基于“专用光管法”的数字水准仪检定装置研制

李文一，程增杰

（中国地震局第一监测中心，天津 300180）

基于“专用光管法”的数字水准仪检定装置研制

李文一，程增杰

（中国地震局第一监测中心，天津 300180）

数字水准仪被广泛应用于高程测量，须经检定确保其量值准确可靠满足规程要求后才可用于测量。现行有效的JJG 425——2003《水准仪检定规程》中提出“专用光管法”和传统的“室外法”两种检定方法，但没有对“专用光管法”所需检定装置的结构和参数提出具体要求，无法参照该规程建立检定装置。该文研制一套基于“专用光管法”的室内检定装置，采用两支对径放置的、内置条码分划板的内调焦平行光管，实现数字水准仪的室内检定。实测结果表明：该装置满足JJG 960——2012《水准仪检定装置检定规程》的要求，可用于数字水准仪的检定，并对“专用光管法”检定装置的研制有一定的参考价值。

数字水准仪；专用光管法；误差分析；不确定度评定

0 引 言

1990年第一台数字水准仪由瑞士维特厂研制成功，采用图像处理技术读取标尺的影像，自动显示高程和视距，实现了水准仪的数字化读数，也使测绘仪器真正进入了光机电一体化的时代。作为一种新型仪器，各个厂家技术不同且保密，传统的光学仪器的检定方法已经不适用于数字水准仪的检定。我国现行有效的检定规程JJG 425——2003《水准仪检定规程》[1]，主要针对的是光学水准仪的检定，对数字水准仪的检定推荐的方法有传统的“室外法”和“专用光管法”。

由于规程对专用光管的描述极少，整个规程中只在两处提到专用光管，简单的描述没有对检定所需专用光管的结构和参数等提出具体的要求，因此，对建立基于“专用光管法”的室内检定装置缺乏指导性。

国内检定机构多数采用的是“室外法”，场地约60m，需多人配合，易受环境的影响，较为费时费力；采用“专用光管法”的较少，这与条码标尺生产厂家不对外提供专用光管，检定机构需自行设计有一定关系。本文研制了基于“专用光管法”的室内检定装置，设计制作了条码分划板目标和可调焦平行光管等，实现了在室内对数字水准仪进行检定[2]。

1 “专用光管法”的设计思路

室内“专用光管法”的设计思路是基于透镜成像原理[3]（如图1所示），将按比例（垂轴放大率β=A′B′/AB，AB为条码分划板，A′B′为分划板AB通过光管所成的像）缩小的条码标尺的像刻划在分划板AB上，放置在可调焦平行光管内相应位置，等效为15m和30m等不同视距的条码标尺的像A′B′，数字水准仪照准条码标尺的像读取测量数据，完成数字水准仪i角误差、补偿误差、视线观测中误差、调焦运行误差等项目的室内检定。

图1 透镜成像原理图

数字水准仪各项检定项目中，i角和调焦运行误差的检定需在不同视距下完成，其他项目只需一固定视距，因此，室内专用检定装置的设计，需着力解决i角和调焦运行误差的检定。

2 室内检定方案的确定

2.1 检定方法的选择

检定数字水准仪i角常用的4种方法为：费式法、李式法、库氏法和日本法，i角的大小[4-6]按下式计算：

其中ρ=206265″。

根据i角的计算公式可知，标尺的刻划误差对i角检定的影响与两标尺间距离以及仪器与标尺的距离有关。通过比较，库式法标尺的刻划误差对i角的影响最大；日本法调焦移动量较大，像差也较大；李式法和费式法，需要的视距均为15m和30m，为便于设计，选择费式法作为室内检定i角的计算模型。

2.2 费氏法检定方法

野外测量时，费氏法检定过程如图2所示。在相距45m处设立两根标尺（A、B），将45 m 3等分，分别在3等分点1和点2位置架设数字水准仪，读取标尺A和标尺B的高差，按照式（1）计算i角。

图2 费氏法野外测量过程示意图

费氏法用于室内检定装置时，可按图3所示的方法放置仪器及标尺。仪器先照准标尺A、B后，读取r1a、r1b，接着照准标尺A′、B′，读取r2a、r2b，只要保证标尺的像A和A′等高，B和B′等高，就可以认为标尺A和A′是一根标尺，标尺B和B′是另外一根标尺，等效为仪器搬站而标尺没动，完成i角的检定。

