浅析数字水准仪的测量误差

秦薇

(成都市工业职业技术学校,四川成都 610081)

浅析数字水准仪的测量误差

秦薇

(成都市工业职业技术学校,四川成都 610081)

介绍数字水准仪的基本结构及测量原理,分析和论述数字水准仪在测量上产生的误差。

数字水准仪 测量 误差

自第一台数字水准仪问世以来，随着科学技术的发展，数字水准仪经不断地改进，其观测精度有了很大的提高。数字水准仪具有光学水准仪无可比拟的优点，与光学水准仪相比，它具有测量速度快、操作简单、读数客观、不存在误读或误记等人为误差，自动记录存储测量数据，容易实现水准测量内外业一体化等诸多优点，数字水准仪是代替传统光学水准仪的理想产品。作为数字水准仪，在实际野外观测工作中，也存在着测量方面的误差，由于数字水准仪的工作原理和方法与传统的光学水准仪不同，构造比较复杂，本文只对数字水准仪在测量上产生的误差加以概念性的分析和论述。

1 数字水准仪的原理

1.1 数字水准仪的基本结构

数字水准仪是利用电子工程学的原理制造，能够进行自动观测、记录信息、处理数据的电子仪器，它是在自动安平水准仪基础上发展起来的。数字水准仪基本结构是由光学部件、机械部件、自动补偿装置和电子设备组成。光学和机械部件同光学仪器基本相同，自动补偿装置包括了重力摆和阻尼器等部件，电子设备方面，主要是由调焦编码器、光电传感器(线阵CCD器件)、读数电子元件、单片微处理机、GIS接口、显示器、键盘和影像、数据处理软件等组成，这些部件使仪器具备了智能化，观测更加便捷。

1.2 数字水准仪的测量原理

数字水准仪采用相关法进行测量和读数，该水准仪有两个视准轴，一是光视准轴，它由光学分划板十字丝中心和望远镜物镜的光心构成，另一个是电视准轴，它是由线阵CCD器件上中点附近的一个像素和望远镜物镜光心构成。光视准轴用于照准和调焦，电视准轴用于读数。数字水准仪的望远镜照准编码标尺，通过所发射出的红外光线进行自动测量，在测量过程中，标尺条码一方面被望远镜物镜组成像在光学分划板上，供目视观察，另一方面通过光学分划板前的分光镜，把标尺条形码成像在线阵CCD器件的光敏面上，供电子读数。仪器自身存储的标尺的条纹码能作为参照信号，仪器的线译码器捕获仪器视场内的标尺影像作为测量信号，然后与仪器的参照信号进行比较，就获得视线高度和水平距离。

2 数字水准仪的误差分析

数字水准仪测量精度是由条形码本身及其数字化和离散化产生的背景噪声所决定的。光学系统的成像质量，补偿器的精度，以及视轴稳定性等因素也都会影响测量精度。由数字水准仪的结构和测量原理，可返现影响测量精度的误差来源包括以下几个方面。

2.1 光学和机械部件引起的误差

数字水准仪是光学机械设备和电子设备相结合的产物，具有与传统水准仪相同的光学和机械结构，因此数字水准仪光学和机械部件本身引起的误差与光学水准仪相同。主要表现为：圆水准器误差；调焦透镜运行误差；竖轴倾斜引起的视轴的误差。

2.2 自动补偿器的误差

数字水准仪的补偿器与自动安平水准仪的原理相同，结构和工艺上略有不同，它是由重力摆和阻尼器构成。数字水准仪的自动补偿器误差包括：补偿器的安平精度；剩余补偿误差；迟滞影响；地磁影响。

2.3 电子设备引起的误差

数字水准仪是根据条码影像在探测器上的位置和比例进行测量的。线阵CCD器件的物理特性决定其在光线过强、过弱、以及条码标尺表面光照部均匀、观测瞬间强光闪、外界热闪烁等情况，都会降低标尺成像的对比度，从而产生测量误差。因为光线过强时，线阵CCD会出现饱和，条码影像灰度值会发生不同的变化而不相等，仪器对标尺条码无法辨认，就会引起测量误差，甚至无法读数；光线过弱，就相当于标尺被遮挡，自然会产生误差。对电子设备工作的原理进行分析，可知电子设备引起的误差主要包括以下几个方面：(1)线阵CCD器件的物理特性引起的误差；(2)标尺遮挡引起的条码信息丢失；(3)调焦的准确性引起的图像分辨力误差；(4)标尺倾斜引起的图像变形；(5)外界条件的变化引起的影像误差；(6)条码标尺上伪随条码宽度的精度引起的误差；(7)条码标尺上的条码在使用中受损造成的影像误差；(8)电子设备对测量信号处理、分析时的误差；(9)水准仪内置软件的算法和技术误差。

2.4 电视轴i角的误差

电视轴i角的误差对水准测量的影响在理论上与光学水准仪i角误差相同，但电视轴在电子水准仪中又缺少像光学视轴那样绝对标定水平视线的性质，或者说，电子水准仪不是以电“横丝”为基础读数，两者的读数方式完全不同。虽然数字水准仪机内设置的程序能自动改正i角误差，在测量过程中前后视距等长又加以减弱，但电视轴i角对水准测量精度的影响是肯定存在，随着外界温度的变化而改变，而且在温度变化区间内的改成数不是线性变化的，因此电视轴i角对测量精度有很大影响。

2.5 外界因素引起的误差

外界条件的变化将会引起仪器各部件产生测量误差，而且对光学水准仪和数字水准仪的测量误差影响都很大。数字水准仪与条码标尺组成的测量系统是处在时刻变化的外界条件下进行工作的，大气垂直折光的影响，仪器与标尺垂直位移的影响，在实际测量过程中都是不可避免的。在数字水准仪读数时，所有进入视场的条码均参与读数，特别注意的是当视线观测靠近地面时，标尺的条码受折光的影响很大，对测量精度产生直接的影响。另外地面的震动影响测量精度，由于数字水准仪重量轻，受震动的影响较光学水准仪更明显。通过大量的观测经验表明，外界因素引起的测量误差，只能通过观测人员在作业过程中加以减少，无法避免。

3 结语

数字水准仪操作简单，使用方便，测量数据真实可靠，减少了人为误差，提高了作业效率，但它本身的误差是不可避免的。在实际作业中对仪器的保养和定期检查也是十分重要的，除了常规的i角检验、圆气泡检验、十字丝检验外，还必须对电子元件进行定期检验。另外对标尺的保护也是十分重要的，一旦条码标尺的条形码刻画受到损害，就会在差量读数中产生误差，因此要正确地使用数字水准仪，就必须熟悉规范，熟练掌握仪器操作步骤，同时注意仪器的保养和检验，尽量降低和减少测量误差。

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