数字电子水准仪误差校检

1、内蒙古科技大学毕业设计说明书(毕业论文)摘 要 目前对于数字水准仪的各种精度的检测,还没有一套完整的并且详尽的检定规程.有的只是进行野外观测得办法，由于这种方法存在一些缺陷，例如外业工作量大，易受外界环境条件、观测者读数水平以及已知点成果精度等的影响。所以这种方法不能较客观的评价仪器的本身精度。基于上述，本文主要论述了数字水准仪的原理与特点，分析总结了数字水准仪的误差源及其影响的大小，并深入的介绍了仪器检定项目和方法，从而为了解和掌握数字水准仪的工作原理、误差 分析以及水准仪的检定作出系统的分析。关键词: 数字水准仪；精度；误差分析；检验55Abstract At present for th

2、e detection of various precision digital leveling instrument, there is no a set of complete and detailed verification regulation. Some just field observation way, because this method has some shortcomings, such as industry workload, vulnerable to read number level of known points and the accuracy of

3、 the results and effects of environmental conditions, the observer. So this method can't objectively evaluate the accuracy of the instrument itself. Based on the above, this paper mainly discusses the principle and characteristics of digital leveling instrument, the analysis summarizes the size

4、of digital leveling instrument error sources and their effects, and deeply describes the instrument calibration items and methods, so as to understand and grasp the working principle of digital leveling instrument, error analysis and leveling instrument verification system to make the analysis.Key w

5、ord: Digital level meter; Precision; Error analysis;Test目录摘 要IABSTRACTII目录III第一章绪论11.1数字电子水准仪的发展现状及应用11.1.1电子水准仪的发展现状11.1.2数字电子水准仪的应用11.2国内外研究现状21.3 课题的研究内容31.4 论文组织结构4第二章 数字水准仪的工作原理及特点52.1数字水准仪的基本原理52.1.1数字水准仪的基本结构52.1.2数字水准仪的工作原理52.1.3数字水准仪的读数原理62.2数字水准仪的特点与指标122.2.1数字水准仪的特点122.2.2水准仪的精度指标13第三章 数字

6、水准仪的误差来源及分析153.1.1圆水准器误差153.1.2自动补偿器误差153.1.3视准轴误差163.1.4线阵探测器CCD的物理特性引起的误差173.1.5信号分析和处理的误差173.1.6外界条件变化引起的误差173.1.7十字丝分划板竖丝与CCD传感器焦线的一致性18第四章 数字水准仪的检定内容及校正194.1数字水准仪的检定项目194.2数字水准仪常规项目检定及方法204.2.1 数字水准仪I角的检定实验204.2.2 数字水准仪鉴别率的检定实例分析324.2.3 1千米往返测高差标准差检定实验354.2.4视距测量精度检定实验404.2.5调焦成像质量对测量结果影响检定实验42

7、第五章 结束语44参 考 文 献45附 录47致 谢53第一章 绪论1.1数字电子水准仪的发展现状及应用1.1.1电子水准仪的发展现状迄今为止，几何水准测量仍是传递高程精度最高的一种方法，还不能被别的方法所替代，因此一直运用至今。但是传统几何水准测量存在一些缺点，比如存在测量速度慢，作业劳动强度大等问题。这些年来测量工作者们一直致力于寻找一种全新的方法来解决存在的这些不足之处，于是摩托车载水准仪等一些机车化测量方式应用而生，它使测量作业效率稍有提高，作业劳动强度有所下降，现在已被不少国家所采用。八十年代大多数国家已经开始普遍使用电子测距及电子测角技术。但是八十年代末测量工作者们仍在使用传统仪器

8、进行几何水准测量，究其原因是水准仪和 水准标尺不是一个完整的体系，它们在空间是分离的，并且它们之间的距离也不确定，从1米到100米之间变化。所以数字化读数在技术上存在一些困难。测量研究者为了实现水准仪读数的数字化，经过长期的不断尝试，1990年威特厂首先研制成功了世界上第一台数字电子水准仪NA2000，这也标志着大地测量仪器开始从精密光电仪器逐渐向光机电测一体化的全新高技术产品的过渡。同时也攻克了传统大地测量仪器在数字化读数方面的一大难关。1994年蔡司厂也研制成功了它们的第一台数字水准仪DiNi10/20，这年拓普康厂也推出了数字水准仪DL101/102.标志着数字水准仪已经开始慢慢走入人们