图3 费氏法用于室内光管法检定装置原理示意图

图4 数字水准仪室内检定系统安装示意图

基于这一思路，设计的检定装置如图4所示，固定数字水准仪的仪器升降台居中放置，在对径的两支可调焦平行光管中放置条码分划板，等效为不同视距（15m，30m）处的条码标尺。A和A′为平行光管1内15 m和30 m距离处的标尺像，B和B′为平行光管2内15 m和30 m处的标尺像，只要保证A和A′、B和B′的等高，不需要换站，在室内就可完成i角的检定。

2.3 平行光管的选型

数字水准仪i角误差和调焦运行误差的检定需在不同视距下完成，应选择可调焦平行光管。改变相同的视距，内调焦式平行光管调焦镜移动的距离比外调焦式套筒移动的距离短，例如f=1 000 mm的平行光管，等效视距从15m调至30 m，内调焦式与外调焦式的移动量分别为15mm和110mm左右，相差近10倍；同时外调焦光管套筒的移动轴与平行光管光轴的夹角在调焦筒移动时所带来的误差较大，很难校正，因此选择内调焦式平行光管。

3 条码分划板的制作

3.1 分划板的相关参数计算

不同型号数字水准仪配套使用的条码标尺不同，实验室对多种型号的条码标尺进行了实际测量，使用双频激光干涉仪波长作为比长基准，进行4次测量取平均值，获得全尺黄黑两种条码分划的宽度，截取一段条码分划，结合不同标尺的编码原理获得条码宽度理论值，依据不同视距处的垂轴放大率β计算分划板上条码的宽度，制作按比例缩小的分划板，如图5所示。

图5 条码分划板示意图

不同等效视距c下的物距l可根据高斯近轴成像公式得到：

式中：l——物距；

l′——像距；

f——焦距。

由图1可知，x=f-l，可算出分划板与物方焦点间的距离x，从而确定条码分划板的在平行光管内的安装位置。

按垂轴放大率计算公式：

可以求得不同视距下的垂轴放大率β，其中，l′=c-d。

数字水准仪测量时，需要读取标尺上至少200mm长的一段条码进行图像处理，依据最小像高A′B′=200mm和垂轴放大率β，可以算出条码分划板的最小物高AB。

综上，当使用f=1000mm的平行光管，仪器升降台到光管的距离d=1m时，不同等效视距下的像距l′、物距l、垂轴放大率β、分划板安装位置x和条码分划板的最小高度AB的计算结果如表1所示。

表1 不同等效视距下条码分划板的参数计算结果

3.2 分划板的最大允许刻划误差

数字水准仪是通过读取条码标尺上的一段条码进行图像处理，获得高程值，是一个平均效应，对条码标尺的单个条码的划线的要求并不是十分苛刻。依据1996年11月发布的德国工业标准DIN18717——1996[7]，条码标尺分划误差的极限偏差为Δl=±（0.02mm+ 2l·10-5），单个条码的最大分划误差为20μm。由表1可知，进行i角检定时，等效视距为30m时垂轴放大率较大，β=28，刻划误差须不超过20μm/28=0.7μm。

3.3 分划板刻划误差对i角检定的影响

经调研，国内分划板刻划的最大误差可以做到小于0.5μm或小于0.2μm，依据i角计算公式，两种刻划误差对检定i角的影响见表2。

这两种刻划误差的分划板都能满足条码标尺最大刻划误差的要求，并且对i角检定的影响是在同一个量级，因此选择了0.5 μm的分划板刻划误差。

4 光管调焦运行误差的参数确定

用“专用光管法”检定i角时，条码分划板在调焦过程中运动方向与光轴方向不平行，会产生调焦运行误差。依据数字水准仪i角检定的最大允许误差来确定平行光管的调焦运行误差。一般高精密水准仪的i角最大允许误差为4″，要求平行光管引入的调焦运行误差不大于i角最大允差的1/3，即1.3″。综合考虑加工成本和检定系统的需要，设计加工的平行光管的调焦运行误差的最大允差为1.5″。

表2 分划板刻划误差对i角检定的影响

5 误差分析

5.1 误差来源

室内专用光管法检定装置的误差源主要有以下4个：

1）分划板的刻划误差引入的i角误差

设计的分划板的最大刻划误差为0.5μm，由表2可知，引入的i角误差为0.09″。

2）调焦误差

设计的专用平行光管调焦运行误差的最大允差为1.5″。

3）平行光管的视准线误差

装置使用前须调整平行光管俯仰角使视准轴水平，用DS05级的高精度水准仪Ni002进行调校[8]。人眼分辨率一般是60″，在明视距离250mm处约为0.07mm，经放大倍率为40倍的望远镜后，人眼在视场中的分辨能力为0.07mm/40=0.0018mm，通过焦距f=1000mm的平行光管，则为（0.0018/1000）×ρ=（0.0018/ 1000）×206265″=0.36″。

