《电子水准仪》PPT课件.ppt

测量工程与装备系 范百兴 2020年2月9日 电子水准仪 5 4电子水准仪 1987年 徕卡推出了世界上第一台数字水准仪NA2000 开始了水准测量的自动化 主要数字水准仪及其原理如下 1 相关法 威特NA2000 LeicaNA03 10 2 几何法 蔡司DINI10 20 3 相位法 拓普康DL101C 102C 4 相关法2 索佳SDL30 国产数字水准仪可能会在今后两年内诞生 一 数字水准仪产品 SokkiaSDL30 TrimbleDiNi12 DiNi22 TopconDL 103 5 4电子水准仪 主要特点 0 3mm 0 7mm km PCMCIA数据存贮 DiNi12 或在线数据存贮 DiNi22 静态的30cm电子视场 补偿器置平精度0 2 0 5 放大倍率32x 26x主要卖点 字母与数字键盘 线路平差 精度0 3mm 视场 30cm缺点 笨大 较小的显示窗 4x21字符 稍有点重 较老式 无圆水准器的照明 无标准电池的概念 用Trimble仪器的PCMCIA卡才能测量 5 4电子水准仪 主要特点 0 6mm 1 0mm km 内部数据存贮 2000个点 1 20 的电子视场 补偿器置平精度0 3 放大倍率32x主要卖点 放大倍率 测量时间短 1 0mm精度 1 20 的视场 价格低缺点 按键少 无字母数字键盘 显示少 4x21个字符 比较大 无圆水准器照明 无标准电池概念 只有内存 RS232 做一等水准差点 5 4电子水准仪 主要特点 0 4mm 1 0mm km PCMCIA卡数据存贮和内部数据存贮 1 20 的电子视场 补偿器置平精度0 3 0 5 放大倍率32x 30 x主要卖点 字母数字输入 5m标尺 内存和PCMCIA卡 1 20 的视场角缺点 显示窗小 2x8字符 卡槽位于电池仓后 无圆水准器照明 无标准电池概念 内存小 51KB PCMCIA 256KB 卡存贮能力小 5 4电子水准仪 5 4电子水准仪 双侧无限位微动螺旋 钻石般的圆水准器 有照明 带有概略瞄准器的固定提把 低耗能电池 字母数字键盘 RS232接口 PCMCIA卡 优秀的光学系统 可定制的显示屏 5 4电子水准仪 中轴位置的测量按钮 分离的DATA和ESC键 分离的开关键 独立的的定位键 内存 6000测量点或1650个测站的前后视 杰出的设计和外型 宽大的LC显示屏 可变的数据输出格式 5 4电子水准仪 DNA系列数字水准仪原理 5 4电子水准仪 一 相关法数字水准仪 水准标尺为伪随机条码 该条码图象已被存储在数字水准仪中作为参考信号 在条码标尺上 最窄的条码宽为2 025mm 称为基本码宽 在标尺上共有2000个基本码 不同数量的同颜色的基本码相连在一起 就构成了宽窄不同的码条 5 4电子水准仪 测量信号与参考信号进行比较的过程为相关过程 先与标尺底部对齐 发现不相同 然后往上移动一个步距 基本码宽 再比较 直到两码相同为止 也就是最佳相关位置时 读数就可以确定 通过移动一个基本码宽来得到粗读数 然后再上下选取一定范围 减少步距 进行精相关 就可以得到足够精度的读数 5 4电子水准仪 二维相关法以一定步距改变仪器内部参考信号的 宽窄 与CCD采集到的测量信号相比较如果没有相同的两信号 则再改变 再进行一维相关 直到信号相同为止 宽窄 相同的两信号相比较是求视线高的过程 一维是视距 另一维是视线高二维相关之后视距就可以精确算出 5 4电子水准仪 相关法 标尺及相关原理 4 由于标尺到仪器的距离不同 条码在探测器上成像的 宽窄 也将不同 测量信号片段条码的 宽窄 会变化 引起相关困难 徕卡数字水准仪采用二维相关法 以一定步距改变仪器内部参考信号的 宽窄 与CCD采集到的测量信号相比较 如果没有相同的两信号 则再改变 再进行一维相关 直到信号相同为止 参考信号的 宽窄 与视距是对应的 宽窄 相同的两信号相比较是求视线高的过程 在此二维相关中 一维是视距 另一维是视线高 二维相关之后视距就可以精确算出 5 4电子水准仪 可以想象从原始参考信号一步一步缩放比较的相关的计算量会很大 使读数时间过长 为了缩短读数时间 徕卡数字水准仪内部设计有调焦移动量传感器采集调焦镜的移动量 由此可以反算出概略视距 初步可以确定物像比例 对仪器内部的参考信号的 宽窄 进行缩放 使其接近探测器采集到的测量信号的 宽窄 然后再进行二维相关 这样可以减少 的相关计算量 