基本介紹
- 中文名：水準儀
- 外文名：level
- 用途：測量高差
- 原理：水準測量
- 類型：微傾，自動安平，雷射，電子等
歷史沿革,儀器原理,微傾水準儀,自動安平,雷射水準儀,電子水準儀,分類,微傾水準儀,自動安平,雷射水準儀,數字水準儀,主要系列,誤差分析,使用方法,主要型號,共同特點,使用須知,操作要點,校正方法,保養與維修,
歷史沿革
水準儀是在17～18世紀發明瞭望遠鏡和水準器後出現的。20世紀初，在制出內調焦望遠鏡和符合水準器的基礎上生產出微傾水準儀。20世紀50年代初出現了自動安平水準儀；60年代研製出雷射水準儀；90年代出現電子水準儀或數字水準儀。
儀器原理
微傾水準儀
藉助於微傾螺旋獲得水平視線的一種常用水準儀。作業時先用圓水準器將儀器粗略整平，每次讀數前再藉助微傾螺旋，使符合水準器在豎直面內俯仰，直到符合水準氣泡精確居中，使視線水平。微傾的精密水準儀同普通水準儀比較，前者管水準器的分劃值小、靈敏度高，望遠鏡的放大倍率大，明亮度強，儀器結構堅固，特別是望遠鏡與管水準器之間的聯接牢固,裝有光學測微器，並配有精密水準標尺，以提高讀數精度。中國生產的微傾式精密水準儀，其望遠鏡放大倍率為40倍,管水準器分劃值為10″/2毫米，光學測微器最小讀數為0.05毫米，望遠鏡照準部分、管水準器和光學測微器都共同安裝在防熱罩內。
自動安平
藉助於自動安平補償器獲得水平視線的一種水準儀。它的特點主要是當望遠鏡視線有微量傾斜時，補償器在重力作用下對望遠鏡作相對移動,從而能自動而迅速地獲得視線水平時的標尺讀數。補償的基本原理是：當望遠鏡視線水平時，與物鏡主點同高的水準標尺上物點P構成的像點Z0應落在十字絲交點Z上。當望遠鏡對水平線傾斜一小角α後，十字絲交點Z向上移動，但像點Z0仍在原處，這樣即產生一讀數差Z0Z。當很小時可以認為Z0Z 的間距為α×f′（f′為物鏡焦距），這時可在光路中K點裝一補償器，使光線產生屈折角β，在滿足α×f′=β×S0（S0為補償器至十字絲中心的距離，即KZ）的條件下，像Z0就落在Z點上；或使十字絲自動對儀器作反方向擺動，十字絲交點Z落在Z0點上。
如光路中不採用光線屈折而採用平移時，只要平移量等於Z0Z，則十字絲交點Z落在像點Z0上，也同樣能達到Z0和Z重合的目的。自動安平補償器按結構可分為活動物鏡、活動十字絲和懸掛稜鏡等多種。補償裝置都有一個“擺”，當望遠鏡視線略有傾斜時，補償元件將產生擺動，為使“擺”的擺動能儘快地得到穩定，必須裝一空氣阻尼器或磁力阻尼器。這種儀器較微傾水準儀工效高、精度穩定，尤其在多風和氣溫變化大的地區作業更為顯著。
雷射水準儀
利用雷射束代替人工讀數的一種水準儀。將雷射器發出的雷射束導入望遠鏡筒內，使其沿視準軸方向射出水平雷射束。
利用雷射的單色性和相干性，可在望遠鏡物鏡前裝配一塊具有一定遮光圖案的玻璃片或金屬片，即波帶板，使之所生衍射干涉。經過望遠鏡調焦，在波帶板的調焦範圍內，獲得一明亮而精細的十字型或圓形的雷射光斑，從而更精確地照準目標。如在前、後水準標尺上配備能自動跟蹤的光電接收靶，即可進行水準測量。在施工測量和大型構件裝配中，常用雷射水準儀建立水平面或水平線。