因此，用Ni002水准仪调校后平行光管的视准线误差是0.36″。

4）两根对径光管的视准线不等高误差

两支对径平行光管的视准线不在同一个高度时，会对i角的检定引入误差，须使用DS05级高精密水准仪Ni002对这两支光管进行反复调整。同样地，可以计算得出，用Ni002水准仪对两支焦距为1000mm的对径平行光管的高度进行调校后，两支光管的视准线不等高误差是0.36″。

5.2 不确定度评定

设各项误差引入的不确定度分量均符合正态均匀分布，置信因子为则数字水准仪室内专用光管装置检定数字水准仪i角的合成标准不确定度[9]为

取包含因子k=2，扩展不确定度

6 “专用光管法”与“室外法”检定结果的比对

对4台数字水准仪分别用“专用光管法”和“室外法”测量i角，计算归一化偏差En值：

其中，基于“专用光管法”的室内检定装置测量i角的不确定度为ULAB=1.8″，“室外法”测量i角的不确定度为UREF=1.2″，比对结果见表3。

表3 比对试验检测结果及En值计算结果

比对试验的∣En∣值最大为0.55，均小于1，表明“专用光管法”和“室外法”的一致性较好，比对结果为满意。

7 结束语

数字水准仪室内“专用光管法”检定装置是数字水准仪检定的一种新方法，与“室外法”相比，只需室内约3 m2空间，两名检定人员就可以完成数字水准仪的常规检定；两种方法检定结果的比对结果满意，表明“专用光管法”和“室外法”测量结果的一致性较好；检定装置的视准线误差控制在2″以内，满足JJG 960——2012《水准仪检定装置检定规程》[10]中“水平准线偏差一级不超过2″”的要求，可以用于数字水准仪的检定。

[1]水准仪检定规程：JJG 425—2003[S].北京：中国计量出版社，2003.

[2]李文一，程增杰，赵立军，等.数字水准仪检定室内法的方法确认[J].大地测量与地球动力学，2014，34（6）：180-182.

[3]郁道银，谈恒英.工程光学[M].北京：机械工业出版社，2004.

[4]杨俊志.数字水准仪常规检测项目检定方法探讨[J].测绘通报，2000（11）：24-25.

[5]国家一、二等水准测量规范：GB/T 12897—2006[S].北京：中国标准出版社，2006.

[6]杨俊志，刘宗泉.数字水准仪的测量原理及其检定[M].北京：测绘出版社，2005.

[7]Präzisions Nivellierlatten：DIN 18717—1996[S].Germany：Deutsches Institut für Normung e.V.（DIN），1996.

[8]傅辉清.高精度准水平线的室内调试[J].北光通讯，1995（1）：30-33.

[9]测量不确定度的评定与表示：JJF 1059.1—2012[S].北京：中国质检出版社，2013.

[10]水准仪检定装置检定规程：JJG 960—2012[S].北京：中国质检出版社，2012.

（编辑：李刚）

The development of digital level verification device based on collimator method

LI Wenyi，CHENG Zengjie
（First Crust Monitoring and Application Center，CEA，Tianjin 300180，China）

The digital level is widely used in height measurement，and it must be verified to ensure that the accuracy of the measurement value can meet the requirements before they be used for the measurement.The current effective Verification Regulations of Levels（JJG 425——2003）proposed two calibration methods，which are collimator method and the traditional outdoor method. However，the device tobeused forthecollimatormethod cannotbesetup becausethe Regulationshaven’tspecified mechanicalstructuresand parametersofthe device.We have developed a set of indoor verification device based on the collimator method，which uses two sets of radial collimator with built-in barcode reticle.The indoor verification of digital levels is realized. Erroranalysis and experimentalresultsshow thatthedevicecan meettherequirementsof Verification Regulations of Level Verification System（JJG 960——2012），and thus can be used in indoor verification of digital levels，and has a certain reference value for the development of verification device based on collimator method.

digital level；collimator method；error analysis；uncertainty evaluation

A

：1674-5124（2017）02-0073-04

10.11857/j.issn.1674-5124.2017.02.015

2016-05-15；

：2016-06-20

中国地震局监测、预测、科研三结合课题（CEA-JC/3JH-163305）

李文一（1978-），女，天津市人，高级工程师，主要从事测绘仪器计量检定、检定装置研制、形变监测仪器开发。