無核密度儀1963 年Fennel廠研制出了編碼經緯儀,加上四十年代已經出現(xiàn)的電磁波測距技術,隨著光電技術、計算機技術和精密機械的發(fā)展,到八十年代已開始普遍使用電子測角和電子測距技術,然而到八十年代末水準測量還在使用傳統(tǒng)儀器。瀝青無核密度儀這是由于水準儀和水準標尺不僅在空間上是分離的,土壤無核密度儀而且兩者的距離可以以1米多變化到100米,因此在技術上引起數(shù)字化讀數(shù)的困難。
電子水準儀又稱數(shù)字水準儀,
旋轉壓實儀它是在自動安平水準儀的基礎上發(fā)展起來的。它采用條碼標尺,各廠家標尺編碼的條碼圖案不相同,不能互換使用。目前照準標尺和調焦仍需目視進行。人工完成照準和調焦之后,標尺條碼一方面被成像在望遠鏡分化板上,供目視觀測,另一方面通過望遠鏡的分光鏡,標尺條碼又被成像在光電傳感器(又稱探測器)上,即線陣CCD器件上,供電子讀數(shù)。因此,如果使用傳統(tǒng)水準標尺,電子水準儀又可以象普通自動安平水準儀一樣使用。不過這時的測量精度低于電子測量的精度。特別是精密電子水準儀,由于沒有光學測微器,當成普通自動安平水準儀使用時,其精度更低。
當前電子水準儀采用了原理上相差較大的三種自動電子讀數(shù)方法:
1)相關法(徠卡NA3002/3003)
2) 幾何法(蔡司DiNi10/20)
3) 相位法(拓普康DL101C/102C)
1.3 相位法原理
拓普康電子水準儀DL101C/102C采用相位法。標尺的條碼象經望遠鏡、調焦鏡、補償器的光學零件和分光鏡后,分成兩路,一路成像在CCD線陣上,用于進行光電轉換,另一路成像在分劃板上,供目視觀測。DL101標尺上部份條碼的圖案,其中有三種不同的碼條。R表示參考碼,其中有三條2mm寬的黑色碼條,每兩條黑色碼條之間是一條1mm寬的黃色碼條。以中間的黑碼條的中心線為準,每隔30mm就有一組R碼條重復出現(xiàn)。在每組R碼條左邊10mm處有一道黑色的B碼條。在每組參考碼R的右邊10mm處為一道黑色的A碼條。讀者不難發(fā)現(xiàn),每組R碼條兩邊的A和B碼條的寬窄不相同,實際上A和B碼條的寬度是在0到10mm之間變化,這兩種碼包含了水準測量時的高度信息。儀器設計時有意安排了它們的寬度按正弦規(guī)律變化。其中A碼條的周期為600mm,B碼條的周期為570mm。當然,R碼條組兩邊的黃碼條寬度也是按正弦規(guī)律變化的,這樣在標尺長度方向上就形成了亮暗強度按正弦規(guī)律周期變化的亮度波。條碼的下面畫出了波形。縱坐標表示黑條碼的寬度,橫坐標市標尺的長度。實線為A碼的亮度波,虛線為B碼的亮度波。由于A和B兩條碼變化的周期不同,也可以說A和B亮度波的波長不同,在標尺長度方向上的每一位置上兩亮度波的相位差也不同。這種相位差就好像傳統(tǒng)水準標尺上的分劃,它可由標出標尺的長度。只要3能測出標尺底部某處的相位差,也就可由知道該處到標尺底部的高度,因為相位差可以作到和標尺長度一一對應,即具有單值性。這就是適當選則兩亮度波的波長,在DL101中A碼的周期為600mm,B碼的周期為570mm,它們的最小公倍數(shù)為11400mm,因此在3m長的標尺上不會有相同的相位差。為了確保標尺底端面,或說相位差分劃的端點相位差具有唯一性,A和B碼的相位在此錯過了π/2。
DL-102C的標尺與DL-101C的略有區(qū)別,DL-102C的標尺為白底黑條碼,A碼的波長為330mm,最小公倍數(shù)為3300mm。A和B碼在波長底部錯開的相位差為π。DL101-C的標尺與DL-102C的標尺可由互換使用。
當望遠鏡照準標尺后,標尺上某一段的條碼就成像在線陣CCD上,黃條碼使CCD產生光電流,隨條碼寬窄的改變,光電流強度也變化。將它進行模數(shù)轉換(A/D)后,得到不同的灰度值。視距在Δ0.6m時標尺上某小段成像到CCDA上經A/D轉換后,得到的不同灰度值(縱坐標),橫坐標是CCD上象素的序號,當灰度值逐一輸出時,橫軸就代表時間了。橫坐標標記的數(shù)字判斷,儀器采用了512個象素的線陣CCD。視距和視線高的信息的測量信號。
如何從上述測量信號中求出A和B兩亮度波的相位差呢?下文用測量人員容易理解的方式來說明。設想縱坐標的灰度值就是表示亮度大小的十進位數(shù)字,而且橫坐標尺寸已放大到和標尺尺寸一致。我們用一波長為600mm的正弦曲線中的離散灰度值曲線擬合,就可由得到A波的最大振幅和初相位。再用波長為570mm的正弦曲線,就可由得到B波的最大振幅和初相位。我們對最大振幅不太感興趣,因為隨著標尺上的照度不同,最大振幅在不同次數(shù)的測量中也不同,對我們求視線高無關緊要。我們求出的A和B兩亮度波的初相位之差就是高度數(shù)據。不過這是與CCD上第一個象素對應的位置到標尺底端面的高度。我們不難把它換算成CCD中點象素上的相位差,這就好像是中絲讀數(shù)。