數字水準儀是目前最先進的水準儀，配合專門的條碼水準尺，通過儀器中內置的數字成像系統，自動獲取水準尺的條碼讀數，不再需要人工讀數。這種儀器可大大降低測繪作業勞動強度，避免人為的主觀讀數誤差，提高測量精度和效率。
電子水準儀
電子水準儀又稱數字水準儀，它是在自動安平水準儀的基礎上發展起來的。它採用條碼標尺，各廠家標尺編碼的條碼圖案不相同，不能互換使用。2013年前照準標尺和調焦仍需目視進行。人工完成照準和調焦之後，標尺條碼一方面被成像在望遠鏡分化板上，供目視觀測，另一方面通過望遠鏡的分光鏡，標尺條碼又被成像在光電感測器（又稱探測器）上，即線陣CCD器件上，供電子讀數。因此，如果使用傳統水準標尺，電子水準儀又可以像普通自動安平水準儀一樣使用。不過這時的測量精度低於電子測量的精度。特別是精密電子水準儀，由於沒有光學測微器，當成普通自動安平水準儀使用時，其精度更低。
當前電子水準儀採用了原理上相差較大的三種自動電子讀數方法：
1）相關法（徠卡NA3002/3003）
2) 幾何法（蔡司DiNi10/20）
3) 相位法（拓普康DL101C/102C）
分類
微傾水準儀
藉助微傾螺旋獲得水平視線。其管水準器分劃值小、靈敏度高。望遠鏡與管水準器聯結成一體。憑藉微傾螺旋使管水準器在豎直面內微作俯仰，符合水準器居中，視線水平。
自動安平
藉助自動安平補償器獲得水平視線。當望遠鏡視線有微量傾斜時，補償器在重力作用下對望遠鏡作相對移動，從而迅速獲得視線水平時的標尺讀數。這種儀器較微傾水準儀工效高、精度穩定。
雷射水準儀
數字水準儀
這是20世紀90年代發展的水準儀，集光機電、計算機和圖像處理等高新技術為一體，是現代科技最新發展的結晶。
主要系列
DS03高精密自動安平水準儀
DS03高精密自動安平水準儀是採用內置式的測微平板結構，採用齒輪直接嚙合的測微結構，完全消除了傳統測微平板結構中存在的行差，讀數由顯示屏上直接顯示，消除了測微尺讀數存在的讀數誤差，儀器採用全密封設計，能有效地防塵防水，密封等級可達IP55；放大倍率和物鏡口徑更大，觀測目標更清晰；補償器的固定採用獲得國家專利的新技術，提高了儀器的可靠性和穩定性。儀器外觀平衡協調，安置穩定，水準器精度更高，居中性能更好。
DS03水準儀是當前唯一能做到批量生產的國產高精密級水準儀，必將以其穩定可靠的性能、高等級的測量精度、獨特新穎的外形結構引領新一代國產高端水準儀的潮流。DS03高精密自動安平水準儀是內置測微平板的高精密自動安平水準儀，儀器利用自動補償技術和內置編碼器和數字電路處理的測微系統，並由顯示屏直接顯示測微讀數，直讀0.01mm,精確可靠，最重要的一點是，DS03水準儀1km往返水準測量標準偏差達到0.3mm的水平，在國內所有品種水準儀中是最高的。經測試，1km往返差完全達到國家標準高精密級水準儀的要求。
套用領域
DS03水準儀是一款真正的高精密級光學水準儀，其各項技術指標都滿足國標《水準儀GB 101562009》
中高端系列儀器的要求。
可以套用於國家一等水準測量及地震水準測量，建築工程測量，變形及沉降監測，礦山測量，
大型機器安裝，工具加工測量和精密工程測量等。
●水準網測量 / ●變形監測、地面沉降的監測 / ●工業測量 / ●隧道和礦山測量 / ●地形測量 水準線路測量、
