还需注意补偿器的稳定时间，置平仪器后不能马上进行测量，通常要有2～3秒的延迟时间。

3.1.2 视准线误差。由于水准测量结果受视准线误差大小的直接影响，因此在测量过程中一定要确保前后视距离差在规定的范围内。通常情况下，数字水准仪具有独立的测距功能，在水准尺读数前要依据距离测量值调整水准仪或者水准尺

位置。

3.1.3 调焦对测量的影响。数字水准仪调焦对测量结果产生的影响远远低于光学水准仪，因为数字水准仪依靠的是用于测量的所有间隔码元估算并多次测量的平均值。如果读数时焦距没有调整清楚，容易导致测量失败。如果只是调焦波动，不会对测量结果产生明显影响。

3.1.4 标尺安置状态对测量的影响。在数字水准仪使用过程中，标尺安置要备受关注。因为数字水准的在自动测量的过程中对标尺安置状态的监视极为缓慢，在偏离垂直状态范围很大的情况下，依然会测量。为了有效提高标尺的安置速度，通常在精密因瓦条码标尺上安置圆水准器。

3.1.5 磁致误差。目前，数字水准仪的补偿器大多是由非磁性材料或铝制造而成的，在均匀磁场中检测不受影响，但是如果处于交变磁场中，就会检测到补偿器的偏转量。受此影响，在通过有变电枢纽、电气化铁路或者大功率的发电厂时，一定要选用正确的测量仪器，检测因磁场导致的误差影响幅度。

3.1.6 仪器的晾置和预热。由于数字水准仪的参数容易受环境温度的影响，因此在开始测量作业前一定要对仪器进行预热或者晾置，保证仪器和外界温度趋于一致，防止仪器在温度不稳定阶段实施测量而影响精度。对于晾晒时间的把握，晾置时间通常是温差的2～3倍，即如果温差在5℃，那么晾置时间就大约是10℃～15℃。在潮湿环境中，应当准备好干燥剂，把仪器存放在干燥环

境中。

3.1.7 振动对测量的影响。数字水准仪还会受到振动影响，导致补偿器的视准线不稳。在测量环境中，如果有明显的风力过大、机械振动、重载车辆通过等，要暂停测量。

3.2 在测量过程中应用数字水准仪的优势

3.2.1 使用方便。数字水准仪的重量轻、携带方便、操作简单，减少了测量人员的劳动强度。

3.2.2 速度快。数字水准仪可以实现自动测量读数、检核、记录，无需人工观测，其作业速度仅受跑尺人员速度和仪器装置速度影响。

3.2.3 精度高。数字水准仪对图形影响多个分划取平均值，避免了标尺分划的误差。同时，它的图像处理技术自动判别读数，有利于消除因人工读数和夹准分划带来的影响。另外，较快的测量速度也避免了和时间相关的外界条件的影响。

3.2.4 有利于测量内外业一体化的实现。数字水准仪把测量数据直接储存到内存或者卡上，依据规定格式输出，及时检核，形成了自动流程，方便在计算机上进行处理。避免了因人工记录和计算出现的差错，极大地提高了工作效率。

4 结语

随着我国科学技术的发展，许多科学工作者对数字水准仪进行了跟踪研究，在未来的时间内，其仪器结构和测量的准确度必将大幅度提高，其应用也更加广泛。

参考文献

[1] 郑国才，高俊强，刘三枝，胡灿.数字水准仪的测量原理及测试精度分析[J].南京工业大学学报（自然科学版），2006，（4）.

[2] 曾和平.数字水准仪应用中的若干问题探讨[J].长江工程职业技术学院学报，2008，（3）.

[3] 叶晓明，阙江.数字电子水准仪检定方法的研究[J].测绘通报，2008，（11）.

作者简介：许婵，女，海南三亚人，湖南省计量检测研究院工程师。

（责任编辑：周 琼）