水準儀

水準儀是建立水平視線測定地面兩點間高差的儀器。原理為根據(jù)水準測量原理測量地面點間高差。主要部件有望遠鏡、管水準器（或補償器）、垂直軸、基座、腳螺旋。按結構分為微傾水準儀、自動安平、激光和數(shù)字（又稱電子）。按精度分為精密和普通。

歷史沿革

是在17～18世紀發(fā)明了望遠鏡和水準器后出現(xiàn)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(chǎn)出微傾。20世紀50年代初出現(xiàn)了自動安平；60年代研制出激光；90年代出現(xiàn)電子或數(shù)字。

儀器原理

微傾

借助于微傾螺旋獲得水平視線的一種常用。作業(yè)時先用圓水準器將儀器粗略整平，每次讀數(shù)前再借助微傾螺旋，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。微傾的精密同普通比較，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(lián)接牢固,裝有光學測微器，并配有精密水準標尺，以提高讀數(shù)精度。中國生產(chǎn)的微傾式精密，其望遠鏡放大倍率為40倍,管水準器分劃值為10″/2毫米，光學測微器小讀數(shù)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

借助于自動安平補償器獲得水平視線的一種。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(shù)。補償?shù)幕驹硎牵寒斖h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后，十字絲交點Z向上移動，但像點Z₀仍在原處，這樣即產(chǎn)生一讀數(shù)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(chǎn)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。

如光路中不采用光線屈折而采用平移時，只要平移量等于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、活動十字絲和懸掛棱鏡等多種。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(chǎn)生擺動，為使“擺”的擺動能盡快地得到穩(wěn)定，必須裝一空氣阻尼器或磁力阻尼器。這種儀器較微傾工效高、精度穩(wěn)定，尤其在多風和氣溫變化大的地區(qū)作業(yè)更為顯著。

激光

利用激光束代替人工讀數(shù)的一種。將激光器發(fā)出的激光束導入望遠鏡筒內，使其沿視準軸方向射出水平激光束。

利用激光的單色性和相干性，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(jīng)過望遠鏡調焦，在波帶板的調焦范圍內，獲得一明亮而精細的十字型或圓形的激光光斑，從而更精確地照準目標。如在前、后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，常用激光建立水平面或水平線。

數(shù)字配合專門的條碼水準尺，通過儀器中內置的數(shù)字成像系統(tǒng)，自動獲取水準尺的條碼讀數(shù)，不再需要人工讀數(shù)。這種儀器可大大降低測繪作業(yè)勞動強度，避免人為的主觀讀數(shù)誤差，提高測量精度和效率。

電子

電子又稱數(shù)字，它是在自動安平的基礎上發(fā)展起來的。它采用條碼標尺，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后，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傳感器（又稱探測器）上，即線陣CCD器件上，供電子讀數(shù)。因此，如果使用傳統(tǒng)水準標尺，電子又可以像普通自動安平一樣使用。不過這時的測量精度低于電子測量的精度。特別是精密電子，由于沒有光學測微器，當成普通自動安平使用時，其精度更低。

當前電子采用了原理上相差較大的三種自動電子讀數(shù)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

借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(lián)結成一體。憑借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

借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，

自動安平

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(shù)。這種儀器較微傾工效高、精度穩(wěn)定。

激光

利用激光束代替人工讀數(shù)。將激光器發(fā)出的激光束導入望遠鏡筒內使其沿視準軸方向射出水平激光束。在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

數(shù)字

這是20世紀90年代發(fā)展的，集光機電、計算機和圖像處理等*為一體，是現(xiàn)代科技zui xin發(fā)展的結晶。

主要系列

DS03高精密自動安平

DS03高精密自動安平是采用內置式的測微平板結構，采用齒輪直接嚙合的測微結構，*消除了傳統(tǒng)測微平板結構中存在的行差，讀數(shù)由顯示屏上直接顯示，消除了測微尺讀數(shù)存在的讀數(shù)誤差，儀器采用全密封設計，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；補償器的固定采用獲得國家的新技術，提高了儀器的可靠性和穩(wěn)定性。儀器外觀平衡協(xié)調，安置穩(wěn)定，水準器精度更高，居中性能更好。

