程鵬里 蘇清磊 劉紅樂 李 博
(河南省計量科學(xué)研究院,鄭州 450000)
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數(shù)字水準(zhǔn)儀檢定方法的探討
程鵬里 蘇清磊 劉紅樂 李 博
(河南省計量科學(xué)研究院,鄭州 450000)
本文結(jié)合筆者在實際工作中的檢定經(jīng)驗,主要探討了數(shù)字水準(zhǔn)儀電子計量部分的檢定。首先介紹了CCD安置狀態(tài)、系統(tǒng)分辨力、標(biāo)尺傾斜對測量結(jié)果的影響和檢定辦法,最后重點介紹了i角檢定的幾種方法,包括富斯特乃爾法、納保爾法、庫卡馬可法以及日本方法。
數(shù)字水準(zhǔn)儀;檢定;分辨力;i角
水準(zhǔn)儀是在測量工作中應(yīng)用比較多的一種儀器。早期所用的都是普通光學(xué)水準(zhǔn)儀,1990年徠卡公司首先研制出數(shù)字水準(zhǔn)儀NA2000。數(shù)字水準(zhǔn)儀具有讀數(shù)客觀、精度高、速度快、效率高等特點,所以被快速推廣并得到廣泛應(yīng)用。數(shù)字水準(zhǔn)儀是在自動安平水準(zhǔn)儀基礎(chǔ)上發(fā)展起來的,其主要包括光學(xué)測量和電子測量兩大部分,以往的精密光機(jī)型計量標(biāo)準(zhǔn)足以勝任其光學(xué)部分的檢定工作,新增的以測高和測平距為主要內(nèi)容的電子計量性能的檢定,則需要在室外進(jìn)行[1]。JJG 425—2003水準(zhǔn)儀檢定規(guī)程主要是針對光學(xué)部分進(jìn)行的檢定,對電子測量部分所提并不多。基于此,本文主要介紹了數(shù)字水準(zhǔn)儀電子計量部分的檢定。
數(shù)字水準(zhǔn)儀是以自動安平水準(zhǔn)儀為基礎(chǔ),采用圖像處理電子系統(tǒng)的光機(jī)電測一體化的高科技產(chǎn)品,它在望遠(yuǎn)鏡部分增加了光電圖像接收與處理元件。在觀測時,標(biāo)尺條碼一方面被成像在望遠(yuǎn)鏡分劃板上,供目視觀測;另一方面通過望遠(yuǎn)鏡的分光鏡,標(biāo)尺條碼又被成像在光電傳感器(CCD)上,并對其進(jìn)行分析解碼并輸出顯示標(biāo)尺的高度信息[2]。在數(shù)字水準(zhǔn)儀中,CCD是其核心器件。理想情況下,CCD(圖像傳感器)敏感面的中心位置與望遠(yuǎn)鏡準(zhǔn)直軸(經(jīng)分光棱鏡反射后)重合[3](如圖1),但是在實際中,安裝的CCD存在一定的偏差,所以在對儀器進(jìn)行首次或修理后的檢定時,應(yīng)首先在專用的檢測設(shè)備上對CCD的安置狀態(tài)、儀器的定焦參數(shù)等技術(shù)參數(shù)進(jìn)行檢查。
圖1 數(shù)字水準(zhǔn)儀的測量系統(tǒng)
系統(tǒng)分辯力,也稱系統(tǒng)精度,是指儀器與標(biāo)尺配套使用時,在高度方向上實際能識別的最小高度變化量(應(yīng)注意系統(tǒng)分辯力與儀器的最小顯示值不是同一概念)[4]。電子水準(zhǔn)儀沒有光學(xué)測微器,檢驗該項目相當(dāng)于檢驗電子水準(zhǔn)儀的測微能力,實際上是檢驗電子水準(zhǔn)儀圖像處理的能力。該項指標(biāo)一般是歸算到每10m視距時的標(biāo)準(zhǔn)偏差。
在室內(nèi)建立一個可以升降標(biāo)尺的檢驗臺,檢驗臺下面固定一個螺旋測微裝置(如圖2),檢驗時,把銦鋼條碼標(biāo)尺放在升降檢驗臺上,向上或向下移動銦鋼條碼標(biāo)尺的量為0.09或0.11mm,共計移動10次,將觀測值歸算到零點,求其歸算量的平均值:
(1)
式中,Hi為銦鋼條碼標(biāo)尺在各個位置的高程觀測值;hi為銦鋼條碼標(biāo)尺在升降檢驗臺上由零點開始改變的距離觀測值;則分辨力為:
(2)
式中,vi=Hi-H0-hi
圖2 系統(tǒng)分辨力檢定示意圖
在進(jìn)行水準(zhǔn)測量時,如果標(biāo)尺傾斜,會使得電子水準(zhǔn)儀電子傳感器CCD線陣上的像也歪斜[5]。輕則造成讀數(shù)誤差,重則使得儀器無法識別讀數(shù)。檢定標(biāo)尺在一定的傾斜范圍內(nèi)數(shù)字水準(zhǔn)儀所讀讀數(shù)對高程的影響具有很重要的意義。
