数字水准仪常规检测项目检定方法探讨.doc

数字水准仪常规检测项目检定方法探讨杨俊志（国家光电测距仪检测中心，北京市北太平路16号，100039）Normal Calibration Method for Digital LevelsYANG Jun-zhi摘要：本文针对数字水准仪的特点，论述了其常规检测项目及相应的检定方法。关键词：数字水准仪；检测项目；检定方法 一 、前言 随着测绘仪器制造技术的飞速发展，数字水准仪的普及率愈来愈高。数字水准仪具有测量速度快，精度高，操作简单，易于实现内外业一体化等优点，代表测绘仪器的发展方向。目前世界上主要的仪器生产厂家如瑞士Leica，德国Zeiss，日本Sokkia 和Topcon 等均有数字水准仪投放市场。虽然各厂家的仪器结构不完全相同，但其基本测量原理相似：即采用编码水准尺，仪器内装图像识别器和处理系统。编码水准尺用不同宽度的条码组合来表征尺面的不同位置，编码水准尺的影像经光学系统成像在信号探测器上。其信号处理是将仪器内存的标准码（参考信号）与探测器上所获得的信号（测量信号）按一定的方式进行比较，即可获得编码水准尺的读数。数字水准仪于90年3月投放市场以来，已经经历近10 年的历程。作为一种基本的测量仪器，正确地对其进行检测和校正具有重要意义。在已发表的文章中，研究者主要对仪器的补偿器，测量精度与仪，尺亮度等进行了研究。作者根据从事仪器检测工作所接触的数字水准仪，对数字水准仪的常规检定项目进行论述。 二 、i角的检定方法 在数字水准仪的i角校正程序中，提供多种检定方法。1、 费式（Foerstner ）法 如图1 示。在相距45m 的距离两端设立水准尺，将其分成三段，在距标尺15 m 处设仪器站。则仪器 i 角为： （1）式中：r1a - 仪器在测站1时对A 尺的读数； r1b - 仪器在测站1时对B 尺的读数； r2a - 仪器在测站2时对A 尺的读数； r2b - 仪器在测站2时对B 尺的读数； d1a - 仪器在测站1时到A 尺的距离； d1b - 仪器在测站1时到B 尺的距离； d2a - 仪器在测站2时到A 尺的距离； d2b - 仪器在测站2时到B 尺的距离。 图 1 2、 李式(Naebauer)法 选择一条45m左右长的线段，将其分成三段，如图2示安置仪器和水准尺，则仪器 i 角为： （2）式中各符号与式（1）一致。图23、 库式（kukkamaek）法 将两标尺置于相距20m的处，首先在两标尺中间安置仪的站(1)，在两标尺连线上距其中之一20m处设置另一仪器站(2)，如图3示：图3则仪器 i 角为： （3）式中各符号与式（1）一致。 4、 日本方法 该方法与库式法基本一致，只是两标尺间的距离为30m，另一仪器站(2)距标尺A的距离为3m。则仪器 i 角为： （4）式中各符号与式（1）一致。 5、平行光管法 与检验光学水准仪一样，可以利用水准仪检定仪调整数示水准仪的十字丝，使其视准轴在几何关系上处于水平。 三、i角的调校 按前述的i角检定方法可以对仪器的i角进行检定，但不同仪器，i角的含义是不完全一致的。例如，有的仪器上测定的i角是经过已存贮的i角修正后的剩余值，这个值可能很小，但这时十字丝的位置可能远远偏离其应有的几何位值；有的仪器则与普通光学水准仪一样，测定的i角值是水平视线偏离其应有几何位置的大小。因此，对于数字水准仪i角调校的方法为：1) 首先利用水准仪检定仪，将其十字丝调整到应有位置，使仪器的i角从几何关系上满足现有规范的要求。2) 利用仪器的提供的i角检定程序，选择一种方法进行i角测定，在某些仪器上，这时测出的i角值可能较大，存贮新的i角值。显示的新i角值较大的原因为：显示的新i角值= 已存贮的i角值 + 十字丝的调整量，当十字丝偏离其应有位置较大，调到正确位置后，必然导致显示的新i角值较大。