电子水准仪PPT课件

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1、测量工程与装备系测量工程与装备系:范范 百百 兴兴20222022年年1111月月2222日日25.4 5.4 电子水准仪电子水准仪 1987 1987年，徕卡推出了世界上第一台数字水准仪年，徕卡推出了世界上第一台数字水准仪NA2000NA2000，开始了水准测量的自动化开始了水准测量的自动化,主要数字水准仪主要数字水准仪及其原理如下及其原理如下:1 1、相关法（威特、相关法（威特NA2000NA2000，Leica NA03/10Leica NA03/10）2 2、几何法（蔡司几何法（蔡司DINI10/20DINI10/20）3 3、相位法相位法(拓普康拓普康DL101C/102C)DL10

2、1C/102C)4 4、相关法相关法2 2（索佳（索佳SDL30SDL30）国产数字水准仪可能会在今后两年内诞生国产数字水准仪可能会在今后两年内诞生.3一、数字水准仪产品NA2000（世界第一）1990Sokkia SDL302002Leica DNA03/101994Topcon DL-101/102Trimble DiNi12/DiNi22Topcon DL-1035.4 5.4 电子水准仪电子水准仪4主要特点主要特点:0.3mm/0.7mm/km PCMCIA 数据存贮数据存贮(DiNi12)或在线数据存贮或在线数据存贮(DiNi22)静态的静态的 30cm电子视场电子视场 补偿器置平精

3、度补偿器置平精度 0.2 /0.5 放大倍率放大倍率 32x/26x主要卖点主要卖点:字母与数字键盘字母与数字键盘 线路平差线路平差 精度精度 0.3 mm 视场视场=30cm缺点缺点:笨大笨大 较小的显示窗较小的显示窗(4x21字符字符)稍有点重稍有点重 较较老式老式 无圆水准器的照明无圆水准器的照明 无标准电池的概念无标准电池的概念 用用Trimble仪器的仪器的PCMCIA卡才能测量卡才能测量5.4 5.4 电子水准仪电子水准仪5主要特点主要特点:0.6mm/1.0mm/km 内部数据存贮内部数据存贮(2000个点个点)120的电子视场的电子视场 补偿器置平精度补偿器置平精度 0.3 放

4、大倍率放大倍率 32x主要卖点主要卖点:放大倍率放大倍率 测量时间短测量时间短 1.0 mm精度精度 120的视场的视场 价格低价格低缺点缺点:按键少按键少 无字母数字键盘无字母数字键盘 显示少（显示少（4x21个字符个字符)比较大比较大 无圆水准器照明无圆水准器照明 无标准电池概念无标准电池概念 只有内存只有内存/RS232 做一等水准差点做一等水准差点5.4 5.4 电子水准仪电子水准仪6主要特点主要特点:0.4mm/1.0mm/km PCMCIA 卡数据存贮和内部数据存贮卡数据存贮和内部数据存贮 120的电子视场的电子视场 补偿器置平精度补偿器置平精度 0.3/0.5 放大倍率放大倍率

5、32x/30 x主要卖点主要卖点:字母数字输入字母数字输入 5m 标尺标尺 内存和内存和 PCMCIA卡卡 120的视场角的视场角 缺点缺点:显示窗小显示窗小(2x8字符字符)卡槽位于电池仓后卡槽位于电池仓后 无圆水准器照明无圆水准器照明 无标准电池概念无标准电池概念 内存小内存小(51KB)、PCMCIA(256KB)卡存贮能力小卡存贮能力小5.4 5.4 电子水准仪电子水准仪7主要特点主要特点:1.8mm/km RS232C 接口数据输出接口数据输出 130的电子视场的电子视场 补偿器置平精度补偿器置平精度 5”放大倍率放大倍率 26x 主要卖点主要卖点:较强的防雨功能较强的防雨功能 耗电

6、少耗电少 重量轻重量轻 测量时间短测量时间短(2秒秒)缺点缺点:样子笨样子笨 显示窗小显示窗小(128x32象素象素)应用特色少应用特色少 无圆水准器照明无圆水准器照明 测量距离近测量距离近(2-60m)5.4 5.4 电子水准仪电子水准仪8双侧无限位双侧无限位微动螺旋微动螺旋钻石般的圆水准器钻石般的圆水准器(有照明有照明)带有概略瞄准器带有概略瞄准器的固定提把的固定提把低耗能电池低耗能电池字母数字字母数字键盘键盘RS232接口接口PCMCIA 卡卡优秀的光学系统优秀的光学系统可定制的显示屏可定制的显示屏5.4 5.4 电子水准仪电子水准仪9中轴位置中轴位置的测量按钮的测量按钮分离的分离的 D

7、ATA 和和 ESC 键键分离的开关键分离的开关键 独立的独立的的定位键的定位键内存内存:6000 测量点或测量点或1650个测站的前后视个测站的前后视杰出的杰出的设计和外型设计和外型宽大的宽大的LC显示屏显示屏可变的数据可变的数据输出格式输出格式5.4 5.4 电子水准仪电子水准仪10DNA系列数字水准仪原理系列数字水准仪原理物镜物镜调焦发送器调焦发送器补偿器补偿器补偿器监视补偿器监视CCD探测器探测器分划板分划板分光镜分光镜目镜目镜调焦透镜调焦透镜5.4 5.4 电子水准仪电子水准仪一、相关法数字水准仪一、相关法数字水准仪11 水准标尺为伪随机条水准标尺为伪随机条码，该条码图象已被存储码，