9、的视野，也进入了激烈的竞争市场。GPS只能得出大地高值，而工程工程用的都是正常高。这同样是各个厂家积极开发数字水准仪的原因之一孙坚编译.数字水准仪的现状与发展.北京测绘，1998（3）：33351.1.2数字电子水准仪的应用数字水准仪具有精度高、测量速度快、作业劳动强度小、读数客观、容易实现测量内外业一体化等特点，数字水准仪的问世明确了今后水准仪的发展方向，因此它的出现很快受到广大用户的青睐。目前市场上，以徕卡，蔡司，拓普康，索佳为数字水准仪的代表，数字水准仪的应用薄志鹏，刘国辉，王泽民.数字水准仪述评J.测绘通报，1996 (2):3035主要分为以下几方面：（1）高精度水准测量：数字水准仪

10、的精度位处于中精度与高精度的范围之间，被分成两个等级，中等精度的标准差是1.0-1.5mm/km，高精度的标准差是0.3-0.4mm/km。（2）变形观测：建筑物沉降观测，大坝位移变形观测，建筑物挠曲程度观测、 机械设备转动角观测和建筑物振动观测等。（3）线路测量：公路测量应用，铁路测量应用，隧道测量应用，河道等纵、横断面测量应用。（4）工业测量：外形测量，质量检测，人工构筑物内结构测量等。（5）建筑施工：施工放样，土地整平。1.2国内外研究现状数字水准仪它是集光机电、计算机系统和图像处理技术为一体的高精度测量仪器，其测量结果的误差源较光学水准仪复杂得多，因此适用于传统光学水准仪的检定方法不再

11、完全适用于数字水准仪的检定。因为对数字水准仪的研制时间不长，所以它出现时间较短，它的读数原理独特且复杂，其读数原理与传统光学水准仪没有丝毫联系，而且有些仪器厂家也对各自研制的产品也进行了保密，到目前为止，数字水准仪其实还没有一整套规范切详尽的检定规程，我们知道的只是数字水准测量的方法与一些不详尽的技术规范要求。国外学者对数字水准仪的检定方工作与性能分析研究工作等方面开展的比较早，国外许多学者将数字水准仪与配套标尺作为一个测量系统持有一致的观点，对其进行综合检定或称为系统精度的检定。早在1993年，奥地利格拉茨大学的Reithofer博士提出一整套水平比长器，对 10和3000这两种仪器进行了系

12、统精度的检定。当时利用水平比长器对数字水准仪进行检定时，条码标尺必须处于水平位置，这样的话就与实际的水准测量不相符，平时水准测量标尺都是竖直放置的，因此，1996年他们又将原先的装置作了调整，改建成竖直比长器，虽然国外绝大多数学者认为应该对数字水准仪进行系统精度的检定，但也有部分学者否认这种观点，他们认为这种方法分不清楚究竟是对数字水准仪的主机检定，还是在对条码标尺进行检定。我们国内对数字水准仪的检定研究工作开展较慢，理解不够透彻。与国外的研究情况相比存在很大的差距，主要表现为以下几方面：(1)缺乏对数字水准仪测量原理的深入研究与剖析(2)缺乏统一完整的检定方法用于实际现场检定数字水准仪各项精

13、度是否达标(3)缺乏用于数字水准仪检定的必要关键设备(4)目前国内采用的检定方法主要是根据传统光学水准仪所采用过的检定方法，对各项误差没有集中进行检定，而是分开进行检定。基于以上各种原因，各单位对数字水准仪的检定大多是基于光学水准仪的检定工作而发展起来的。基本上利用了原有的检定方法和内容。许多单位对数字水准仪的检定分为室外检定和室内检定的方式，目前国内基本采用外业观测的原始办法，这种办法不但工作量极大，而且精度受到外界环境、观测者技术水平、已知点成果精度等各方面的影响。因此这种方法不能客观的评定仪器本身的精度。数字水准仪室内检定过程，依然是仿照光学水准仪的检定过程。总而言之，国内对数字水准仪检

14、定方法这方面的研究还不够透彻与全面，单项检定较多，系统检定则较少，所以无法对数字水准仪精度作出客观系统的评价。1.3 课题的研究内容数字水准仪是一种集光、电、机于一体的水准测量仪器，具有测量速度快，操作简单，读数客观等特点，已应用于工程的各个领域，各型号的水准仪都是采用条码标尺，并采用电子图像处理技术进行数字化读数，目前市场上的水准仪主要来自蔡司，徕卡，拓普康，索佳四个厂家。因为各个厂家仪器的工作原理不同，所以它们电子读数的方式也就存在差异。数字水准仪相比光学水准仪的原理要更加复杂一些，因此这给检定工作带来了一定的困难，寻求一个完整的检定规程是我们急待解决的难题。随着数字水准仪应用于不同领域，