3) 利用仪器提供的i角检定后序，再进行一次i角测定，一般情况，显示的i角值可以满足现有规范要求，存贮新的i角值。需要注意的是，在实际检定中，有时会出现虽然仪器的十字丝已经调到应有位置，但检定程序测出的i角值不变。若这种情况出现，则仪器需要修理。由于电子水准仪的读数中，已经加入了i角的改正 值，仪器使用一段时间，可以利用仪器提供的i角检定程序，重新预置i角。 四、测站单次高差中误差与每公里往返测高差中误差 1、检测方法概述 1）德国工业标准DIN18723-2 厂方提供的仪器精度以每公里往返测高差中误差表示。在对样机进行试验时，一般按德国工业标准DIN18723-2标准进行检定。图4给出DIN18723-2所要求的检验场的三种图形结构。其基本方法为：选择图4所示中任意一种图形布设水准线，并使e1 e2 e3 e4 ，每段均往返观测5次（每段水准线路等价于10次单次水准测量），视距为25m，通过简单的平差计算，即可以求得一公里往返测高差中误差： 计算每段每次高差（包括往返测）测量值绝对值的平均值： （j=1，2，3，4） 求残差： （j=1，2，3，4） 求残差平方和: 每段线路高差中误差 ： 一公里往返测中误差: ( 5 ) 图 42）国际标准ISO 12857-1在相距50m处设置两水准标尺，仪器置于中间位置，为保证检测结果的可靠性，标尺和仪器架应稳固可靠。如图5示。读取两标尺读数和 ，共测20次，得观测值( 和 , 和 ).每次测量完成之后，变换仪器高(最好有一定高度变化)，互换水准尺，再重复20次观测，得观测值( 和 , 和 )。 图 5计算过程为：计算两点间高差： ( i= 1,20) ( k= 21,40)求x、y的平均值： 求残差: ( i= 1,20) ( k= 21,40) 单站高差中误差 ： 一公里往返测中误差: ( 6 )3） 我国计量检定规程JJG425-94 JJG425-94采用室内方法。目标由平行光管提供，目标距仪器30m，测12测回。测站单次高差中误差： 式中： - 第i次测量时A、B两目标高差； - 12测回A、B两目标高差均值。 若将其换算成一公里往返测高差中误差，则： ( 7 )考虑到室内检测不受外界条件影响时，JJG424-94要求用于一等水准测量的DS05、DSZ05级仪器的 ，相当于 。 数字水准仪可以采用上述三种方法测定其一公里往返测高差中误差。但由DIN18723-2提供的方法过于繁琐，一般情况下不采用。通常采用ISO或JJG提供的方法测定单站高差中误差，然后归算到一公里往返测高差中误差。表1列出了一台Dini 11采用这两种方法的检定结果。 表 1检定方法ISO 12857-1JJG 425-94视距（m）2530测站单次高差中误差（mm）0.080.04归算后的一公里往返测高差中误差（mm）0.260.13限差要求（mm）0.300.23 五、其它检定项目 除i角误差和一公里往返测高差中误差外，常规的检测项目还有： 1. 望远镜调焦运行误差 2. 补偿器的补偿精度 3. 视距测量精度这些检验项目在一般文献中均有详细论述，这里不重复。 六、结束语本文针对数字水准仪的特点，对其常规检验方法进行了论述。由于数字水准仪发展历史较短，对仪器的误差源、配套的条码尺及实际测量精度等的研究还较少，我国也缺乏相应的检定规范和测量规范对仪器的检定和使用进行指导。作者希望通过本文能规范数字水准仪的检定方法。 参考文献1 德国工业标准DIN 17823-2：Feldverfahren zur Genauigkeitsuntersuchung geodaetischer Instrumente Nivelliere, Jul 1990,Berlin。2 国际标准 ISO 12857-1: Op