DS03高精密

DS03是當前wei yi能做到批量生產(chǎn)的國產(chǎn)高精密級，必將以其穩(wěn)定可靠的性能、高等級的測量精度、*新穎的外形結構新一代國產(chǎn)的潮流。DS03高精密自動安平是內置測微平板的高精密自動安平，儀器利用自動補償技術和內置編碼器和數(shù)字電路處理的測微系統(tǒng)，并由顯示屏直接顯示測微讀數(shù)，直讀0.01mm,精確可靠，重要的一點是，DS031km往返水準測量標準偏差達到0.3mm的水平，在國內所有品種中是zui gao的。經(jīng)測試，1km往返差*達到國家標準高精密級的要求。

應用領域

DS03是一款真正的高精密級光學，其各項技術指標都滿足國標《GB 101562009》

中系列儀器的要求。

可以應用于國家一等水準測量及地震水準測量，建筑工程測量，變形及沉降監(jiān)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(wǎng)測量 / ●變形監(jiān)測、地面沉降的監(jiān)測 / ●工業(yè)測量 / ●隧道和礦山測量 / ●地形測量 水準線路測量、

區(qū)域水準測量、水準 網(wǎng)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DL101C/102C采用相位法。標尺的條碼像經(jīng)望遠鏡、調焦鏡、補償器的光學零件和分光鏡后，分成兩路，一路成像在CCD線陣上，用于進行光電轉換，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碼條重復出現(xiàn)。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(fā)現(xiàn)，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(guī)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(guī)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(guī)律周期變化的亮度波。條碼的下面畫出了波形?？v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。由于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(tǒng)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，它們的小公倍數(shù)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wei yi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(qū)別，DL－102C的標尺為白底黑條碼，A碼的波長為330mm，小公倍數(shù)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。

當望遠鏡照準標尺后，標尺上某一段的條碼就成像在線陣CCD上，黃條碼使CCD產(chǎn)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(shù)轉換(A/D)后，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(jīng)A/D轉換后，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(shù)字判斷，儀器采用了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。設想縱坐標的灰度值就是表示亮度大小的十進位數(shù)字，而且橫坐標尺寸已放大到和標尺尺寸*。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波的大振幅和初相位。人們對大振幅不太感興趣，因為隨著標尺上的照度不同，大振幅在不同次數(shù)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(shù)據(jù)。不過這是與CCD上*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(shù)。

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系列中則采用快速傅里葉變換(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(shù)。這只是初讀數(shù)。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，但是可以想象其精度并不高。

R碼是為了提高讀數(shù)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(shù)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光敏窗口的寬度，因此l和P都為已知數(shù)據(jù)。根據(jù)幾何光學成象原理，可以象傳統(tǒng)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)

于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。

電子的三種測量原理各有奧妙，三類儀器都經(jīng)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(yè)。

誤差分析

數(shù)字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(chǎn)生的而外,還包括二者組合產(chǎn)生的誤差。其中光學機械部分產(chǎn)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(chǎn)生的誤差^[1]  。

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(shù)字是根據(jù)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(shù)。^[1] 

1.2人工光線的影響

徠卡NA系列數(shù)字的探測器是利用紅外光部分(CCD陣列對紅外光敏感)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(shù)。而在這方面,蔡司DINI系列數(shù)字是采用可見光接收和檢測條碼影像,所以不受此影響。^[1] 

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(shù)字采用相關法進行測量,根據(jù)經(jīng)驗,儀器內存儲的參考信號(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。^[1] 

2.2大相關系數(shù)計算的誤差

數(shù)字相關時,在精度相關搜索區(qū)域內,測量信號與參考信號帶全八位數(shù)被相關,因為兩信號的振幅不同,大相關系數(shù)是在高度和距離坐標系內逐點計算:大相關位置的精度取決于格網(wǎng)的尺寸,相關的內插計算,忽略丟失條碼造成的影響。^[1] 

2.3測量信號處理(圖像處理)的誤差

數(shù)字的測量信號處理是獲得高精度水準測量的關鍵環(huán)節(jié),條碼影像在CCD陣列上的成象的質量以及處理技術的優(yōu)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。^[1] 

獲得穩(wěn)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,圖像的處理是由內置的軟件完成的。其誤差依賴于軟件的算法和技術的*性。^[1] 