區域水準測量、水準 網測量、等高線測量 / ●道路和鐵路施工放樣縱斷面測量、橫斷面測量、高程放樣
DL系列
拓普康電子水準儀DL101C/102C採用相位法。標尺的條碼像經望遠鏡、調焦鏡、補償器的光學零件和分光鏡後，分成兩路，一路成像在CCD線陣上，用於進行光電轉換，另一路成像在分劃板上，供目視觀測。DL101標尺上部份條碼的圖案，其中有三種不同的碼條。R表示參考碼，其中有三條2mm寬的黑色碼條，每兩條黑色碼條之間是一條1mm寬的黃色碼條。以中間的黑碼條的中心線為準，每隔30mm就有一組R碼條重複出現。在每組R碼條左邊10mm處有一道黑色的B碼條。在每組參考碼R的右邊10mm處為一道黑色的A碼條。讀者不難發現，每組R碼條兩邊的A和B碼條的寬窄不相同，實際上A和B碼條的寬度是在0到10mm之間變化，這兩種碼包含了水準測量時的高度信息。
儀器設計時有意安排了它們的寬度按正弦規律變化。其中A碼條的周期為600mm，B碼條的周期為570mm。當然，R碼條組兩邊的黃碼條寬度也是按正弦規律變化的，這樣在標尺長度方向上就形成了亮暗強度按正弦規律周期變化的亮度波。條碼的下面畫出了波形。縱坐標表示黑條碼的寬度，橫坐標市標尺的長度。實線為A碼的亮度波，虛線為B碼的亮度波。由於A和B兩條碼變化的周期不同，也可以說A和B亮度波的波長不同，在標尺長度方向上的每一位置上兩亮度波的相位差也不同。這種相位差就好像傳統水準標尺上的分劃，它可由標出標尺的長度。只要3能測出標尺底部某處的相位差，也就可由知道該處到標尺底部的高度，因為相位差可以作到和標尺長度一一對應，即具有單值性。這就是適當選則兩亮度波的波長，在DL101中A碼的周期為600mm，B碼的周期為570mm，它們的最低公倍數為11400mm，因此在3m長的標尺上不會有相同的相位差。為了確保標尺底端面，或說相位差分劃的端點相位差具有唯一性，A和B碼的相位在此錯過了π/2。
DL－102C的標尺與DL－101C的略有區別，DL－102C的標尺為白底黑條碼，A碼的波長為330mm，最低公倍數為3300mm。A和B碼在波長底部錯開的相位差為π。DL101－C的標尺與DL－102C的標尺可由互換使用。
當望遠鏡照準標尺後，標尺上某一段的條碼就成像線上陣CCD上，黃條碼使CCD產生光電流，隨條碼寬窄的改變，光電流強度也變化。將它進行模數轉換(A/D)後，得到不同的灰度值。視距在Δ0.6m時標尺上某小段成像到CCDA上經A/D轉換後，得到的不同灰度值(縱坐標)，橫坐標是CCD上象素的序號，當灰度值逐一輸出時，橫軸就代表時間了。橫坐標標記的數字判斷，儀器採用了512個象素的線陣CCD。視距和視線高的信息的測量信號。
如何從上述測量信號中求出A和B兩亮度波的相位差呢？下文用測量人員容易理解的方式來說明。構想縱坐標的灰度值就是表示亮度大小的十進位數字，而且橫坐標尺寸已放大到和標尺尺寸一致。用一波長為600mm的正弦曲線中的離散灰度值曲線擬合，就可由得到A波的最大振幅和初相位。再用波長為570mm的正弦曲線，就可由得到B波的最大振幅和初相位。人們對最大振幅不太感興趣，因為隨著標尺上的照度不同，最大振幅在不同次數的測量中也不同，對求視線高無關緊要。求出的A和B兩亮度波的初相位之差就是高度數據。不過這是與CCD上第一個象素對應的位置到標尺底端面的高度。人們不難把它換算成CCD中點象素上的相位差，這就好象是中絲讀數。