15、不同行业。要想体现出它的高性能，就必须要了解它的工作原理，以及它的检定规程。也是有价值的研究课题。鉴于上述，本文主要进行了以下几个方面的讨论和研究：（1） 数字水准仪的测量原理（2） 数字水准仪的误差分析（3） 数字水准仪的检定过程（4） 数字水准仪的误差校正1.4 论文组织结构第一章是绪论，主要介绍了数字水准仪的发展现状及应用，国内外数字水准仪检验方法的研究情况，课题的研究内容。第二章分析归纳了现在日常生活中常用的几种数字水准仪的基本原理结构：包括基本构造，基本工作原理，读数原理。比较了各种品牌数字水准仪的特点与精度指标。第三章主要进行的是数字水准仪的误差分析。第四章主要论述了数字水准仪的检

16、验项目与校正第五章是结束语，对全文研究内容进行了分析总结，并分析了存在的不足之处，以便下一步工作的顺利进行。第二章 数字水准仪的工作原理及其特点2.1数字水准仪的基本原理2.1.1数字水准仪的基本结构 数字水准仪是依据自动安平水准仪的工作原理而研制成功的，各厂家生产的数字水准仪基本结构大致相同。它的基本结构是由光学机械部分、相关电子设备和自动安平补偿装置组成。相关的一些电子设备主要包括：调焦编码器、读数电子器件、光电传感器（即线阵CCD）、单片微处理机、接口（外部电源及外部记录存储）、键盘、显示器件以及图像处理软件等，其结构如图所示。条码尺望远镜分光镜分划板目镜传感器A/DCPUPC存储卡液晶

17、显示屏图2-1 数字水准仪的结构2.1.2数字水准仪的工作原理 数字水准仪又称电子水准仪，它的研制原理是依据自动安平水准仪的工作原理。它采用配套条码标尺，各个厂家生产的标尺编码条码图案都存在或多或少的差别，而且这些条码标尺不能互相替换使用。现在照准标尺和调焦等一系列操作仍然需要目视观测者进行操作。首先进行人工照准和调焦操作，随后标尺条码图案一方面被成像望远镜的十字丝分划板上，提供给观测者加以读数，另一方面则通过望远镜的分光镜，标尺条码的图案又一次被成像在CCD（又称探测器）上，可得电子读数。使用传统的光学水准标尺，数字水准仪也可以像使用自动安平水准仪那样的方法进行测量，只是此时的测量结果精度往

18、往低于电子测量结果的精度。2.1.3数字水准仪的读数原理1)相关法 徕卡数字水准仪采用的读数原理即为伪随机条形码相关法林四新。数字水准仪的自动读数原理分析。2002年全国测绘仪器综合学术年会论文集，长春，2002(8)：5458，首先将望远镜照准条码标尺并进行调焦，然后会在探测器CCD上成像，提供电子读数。条码标尺总长是4.05m，一共分为三段，它是由2000个码元所组成，各个码元长度都是2.025 mm。如图2-2左边表示为伪随机条码，图2-2右边表示为截取以后的片段伪随机码。此片段伪随机码首先会在CCD上成像，CCD会把此图像转换成电子信号，也就是我们说的测量信号。测量信号与伪随机码的参考

19、信号经过比较，这便是相关法的基本过程，我们一般称之为相关法。图2-2 相关法原理在图2-2中由上到下的比对。当两个测量信号一样时，即为最佳相关的位置，读数因此能确定。二维相关法可以解决某些相关的问题。若没有一样的两个测量信号，就变换水准仪内部参考信号的“宽窄”程度，再一次经过一维相关运算，直到两个测量信号一样时为止，因此能确定读数。即 （2.1）表示条码在探测器CCD上成像的宽度，y表示条码的实际宽度，代表视距.有以上公式可知，条码影像与视线高和视距存在某些的关关联，这就是所说的二维相关，之后把观测到的值经过相关运算，可求得到视线高和视距数值。为了缩短二维相关运算所需时间，NA仪器里都内设有调

20、焦移动量传感器，它的作用是采集调焦的移动量，从而求解出视距，基本可以将物象比例确定下来，并可以对仪器内部的参考信号的“宽窄”加以缩放，将其尽可能的缩放到接近探测器采集到的测量信号的“宽窄”，最后进行二维相关计算。 假设调焦透镜在参考零点位置时调焦移动量为零，则有物方焦距为，像方焦距为，像距为，根据牛顿公式可得知。满足以下关系： （2.2）其中，表示一个比例系数，即可解出等效光学系统的物距为： （2.3）则垂直放大率相对于高斯公式有如下关系： （2.4）因为有，则有：当时， (2.5)依据垂直放大率的有关定义，即 (2-4)其中表示物高，表示像高，由（2-3）（2-4）得： (2.6)此刻，已经

