《電子水準儀》ppt課件

1、丈量工程與配備系丈量工程與配備系: : 范范 百百 興興20212021年年1212月月1414日日5.4 5.4 電子水準儀電子水準儀 1987 1987年，徠卡推出了世界上第一臺數(shù)字水準儀年，徠卡推出了世界上第一臺數(shù)字水準儀NA2000NA2000，開場了水準丈量的自動化，開場了水準丈量的自動化, ,主要數(shù)字水準儀主要數(shù)字水準儀及其原理如下及其原理如下: :1 1、相關法威特、相關法威特NA2000NA2000，Leica NA03/10Leica NA03/102 2、幾何法蔡司、幾何法蔡司DINI10/20DINI10/203 3、相位法、相位法 ( (拓普康拓普康DL101C/102

2、C)DL101C/102C)4 4、相關法、相關法2 2索佳索佳SDL30SDL30 國產數(shù)字水準儀能夠會在今后兩年內誕生國產數(shù)字水準儀能夠會在今后兩年內誕生. .一、數(shù)字水準儀產品NA2000世界第一1990Sokkia SDL302002Leica DNA03/101994Topcon DL-101/102Trimble DiNi12/DiNi22Topcon DL-1035.4 5.4 電子水準儀電子水準儀主要特點主要特點: 0.3mm / 0.7mm/km PCMCIA 數(shù)據存貯數(shù)據存貯 (DiNi12) 或在線數(shù)據存貯或在線數(shù)據存貯(DiNi22) 靜態(tài)的靜態(tài)的 30cm電子視場電子

3、視場 補償器置平精度補償器置平精度 0.2 / 0.5 放大倍率放大倍率 32x / 26x主要賣點主要賣點: 字母與數(shù)字鍵盤字母與數(shù)字鍵盤 線路平差線路平差 精度精度 0.3 mm 視場視場 = 30cm缺陷缺陷: 笨大笨大 較小的顯示窗較小的顯示窗 (4x21字符字符) 稍有點重稍有點重 較老式較老式 無圓水準器的照明無圓水準器的照明 無規(guī)范電池的概念無規(guī)范電池的概念 用用Trimble儀器的儀器的PCMCIA卡才干丈量卡才干丈量5.4 5.4 電子水準儀電子水準儀主要特點主要特點: 0.6mm / 1.0mm/km 內部數(shù)據存貯內部數(shù)據存貯 (2000個點個點) 120的電子視場的電子視

4、場 補償器置平精度補償器置平精度 0.3 放大倍率放大倍率 32x主要賣點主要賣點: 放大倍率放大倍率 丈量時間短丈量時間短 1.0 mm精度精度 120的視場的視場 價錢低價錢低缺陷缺陷: 按鍵少按鍵少 無字母數(shù)字鍵盤無字母數(shù)字鍵盤 顯示少顯示少4x21個字符個字符) 比較大比較大 無圓水準器照明無圓水準器照明 無規(guī)范電池概念無規(guī)范電池概念 只需內存只需內存/RS232 做一等水準差點做一等水準差點5.4 5.4 電子水準儀電子水準儀主要特點主要特點: 0.4mm / 1.0mm/km PCMCIA 卡數(shù)據存貯和內部數(shù)據存貯卡數(shù)據存貯和內部數(shù)據存貯 120的電子視場的電子視場 補償器置平精度

5、補償器置平精度 0.3 / 0.5 放大倍率放大倍率 32x / 30 x主要賣點主要賣點: 字母數(shù)字輸入字母數(shù)字輸入 5m 標尺標尺 內存和內存和 PCMCIA卡卡 120的視場角的視場角 缺陷缺陷: 顯示窗小顯示窗小 (2x8字符字符) 卡槽位于電池倉后卡槽位于電池倉后 無圓水準器照明無圓水準器照明 無規(guī)范電池概念無規(guī)范電池概念 內存小內存小(51KB)、PCMCIA( 256KB) 卡存貯才干小卡存貯才干小5.4 5.4 電子水準儀電子水準儀主要特點主要特點: 1.8mm/km RS232C 接口數(shù)據輸出接口數(shù)據輸出 130的電子視場的電子視場 補償器置平精度補償器置平精度 5 放大倍率