使读数时间缩短到 秒以内 调焦移动传感器 5 4电子水准仪 伪随机码简介 伪随机码属于二进制码 它的结构可以预先确定 并且可以重复产生和复制 另一方面它还具有随机特性 即统计特性 这种码用在数字水准仪中具有可以在1 8 100m距离内使用相关法的特点 标尺上的白码条或黄码条在CCD器件上产生光电流 在电路上为高电平 我们用二进制的 1 表示 相反黑码条用 0 表示 从条码标尺上测量得到的徕卡仪器的参考码序列为 P 1101000110111110111110001110111 010000001001001101 5 4电子水准仪 蔡司Dini10 20 5 4电子水准仪 二 几何法数字水准仪 2 几何法 条码标尺 系列的标尺每 划分为一个测量间距 其中的码条构成一个码词 每个测量间距的边界由黑白过渡线构成 其下边界到标尺底部的高度 可由该测量间距中的码词判读出来 就象区格式标尺上的注记一样 I系列测量时 只利用中丝的上下两边各 cm的标尺截距 也就是 个测量间距来计算视距和视线高 5 4电子水准仪 2 几何法 测量原理 图中Gi为某测量间距的下边界 Gi 1为上边界 它们在 CD行阵上的成像为Bi及Bi 1 它们到光轴 中丝 的距离分别用用 i及 i 1表示 上象素的宽度是己知的 这两距离在 C 上所占象素的个数可以由 输出的信号得知 因此可以算出 i和 i 1 也就是说 i和 i 1是计算视距和视线高的己知数 i和 i 1在光轴之上方为负值 在光轴之下方取正值 如果在标尺上看 则是在光轴之上为正 反之为负 5 4电子水准仪 几何法 测量原理 为测量间距长 cm 用第 个测量间距来测量时 则物象比 i g bi 1 bi 视线高读数为 Hi g Ci l 2 A bi 1 bi 2 i是第 个测量间距从标尺底部数起的序号 可由所属码词判读出来 5 4电子水准仪 几何法 测量原理 为了提高测量精度 系列取 个测量间距平均来计算 也就是取标尺上中丝上下各 的范围 即 个测量间距取平均来计算 5 4电子水准仪 3 相位法 光路示意图 标尺的条码像经望远镜 物镜 调焦镜 补偿器的光学零件和分光镜后 分成两路 一路成像在 线阵上 用于进行光电转换 另一路成像在分划板上 供目视观测 5 4电子水准仪 三 拓普康数字水准仪的相位法 相位法 标尺编码 有三种不同的码条 表示参考码 其中有三条 mm宽的黑色码条 每两条黑色码条之间是一条1mm宽的黄色码条 以中间的黑码条的中心线为准 每隔 mm就有一组 码条重复出现 在每组 码条左边 mm处有一道黑色的 码条 在每组一参考码 的右边1 mm为一道黑色的 码条 每组 码条两边的 和 码条的宽窄不相同 实际上 和 码条的宽度是在1到 mm之间变化 这两种码包含了水准测量时的高度信息 其中 码条的周期为600mm 码条的周期为570mm 5 4电子水准仪 相位法 标尺编码 在标尺长度方向上就形成了亮暗强度按正弦规律周期变化的亮度波 在图中条码的上面画出了波形 纵坐标表示黑条码的宽度 横坐标是标尺的长度 实线为 码的亮度波 虚线为 码的亮度波 由于 和 两条码变化的周期不同 也可以说 和 亮度波的波长不同 在标尺长度方向上的每一位置上两亮度波的相位差也不同 这种相位差就好象传统水准标尺上的分划 可由它标出标尺的长度 只要能测出标尺某处的相位差 也就可以知道该处到标尺底部的高度 因为相位差可以做到和标尺长度一一对应 即具有单值性 这也是适当选择两亮度波的波长的原因 在 L 101C中 码的周期为 码的周期为 它们的最小公倍数为 因此在 长的标尺上不会有相同的相位差 为了确保标尺低端面 或说相位差分划的端点相位差具有唯一性 和 码的相位在此错开了 5 4电子水准仪 相位法 信号分析 人工处理测量信号是很麻烦的 而且很费时间 在 系列中采用快速傅里叶变换 计算方法将测量信号在信号分析器中分解成三个频率分量 由 和B两信号的相位求相位差 即得到视线高读数 这只是粗读数 因为视距不同时 标尺上的波长与测量信号波长的比例不同 虽然在同一视距上 和 的波长比例相同 可以求出相位差 或说是视线高 但是可以想象其精度并不高 5 4电子水准仪 相位法 信号分析 码是为了提高读数精度和求视距而安排的 设两组 码之间的间距为 P 30mm 它在 行阵上成像所占象素的个数为 象素宽为b 25 m 则P在CCD行阵上的成像长度为 I z bZ可由信号分析中得出 b是CCD光敏窗口的宽度 因此I和P