21、初步确定了物象比例,将水准仪内部的参考信号的“宽码”加以进行缩放，将其尽可能接近于探测器CCD上采集到的测量信号的“宽窄”，之后再进行相关。这样可以极大的缩短读数所需时间。 综合以上所述，徕卡数字水准仪的标尺编码应该表达出距离和视线高这两个信息。2）几何法蔡司10/20采用的读数原理是几何法郭金运，徐泮林，曲国庆.数字水准仪的性能比较与分析J.测绘通报，2002（3）:5557。它的标尺是采用双相位码。首先将望远镜照准条码标尺并进行调焦，然后会在探测器CCD上成像，提供电子读数。 l0/20系列仪器测量时，只需利用中丝的上下两边各15cm长的标尺截距，即是利用15个测量间距来解算出视距和视线高

22、。几何法原理如图2-3，图中表示某个测量间距的下边界，表示其上边界，其在CCD行阵上的成像分别为和。其到光轴(中丝)的距离分别用和来表示。我们知道CCD行阵上的象素的宽度是己知的，这两段距离在CCD行阵上所占用象素的个数便可由CCD输出的信号得以计算出来，则可以算出和，即和是计算视距和视线高的己知量。和在光轴上都显示为负值，在光轴下都显示正值。若从标尺上看，则是在光轴上显示为正值，反之为负值。图 2-3 几何法原理设g代表测量间距长(2cm )，利用第个测量间距来测量时，测量间距与该间距在CCD行阵上的成像之比（物象比），可由图2-3中的相似三角形解出: (2.7)视线高读数为: （2.8）式

23、中表示第个测量间距由标尺下端逐次向上的序号，我们依据属码词判读出该序号。表示标尺第个测量间距的中间点与标尺底端地面的之间的距离。表示标尺上第个测量间距的中点到仪器光轴的距离。 为了提高测量精度， 10/20一般取N个测量间距平均值加以计算，即取标尺上中丝上下两边各15cm的范围，也就是将13个测量间距取平均值来计算。可得物象比为: （2.9）式中和各自表示探测器CCD 0.3m测量截距上下各边至光轴的长度。垂直放大率有关定义为： (2-9)，视线高计算公式如下： （2.10）垂直放大率相对于高斯公式有如下关系： （2.11）因为,则即可计算出视距： （2.12） 其中为定值。综上分析可知，蔡司

24、系列数字水准仪，解算出物象比以后，它的标尺条码编码只需体现出视线高的一些有关信息，随后根据数字水准仪的光学参数来求解出视距。计算原理同利用视距丝进行视距测量原理基本是一样的，不同的地方是，此固定基线是处于标尺上的，而传统视距测量的基线则是十字丝分划板上的上下视距丝的间距。3）相位法 拓普康采用的读数原理是相位法范会敏，李晋惠.数字水准仪的测量算法概述J.西安工业学院学报，2002，（4）。标尺条码成像经过分光镜后，被分成两路走向，其中一路被成像在探测器CCD上，显示电子读数，另一路则被成像在分划板上面，可以提供观测者读数。图2-4 标尺的编码在图2-4中展示了条码标尺上半部分条码的图案，我们由

25、图可以看出，其中包括三种宽度各不相同的码条。R代表参考码，其中包括三条宽为2mm的黑色条码，并且每两条黑色码条中间是一条宽度为1mm的黄色码条，我们一般以中间的黑码条的中心线作为基准，则每间隔30mm便会有一组R码条周期性重复出现。每组R码条两边的A码条和B码条的宽窄程度不同，设计时使它们的宽度呈正弦函数在0到l0mm之间变化。其中，A码的周期为600mm, B码的周期为570mm。R码条组两边的黄色码条宽度则也是呈正弦函数周期性变化的，这样便可在标尺上形成一些亮暗强度按正弦函数周期变化的亮度波，波形见图2-4以下。通常情况下，纵坐标代表黑条码的宽度，横坐标代表标尺的长度。实线与虚线分别代表A

26、码与B码亮度波。因为A条码和B条码变化周期不相同，也就是说A亮度波和B亮度波它们的波长不相同，还有就是标尺的每个位置上两亮度波的相位差也不一样。若能测出标尺某处的相位差，便可求出该处至标尺底部的高度，原因是相位差可以与标尺长度具有相互对应关系，也就是具有单特性，这其实也是要适当选择两亮度波的波长的原因之一。 (2.13) (2.14)其中、分别表示A和B两条码的宽度，、表示A和B两条码的变化周期。因为、是x的函数，满足： (2.15) (2.16)其中，D表示A、B条码的最大宽度。由（2-15）、（2-16）可得， (2.17)可知视线高的计算公式为： (2.18) 我们在实际测量过程中，当水

