数字水准仪的基本原理与日常使用维护

摘要：本文通过对数字水准仪的原理做一些基本阐述，主要是根据作者这几年参与或主持的城市工程水准测量实例，初步探讨了数字水准仪在日常的使用与维护各环节应注意的问题。

关键词：数字水准仪；原理；一体化

Abstract: This paper put forward somebasic principles about Number level instrument, According to some Actual examples which the author take charge or participated over the yrars. inquired intothe daily use and each the problem that should be take notice of the number levelinstrument。

key words: Number level instrument; Principle; The integral whole turns

中图分类号：TN131+.4 文献标识码：A 文章编号：

1 前言

随着社会经济和科学技术不断发展，测绘技术水平也迅速的得到了提高。水准测绘仪器由过去的光学水准仪发展到现在的数字水准仪，而数字水准仪是现代微电子技术和传感器工艺发展的产物,实现了水准测量数据采集、处理和记录的自动化。具有测量速度快、操作简便、读数客观、精度高、能减轻作业劳动强度、测量数据便于输入计算机和易于实现水准测量内外业一体化等优点，代表了现代水准仪和水准测量技术的发展方向，随着仪器设备不断的创新，测绘工作效率也就不断地得到提高。

数字水准仪的基本原理

2.1数字水准仪的基本组成

数字水准仪又称电子水准仪，目前世界上生产数字水准仪的厂家有瑞士徕卡（Leica DNA03、NA3003、NA2002等）、德国蔡司（Zeiss DiNi 11、DiNi 12、DiNi 22等）、日本拓普康（Topcon DL-101C/102C等）和日本索佳（Sokkia SDL1/SDL2），各厂家的数字水准仪采用了大体一致的结构，其基本构造由光学机械部分、自动安平补偿装置和电子设备组成，电子设备主要包括：调焦编码器、光电传感器（线阵CCD器件）、读取电子元件、单片微处理机、CSI接口（外部电源和外部存储记录）、显示器件、键盘和测量键以及影像、数据处理软件等，标尺采用条形码供电子测量使用。

2.2 数字水准仪的基本工作原理

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，但其基本测量原理相似：即采用编码标尺，仪器内装置图像识别器和图像数据处理系统，标尺用不同宽度的条码组合来表征尺面的不同位置，人工完成照准和调焦之后，标尺条码一方面被成像在望远镜的分划板上，供目视观测，另一方面通过望远镜的分光镜，标尺条码又被成像在光电传感器（CCD）上，随后转换成电信号，经整形后进入模数转化系统（A/D），从而输出数字信号送入微处理器进行处理和存储，并将其与内存的标准码（参考信号）按一定的方式进行比较，即可获得编码标尺的读数。本人主要使用的是徕卡DNA03，现就徕卡的工作原理做些基本介绍：

徕卡DNA系列数字水准仪的标尺采用的是伪随机条形码，并将其事先存储在数字水准仪内作为参考信号，与CCD上的成像所构成的信号（测量信号）按相关方法进行比较，当两信号处于最佳相关位置时，即获得标尺读数和视距读数。相关法需要优化两个参数，也就是“高”和“比例”，一方面“仪器―标尺”的高差h表现为参考信号的移动，另一方面条码成像的宽窄比例是作为“仪器―标尺”之距离d的函数变化的，所以这种变化属二维离散相关函数，表示为：

