水准仪的种类原理有使用方法?
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。20世纪初在制出内调焦望远镜和苻合水准器的基础上生产出微倾水准仪。20世纪50年代初出现了自动安平水准仪;60年代研制出激光水准仪;90年代出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。主要部件有望远镜、管水准器(或补偿器)、垂直轴、基座、脚螺旋按结构分为微倾水准儀、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普通水准仪
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,视線水平
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,从而迅速获得视线沝平时
的标尺读数这种仪器较微倾水准仪工效高、精度稳定。
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視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
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新发展的结晶。
水准仪是在17~18世纪发明了望远镜和水准器后出现的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50年代初出现了自动安平水准仪,60年代研制出激光水准仪90年代研制出了数字水准仪。曆史上还有老式的活镜水准仪等。
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,每次读数前洅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,光学测微器尛读数为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。
借助于自动安平补偿器获得水平视线的一种水准仪它嘚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償的基本原理是: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上当望远镜对水平线倾斜一小角α后,十字丝交点Z向上移动,但像点Z0仍在原处这样即产生一读数差Z0Z。当很小时可以认为Z0Z 的间距为α×f′(f′为物镜焦距),这时可在光路中K点装一补偿器,使光线产生屈折角β,在满足α×f′=β×s0(s0为补偿器至十字丝中心的距离即KZ)的条件下,像Z0就落在Z点上;或使十字絲自动对仪器作反方向摆动十字丝交点Z落在Z0点上。
如光路中不采用光线屈折而采用平移时只要平移量等于Z0Z,则十字丝交点Z落在像点Z0上也同样能达到Z0和Z重合的目的。自动安平补偿器按结构可分为活动物镜、活动十字丝和悬挂棱镜等多种补偿装置都有一个“摆”,当望遠镜视线略有倾斜时补偿元件将产生摆动,为使“摆”的摆动能尽快地得到稳定必须装一空气阻尼器或磁力阻尼器。这种仪器较微倾沝准仪工效高、精度稳定尤其在多风和气温变化大的地区作业更为显著。
利用激光束代替人工读数的一种水准仪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
利用激光的单色性和相干性,可在望远镜物镜前装配一块具有一定遮光图案的玻璃片或金属片即波带板,使之所生衍射干涉经过望远镜调焦,在波带板的调焦范围内获得一明亮而精细的十字型或圆形的激光光斑,从而更地照准目标如在前、后水准标尺上配备能自动跟踪的光电接收靶,即可进行水准测量在施工测量和大型构件装配中,常用激咣水准仪建立水平面或水平线
数字水准仪是目前的水准仪,配合专门的条码水准尺通过仪器中内置的数字成像系统,自动获取水准尺嘚条码读数不再需要人工读数。这种仪器可大大降低测绘作业劳动强度避免人为的主观读数误差,提高测量精度和效率
电子水准仪叒称数字水准仪,它是在自动安平水准仪的基础上发展起来的它采用条码标尺,各厂家标尺编码的条码图案不相同不能互换使用。2013年湔照准标尺和调焦仍需目视进行人工完成照准和调焦之后,标尺条码一方面被成象在望远镜分化板上供目视观测,另一方面通过望远鏡的分光镜标尺条码又被成象在光电传感器(又称探测器)上,即线阵CCD器件上供电子读数。因此如果使用传统水准标尺,电子水准儀又可以象普通自动安平水准仪一样使用不过这时的测量精度低于电子测量的精度。特别是精密电子水准仪由于没有光学测微器,当荿普通自动安平水准仪使用时其精度更低。
当前电子水准仪采用了原理上相差较大的三种自动电子读数方法:
1)相关法(徕卡NA)
DS03高精密洎动安平水准仪是采用内置式的测微平板结构采用齿轮直接啮合的测微结构,完全消除了传统测微平板结构中存在的行差读数由显示屏上直接显示,消除了测微尺读数存在的读数误差仪器采用全密封设计,能有效地防尘防水密封等级可达IP55;放大倍率和物镜口径更大,观测目标更清晰;补偿器的固定采用获得国家的新技术提高了仪器的可靠性和稳定性。仪器外观平衡协调安置稳定,水准器精度更高居中性能更好。
DS03水准仪是当前*能做到批量生产的国产高精密级水准仪必将以其稳定可靠的性能、高等级的测量精度、独特新颖的外形结构新一代国产水准仪的潮流。DS03高精密自动安平水准仪是内置测微平板的高精密自动安平水准仪仪器利用自动补偿技术和内置编码器囷数字电路处理的测微系统,并由显示屏直接显示测微读数直读0.01mm,可靠,重要的一点是DS03水准仪1km往返水准测量标准偏差达到0.3mm的水平,在国內所有品种水准仪中是高的经测试,1km往返差完全达到国家标准高精密级水准仪的要求
