DL-101C型数字水准仪工作原理介绍
试论数字水准仪组成原理及应用分析
试论数字水准仪组成原理及应用分析摘要：在传统水准仪的基础上，研究人员发明了数字水准仪，该水准仪配置了数字成像系统，并且安装了条码水准尺，不需要借助于人工操作，且读取的数字更为准确，此外，数字水准仪还能够对读取的数据进行自动保存，避免数据丢失。
数字水准仪不仅能够减少人力操作成本，而且还能够避免人为操作所造成的误差或错误，使得到的数据更为准确。
文章阐述数字水准仪的基本原理，对测量中的应用进行分析。
关键词：数字水准仪；原理；应用引言目前，现代的科学技术发展的非常迅速，在测量方面，采用的设备、方法以及手段都在进步。
在工程测量里，精度要求较高使用的硬件以及软件等仪器都在不断的出现，并且在各个工程测量的领域都被迅速的采用，所以，在测量的精度要求比较高的工程里，所使用的手段一直都在进步。
数字水准仪所采用的技术已经是比较靠前的了，它拥有很多优点，例如：测量精度高，测量效率高等，用不了多久，数字水准仪就会将光学水准测量仪器代替掉。
1.数字水准仪的基本原理1.1 数字水准仪的基本组成数字水准仪又被称作电子水准仪，是在自动安平水准仪的基础上发展起来的，现在各大厂家采取基本一致的结构进行生产，由光学机器部分、自动安平补偿装置和电子设备组成其基本的构造，其中电子设备是由光电传感器、读取电子元件、单片微处理机、CSI 接口、数据处理软件、标尺等组成，标尺采用条形码供电子测量使用。
由于专利权的原因使得各公司标尺的编码方式和电子读数2 求值过程大不相同。
1.2 数字水准仪的基本工作原理就目前来看，数字水准仪采取基本测量原理相似的三种自动电子读数方法：采用编码标尺，图像数据处理系统和仪器内图像装置识别器。
标尺通过使用不同宽度的条码组合来表示不同位置的尺面，在人工完成照准调焦之后，水准尺上的编码图像经过望远系统、调焦镜和分光镜后一方面被成像在分划板上，另一方面在线阵CCD 上进行光电的转换，等到转换成电信号后进入到模数转化系统，进而将输出的数字信号送入微处理器中进行储存，将其按照一定的方式与内存标准码进行比较从而获得编码标尺的读数。
数字水准仪原理
第一章数字水准仪的原理与特点武汉大学李以赫§1.1 概述1963年Fennel厂研制出了编码经纬仪, 加上四十年代已经出现的电磁波测距技术、以后的光电技术、计算机技术和精密机械的发展,到八十年代已开始普遍使用电子测角和电子测距技术。
然而，到八十年代末，水准测量还在使用传统仪器。
这不仅由于水准仪和水准标尺在空间上是分离的，而且两者的距离可以从1米多变化到100米，因此在技术上引起实现数字化读数的困难。
为了现实水准仪读数的数字化，人们进行了近30年尝试。
如蔡司厂的RENI 002A己使测微器读数能自动完成，但粗读数还需人工读出并按键输入，与精读数一起存入存储器，因此还算不上真正的数字水准仪。
又如利用激光扫平仪和带探测器的水准标尺，可以使读数由标尺自动记录。
由于这种仪器的试验结果还不能达到精密几何水准测量的要求，因此也没有解决水准测量读数自动化的难题。
直到1990年徕卡测量系统的前身---威特厂在世界上率先研制出数字水准仪NA2000，可以说，从1990年起，大地测量仪器全面己经完成了从精密光机仪器向光机电测一体化的高科技产品的过渡，攻克了大地测量仪器中水准仪数字化读数的这一最后难关。
到1994年蔡司厂研制出了数字水准仪DINI 10／20，同年拓普康厂也研制出了数字水准仪DL101／102。
２００２年５月徕卡公司向中国市场投放了DNA中文数字水准仪，该仪器具有外形美观，大屏幕中文显示，测量数据可存入内存和PC卡中，并具有适合中国测量规范丰富的机载软件，这意味着数字水准仪将真正为中国用户所接受。
数字水准仪具有测量速度快、读数客观、能减轻作业劳动强度、精度高、测量数据便于自动输入计算机和容易实现水准测量内外业一体化的特点，因此它投放市场后很快受到用户青睐。