在裝載微傾裝置的工作平臺上,把銦鋼條碼標(biāo)尺向左、右、前、后傾斜,多次觀測讀數(shù),可以發(fā)現(xiàn),在2°以內(nèi),對讀數(shù)變化很小,不超過儀器標(biāo)稱精度;超過2°以后,讀數(shù)誤差急劇上升(如圖3、圖4)。
圖3 標(biāo)尺前后傾斜時的讀數(shù)誤差曲線
圖4 標(biāo)尺左右傾斜時的讀數(shù)誤差曲線
檢定時,在銦鋼條碼標(biāo)尺下面裝載微傾工作臺分別向前后左右各傾斜2°,用電子水準(zhǔn)儀進(jìn)行讀數(shù),并和原始數(shù)據(jù)進(jìn)行比較,觀測其是否超過標(biāo)稱精度。
在水準(zhǔn)測量中,如果i=0,則水準(zhǔn)軸水平(氣泡居中)后,視準(zhǔn)軸也是水平的,否則視準(zhǔn)軸不水平,在讀數(shù)中對高差產(chǎn)生影響。
4.1i角在讀數(shù)中的影響
i角使視線向上或向下傾斜,那么設(shè)它在A點尺子上的讀數(shù)較水平視線的讀數(shù)增大或減小一個Δ值。若A點距儀器的距離為S,則
Δ=S·tani
(3)
當(dāng)i角的大小不變時,則Δ的大小與S成正比;即尺子離儀器越遠(yuǎn),i角對讀數(shù)的影響越大[2]?,F(xiàn)在設(shè)有A、B兩點,使用水準(zhǔn)儀來測量其之間的高差,設(shè)
(4)
式中,a′為后視讀數(shù);b′為前視讀數(shù)。則A,B兩點的正確高差應(yīng)為:
(5)
式中,ΔA-ΔB為角在高差中的影響,用ΔhAB表示,即
(6)
顯然,當(dāng)后視與前視的距離相等時,i角對于高差的影響ΔhAB=0,可得到正確的高差;而當(dāng)后視與前視的距離不相等時,則所測得的高差不正確。
4.2 數(shù)字水準(zhǔn)儀i角校準(zhǔn)的幾種方法
傳統(tǒng)的平行光管法對于電子水準(zhǔn)儀來說只適用于檢驗光學(xué)i角,數(shù)字顯示的i角校準(zhǔn)可以根據(jù)其內(nèi)部設(shè)置的程序進(jìn)行[3]。調(diào)用儀器上的校正菜單,可以采用以下4種方法進(jìn)行校正。4種方法的外業(yè)設(shè)置如下(如圖5~圖8),按照儀器的屏幕菜單提示進(jìn)行操作,即可完成檢驗和校正。
1)富斯特乃爾法(Forstnermethod)
如圖5,在相距45m處設(shè)立兩根標(biāo)尺(A、B),將此距離分成三等份,并在其連線上設(shè)2個儀器站(1、2),相距標(biāo)尺約15m,然后從測站量測兩個標(biāo)尺。i角為:
(7)
式中,H1A、H1B、H2B、H2A分別是數(shù)字水準(zhǔn)儀在(1、2)處所觀測的兩根標(biāo)尺(A、B)的讀數(shù),S為每等分的距離。
圖5 富斯特乃爾法
2)納保爾法(Nabauermethod)
如圖6,量取一段45m長的距離,將其分為三等份,在(1、2)上設(shè)儀器,并在距兩端1/3處(A、B)立標(biāo)尺,從測站測量兩根標(biāo)尺。公式同式(7)。
圖6 納保爾法
3)庫卡馬可法(Kukkamakimethod)
如圖7,在距約20m處設(shè)兩根標(biāo)尺(A、B),首先從位于兩標(biāo)尺連線的中間的測站(1)在兩標(biāo)尺上讀數(shù)。然后從距兩標(biāo)尺連線外延20m處的測站(2)在兩標(biāo)尺上讀數(shù)。公式為:
(8)
圖7 庫卡馬可法
4)日本方法(Japanesemethod)
如圖8,與庫卡馬可法方法基本相同。然而兩標(biāo)尺(A、B)相距約30m,而測站(1)在(A、B)的中間,測站(2)在標(biāo)尺(A)后約3m處。公式為:
(9)
圖8 日本方法
通過以上幾個項目的校準(zhǔn),再配合JJG 425—2003中對水準(zhǔn)儀光學(xué)項目的檢定,可以實現(xiàn)對數(shù)字水準(zhǔn)儀全面系統(tǒng)的檢定,保證了測量結(jié)果的準(zhǔn)確可靠,滿足了工程測量中對數(shù)字水準(zhǔn)儀精度的要求,而且對評價數(shù)字水準(zhǔn)儀的質(zhì)量和性能也具有一定的借鑒意義,進(jìn)而促使數(shù)字水準(zhǔn)儀更加全面和健康的發(fā)展。
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10.3969/j.issn.1000-0771.2015.10.18