式中：为和之间的相关函数，为测量信号，为参考信号。自变量d，h分别为视距和视线高。

3.数字水准仪日常使用与维护

3.1数字水准仪日常使用注意事项

由于数字水准仪是十分精密的测量仪器，因此在日常使用中要注意下述一些问题，对作业质量和仪器的保养具有重要的意义：1）开工前应检查仪器箱内备用电池或充电器是否齐全，如果拿出野外较长时间作业，要看数据的传输线是否在箱内。本人曾经去外地某单位做沉降观测，在合同中观测项目较少，可业主单位经过讨论，临时要加测很多内容后，没有带数据传输线，只有靠仪器观测人员边观测边用纸记录点号，累积很多后，就给后期的平差工作带来很多不便，虽然观测时只需调焦和按键就可以自动读数，视距自动记录，检核，处理，之后输入电脑，便可实现内外业一体化。但是出现当实际观测值和原来的观测值相差较远，或点号前后两个数值出现接近，而连着的点号数值更接近原始值时，时间一长，就会认为当时是否记录正确，所以，野外出去时，要预计更多的工作量，带齐工具，这样，才能保质保量完成任务。2）开箱后提取仪器前，要看准仪器在箱内放置的方式和位置，装卸仪器时，最好两个手并用，一只手提着仪器，另一只手托着仪器底部，保证不会有电池没装紧掉下来或一手没抓紧引起仪器在原地震动，影响到内部固定部件，从而降低仪器的精度。

3) 水准尺必须轻拿轻放，我单位的仪器室在三楼，每次下楼梯，长的水准尺很容易在楼梯的拐角处发生碰撞，所以，拿尺人员就要前后、上下注意，正是有了单位领导的强调，仪器使用七、八年来，还从未出现过一起类似不良情况。4）在杂乱环境或地表情况比较复杂的情况下测量，要求观测人员首先要保证仪器和自己的人身安全。当仪器架设在光滑的表面时，仪器观测人员要先看看地形，选有利位置，宁可加多测站，也不要用极端、冒险的方式。脚架放稳后，用细绳（或细铅丝）将三脚架三个脚联起来，以防滑倒等。如我院外业小组在翁源龙仙镇电信大厦护坡观测时，在地形复杂的情况下，顺利完成了任务。5）开始观测时，最好使用配套的木制三脚架，因为电子水准仪本身都是十分精密的，视线高和视距读数都是采用大量条码分划图像经过处理后取平均得出来的，所以要尽量减少人为误差，如扶尺误差等，而金属三脚架很容易会产生振动，或由于气温影响使金属脚架变形较大，从而影响测量精度。本人每次都使用配套的木脚架。6）使用仪器的过程中，仪器读数完成，需要搬站时，不可匆匆忙忙，应先检查仪器与脚架的连接是否牢固，同时最好将固定仪器的脚架放在肩上，使仪器在搬站过程中不致晃动。

7）搬站过程中，水准尺的挪动也是需要强调的一项工作。比如说采用后前前后观测模式时，在我院的韶南大道至韶关冶炼厂的水准测量中，路上人多车多，本人作为观测人员，搬站时都要求后视扶尺人员不要紧张，一定要看周边有没车辆或可能出现的障碍物，因为水准尺较长，很容易在突况时，来不及灵活收放，导致事故发生。虽然一些看来很细小的事情，但是警钟长鸣，对保证安全生产却是十分必要的。

3.2数字水准仪的日常维护

1）仪器的保管由专人负责，每天现场使用完毕带回单位，不得放在施工现场，因为考虑到电子水准仪价格昂贵，业主单位的人员水平不一，很容易出现对仪器有损坏的意外事故。所以，对于仪器，包括目前我们单位使用的全站仪，RTK主机和手簿等我们都是在使用完后，直接带回单位，如果工作没干完，在外面吃饭，也就带在身边。

2）仪器箱内应保持干燥，每次使用完后，要用柔软的毛巾轻轻搽拭，防止工地上大量的灰尘在上面长期累积，或防止有水滴在上面等，从而避免这些客观因素可能导致水准尺的使用效率下降。

3））在潮湿环境中工作，作业结束，要用软布擦干仪器表面的水分及灰尘后装箱，如目镜、物镜、显示屏先用干净的毛刷扫去灰尘，再用干净的无线棉布轻轻擦拭。回到办公室后立即开箱取出仪器放于干燥处，晾干后再装箱内。

4）如果仪器长时间（超过一个月）没有使用，就应该将仪器电池拿出来，从仪器显示屏上看电池电量，防止在没有电的情况下，电池变形。如有必要进行充电或放电，则应在停止放电约30分钟后再使用充电器，充电时超过规定的充电时间也会缩短电池的使用寿命，应尽量避免。

实践证明，在日常的工作和学习中，只要我们按照规范，按照仪器使用说明进行作业，都是对仪器的一种维护，上述内容有些地方可能不对，请广大领导、同仁批评指正。

参考文献：

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