6、放大倍率 26x 主要賣點主要賣點: 較強的防雨功能較強的防雨功能 耗電少耗電少 分量輕分量輕 丈量時間短丈量時間短 (2秒秒)缺陷缺陷: 樣子笨樣子笨 顯示窗小顯示窗小 (128x32象素象素) 運用特征少運用特征少 無圓水準器照明無圓水準器照明 丈量間隔近丈量間隔近 (2-60m)5.4 5.4 電子水準儀電子水準儀雙側無限位雙側無限位微動螺旋微動螺旋鉆石般的圓水準器鉆石般的圓水準器(有照明有照明)帶有概略瞄準器帶有概略瞄準器的固定提把的固定提把低耗能電池低耗能電池字母數(shù)字字母數(shù)字鍵盤鍵盤RS232接口接口PCMCIA 卡卡優(yōu)秀的光學系統(tǒng)優(yōu)秀的光學系統(tǒng)可定制的顯示屏可定制的顯示屏5.4 5

7、.4 電子水準儀電子水準儀中軸位置中軸位置的丈量按鈕的丈量按鈕分別的分別的 DATA 和和 ESC 鍵鍵分別的開關鍵分別的開關鍵 獨立的獨立的的定位鍵的定位鍵內存內存:6000 丈量點或丈量點或1650個測站的前后視個測站的前后視出色的出色的設計和外型設計和外型寬大的寬大的LC顯示屏顯示屏可變的數(shù)據可變的數(shù)據輸出格式輸出格式5.4 5.4 電子水準儀電子水準儀DNA系列數(shù)字水準儀原理系列數(shù)字水準儀原理物鏡物鏡調焦發(fā)送器調焦發(fā)送器補償器補償器補償器監(jiān)視補償器監(jiān)視CCD探測器探測器分劃板分劃板分光鏡分光鏡目鏡目鏡調焦透鏡調焦透鏡5.4 5.4 電子水準儀電子水準儀一、相關法數(shù)字水準儀一、相關法數(shù)字

8、水準儀 水準標尺為偽隨機條水準標尺為偽隨機條碼，該條碼圖象已被存儲碼，該條碼圖象已被存儲在數(shù)字水準儀中作為參考在數(shù)字水準儀中作為參考信號。在條碼標尺上，最信號。在條碼標尺上，最窄的條碼寬為窄的條碼寬為2.025mm2.025mm，稱，稱為根本碼寬。在標尺上共為根本碼寬。在標尺上共有有20002000個根本碼，不同數(shù)個根本碼，不同數(shù)量的同顏色的根本碼相連量的同顏色的根本碼相連在一同，就構成了寬窄不在一同，就構成了寬窄不同的碼條。同的碼條。 5.4 5.4 電子水準儀電子水準儀 丈量信號與參考信號進展比丈量信號與參考信號進展比較的過程為相關過程較的過程為相關過程. . 先與標尺底部對齊，發(fā)現(xiàn)不一先

9、與標尺底部對齊，發(fā)現(xiàn)不一樣，然后往上挪動一個步距根樣，然后往上挪動一個步距根本碼寬本碼寬 再比較，直到兩碼一樣為止，再比較，直到兩碼一樣為止，也就是最正確相關位置時，也就是最正確相關位置時， 讀讀數(shù)就可以確定。數(shù)就可以確定。 經過挪動一個根本碼寬來得到經過挪動一個根本碼寬來得到粗讀數(shù)。然后再上下選取一定范粗讀數(shù)。然后再上下選取一定范圍，減少步距，進展精相關，就圍，減少步距，進展精相關，就可以得到足夠精度的讀數(shù)?？梢缘玫阶銐蚓鹊淖x數(shù)。 5.4 5.4 電子水準儀電子水準儀 二維相關法二維相關法 以一定步距改動儀器內部參考信號的以一定步距改動儀器內部參考信號的“寬寬 窄與窄與CCDCCD采集到的

