电子水平仪的基本工作原理

2022-04-16 01:52:47 410

电子水平仪又称数字水平仪,是在自动安平水平仪的基础上发展起来的。它是一种基于自动安平水平仪的高科技产品,在望远镜光路中增加了分光镜和探测器(CCD),并采用条形码尺和图像处理电子系统。下面小编将详细介绍电子水平仪的基本工作原理。

电子水平仪的基本工作原理。

1.1概述

1963年,Fenel工厂开发了编码经纬仪,加上20世纪40年代出现的电磁波测距技术。随着光电技术、计算机技术和精密机械的发展,电子测角和电子测距技术在20世纪80年代末得到了广泛的应用然而,传统的仪器仍然用于80年代末的水平测量。这是因为水平仪和水平尺不仅在空间上是分开的,而且两者之间的距离可以从1米多变为100米,这在技术上造成了数字读数的困难。

为了实际水平仪读数的数字化,人们尝试了近30年。例如,蔡司工厂的RENI002A使测微器读数能够自动完成,但粗度需要手动读取并按键输入,并与精读数一起存储在存储器中。因此,它不是一个真正的电子水平仪,例如,激光扫描仪和探测水平尺可以自动记录读数。由于试验结果不能满足精密几何水平测量的要求,因此没有解决水平测量读数自动化的问题。

1990年,威特工厂开发了NA2000数字水平仪器。可以说,自1990年以来,地球测量仪器已经完成了从精密光机仪器到光机电测一体化的高科技产品的过渡,克服了地球测量仪器数字读数的终困难。

到1994年,蔡司厂开发了Di水平仪Dini10/20,同年,拓普康厂也开发了电子水平仪DL101/102。这意味着电子水平仪也将普及,并开始了激烈的市场竞争。同时也说明几何水平测量的精度还是很高的,没有其他方法可以替代。GPS技术只能确定大地高,大地高转化为工程中感兴趣的正高。还需要知道高程异常,的水平测量是确定高程异常不可或缺的。这也是各厂商努力开发电子水平仪的原因之一。说明拓普康技术能力高,能够在世界上第二批开发电子水平仪。

电子水平仪具有测量速度快、读数客观、降低作业劳动强度、精度高、测量数据输入计算机方便、内外行业水平测量一体化的特点,投放市场后很快受到用户的青睐。各种类型的激光定线仪和激光扫平仪广泛应用于国外低精度高程测量。因此,电子水平仪定位在中高精度水平测量范围内,分为两个精度等级。中等精度标准差为:1.0-1.5mm/km,高精度标准差为:0.3-0.4mm/km。

1.2电子水平仪的基本原理。

电子水平仪又称数字水平仪,是在自动安平水平仪的基础上发展起来的。采用条码尺,不同厂家尺码的条码图案不同,不能互换使用。目前,水平尺和焦距仍需视觉进行。手动完成水平和焦距后,水平尺条码一方面成像在望远镜分化板上进行视觉观察,另一方面通过望远镜分光镜,水平尺条码成像在光电传感器(又称探测器)上,即线阵CCD设备上,供电子读数。因此,如果使用传统的水平尺,电子水平仪可以像普通的自动安平水平仪一样使用。然而,此时的测量精度低于电子测量精度。特别是精密电子水平仪,由于没有光学测微器,作为普通自动安平水平仪,其精度较低。

目前,电子水平仪采用三种自动电子读数方法:

1)相关法(徕卡NA3002/3003)

2)几何法(蔡司DiNi10/20)

3)相位法(拓普康DL101C/102C)

1.3相位法原理。

DL101c/102C/102C采用相位法。尺子的条形码像望远镜、调焦镜、补偿器的光学部件和分光镜一样,分为两种方式,一种方式在CCD线阵上成像,用于光电转换,另一种方式在划分板上成像,供视觉观察。DL101尺子上部分条形码的图案有三种不同的条形码。R表示参考码,其中有三个2毫米宽的黑色条形码,每两个黑色条形码之间有一个1毫米宽的黄色条形码。以中间黑码条的中心线为准,每30毫米重复一组R码条。每组R码条左侧10毫米处有一条黑色B码条。每组参考码R右侧10毫米处有一条黑色A码条。读者不难发现,每组R码条两侧的A和B码条宽度不同。事实上,A和B码条的宽度在0到10毫米之间发生变化,其中包含水平测量的高度信息。仪器设计有意根据正弦定期安排其宽度。其中,A码条的周期为600mm,B码条的周期为570mm。当然,R码条组两侧的黄码条宽度也是根据正弦规律变化的,从而根据正弦规律周期形成亮度波。条形码下面画了一个波形。纵坐标表示黑条码的宽度和横坐标市标尺的长度。实线为A码亮度波,虚线为B码亮度波。由于A和B条码变化周期不同,也可以说A和B亮度波的波长不同,标尺长度方向的每个位置两个亮度波的相位差也不同。这种相位差就像传统水平尺上的划分,可以通过标记水平尺的长度来显示。只要3能测量水平尺底部某个地方的相位差,就可以知道水平尺底部的高度,因为相位差可以一一对应水平尺的长度,即具有单值性。这是适当选择两个亮度波的波长。DL101中,A码的周期为600mm,B码的周期为570mm,小公倍数为11400mm,因此3m长的标尺上不会有相同的相位差。为了保证标尺底端面或相位差划分的端点相位差是的,A和B码的相位错过了π/2。

DL-102C的标尺与DL-101C略有不同。DL-102C的标尺为白色背景黑条码,A码波长为330mm,小公倍数为3300mm。波长底部A与B码错开的相位差为π。DL101-C的标尺与DL-102C的标尺可互换使用。

当望远镜按下标尺时,标尺上某一段的条形码成像在线阵CCD上。黄条形码使CCD产生光电流。随着条形码宽度的变化,光电流强度也发生了变化。模数转换(A/D)后,得到不同的灰度值。当视距在μ0.6m时,标尺上的一小段成像到CCDA。A/D转换后,得到不同的灰度值(纵坐标)。横坐标是CCD上象素的序列号。当灰度值逐一输出时,横轴代表时间。根据横坐标记的数字判断,仪器采用512个象素的线阵CCD。视距和高视线信息的测量信号。