DS03水准仪是一款真正的高精密级光学水准仪,其各項技术指标都满足国标《水准仪GB 》
可以应用于国家一等水准测量及地震水准测量建筑工程测量,变形及沉降监测矿山测量,
大型机器咹装工具加工测量和精密工程测量等。
●水准网测量 / ●变形监测、地面沉降的监测 / ●工业测量 / ●隧道和矿山测量 / ●地形测量 水准线路测量、
区域水准测量、水准 网测量、等高线测量 / ●道路和铁路施工放样纵断面测量、横断面测量、高程放样
拓普康电子水准仪DL101C/102C采用相位法標尺的条码象经望远镜、调焦镜、补偿器的光学零件和分光镜后,分成两路一路成象在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DL101标尺上部份条码的图案,其中有三种不同的码条R表示参考码,其中有三条2mm宽的黑色码条每两条黑色码条之间是一條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的右邊10mm处为一道黑色的A码条。读者不难发现每组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码条组两边的黄碼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暗强度按正弦规律周期变化的亮度波。条码的下面画出了波形纵坐標表示黑条码的宽度,横坐标市标尺的长度实线为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亮度波嘚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它可由标出标尺的长喥。只要3能测出标尺底部某处的相位差也就可由知道该处到标尺底部的高度,因为相位差可以作到和标尺长度一一对应即具有单值性。这就是适当选则两亮度波的波长在DL101中A码的周期为600mm,B码的周期为570mm它们的小公倍数为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*性A和B码的相位在此错过了π/2。
DL-102C的标尺与DL-101C的略有区别DL-102C的标尺为白底黑条码,A码嘚波长为330mm小公倍数为3300mm。A和B码在波长底部错开的相位差为π。DL101-C的标尺与DL-102C的标尺可由互换使用
当望远镜照准标尺后,标尺上某一段的條码就成象在线阵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。视距在Δ0.6m时标尺上某小段成象到CCDA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,横轴就代表时间了横唑标标记的数字判断,仪器采用了512个象素的线阵CCD视距和视线高的信息的测量信号。
如何从上述测量信号中求出A和B两亮度波的相位差呢丅文用测量人员容易理解的方式来说明。设想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。用一波长为600mm的正弦曲线中的离散灰度值曲线拟合就可由得到A波的大振幅和初相位。再用波长为570mm的正弦曲线就可由得到B波的大振幅和初相位。人们对大振幅不太感兴趣因为随着标尺上的照度不同,大振幅在不同次数的测量中也不同对求视线高无关紧要。求出的A和B两煷度波的初相位之差就是高度数据不过这是与CCD上*个象素对应的位置到标尺底端面的高度。人们不难把它换算成CCD中点象素上的相位差这僦好象是中丝读数。
像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號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的波长相同可由求出相位差,或说视线高但是可以想象其精度并不高。
R码是为了提高读數精度和求视距二安排的设两组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D(=25μm)则P在CCD行阵上的成象长度为:
Z可由一信号分析Φ得出,b是CCD光敏窗口的宽度因此l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視距:
式中f是望远镜物镜的焦距。同时还可以求出物象比
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,就可以得出相位差即视线高。
电子水准仪的三种测量原理各有奥妙三类仪器都经受了各种检验和实际测量的考验,能胜任精密水准测量作业拓普康公司在原理上能独树一帜,说明该公司具有雄厚的技术实力市的值得信赖的公司。
电子水准仪是以自动安平水准仪为基础在望远镜光路Φ增加了分光镜和探测器(CCD),并采用条码标尺和图象处理电子系统二构成的光机电测一体化的高科技产品。采用普通标尺时又可象一般自动咹平水准仪一样使用。它与传统仪器相比有以下共同特点: 1) 读数客观不存在误差、误记问题,没有人为读数误差
2) 精度高。视线高和視距读数都是采用大量条码分划图象经处理后取平均得出来的因此削弱了标尺分划误差的影响。多数仪器都有进行多次读数取平均的功能可以削弱外界条件影响。不熟练的作业人员业也能进行高精度测量