10、丈量信號相比較采集到的丈量信號相比較 假設沒有一樣的兩信號，假設沒有一樣的兩信號， 那么再改動那么再改動 ，再，再 進展一維相關，進展一維相關， 直到信號一樣為止。直到信號一樣為止。 “寬窄一樣的兩信號相比較是求視野高寬窄一樣的兩信號相比較是求視野高 的過程，的過程， 一維是視距，一維是視距， 另一維是視野高另一維是視野高 二維相關之后視距就可以準確算出。二維相關之后視距就可以準確算出。 5.4 5.4 電子水準儀電子水準儀相關法標尺及相關原理4由于標尺到儀器的間隔不同，條碼在探測器上成像的“寬窄也將不同，丈量信號片段條碼的“寬窄會變化，引起相關困難。徠卡數(shù)字水準儀采用二維相關法，以一定步距改

11、動儀器內部參考信號的“寬窄與CCD采集到的丈量信號相比較，假設沒有一樣的兩信號， 那么再改動 ，再進展一維相關， 直到信號一樣為止。參考信號的“寬窄與視距是對應的?！皩捳粯拥膬尚盘栂啾容^是求視野高的過程，在此二維相關中， 一維是視距， 另一維是視野高，二維相關之后視距就可以準確算出。 5.4 5.4 電子水準儀電子水準儀 可以想象從原始參考信號一步一步縮放比較的相關的計算量會很大， 使讀數(shù)時間過長。為了縮短讀數(shù)時間，徠卡數(shù)字水準儀內部設計有調焦挪動量傳感器采集調焦鏡的挪動量，由此可以反算出概略視距，初步可以確定物像比例。 對儀器內部的參考信號的“寬窄進展縮放，使其接近探測器采集到的丈量信號的

12、“寬窄，然后再進展二維相關。這樣可以減少的相關計算量使讀數(shù)時間縮短到秒以內。 調焦挪動傳感器調焦挪動傳感器5.4 5.4 電子水準儀電子水準儀 偽隨機碼簡介偽隨機碼簡介 偽隨機碼屬于二進制碼，它的構造可以預偽隨機碼屬于二進制碼，它的構造可以預先確定，并且可以反復產生和復制，另一方先確定，并且可以反復產生和復制，另一方面它還具有隨機特性，即統(tǒng)計特性。這種碼面它還具有隨機特性，即統(tǒng)計特性。這種碼用在數(shù)字水準儀中具有可以在用在數(shù)字水準儀中具有可以在1.8100m1.8100m間隔間隔內運用相關法的特點。內運用相關法的特點。 標尺上的白碼條或黃碼條在標尺上的白碼條或黃碼條在CCDCCD器件上產器件上產

13、生光電流，在電路上為高電平，我們用二進生光電流，在電路上為高電平，我們用二進制的制的“1 1表示，相反黑碼條用表示，相反黑碼條用“0 0表示。從表示。從條碼標尺上丈量得到的徠卡儀器的參考碼序條碼標尺上丈量得到的徠卡儀器的參考碼序列為：列為：P=110100011011111011111000111011101P=110100011011111011111000111011101000000100100110100000010010011015.4 5.4 電子水準儀電子水準儀蔡司蔡司Dini 10/205.4 5.4 電子水準儀電子水準儀二、幾何法數(shù)字水準儀二、幾何法數(shù)字水準儀2、幾何法條碼標

14、尺系列的標尺每劃分為一個丈量間距，其中的碼條構成一個碼詞，每個丈量間距的邊境由黑白過渡線構成，其下邊境到標尺底部的高度，可由該丈量間距中的碼詞判讀出來，就象區(qū)格式標尺上的注記一樣I系列丈量時，只利用中絲的上下兩邊各cm的標尺截距，也就是個丈量間距來計算視距和視野高。 5.4 5.4 電子水準儀電子水準儀2、幾何法丈量原理圖中Gi為某丈量間距的下邊境，Gi+1為上邊境，它們在CD行陣上的成像為Bi及Bi+1。它們到光軸中絲的間隔分別用用i及i+1表示。上象素的寬度是己知的，這兩間隔在C上所占象素的個數(shù)可以由輸出的信號得知，因此可以算出i和i+1，也就是說i和i+1是計算視距和視野高的己知數(shù)。i和