27、准仪望远镜瞄准标尺以后，标尺的其中一段的条码图案便会在CCD上成像，黄色条码促使CCD线阵产生光电流，随着、的不断变化，光电流的强度随之也不断发生改变。随着标尺的光照亮度的不同，甚至在不同次数的测量之中，振幅都将会不同，这对解算视线高没有影响。只须相位表示出视线高，此时，通过一定的门限，进行二值化处理分析，经过计时比对，便可求出条码的宽度。R码的作用是为了提高读数精度和解算视距而设计的。利用R参考码，可解算物像比。假设有两组R参考码，它们之间的间距q为0.03m，其在探测器CCD上成像占有的像素个数为x，每个像素的宽度是a，那么间距P在CCD上的成像长度为:，根据信号分析可以求出，a代表CCD

28、光敏窗口的宽度，在此， I和Q都是己知量。故可解算出物像比:，我们可以利用物像比A，首先缩放信号，使之与标尺上的相同时，便能精确的读取视线高。依据几何成像原理中横轴放大率的相关定义和解算视距的方法，便能求算出视距: (2.19)其中f表示物方焦距。 综合上述所讲内容可知，拓普康数字水准仪采用的条码标尺的编码表达了视线高，再根据物像比以及仪器的光学参数便能计算出视距。2.2数字水准仪的特点与指标2.2.1数字水准仪的特点刘群，张恒. 数字水准仪测量系统及其精度评定.四川建筑，第29卷 2期 2009.041. 读数客观。根本不存在人为误读、误记等问题，即不存在人为读数误差。2. 效率较高。首先，

29、数字水准仪本身重量很轻轻，并且自动读数，测量工作者的劳动强度极大减轻，并且观测速度快，无需专门的记录员，很大程度上提高了外业的工作效率. 3. 精度较高。视线高和视距读数基本全是利用大量条码分划，图像经处理后求取最终的平均值，这样可以削弱标尺分划误差产生的影响。大多数仪器基本都有多次读数自动求取平均值的功能，这样做的目的是削弱外界条件影响，使其性能更加稳定。4. 测量速度快。利用数字水准仪进行测量省去了人工读数、人工记录、现场数据计算以及人为出错因素的重测数量，测量所需时间与传统光学水准仪相比大概可以节省1/3左右。5. 易于操作。因为数字水准仪可以自动进行读数与记录，并在仪器中预存了许多测量

30、和检核内置计算程序，在操作数字水准仪时还有实时提示语音，因此测量工作者可以很快掌握与了解它的使用方法，即使非专业人员也能测出高精度数据。2.2.2水准仪的精度指标邓融.如何评价电子水准仪的质量与性能.北京测绘，2002（3）：42441.温度性能 温度性能，也称温度状态，是检定数字水准仪能否适应温度的一个重要指标。具体操作方法是将数字水准仪放置在+40到+45的高温环境中，将其保温大约数小时至10h后取出来再放到大约+20上下的室温环境里，用仪器瞄准17m至20m远处放置的配套标尺，数字水准仪进行读数，此读数是由外部计算机所控制的，每隔3读数35次并记录数据。读数直至视线稳定不再晃动为止，即视

31、线根本不存在有显著的变化，此过程一般需要2h。 之后，再将水准仪放置在-5到-15的低温环境中，重复以上测试过程。指标是均衡每度所需时间是11.5。2 遮挡影响遮挡影响就是表示望远镜视场内有物体遮挡条码，这会对读数精度造成很大影响甚至会造成不能读数的情况。通常情况下是已知的。一般作法是利用标尺截距，用水准仪进行读数，直至遮挡的范围很大，以致仪器不能读取读数。若遮挡率大于或者等于厂方给出数据，我们就认为符合要求。在厂方遮挡率数据之间，读数会随着遮挡范围的增加而降低。此情况目前基本没有什么指标衡量。3标尺倾斜你影响根据数字水准仪的读数原理可知，如果标尺左右倾斜后，在CCD行阵上所成的像也会随之倾斜

32、斜，但是人眼无法察觉，此时水准仪可能就没法识别条码，个别仪器会发出警告，提示我们标尺需立直。目前标尺前后倾斜的情况，仪器还是无法识别，测量时需注意。4照明影响数字水准仪对标尺照明的要求一般高于普通光学水准仪。比如要在阴天或者夜晚进行测量，需注意要照亮整个标尺，这样才能进行读数，开始正常测量。因为各个厂家的标尺编码规则不尽相同，所以读数的原理也就不同，这样就导致各个厂家的仪器的性能和技术指标也存在差别。以下着重对蔡司，徕卡，索佳，拓普康四个厂家的精密水准仪进行对比分析。表2-1 各型号水准仪技术指标技术指标徕卡公司拓普康公式蔡司公司索佳公式NA3003DNA03DL101CDL102CDiNi1

33、2DiNi22SDL1SDL1视线高测量精度/mm/km0.40.30.41.00.30.70.30.7视线高最小读数/mm0.010.010.010.10.010.10.010.1距离测量精度/mm10505×1050105020252025测量范围/m1.8601.81102602601.51001.51001.51001.5100补偿器工作范围±12±10±12±15±15±15±15±15补偿精度0.40.30.30.50.20.50.40.5电子测量视场角2°2°(粗测)1.