8、该条码图象已被存储在数字水准仪中作为参考在数字水准仪中作为参考信号。在条码标尺上，最信号。在条码标尺上，最窄的条码宽为窄的条码宽为2.0252.025mmmm，称，称为为基本码宽基本码宽。在标尺上共。在标尺上共有有20002000个基本码，不同数个基本码，不同数量的同颜色的基本码相连量的同颜色的基本码相连在一起，就构成了宽窄不在一起，就构成了宽窄不同的码条。同的码条。5.4 5.4 电子水准仪电子水准仪12 测量信号与参考信号进行比测量信号与参考信号进行比较的过程为较的过程为相关过程相关过程.先与标尺底部对齐，发现不相先与标尺底部对齐，发现不相同，然后往上移动一个步距（基同，然后往上移动一个步

9、距（基本码宽）本码宽）再比较，直到两码相同为止，再比较，直到两码相同为止，也就是最佳相关位置时，也就是最佳相关位置时，读数读数就可以确定。就可以确定。通过移动一个基本码宽来得到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粗读数。然后再上下选取一定范围，减少步距，进行精相关，就围，减少步距，进行精相关，就可以得到足够精度的读数。可以得到足够精度的读数。5.4 5.4 电子水准仪电子水准仪13 二维相关法二维相关法q 以一定步距改变仪器内部参考信号的以一定步距改变仪器内部参考信号的“宽宽 窄窄”与与CCDCCD采集到的测量信号相比较采集到的测量信号相比较q 如果没有相同的两信号，如果没有

10、相同的两信号，则再改变则再改变 ，再，再 进行一维相关，进行一维相关，直到信号相同为止。直到信号相同为止。q “宽窄宽窄”相同的两信号相比较是求视线高相同的两信号相比较是求视线高 的过程，的过程，一维是视距，一维是视距，另一维是视线高另一维是视线高q 二维相关之后视距就可以精确算出。二维相关之后视距就可以精确算出。5.4 5.4 电子水准仪电子水准仪14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

11、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 5.4 电子水准仪电子水准仪15 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

12、秒以内。调焦移动传感器调焦移动传感器5.4 5.4 电子水准仪电子水准仪16 伪随机码简介伪随机码简介 伪随机码属于二进制码，它的结构可以预先确定，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性，即统计特性。这种码用在数字水准仪中具有可以在在1.81001.8100m m距离内使用相关法的特点。距离内使用相关法的特点。标尺上的白码条或黄码条在标尺上的白码条或黄码条在CCDCCD器件上产生光电器件上产生光电流，在电路上为高电平，我们用二进制的流，在电路上为高电

13、平，我们用二进制的“1 1”表示，表示，相反黑码条用相反黑码条用“0 0”表示。从条码标尺上测量得到的表示。从条码标尺上测量得到的徕卡仪器的参考码序列为：徕卡仪器的参考码序列为：P=1101000110111110111110001110111010000001P=11010001101111101111100011101110100000010010011010010011015.4 5.4 电子水准仪电子水准仪17蔡司蔡司Dini 10/205.4 5.4 电子水准仪电子水准仪二、几何法数字水准仪二、几何法数字水准仪182、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

14、词，每个测量间距的边界由每个测量间距的边界由黑白过渡线构成，其下边界到标尺黑白过渡线构成，其下边界到标尺底部的高度，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 5.4 电子水准仪电子水准仪192、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

15、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 5.4 电子水准仪电子水准仪20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+1bi）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 5.4 电子水准仪电子水准仪21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 5.4 电子水准仪电子水准仪223、相位法光路示意图标尺的条码像经

16、望远镜、物镜、调焦镜、补偿器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：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；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。另一路成像在分划板上，供目视观测。5.4 5.4 电子水准仪电子水准仪三、拓普康数字水准仪的相位法三、拓普康数字水准仪的相位法23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

17、边1mm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570 mm RRBBBAAP10mm5.4 5.4 电子水准仪电子水准仪24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

18、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。600mm570mmRA码B码5.4 5.4 电子水准仪电子水准仪25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

19、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 5.4 电子水准仪电子水准仪26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（P30 mm）,它在行阵上成像所占象素的个数为，象素宽为b（25m）,则P在CCD行阵上的成像长度为：I=zb 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都是已知数据。根据几何光学成像原理，可以像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/If 式中f是望远镜物镜的焦距。同时还可以求出物相比 A=P/I 于是将测量信号放大到与标尺上一样时，再进行相位测量，就可以精确得出相位差，即视线高 5.4 5.4 电子水准仪电子水准仪27相位法信号分析5.4 5.4 电子水准仪电子水准仪电子水准仪的检校：电子水准仪的检校：相关检校项目按照光学水准仪的规定进行检校28谢谢！谢谢！祝大家身体健康，学业有成！祝大家身体健康，学业有成！