15、i+1在光軸之上方為負值，在光軸之下方取正值。假設在標尺上看，那么是在光軸之上為正, 反之為負。 5.4 5.4 電子水準儀電子水準儀幾何法丈量原理為丈量間距長cm，用第個丈量間距來丈量時，那么物象比 i=g /bi+1bi 視野高讀數(shù)為： Hi=g(Ci+l/2)-A(bi+1+bi)/2 i 是第個丈量間距從標尺底部數(shù)起的序號，可由所屬碼詞判讀出來 5.4 5.4 電子水準儀電子水準儀幾何法丈量原理為了提高丈量精度，系列取個丈量間距平均來計算，也就是取標尺上中絲上下各的范圍，即個丈量間距取平均來計算。 5.4 5.4 電子水準儀電子水準儀3、相位法光路表示圖標尺的條碼像經望遠鏡、物鏡、調焦

16、鏡、補償器標尺的條碼像經望遠鏡、物鏡、調焦鏡、補償器的光學零件和分光鏡后，分成兩路：的光學零件和分光鏡后，分成兩路： 一路成像在線陣上，用于進展光電轉換；一路成像在線陣上，用于進展光電轉換； 另一路成像在分劃板上，供目視觀測。另一路成像在分劃板上，供目視觀測。 5.4 5.4 電子水準儀電子水準儀三、拓普康數(shù)字水準儀的相位法三、拓普康數(shù)字水準儀的相位法相位法標尺編碼有三種不同的碼條：表示參考碼，其中有三條mm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mm就有一組碼條反復出現(xiàn)。在每組碼條左邊mm處有一道黑色的碼條。在每組一參考碼的右邊1mm為一道黑

17、色的碼條。每組碼條兩邊的和碼條的寬窄不一樣。實踐上 和 碼條的寬度是在1到 mm之間變化，這兩種碼包含了水準丈量時的高度信息。其中碼條的周期為600mm，碼條的周期為570 mm RRBBBAAP10mm5.4 5.4 電子水準儀電子水準儀相位法標尺編碼在標尺長度方向上就構成了亮暗強度按正弦規(guī)律周期變化的亮度波。在圖中條碼的上面畫出了波形?？v坐標表示黑條碼的寬度，橫坐標是標尺的長度。實線為碼的亮度波，虛線為碼的亮度波。由于和兩條碼變化的周期不同，也可以說和亮度波的波長不同，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。這種相位差就好象傳統(tǒng)水準標尺上的分劃，可由它標出標尺的長度。只需能測出

18、標尺某處的相位差，也就可以知道該處到標尺底部的高度，由于相位差可以做到和標尺長度一一對應，即具有單值性，這也是適中選擇兩亮度波的波長的緣由。在L-101C中，碼的周期為，碼的周期為，它們的最小公倍數(shù)為，因此在長的標尺上不會有一樣的相位差。為了確保標尺低端面，或說相位差分劃的端點相位差具有獨一性，和碼的相位在此錯開了。 600mm570mmRA碼B碼5.4 5.4 電子水準儀電子水準儀相位法信號分析人工處置丈量信號是很費事的，而且很費時間。在系列中采用快速傅里葉變換計算方法將丈量信號在信號分析器中分解成三個頻率分量。由和B兩信號的相位求相位差，即得到視野高讀數(shù)。這只是粗讀數(shù)，由于視距不同時，標尺上的波長與丈量信號波長的比例不同。雖然在同一視距上和的波長比例一樣，可以求出相位差，或說是視野高，但是可以想象其精度并不高。 5.4 5.4 電子水準儀電子水準儀相位法信號分析碼是為了提高讀數(shù)精度和求視距而安排的。設兩組碼之間的間距為P30 mm, 它在行陣上成像所占象素的個數(shù)為，象素寬為b25m,