34、1°（精测）1°201°205°5°3°3°CCD工作光谱红外光可见光可见光可见光可见光可见光红外光红外光CCD像素间距/m25141111141488CCD像素数量2564566006001800180018001800条码特征条码宽度2.025mm的倍数条码宽度2.025mm的倍数黑条码中心间隔10mm黑条码中心间隔10mm条码宽度0.5mm的倍数条码宽度0.5mm的倍数黑条码中心间隔16mm黑条码中心间隔16mm测量时间43443242.5第三章 数字水准仪的误差来源及分析3.1.1圆水准器误差目前常用的几种数字水准仪

35、基本都内置有灵敏度大约为8'/2 mm或10'/2 mm的圆水准器，若在圆水准器安装上出现问题，会引起水准仪竖轴发生倾斜变化，最终导致形成水平面倾斜误差。当然此项误差在每个测站都及其微小，但是对等级测量而言，此误差会导致形成系统误差，这样将会给整个测量结果的精度造成很大的影响。3.1.2自动补偿器误差数字水准仪上安装的补偿器大多属于吊丝重力摆补偿器，它的补偿范围一般不会小于，也就是只要使圆水准气泡处于圆圈之内，便能发挥补偿作用。 如果我们要评价一台数字水准仪的补偿器，那么最重要的指标是补偿器的安置误差、滞后误差、补偿剩余误差以及磁致误差这四项误差张莉，齐维君，方爱平，李明，王三

36、明.数字水准仪误差源及检定方法初探.国家光电测距仪检测中心，北京 100039。(1)补偿器的安置误差(即视线的安平精度)。补偿器的安置误差体现了补偿器提供水平视线的反复精度，其可以作为一个非常重要的特征量来评价仪器是否符合要求，一般作为仪器出厂的重要技术参考指标。不可能利用别的观测方法来减弱这项误差，但是可以反映出整个补偿器系统的质量。(2)补偿器的滞后误差。该项误差即为补偿器的平衡所处位置与静止所处位置的差值，这项误差反映了补偿器存在一定时间延迟的现象。补偿器一般需要一段时间以保证稳定，这就意味着整平仪器以后不要马上进行测量，因为存在1s2s 的时间延迟。 当进行水准测量时，水准仪从后视旋

37、转至前视时，若提供给补偿器进行稳定的时间不够，则最终的测量数据就会有误差存在。  (3)补偿器的补偿剩余误差。补偿器性能不佳会致使水准仪的视准轴发生倾斜变化，将会造成水平面倾斜误差。圆水准器气泡前后方向偏移与左右方向偏移对该项误差会造成不同的结果由实验可知，当圆水准器气泡向前后方向偏移时，数字水准仪的读数变化量的分布形状大致呈一条倾斜直线，即表示观测值当中必定含有线性系统误差。当圆水准气泡前后左右倾斜1的补偿剩余误差可以表示为： （3.1）式中:L一水准仪歪斜和圆水准气泡居中时标尺读数之差,mm;    S一检定时仪器至标尺的距离;  

38、0; b一仪器倾斜补偿极限角。(4)补偿器的磁致误差。当数字水准仪附近存在磁场时，有些补偿器就会到磁场的干扰影响，便会使视准线的位置发生偏离，往往会造成读数误差。虽然现在的数字水准仪补偿器的材料是铝或非磁性等物质，但一些数字水准仪中仍可以检测到有磁致误差的影响。实验说明.数字水准仪处于均匀磁场中时磁致误差均未超过给定限差。但数字水准仪处在交变磁场时，可以检测到补偿器会发生很大的偏转量，另外摆幅与磁场强度的平方存在关联。一般来说，测量工作者在设计水准线路时，必须先了解测区的磁偏角异常状况，还要尽量避免水准测量线路经过大功率的发电厂、变电站、高压电线等强磁场的工作环境；与此同时，测量工作

39、者必须向数字水准仪生产厂家了解掌握补偿器的工作性能以及防磁的有关有效措施。3.1.3视准轴误差数字水准仪同时拥有光学视准轴和电子视准轴两视准轴。光学视准轴也就是我们传统的光学水准仪的视准轴，它是指分划板十字丝中心与望远镜的物镜光心的连线，延长线视准轴所得直线就是视线，它是瞄准目标的重要依据；所以数字水准仪的i角分为光学i角与电子 i角。光学视准轴的作用是进行条码尺的照准、调焦以及光学读数；电子视准轴的作用则就是进行电子读数。因为存在外界环境温度变化、机械振动、望远镜调焦以及磁场的变化对视准轴i角的影响，所以i角误差一般是指外界环境温度为20。目标位于相当远时，水准仪视准轴和水平面存在的角度。当