像上述那樣人工處理測量信號是很麻煩的，而且很費時間。在DL系列中則採用快速傅立葉變換(FFT)計算方法將測量信號在信號分析器中分解成三個頻率分量。由A和B兩信號的相位求相位差，即得到視線高讀數。這只是初讀數。因為視距不同時，標尺上的波長與測量信號波長的比例不同。雖然在同一視距上A和B的波長相同，可由求出相位差，或說視線高，但是可以想像其精度並不高。
R碼是為了提高讀數精度和求視距二安排的。設兩組R碼的間距為P(=30mm)，它在CCD行陣上成象所占的象素個數為Z,象素寬為D(=25μm)，則P在CCD行陣上的成象長度為:
L=Z*b (3－1)
Z可由一信號分析中得出，b是CCD光敏視窗的寬度，因此l和P都為已知數據。根據幾何光學成象原理，可以象傳統儀器用視距絲測量距離的視距測量原理一樣求出視距：
D=P/l*f (3－2)
式中f是望遠鏡物鏡的焦距。同時還可以求出物象比
A=P/l (3－3)
於是將測量信號放大到與標尺上的一樣時，再進行相位測量，就可以精確得出相位差，即視線高。
電子水準儀的三種測量原理各有奧妙，三類儀器都經受了各種檢驗和實際測量的考驗，能勝任精密水準測量作業。
誤差分析
數字水準儀是由光學機械部分和電子設備組成,其誤差除由以上兩項單獨所產生的而外,還包括二者組合產生的誤差。其中光學機械部分產生的誤差已被大家所熟知。主要包括a、圓水準器誤差;b、調焦透鏡運行誤差;c、豎軸傾斜引起的視準軸誤差;d、自動補償器的補償誤差。以下主要討論電子設備和二者組合所產生的誤差。
1線陣探測器(CCD)的物理特性引起的誤差
1.1光線的強弱引起條碼標尺影像對比度的誤差影響
數字水準儀是根據條碼影像在探測器上的位置和比例進行測量的,CCD的物理特性決定其在光線過強或過弱、條碼標尺表面光照不均勻、觀測瞬間強光閃爍、外界熱閃爍等情況下,都會大大降低標尺成像的對比度,也會造成局部失真,這將造成測量誤差,甚至無法讀數。
1.2人工光線的影響
徠卡NA系列數字水準儀的探測器是利用紅外光部分(CCD陣列對紅外光最敏感)接收和檢測條碼影像的。因此,在人工光線下進行測量時,如紅外光成份較弱時,會造成測量誤差,甚至無法讀數。而在這方面,蔡司DINI系列數字水準儀是採用可見光接收和檢測條碼影像,所以不受此影響。
2信號分析和處理的誤差
2.1信號分析方法的誤差
徠卡NA系列數字水準儀採用相關法進行測量,根據經驗,儀器記憶體儲的參考信號(偽隨機碼)與測量信號(偽隨機碼)的相關(對齊)精度約為碼元寬度(或碼的波長)的1%。條碼標尺的碼元寬度為2.025mm,因此相關精度約為0.02mm。
2.2最大相關係數計算的誤差
數字水準儀相關時,在精度相關搜尋區域內,測量信號與參考信號帶全八位數被相關,因為兩信號的振幅不同,最大相關係數是在高度和距離坐標系內逐點計算:最大相關位置的精度取決於格網的尺寸,相關的內插計算,忽略丟失條碼造成的影響。
2.3測量信號處理(圖像處理)的誤差