象上述那樣人工處理測量信號是很麻煩的,而且很費時間。在DL系列中則采用快速傅里葉變換(FFT)計算方法將測量信號在信號分析器中分解成三個頻率分量。由A和B兩信號的相位求相位差,即得到視線高讀數(shù)。這只是初讀數(shù)。因為視距不同時,標尺上的波長與測量信號波長的比例不同。雖然在同一視距上A和B的波長相同,可由求出相位差,或說視線高,但是可以想象其精度并不高。
R碼是為了提高讀數(shù)精度和求視距二安排的。設兩組R碼的間距為P(=30mm),它在CCD行陣上成像所占的象素個數(shù)為Z,象素寬為D(=25μm),則P在CCD行陣上的成像長度為:L=Z*b(1-5),Z可由一信號分析中得出,b是CCD光敏窗口的寬度,因此l和P都為已知數(shù)據。根據幾何光學成像原理,可以象傳統(tǒng)儀器用視距絲測量距離的視距測量原理一樣求出視距:D=P/l*f(1-6),式中f是望遠鏡物鏡的焦距。同時還可以求出物象比A=P/l (1-7),于是將測量信號放大到與標尺上的一樣時,再進行相位測量,就可以精確得出相位差,即視線高。
電子水準儀的三種測量原理各有奧妙,三類儀器都經受了各種檢驗和實際測量的考驗,能勝任精密水準測量作業(yè)。拓普康公司在原理上能獨樹一幟,說明該公司具有雄厚的技術實力,市的值得信賴的公司。
1.4 電子水準儀的特點
1.4.1電子水準儀的共同特點
電子水準儀是以自動安平水準儀為基礎,在望遠鏡光路中增加了分光鏡和探測器(CCD),并采用條碼標尺和圖象處理電子系統(tǒng)二構成的光機電測一體化的高科技產品。采用普通標尺時,又可象一般自動安平水準儀一樣使用。 它與傳統(tǒng)儀器相比有以下共同特點:
1)讀數(shù)客觀。不存在誤差、誤記問題,沒有人為讀數(shù)誤差。
2)精度高。 視線高和視距讀數(shù)都是采用大量條碼分劃圖象經處理后取平均得出來的,因此削弱了標尺分劃誤差的影響。多數(shù)儀器都有進行多次讀數(shù)取平均的功能,可以削弱外界條件影響。不熟練的作業(yè)人員業(yè)也能進行高精度測量。
3)速度快。由于省去了報數(shù)、聽記、現(xiàn)場計算的時間以及人為出錯的重測數(shù)量,測量時間與傳統(tǒng)儀器相比可以節(jié)省1/3左右。
4)效率高。只需調焦和按鍵就可以自動讀數(shù),減輕了勞動強度。視距還能自動記錄,檢核,處理并能輸入電子計算機進行后處理,可實線內外業(yè)一體化。
1.4.2拓普康DL(C)系列的具體特點
拓普康DL系列作為電子水準儀家族中的一員。以高性能、低價格深受廣大用戶的歡迎。DL系列造型美觀、內置功能強、菜單功能豐富、操作界面友好,有各種信息提示,大大方便了實際操作。
主要特點為:
1)在字母狀態(tài)下,可輸入數(shù)字、大小寫字母及常用標點符號如(!"#%§$'()*_+@<>等)。
2)即可以進行自動測量(用條碼標尺,目前可使用三種標尺:鋁合金標尺SA-5M、玻璃纖維尺SG-3M和銦鋼尺SI-3/T或SI-3),又可以進行人工讀數(shù)(普通標尺)。
3)有多次測量、自動求平均值,統(tǒng)計測量誤差功能。
4)有三種線路水準測量模式:后前前后、后后前前、后前。給定測量限差值,儀器可自動判斷測量現(xiàn)差,超限時提示重測,能自動計算線路閉合差等。
5)DL系列有三種記錄模式:即RAM方式,直接存在儀器內部RAM中(128K),可存大約2400組數(shù)據:RS-232C方式,可通過電纜將測量數(shù)據存到外接計算機或用戶開發(fā)的電子手簿,進行聯(lián)機實時測量:OFF方式,測量結果只顯示在儀器屏幕上,不進行存儲。DL系列主機內存可存儲約1100個點的數(shù)據,并在前一型號DL系列基礎上增加了PCMCIA卡存儲功能。目前,PCMCIA卡的容量主要有256K、512K、1M。
6)雖然儀器的顯示屏較小,但保存在儀器內部的測量結果可在儀器上用SRCH鍵進行查閱。
7)具有高程放樣和測量水準支點的功能。
8)當測量鍵不起作用時(如光線太暗、遮擋太多時),可輸入人工測量的高程和平距讀數(shù),以使線路水準測量程序能繼續(xù)進行。
9)有倒置標尺功能,適合于天花板、地下水準測量。
10)DL(C)系列具有獨立的測距功能可方便地用于前、后視距離測量,精度為1Cm至5Cm
11)可用來概略測定水平角,精度到1度或1gon。
12)標尺為等間距分劃,可以象檢驗普通水準標尺一樣,檢驗它的分劃誤差。
13)儀器有i角檢驗程序,在野外可方便地進行i角檢驗。