40、数字水准仪进行读数时，它是以CCD上指定中点周围的参考像素为基准而进行读数。3.1.4探测器CCD的物理特性造成的误差数字水准仪是依据条码影像在CCD上的所在位置与比例进行工作的，线阵探测器CCD在光线太强或太弱、条码尺面光照不均匀、观测瞬间强光闪烁、外界物质热闪烁等情况下，其物理特性会发生变化，这将极大降低标尺成像的对比度，会引起条码尺局部失真的情况，带来的后果就是产生测量误差，甚至会出现无法读数的情况。3.1.5信号分析和处理的误差（1）信号分析方法的误差 徕卡NA系列数字水准仪采用相关法进行测量，根据经验，仪器里预存的参考信号（伪随机码）与测量信号（伪随机码）的相关（对齐）精度大约是码元

41、宽度（或码的波长）的1%。条码标尺码元宽度是2.025mm。所以相关精度大约是0.02mm。（2）图像处理造成的误差只有做好数字水准仪的测量信号处理工作，我们才能进行高精度水准测量等后续工作， 若CCD线阵上的条码成像不清晰、完整、稳定，再加上图像处理技术的不佳，测量精度就会大大降低。一般造成图像误差的主要误差影像有：1）探测器CCD的某些物理特性造成的误差2）条码标尺被挡住造成条码信息缺失造成的误差3）调焦的质量的不佳造成图像的分辨率不佳引起的误差4）条码标尺歪斜造成的图像发生变形引起的误差5）外界环境条件变化造成的影像误差只有获取到稳定、清楚、对比适中、全面的条码影像，我们才能进行测量信号

42、生成和处理的工作，这是测量工作的关键所在。一般来说，数字水准仪内置的软件就可以完成图像的处理工作。它的误差大小取决于软件的算法的可行性与技术的先进性。3.1.6外界条件变化引起的误差通常情况下，数字水准仪和条码标尺构成的整个系统总是处于不断变化的外界环境中，各种外界条件的不断变化会造成数字水准仪各个部位难免产生一些误差，该误差影响一般表现为整个系统组合的综合影响。一般受外界环境因素的影响造成的误差有以下几种：外界温度不断变化对电子i角产生的影响、大气垂直折光产生的影响。3.1.7十字丝分划板竖丝和CCD阵列焦线的一致性我们知道数字水准仪内置有两个分划板，一个就是我们熟悉的十字丝分划板，作为瞄准

43、条码标尺使用。另外一个则是CCD传感器的光敏面，其由数百个乃至上千个纵向排列的像素组成的一条“电竖丝”，该电竖丝的宽度一般要比光学分划板上的竖丝宽，它的作用是供电子读数。光学分划板上的竖丝与CCD传感器的光敏面基本都处于望远镜物镜的焦平面上，还有电竖丝和光学分划板上的竖丝是铅垂关系，前后左右不能偏离或者交叉。这种情况即为光电两分划板的一致性。若两个分划板其中任一个不处于望远镜物镜的焦平面上，经光学调焦清晰之后，位于CCD光敏面上的条码成像便会模糊不清，就会造成读数误差或延长读数所需时间(随读数原理不同而定)，十字丝分划板上的成像清晰并不能说明CCD光敏面上成像也清晰，它们不存在对应关系。如果电

44、竖丝偏离了十字丝分划板上竖丝，或两者存在交角，电子读数的标尺部位则会与十字丝分划板竖丝照准的标尺部分不一致，导致产生较大的测量误差，甚至可能会出现不能读数的状况。第四章 数字水准仪的检定内容及校正4.1数字水准仪的检定项目樊钢，赵瑞，李广云，薛志宏.数字水准仪综合精度检测方法研究.测绘学院学报，2001年第01期数字水准仪测量精度虽然很高，但是也会受到许多误差的影响，既有来自传统光学水准仪的误差，也有很多新误差的产生。因此，若要进行数字水准仪的检定工作，既要参照原始光学水准仪的有关检定方法，还要设计出新的装置和严密的检定方法。来检定数字水准仪的误差的性质及影响的大小程度。通过前面对数字水准仪测

45、量原理及误差源的分析探讨，还有结合国内外对数字水准仪检定方法和积累的经验，目前检定大致可划分为两种。一种是分项即对每项误差进行单独检定，类似于光学水准仪的检定方法，其检定项目见下表所示另一种是系统精度检定，就是把数字水准仪与配套标尺看作是一个整体系统，测定该系统固有的精度。这两种检定方法相互补充，使其检定结果满足数字水准仪的检定要求，并且能够更好地对数字水准仪的性能进行全面的评估。表4.1 数字水准仪的分项检定项目序号被检部分检定项目所需检定设备1数字水准仪主机通电检视2圆水准的校检3调教透镜运行误差专用平行光管或检定场4视线观测精度（安平精度）条码尺或专用平行光管，两维微倾台5视准轴误差（光