国外的低精度高程测量盛行使用各种类型的激光定线仪和激光扫平仪，因此目前数字水准仪主要定位在中精度和高精度水准测量范围，分为两个精度等级, 中等精度的标准差为：1.0～1.5mm/Km,高精度的为：0.3～0.4mm／Km。
水准仪的原理
水准仪的原理
水准仪是一种用来测量地面水平度的仪器，它在建筑工程、地质勘探、道路施
工等领域都有着重要的应用。
水准仪的原理是基于重力和光学原理的，通过测量光线的水平方向来确定地面的水平度。
下面我们将详细介绍水准仪的原理及其工作过程。
首先，水准仪利用了重力的作用原理。
在水准仪的管体内部有一根悬丝，当水
准仪放置在水平地面上时，悬丝会受到重力的作用，处于垂直状态。
通过调整水准仪的调节螺丝，使悬丝在垂直状态时，可以确定地面的水平度。
这是水准仪基于重力原理的工作原理之一。
其次，水准仪还利用了光学原理。
水准仪的管体内部有一根光线，当水准仪放
置在水平地面上时，光线会保持水平方向。
在水准仪的眼镜中观察到的是悬丝的位置，通过调整眼镜的焦距，使悬丝与光线重合，从而确定地面的水平度。
这是水准仪基于光学原理的工作原理之一。
水准仪的工作过程是通过调整水准仪的调节螺丝和眼镜焦距，使悬丝与光线重合，从而确定地面的水平度。
在实际使用中，通常需要在不同位置进行多次测量，以确保地面的水平度。
水准仪的精度和稳定性对测量结果有着重要影响，因此在使用水准仪时需要注意保持仪器的稳定和精准度。
总之，水准仪的原理是基于重力和光学原理的，通过调整调节螺丝和眼镜焦距，确定地面的水平度。
在实际使用中需要注意保持仪器的稳定和精准度，以确保测量结果的准确性。
水准仪在各种工程领域都有着重要的应用，它的原理和工作过程对于工程测量有着重要意义。
小谈水准仪 水准仪是如何工作的
小谈水准仪水准仪是如何工作的小谈水准仪水准仪是依据水准测量原理测量地面点间高差的仪器。
水准仪是在17～18世纪制造了望远镜和水准器后显现的。
20世纪初，在制出内调焦望远镜和符合水准器的基础上生产出微倾水准仪。
20世纪50时代初显现了；60时代研制出激光水准仪；90时代显现电子水准仪或数字水准仪。
建立水平视线测定地面两点间高差的仪器。
紧要部件有望远镜、管水准仪（或补偿器）、垂直轴、基准、脚螺旋。
按结构分为微倾水准仪、自动安平水准仪、激光水准仪和数字水准仪（又称电子水准仪）。
按精度分为精密水准仪和一般水准仪。
水准仪使用方法水准仪的使用包括：水准仪的安置、粗平、瞄准、精平、读数五个步骤。
1. 安置安置是将仪器安装在可以伸缩的三脚架上并置于两观测点之间。
首先打开三脚架并使高度适中，用目估法使架头大致水平并检查脚架是否坚固，然后打开仪器箱，用连接螺旋将水准仪器连接在三脚架上。
2. 粗平粗平是使仪器的视线粗略水平，利用脚螺旋置园水准气泡居于园指标圈之中。
实在方法用仪器练习。
在整平过程中，气泡移动的方向与大姆指运动的方向一致。
3. 瞄准瞄准是用望远镜精准地瞄准目标。
首先是把望远镜对向远处光亮的背景，转动目镜调焦螺旋，使十字丝清楚。
再松开固定螺旋，旋转望远镜，使照门和准星的连接对准水准尺，拧紧固定螺旋。
最后转动物镜对光螺旋，使水准尺的清楚地落在十字丝平面上，再转动微动螺旋，使水准尺的像靠于十字竖丝的一侧。
4. 精平精平是使望远镜的视线精准明确水平。
微倾水准仪，在水准管上部装有一组棱镜，可将水准管气泡两端，折射到镜管旁的符合水准察看窗内，若气泡居中时，气泡两端的象将符合成一抛物线型，说明视线水平。
若气泡两端的象不相符合，说明视线不水平。
这时可用右手转动微倾螺旋使气泡两端的象完全符合，仪器便可供应一条水平视线，以充分水准测量基本原理的要求。
注意？气泡左半部份的移动方向，总与右手大拇指的方向不一致。
5. 读数用十字丝，截读水准尺上的读数。
水准仪分类及介绍
水准仪水准仪是根据水准测量原理测量地面点间高差的仪器。