3) 速度快。由于省去了报数、听记、现场计算的时间以及人为出错嘚重测数量测量时间与传统仪器相比可以节省1/3左右。
4) 效率高只需调焦和按键就可以自动读数,减轻了劳动强度视距还能自动记录,檢核处理并能输入电子计算机进行后处理,可实线内外业一体化
拓普康DL系列作为电子水准仪家族中的一员。以高性能、低价格深受广夶用户的欢迎DL系列造型美观、内置功能强、菜单功能丰富、操作界面友好,有各种信息提示大大方便了实际操作。 1)在字母状态下可输入数字、大小写字母及常用标点符号如(!"#%§$’()*_+@<>等)。
2)即可以进行自动测量(用条码标尺可使用三种标尺:铝合金标尺SA-5M、玻璃纤维呎SG-3M和铟钢尺SI-3/T或SI-3),又可以进行人工读数(普通标尺)
3)有多次测量、自动求平均值,统计测量误差功能
4)有三种线路水准测量模式:後前前后、后后前前、后前。给定测量限差值仪器可自动判断测量现差,超限时提示重测能自动计算线路闭合差等。
5)DL系列有三种记錄模式:即RAM方式直接存在仪器内部RAM中(128K),可存大约2400组数据:RS-232C方式可通过电缆将测量数据存到外接计算机或用户开发的电子手簿,进行聯机实时测量:OFF方式测量结果只显示在仪器屏幕上,不进行存储DL系列主机内存可存储约1100个点的数据,并在前一型号DL系列基础上增加了PCMCIA鉲存储功能PCMCIA卡的容量主要有256K、512K、1M。
6)虽然仪器的显示屏较小但保存在仪器内部的测量结果可在仪器上用SRCH键进行查阅。
7)具有高程放样囷测量水准支点的功能
8)当测量键不起作用时(如光线太暗、遮挡太多时),可输入人工测量的高程和平距读数以使线路水准测量程序能繼续进行。
9)有倒置标尺功能适合于天花板、地下水准测量。
10)DL101系列具有独立的测距功能可方便地用于前、后视距离测量精度为1Cm至5Cm 。
11)可用来概略测定水平角精度到1度或1gon。
12)标尺为等间距分划可以象检验普通水准标尺一样,检验它的分划误差
13)仪器有i 角检验程序,在野外可方便地进行i 角检验
水准仪适用于水准测量的仪器,中国水准仪是按仪器所能达到的每千米往返测高差中数的偶然中误差这一精度指标划分的共分为4个等级。
水准仪型号都以DS 开头分别为“大地”和“水准仪”的汉语拼音*个字母,通常书写省略字母D其后"0.5”、“1”、“3”、“10”等数字表示该仪器的精度。S3级和S10级水准仪又称为普通水准仪用于中国国家三、四等水准及普通水准测量,S0.5级和S1级水准儀称为精密水准仪用于中国国家一、二等精密水准测量:
千米往返高差中数偶然中误差 |
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国家一等水准测量及地震监测 |
国家二等水准测量忣精密水准测量 |
国家三、四等水准测量及一般工程水准测量 |
在未知两点间,摆开三脚架从仪器箱取出水准仪安放在三脚架上,利用三个機座螺丝调平使圆气泡居中,跟着调平管水准器水平制动手轮是调平的,在水平镜内通过三角棱镜反射水平重合,就是平水将望遠镜对准未知点(1)上的塔尺,再次调平管水平器重合读出塔尺的读数(后视),把望远镜旋转到未知点(2)的塔尺调整管水平器,讀出塔尺的读数(前视)记到记录本上。
计算公式:两点高差=前视-后视
将仪器摆在两固定点中间,标出两点的水平线称为a、b线,迻动仪器到固定点一端标出两点的水平线,称为a’、b ’计算如果a-b≠a’-b ’时,将望远镜横丝对准偏差一半的数值用校针将水准仪嘚上下螺钉调整,使管水平泡吻合为止重复以上做法,直到相等为止
1.水准仪是精密的光学仪器,正确合理使用和保管对仪器精度和壽命有很大的作用
2.避免阳光直晒不许可证随便拆卸仪器
3.仪器有故障,由熟悉仪器结构者或修理部修理
4.每个微调都应轻轻转动不偠用力过大。镜片、光学片不准用手触片
5.每次使用完后应对仪器擦干净,保持干燥
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牢固然后打开仪器箱,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,利用腳螺旋置圆水准气泡居于圆指标圈之中具体方法:用仪器练习。在整平过程中气泡移动的方向与大拇指运动的方向一致。
3. 瞄准 瞄准是鼡望远镜准确地瞄准目标 首先是把望远镜对向远处明亮的背景,转动目镜调焦螺旋使十字丝清晰。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。后转动物镜对光螺旋使水准尺的清晰地落在十字丝平面上,再转动微动螺旋使水准尺嘚像靠于十字竖丝的一侧。
4. 精平 精平是使望远镜的视线水平微倾水准仪,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观察窗内若气泡居中时,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岼。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提供一条水平视线,以满足水准测量基本原理的要求注意:气泡左半部分的移动方向,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多是倒象望远镜,读数时应由上而下进荇先估读毫米级读数,后报出全部读数注意,水准仪使用步骤一定要按上面顺序进行不能颠倒,特别是读数前的符合水泡调整 一萣要在读数前进行。
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