數字水準儀的測量信號處理是獲得高精度水準測量的關鍵環節,條碼影像在CCD陣列上的成象的質量以及處理技術的優劣,在很大程度上決定著測量的精度。引起圖像誤差的主要誤差影響包括:(1)因CCD陣列的物理特性引起的誤差;(2)標尺被遮擋引起條碼信息丟失的誤差;(3)調焦的準確引起的圖像的分辨力誤差;(4)標尺傾斜引起的圖像變形誤差;(5)外界條件變化引起的影像誤差;(6)測量信號形成時電子設備的誤差等。
獲得穩定、清晰、對比適中、完整的條碼影像是測量信號生成和處理的前提,是測量的關鍵。一般來說,圖像的處理是由水準儀內置的軟體完成的。其誤差依賴於軟體的算法和技術的先進性。
3電視準軸(i角)的誤差
電視準軸(i角)的誤差對水準測量的影響理論上與光學水準儀i角誤差相同,但電視準軸(i角)在數字水準儀中又缺少象光學視準軸(i角)那樣的絕對標定水平視線的性質。然而電視準軸(i角)對水準測量的精度的影響是肯定的,而且它隨外界條件的變化而變化。儘管可以用前後視距等長加以減弱,數字水準儀也可由機內設定的程式自動改正,然而外條件隨時在變化,隨時測定i角而加以改正不僅影響作業效率,而且改正數也不是可以線性模擬的。
4外界條件變化引起的誤差
數字水準儀與條碼標尺組成的測量系統是處在時刻變化的外界條件下工作的。外界條件的變化將引起儀器各部件產生誤差。這種影響常常表現為各部件及其組合的綜合影響,外界因素影響產生的誤差主要有:(1)視準軸(i角)變化的影響;(2)大氣垂直折光的影響;(3)儀器和標尺垂直位移的影響;(4)地面震動的影響;(5)地面電磁場的影響等。
5數字水準儀所克服的常規水準儀的誤差
(1)沒有讀數錯誤,沒有人為讀數誤差;(2)多條碼(可認為是多分劃)測量,削弱標尺分劃誤差;(3)自動多次測量,削弱外界條件變化的影響;(4)實現內外業一體化,實現自動記錄、檢核、處理和存儲。
以上僅能從概念上對數字水準儀誤差加以論述,由於數字水準儀的許多技術是保密的,目前尚難給予量的估算,只能通過大量的實驗數據加以分析。
使用方法
水準儀的使用包括：水準儀的安置、粗平、瞄準、精平、讀數五個步驟。
1. 安置 安置是將儀器安裝在可以伸縮的三腳架上並置於兩觀測點之間。 首先打開三腳架並使高度適中，用目估法使架頭大致水平並檢查腳架是否牢固，然後打開儀器箱，用連線螺旋將水準儀器連線在三腳架上。
2. 粗平 粗平是使儀器的視線粗略水平，利用腳螺旋置圓水準氣泡居於圓指標圈之中。具體方法：用儀器練習。在整平過程中，氣泡移動的方向與大拇指運動的方向一致。
3. 瞄準 瞄準是用望遠鏡準確地瞄準目標。 首先是把望遠鏡對向遠處明亮的背景，轉動目鏡調焦螺旋，使十字絲最清晰。再鬆開固定螺旋，旋轉望遠鏡，使照門和準星的連線對準水準尺，擰緊固定螺旋。最後轉動物鏡對光螺旋，使水準尺的清晰地落在十字絲平面上，再轉動微動螺旋，使水準尺的像靠於十字豎絲的一側。
4. 精平 精平是使望遠鏡的視線精確水平。微傾水準儀，在水準管上部裝有一組稜鏡，可將水準管氣泡兩端，折射到鏡管旁的符合水準觀察窗內，若氣泡居中時，氣泡兩端的像將符合成一拋物線型，說明視線水平。若氣泡兩端的像不相符合，說明視線不水平。這時可用右手轉動 微傾螺旋使氣泡兩端的像完全符合，儀器便可提供一條水平視線，以滿足水準測量基本原理的要求。注意：氣泡左半部分的移動方向，總與右手大拇指的方向不一致。