水准仪是在17～18世纪发明了望远镜和水准器后出现的。
用途测量高差类型:微倾,自动安平,激光,电子等①微倾水准仪折叠借助微倾螺旋获得水平视线。
其管水准器分划值小、灵敏度高。
望远镜与管水准器联结成一体。
凭借微倾螺旋使管水准器在竖直面内微作俯仰，符合水准器居中，视线水平。
②自动安平水准仪折叠借助自动安平补偿器获得水平视线。
当望远镜视线有微量倾斜时，补偿器在重力作用下对望远镜作相对移动，从而迅速获得视线水平时的标尺读数。
这种仪器较微倾水准仪工效高、精度稳定。
③激光水准仪折叠利用激光束代替人工读数。
将激光器发出的激光束导入望远镜筒内使其沿视准轴方向射出水平激光束。
在水准标尺上配备能自动跟踪的光电接收靶，即可进行水准测量④数字水准仪折叠这是20世纪90年代发展的水准仪，集光机电、计算机和图像处理等高新技术为一体，是现代科技最新发展的结晶。
仪器原理折叠微倾水准仪折叠借助于微倾螺旋获得水平视线的一种常用水准仪。
作业时先用圆水准器将仪器粗略整平，每次读数前再借助微倾螺旋，使符合水准器在竖直面内俯仰，直到符合水准气泡精确居中，使视线水平。
微倾的精密水准仪同普通水准仪比较，前者管水准器的分划值小、灵敏度高，望远镜的放大倍率大，明亮度强，仪器结构坚固，特别是望远镜与管水准器之间的联接牢固,装有光学测微器，并配有精密水准标尺，以提高读数精度。
中国生产的微倾式精密水准仪，其望远镜放大倍率为40倍,管水准器分划值为10″/2毫米，光学测微器最小读数为0.05毫米，望远镜照准部分、管水准器和光学测微器都共同安装在防热罩内。
自动安平水准仪折叠借助于自动安平补偿器获得水平视线的一种水准仪。
它的特点主要是当望远镜视线有微量倾斜时，补偿器在重力作用下对望远镜作相对移动,从而能自动而迅速地获得视线水平时的标尺读数。
补偿的基本原理是：当望远镜视线水平时，与物镜主点同高的水准标尺上物点P构成的像点Z0应落在十字丝交点Z上。
动力水准仪的工作原理
动力水准仪的工作原理
动力水准仪是一种用于测量地面高程差的仪器。
其工作原理基于重力和液体静压理论。
以下是动力水准仪的工作原理：
1. 材料选择：动力水准仪通常由一个封闭的管道、一根透明的管道和一个液体储罐组成。
液体通常选择比较稠密的矿物油或其他流体，以确保精确的测量结果。
2. 液体静压原理：在水准仪中，液体静压用于测量地面高程差。
液体静压原理认为，当液体在一个封闭管道中运动时，液体的压力只取决于液体的高度。
因此，液体的高度差可以用来测量地面的高程差。
3. 液体平衡：在动力水准仪中，液体通过液体储罐自由流动到透明的管道中，直到液面的高度和地面高程相等。
这种平衡的液体高度可以通过封闭管道的另一端的标尺来读取。
4. 读取测量结果：动力水准仪通常配有一个读数竿，可以在地面上移动和固定。
通过调整读数竿的高度，使其与液体平衡时液面的高度相等，就可以读取地面的高程差。
总之，动力水准仪通过液体静压原理测量液体高度差来计算地面高程差。
这种仪器可用于测量相对高程、建筑物的垂直度、挖掘深度等。
数字水准仪原理资料讲解
数字水准仪原理第一章数字水准仪的原理与特点武汉大学李以赫§1.1 概述1963年Fennel厂研制出了编码经纬仪, 加上四十年代已经出现的电磁波测距技术、以后的光电技术、计算机技术和精密机械的发展,到八十年代已开始普遍使用电子测角和电子测距技术。
然而，到八十年代末，水准测量还在使用传统仪器。
这不仅由于水准仪和水准标尺在空间上是分离的，而且两者的距离可以从1米多变化到100米，因此在技术上引起实现数字化读数的困难。
为了现实水准仪读数的数字化，人们进行了近30年尝试。
如蔡司厂的RENI 002A己使测微器读数能自动完成，但粗读数还需人工读出并按键输入，与精读数一起存入存储器，因此还算不上真正的数字水准仪。
又如利用激光扫平仪和带探测器的水准标尺，可以使读数由标尺自动记录。