46、学i角和电子i角）条码尺或专用平行光管6十字丝分划板横丝与竖丝是否垂直7补偿误差的检定8磁致误差检定磁致误差所需装置9测站单次高差的标准差专用平行光管或条码尺101千米往返测高差标准差专用平行光管、条码尺或专用检定场11鉴别率条码尺和长度标准器12CCD传感器位置正确性的检定条码尺或专用平行光管13标尺模糊对测量结果的影响条码标尺或者专用平行光管14条码标尺亮度对测量结果的影响条码尺15视距测量精度的检定专用检定场16条码标尺标尺的检视17圆水准器的校检两台经纬仪18标尺条码表面弯曲差的检定钢直尺19条码尺米真长及其条码分划误差长度标准器具20标尺温度膨胀系数高低温试验室21标尺零点差及一副标

47、尺零点不等差专用检定设备或数字水准仪22标尺中心线和标尺底端是否垂直数字水准仪4.2数字水准仪常规项目检定及方法从表可知，数字水准仪的全部检定项目一共有22项，其中绝大多数检定项目与光学水准仪的检定方法一模一样，本文重点讨论以下几个与数字水准仪直接关联的检定项目。4.2.1 数字水准仪角的检定实验（1）数字水准仪角检定基本原理顾若冰.电子水准仪i角检验校正方法比较研究J.矿山测量，2008（10）:1520王欣.数字水准仪i角检验方法对比研究J.科技创新导报，2010（13）:1516在地面上选定两个固定的点A、B，测出A、B的两次观测高差和，假设仪器存在角误差，即按式知 (4.1) (4.2

48、)即 (4.3) (4.4) 目前在实际应用中常采用两种方法，一种是设，所以就是没有i角误差影响的高差，将（4）式简化可得 (4.5)另一种方法是设，此时有下式 (4.6)（2）数字水准仪i角的检定与校正方法如图下图所示，首先架设数字水准仪在B点旁边的处，与 B点相距大约3m左右，然后瞄准B点所立水准尺，得B水准尺读数为。那么当两轴平行时在A尺上的读数为：，读出A尺上的读数，假设=，则水准管轴平行视准轴，否则存在i角。由图可知： ，其中图4.1数字水准仪i角变化示意图为了保证保准确性，一共反复测量三次可得三组观测数据，观测数据如表所示 表4.2 观测数据测站编号第一次AB1距离（m）30.03

49、130.097读数（m）1.4611.4522距离（m）57.0123.014读数（m）1.5601.548测站编号第二次AB1距离（m）30.03130.099读数（m）1.4621.4532距离（m）57.0133.011读数（m）1.5621.547测站编号第三次AB1距离（m）30.03030.096读数（m）1.4611.4512距离（m）57.0133.012读数（m）1.5611.548第一次测量数据代入公式得第二次测量数据代入公式得第三次测量数据代入公式得 费式法首先在站1位置处架数字水准仪，经过整平以后，在距离站1位置大约15m处的A点位置放置水准标尺，在该点安放尺垫，随后点

50、击测量键，并记下A点的水准尺读数。旋转水准仪，再在距A点相反的方向15m处的点安置水准尺，该点就是我们常说的转点，需谨记该点绝不可放置尺垫，并标记该点所处位置，再在距离站1大约30m的B点再次安置水准尺，在该点安放尺垫，并记下B点的水准尺读数，之后把仪器搬至刚才标记的转点所在位置，整平以后，依次瞄准A、B点，记录相应读数，此方法即为费式法，具体方法即将两条水准尺A、B放置在相距45m处的地方，将其平分为三份，水准仪则分别安置在这三个等分点上。根据有关公式，求出水准仪i角为： （4.7）式中：，是仪器在测站1时对A尺的读数（视线高及视距）； ，是仪器在测站1时对B尺的读数（视线高及视距）； ，是仪器在测站1时对A尺的读数（视线高及视距）； ，是仪器在测站1时对B尺的读数（视线高及视距）； 。如下图所示标尺A 标尺B测站1测站2大约15m大约15m大约15m图4.2 费式法检定数字水准仪i角示意图为了保证保准确性，一共反复测量三次可得三组观测数据，观测数据如表所示表4.3 观测数据测站编号第一次AB1距离（m）15.09330.120读数（m）1.4481.4472距离（m）30.13415.087读数（m）1.3561.353测站编号第二次AB1距离（m）15.09430.121读数（m）1.4481.44