[科普中国]-电子水准仪

历史发展

1963年Fennel厂研制出了编码经纬仪，加上20世纪40年代已经出现的电磁波测距技术和光电技术、计算机技术和精密机械的发展，到80年代已开始普遍使用电子测角和电子测距技术。然而，到80年代末水准测量还在使用传统光学仪器。这是由于水准仪和水准标尺不仅在空间上是分离的，而且两者的距离可以从1m多变化到100m，因此，在技术上造成了实现数字化读数的困难。

为了现实水准仪读数的数字化，人们进行了近30年的尝试，如蔡司厂的RENl 002A已使测微器读数能自动完成，但粗读数还需人工读出并按键输入，与精读数一起存入存储器，因此还算不上真正的电子水准仪；又如利用激光扫乎仪和带探测的水准标尺，可以使读数由标尺自动记录，由于这种试验结果还不能达到精密几何水准测量的要求，因此也没有解决水准测量读数自动化的难题。

直到1990年威特厂首先研制出数字水准仪NA2000。可以说，从1990年起，大地测量仪器已经完成了从精密光机仪器向光机电测一体化的高技术产品的过渡，攻克了大地测量仪器中水准仪数字化读数的这一最后难关。

到1994年蔡司厂研制出了电子水准仪DiNi 10/20，同年拓普康厂也研制出了电子水准仪DL-101/102，随后拓普康厂又研制出带PCMClA卡槽的DL-101C/102C，索佳(SOK-KIA)研制了新型数字水准仪POWERLEVEL SDL 30。这意味着电子水准仪也将普及，但就其精度与稳定性电子水准仪是否能与光学水准仪相提并论，则有待实践进一步证明。GPS技术只能确定大地高，大地高换算成工程上实用的正高，还需要知道高程异常，确定高程异常还少不了精密水准测量。这也是各厂家努力开发电子水准仪的原因之一。2

简介目前，电子水准仪的照准标尺和调焦仍需目视进行。人工调试后，标尺条码一方面被成像在望远镜分化板上，供目视观测，另一方面通过望远镜的分光镜，又被成像在光电传感器（又称探测器）上，供电子读数。由于各厂家标尺编码的条码图案各不相同，因此条码标尺一般不能互通使用。当使用传统水准标尺进行测量时，电子水准仪也可以像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，当成普通自动安平水准仪使用时，其精度更低。

电子读数方法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NA3002/3003)；

2) 几何法(蔡司DiNi10/20)；

3) 相位法(拓普康DL101C/102C)；

优点它与传统仪器相比有以下特点：

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。 视线高和视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的重测数量，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，检核，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。3

电子水准仪测量原理此仪器利用近代电子工程学原理由传感器识别条形码水准尺上的条形码分画，经信息转换处理获得观测值，并以数字形式显示在显示窗口上或存储在处理器内。仪器的结构如图所示，仪器带自动安平补偿器，补偿范围为±12'。与仪器配套的水准尺为条纹编码尺——玻璃纤维塑料或钢尺。水准标尺为双面分画三段折接式，每段长度为1.35m，标尺总长为4.05m，其分画形式为条纹码和厘米分画。条纹码分画供电子水准仪观测时电子扫描用，标尺另一面的厘米分画可供光学水准仪观测时使用。

观测时，经自动调焦和自动整平后，水准尺条纹码分画影像映射到分光镜上，并将它分为两部分，一部分是可见光，通过十字丝和目镜，供照准用；另一部分是红外光射向探测器，并将望远镜接收到的光图像信息转换成电影像信号，并传输给信息处理器，与机内原有的关于水准尺的条纹码本源信息进行相关处理，于是就得出水准尺上水平视线处的读数。

使用电子水准仪测量既方便又准确，实现了水准测量自动化。近几年来徕卡公司又推出了更精密的数字水准仪NA3000，其观测精度更高。下图是NA2002、NA3003的测量原理示意图。4

电子水准仪工作原理作为一种新型的电子水准仪，它改变了传统的野外高差测量靠人工读数和手工记录的现实。电子水准仪采用REC模块存储数据和信息，将模块插入水准仪的插槽中，自动记录外业观测数据，用GIF 10或GIF 12阅读器读取内容并与外设(计算机、打印机)进行数据交换。

数据结构REC模块存储两种类型的信息单元：测量模块和信息模块。测量模块包括测过的数据和点数，信息模块包括外加的数据和手段。NA系列数字水准仪的数据式为GSI数据格式，数据按观测顺序以行形式记录。一行由几个数据段组成，每个数据段的长度固定为16个字符，最后一位为空格。

存储格式NA3003数字水准仪测量模块中每个数据行通常由2～6个数据段组成，每个数据行开始的第一个数据都存放数据行的编码号和点号，第二个数据段开始存放其它测量数据和信息。针对不同的测量程序、观测方法、测量内容，数据行中的数据段有不同的组合，这由程序自行设定。

数据通讯数据通讯是指将数据在不同设备之间进行传输的过程，计算机的通讯采用美国标准信息转换码(ASCII码)作为数据传输码。通讯方式有串行通讯和并行通讯两种。REC模块通过GIF10阅读器与计算机之间的数据传输就是采用串行通讯方式。因此，在数据通讯前除了用通讯电缆将GIF10阅读器与计算机串行口连接之外，还需要对通讯参数进行设置。只有双方参数设置一致，数据通讯才能顺利的进行，微机的通讯参数是通过通讯程序来进行设置。而GlF10阅读器是通过COMM功能来设置，要进行设置的通讯参数主要有以下几个部分：

(1)波特率 以每秒传送的位数表示数据传送速度。一般设置为2400；

(2)奇偶性检查 奇偶性检查是一种检验已传送的数据是否正确接收的方法；

(3)协议(也叫回答方式) 由于有多个数据模块需要传输，通常需要接收机来调节数据传送速度，它决定是否可以接收和处理更多的数据；

(4)结束符 发送机可在每个数据末尾发送一个结束符，GIF10发送一个CD或CD/LF结束符标记在数据、命令和信息的末尾，我们选择CD作为结束符；

(5)停止位 由于采用串行通讯方式，其数据传送将一位接一位顺序传送。因此停止位选择1Bit：

(6)连接 一个RS232接口使用两条数据线，一条用于发送数据(TXD)，一条用于接收数据(RXD)。这里有两种情况，数据通讯设备(DCE)或终端设备(DTE)重要的是GIF10数据输出要连到计算机上的数据接收(RXD)。5

电子水准仪使用方法1)安置仪器：电子水准仪的安置同光学水准仪。

2)整平：旋动脚螺旋使圆水准盒气泡居中。

3)输人测站参数：输入测站高程。

4)观测：将望远镜对准条纹水准尺，按仪器上的测量键。

5)读数：直接从显示窗中读取高差和高程。此外，还可获取距离等其它数据。4

使用注意事项在使用电子水准仪之前必须注意以下几点：

1)不要将镜头对准太阳，将仪器直接对准太阳会损伤观测员眼睛及损坏仪器内部电子

元件。在太阳较低或阳光直接射向物镜时，应用伞遮挡。 ’

2)条纹编码尺表面保持清洁，不能擦伤，仪器是通过读取尺子黑白条纹来转换成电信

号的，如果尺子表面粘上灰尘、污垢或擦伤，会影Plan量精度或根本无法测量。2