5. 讀數 用十字絲，截讀水準尺上的讀數。水準儀多是倒像望遠鏡，讀數時應由上而下進行。先估讀毫米級讀數，後報出全部讀數。注意，水準儀使用步驟一定要按上面順序進行，不能顛倒，特別是讀數前的符合水泡調整， 一定要在讀數前進行。
主要型號
水準儀適用於水準測量的儀器，中國水準儀是按儀器所能達到的每千米往返測高差中數的偶然中誤差這一精度指標劃分的，共分為4個等級。
水準儀型號都以DS 開頭，分別為“大地”和“水準儀”的漢語拼音第一個字母，通常書寫省略字母DS。其後"0.5”、“1”、“3”、“10”等數字表示該儀器的精度。S3級和S10級水準儀又稱為普通水準儀，用於中國國家三、四等水準及普通水準測量，S0.5級和S1級水準儀稱為精密水準儀，用於中國國家一、二等精密水準測量：
水準儀型號 | DS0.5 | DS1 | DS3 | DS10 |
千米往返高差中數偶然中誤差 | ≤0.5mm | ≤1mm | ≤3mm | ≤10mm |
主要用途 | 國家一等水準測量及地震監測 | 國家二等水準測量及精密水準測量 | 國家三、四等水準測量及一般工程水準測量 | 一般工程水準測量 |
共同特點
電子水準儀是以自動安平水準儀為基礎，在望遠鏡光路中增加了分光鏡和探測器(CCD),並採用條碼標尺和圖象處理電子系統二構成的光機電測一體化的高科技產品。採用普通標尺時，又可象一般自動安平水準儀一樣使用。它與傳統儀器相比有以下共同特點： 1) 讀數客觀。不存在誤差、誤記問題，沒有人為讀數誤差。
2) 精度高。視線高和視距讀數都是採用大量條碼分劃圖象經處理後取平均得出來的，因此削弱了標尺分劃誤差的影響。多數儀器都有進行多次讀數取平均的功能，可以削弱外界條件影響。不熟練的作業人員業也能進行高精度測量。
3) 速度快。由於省去了報數、聽記、現場計算的時間以及人為出錯的重測數量，測量時間與傳統儀器相比可以節省1/3左右。
4) 效率高。只需調焦和按鍵就可以自動讀數，減輕了勞動強度。視距還能自動記錄，檢核，處理並能輸入電子計算機進行後處理，可實線內外業一體化。
使用須知
操作要點
在未知兩點間，擺開三腳架，從儀器箱取出水準儀安放在三腳架上，利用三個機座螺絲調平，使圓氣泡居中，跟著調平管水準器。水平制動手輪是調平的，在水平鏡內通過三角稜鏡反射，水平重合，就是水平。將望遠鏡對準未知點（1）上的塔尺，再次調平管水平器重合，讀出塔尺的讀數（後視），把望遠鏡旋轉到未知點（2）的塔尺，調整管水平器，讀出塔尺的讀數（前視），記到記錄本上。
計算公式：兩點高差=後視－前視。
校正方法
將儀器擺在兩固定點中間，標出兩點的水平線，稱為a、b線，移動儀器到固定點一端，標出兩點的水平線，稱為a’、b ’。計算如果a－b≠a’－b ’時，將望遠鏡橫絲對準偏差一半的數值。用校針將水準儀的上下螺釘調整，使管水平泡吻合為止。重複以上做法，直到相等為止。
保養與維修
1．水準儀是精密的光學儀器，正確合理使用和保管對儀器精度和壽命有很大的作用
2．避免陽光直曬，不許可證隨便拆卸儀器
3．儀器有故障，由熟悉儀器結構者或修理部修理
4．每個微調都應輕輕轉動，不要用力過大。鏡片、光學片不準用手觸片
5．每次使用完後，應對儀器擦乾淨，保持乾燥。