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i角誤差相同,但電視準軸(i角)在數(shù)字中又缺少象光學視準軸(i角)那樣的jue dui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。盡管可以用前后視距等長加以減弱,數(shù)字也可由機內設置的程序自動改正,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(yè)效率,而且改正數(shù)也不是可以線性模擬的。^[1] 

4外界條件變化引起的誤差

數(shù)字與條碼標尺組成的測量系統(tǒng)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(chǎn)生誤差。這種影響常常表現(xiàn)為各部件及其組合的綜合影響,外界因素影響產(chǎn)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。^[1] 

5數(shù)字所克服的常規(guī)的誤差

(1)沒有讀數(shù)錯誤,沒有人為讀數(shù)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(xiàn)內外業(yè)一體化,實現(xiàn)自動記錄、檢核、處理和存儲。^[1] 

以上僅能從概念上對數(shù)字誤差加以論述,由于數(shù)字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(shù)據(jù)加以分析。^[1]  

使用方法

的使用包括：的安置、粗平、瞄準、精平、讀數(shù)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并置于兩觀測點之間。 首先打開三腳架并使高度適中，用目估法使架頭大致水平并檢查腳架是否牢固，然后打開儀器箱，用連接螺旋將器連接在三腳架上。

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于圓指標圈之中。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*。

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，使十字絲清晰。再松開固定螺旋，旋轉望遠鏡，使照門和準星的連接對準水準尺，擰緊固定螺旋。后轉動物鏡對光螺旋，使水準尺的清晰地落在十字絲平面上，再轉動微動螺旋，使水準尺的像靠于十字豎絲的一側。

4. 精平 精平是使望遠鏡的視線精確水平。微傾，在水準管上部裝有一組棱鏡，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*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*。

5. 讀數(shù) 用十字絲，截讀水準尺上的讀數(shù)。多是倒像望遠鏡，讀數(shù)時應由上而下進行。先估讀毫米級讀數(shù)，后報出全部讀數(shù)。注意，使用步驟一定要按上面順序進行，不能顛倒，特別是讀數(shù)前的符合水泡調整， 一定要在讀數(shù)前進行。

主要型號

適用于水準測量的儀器，中國是按儀器所能達到的每千米往返測高差中數(shù)的偶然中誤差這一精度指標劃分的，共分為4個等級。

型號都以DS 開頭，分別為“大地”和“”的漢語拼音*個字母，通常書寫省略字母DS。其后"0.5”、“1”、“3”、“10”等數(shù)字表示該儀器的精度。S3級和S10級又稱為普通，用于中國國家三、四等水準及普通水準測量，S0.5級和S1級稱為精密，用于中國國家一、二等精密水準測量：

共同特點

電子是以自動安平為基礎，在望遠鏡光路中增加了分光鏡和探測器(CCD),并采用條碼標尺和圖象處理電子系統(tǒng)二構成的光機電測一體化的高科技產(chǎn)品。采用普通標尺時，又可象一般自動安平一樣使用。它與傳統(tǒng)儀器相比有以下共同特點： 　1) 讀數(shù)客觀。*、誤記問題，沒有人為讀數(shù)誤差。

2) 精度高。視線高和視距讀數(shù)都是采用大量條碼分劃圖象經(jīng)處理后取平均得出來的，因此削弱了標尺分劃誤差的影響。多數(shù)儀器都有進行多次讀數(shù)取平均的功能，可以削弱外界條件影響。不熟練的作業(yè)人員業(yè)也能進行高精度測量。

3) 速度快。由于省去了報數(shù)、聽記、現(xiàn)場計算的時間以及人為出錯的重測數(shù)量，測量時間與傳統(tǒng)儀器相比可以節(jié)省1/3左右。

4) 效率高。只需調焦和按鍵就可以自動讀數(shù)，減輕了勞動強度。視距還能自動記錄，檢核，處理并能輸入電子計算機進行后處理，可實線內外業(yè)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棱鏡反射，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(shù)（后視），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(shù)（前視），記到記錄本上。

計算公式：兩點高差=后視－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(shù)值。用校針將的上下螺釘調整，使管水平泡吻合為止。重復以上做法，直到相等為止。

保養(yǎng)與維修

1．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．每次使用完后，應對儀器擦干凈，保持干燥。