由于这种仪器的试验结果还不能达到精密几何水准测量的要求，因此也没有解决水准测量读数自动化的难题。
直到1990年徕卡测量系统的前身---威特厂在世界上率先研制出数字水准仪NA2000，可以说，从1990年起，大地测量仪器全面己经完成了从精密光机仪器向光机电测一体化的高科技产品的过渡，攻克了大地测量仪器中水准仪数字化读数的这一最后难关。
到1994年蔡司厂研制出了数字水准仪DINI 10／20，同年拓普康厂也研制出了数字水准仪DL101／102。
２００２年５月徕卡公司向中国市场投放了DNA中文数字水准仪，该仪器具有外形美观，大屏幕中文显示，测量数据可存入内存和PC卡中，并具有适合中国测量规范丰富的机载软件，这意味着数字水准仪将真正为中国用户所接受。
数字水准仪具有测量速度快、读数客观、能减轻作业劳动强度、精度高、测量数据便于自动输入计算机和容易实现水准测量内外业一体化的特点，因此它投放市场后很快受到用户青睐。
国外的低精度高程测量盛行使用各种类型的激光定线仪和激光扫平仪，因此目前数字水准仪主要定位在中精度和高精度水准测量范围，分为两个精度等级, 中等精度的标准差为：1.0～1.5mm/Km,高精度的为：0.3～0.4mm／Km。
DL-101C电子水准仪数据自动化处理的设计与实现
对超限数据进行标记 ； ②对测段数据进行统计计算 ， 检
查（ 站数 、 测段距离、 测段高差及测段往返高差 中数 、 限 差）③根据数据处理方式（ ； 站水准或段水准 ）将数据 ， 转换至清华山维平差数据格式。
Ｇ ｍ） １０ ０ ０ ０ Ｈ（ ： ０ ．００ Ｄｓ （１ ｉ． ｎ） ｔ
Ｄ ｍ ｉＪ Ｎ，ｎ Ｃ ｕ ｔ Ｎ ， ｌｇ Ｆａ Ｆ Ａ ｔ ｅ ｉ ， ， Ｌ ， ｏ ｎ ， ｎ Ｆａ ， ｌｇ ｓ ｎｅ ｒ Ｉ ｇ
Ｆ ａ Ｆ＝１ ｌｇ
初 始 化
测 站 数 据 （ 后 视 距 差 、 次 读 数 差 、 次 高 差 较 前 两 两
查找测段起 、 终点 标 志， ｌ Ｆ为在 表格 中增加 新 测段 数据 标 Ｆａ ｇ
镜 中增加了分光镜和 Ｃ Ｄ线 阵列传感器来获取条形 Ｃ 编码水准尺的图像 ， 依靠拓普康公司独树一 帜的相位 法图像信号处理技术来获取水准标尺的读数 ， 标尺条 码 的识别及其处理结果的显示 、 存储均由仪器 内置计
算 机完 成 ， 而 实现数 字化处 理 。 从
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DL-101C型数字水准仪工作原理介绍
自1990年第一台数字水准仪问世以来,随着科学技术的飞速发展,尤其是微电子技术工艺水平的提高,数字水准仪经不断地改进,其观测精度有了很大的提高,在实际生产过程中,数字水准仪已逐步取代了传统的光学仪器。
由于数字水准仪是一种新型仪器,其工作原理和方法都与传统的光学仪器不同,因此其工作性能和检验项目与方法都需进一步的研究和探索。
电子水准仪具有测量速度快、读数客观、能减轻作业劳动强度、精度高、测量数据便于输入计算机和容易实现水准测量内外业一体化的特点,因此它投放市场后很快受到用户青睐。
国外的低精度高程测量盛行使用各种类型的激光定线仪和激光扫平仪。
因此电子水准仪定位在中精度和高精度水准测量范围,分为两个精度等级,中等精度的标准差为:1.0-1.5mm/km,高精度的为:0.3-0.4mm/km。
[1]
下面我来介绍“DL101C数字水准仪工作原理”总结观测经验为该仪器投入生产使用打下基础。
拓普康电子水准仪DL-101C/102C采用相位法。
标尺的条码象经望远镜、物镜、调焦镜、补偿器的光学零件和分光镜后,分成两路,一种成象在CCD线阵上,用于进行光电转换,另一路成象在分划板上,供目视观测。
标尺上有三种不同的码条。
R表示参考码,其中有三条形码2mm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30mm就有一组R码条重复出现。
在每组R码条左边10mm处有一道黑色的B码条。
在每组参考码R的右边10mm处为一道黑色的A码条。
每组R码条两边的A和B码条的宽窄不相同,实际上A和B码条的宽度是在0到10mm之间变化,这两种码包含了水准测量时的高度信息。
仪器设计时有意安排了它们的宽度按正弦规律变化。
其中A码条的周期为600mm,B码条的周期为570mm。
当然,R码条组两边的黄码条宽度也是按正弦规律变化的,这样在标尺长度方向上就形成了亮间强度按正弦规律周期变化的亮度波。
纵坐标表示黑条码的宽度,横坐标是标尺的长度。
实线为A码的亮度波,虚线为B码的亮度波。
由于A和B两条码变化的周期不同,也可以说A和B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DL-101C中,A码的周期为600mm,B码的周期为570mm,它们的最小公倍数为11400mm,因此在3m长的标尺上不会有相同的相位差。
为了确保标尺底端面,或说相位差分划的端点相位差具有唯一性,A和B码的相位在此错开了∏/2。
当望远镜照准标尺后,标尺上某一段的条码就成象在线阵CCD上,黄条码使
CCD产生光电流,随条码宽窄的改变,光电流强度也变化。
将它进行模数转换(A/D)后,得到不同的灰度值。
标尺上某小段成象到CCD上经A/D转换后,得到的不同灰度值(纵坐标),横坐标是CCD上象素的序号,当灰度值逐一输出时,横轴就代表时间了。
从横坐标标记的数字判断,仪器采用了512个象素的线阵CCD。
如何从上述测量信号中求出A和B两亮度波的相位差呢?下文用测量人员容易理解的方式来说明。
设想图纵坐标的灰度值就是表示亮度大小的十进位数字,而且横坐标尺寸已放大到和标尺尺寸一致。
我们用一波长为600mm的正弦曲线去与图中的离散灰度值曲线拟合,就可以得到A波的最大振幅和初相位。
再用波长为570mm的正弦曲线与图中的曲线相拟合,就可以得到B波的最大振幅和初相位。
我们对最大振幅不太感兴趣,因为随着标尺上的照度不同,而且最大振幅在不同次数的测量中也不同,对我们求视线高无关紧要。
我们求出的A和B两亮度波的初相位之差就是高度数据。
不过这是与CCD上第一个象素对应的位置到标尺底端面的高度。
我们不难把它换算成CCD中点象素上的相位差,这就好象是中丝读数。
象上述那样人工处理测量信号是很麻烦的,而且很费时间。
在DL系列中则采用快速傅里叶变换(FFT)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A和B两信号的相位求相位差,即得到视线高读数。
这只是初读数。
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A和B的波长比例相同,可以求出相位差,或说视线高,但是可以想象其精度并不高。
R码是为了提高读数精度和求视距而安排的。
设两组R码的间距为P(=30mm),它在CCD行阵上成象所占的象素个数为Z,象素宽为b(=25µm),则P在CCD行阵上的成象长度为I=Z·b
Z可由信号分析中得出,b是CCD光敏窗口的宽度,因此I和P都为已知数据。
根据几何光学成象原理,可以象传统仪器用视距丝测量距离的视距测量原理一样求出视距:D=P/I·f
式中f是望远镜物镜的焦距,同时还可以求出物象比
A=P/I
于是将测量信号放大到与标尺上的一样时,再进行相位测量,就可以精确得出相位差,即视线高。
托普康DL-101C型数字水准仪操作简捷,使用方便,自动记录观测数据,减少劳动强度,各项技术指标均满足《国家一、二等水准测量规范》的规定,可用于一、二等水准测量。
参考文献:
1.拓扑康电子水准仪的原理与使用(内部交流):1999
2.国家一、二等水准测量规范:中国标准出版社,1992。