數(shù)字水準(zhǔn)儀產(chǎn)品及原理介紹_第1頁
數(shù)字水準(zhǔn)儀產(chǎn)品及原理介紹_第2頁
數(shù)字水準(zhǔn)儀產(chǎn)品及原理介紹_第3頁
數(shù)字水準(zhǔn)儀產(chǎn)品及原理介紹_第4頁
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數(shù)字水準(zhǔn)儀工作原理JLXZT@解放軍信息工程大學(xué)測繪學(xué)院測量工程與裝備系蔣理興歡迎各位朋友惠顧?quán)嵵?2/17/20221一、數(shù)字水準(zhǔn)儀產(chǎn)品NA2000(世界第一)1990SokkiaSDL302002LeicaDNA03/101994TopconDL-101/102TrimbleDiNi12/DiNi22TopconDL-10312/17/20222二、競爭對手–TrimbleDiNi12/DiNi22

主要特點:

0.3mm/0.7mm/km

PCMCIA數(shù)據(jù)存貯(DiNi12)或在線數(shù)據(jù)存貯(DiNi22)

靜態(tài)的30cm電子視場 補(bǔ)償器置平精度0.2?

/0.5?

放大倍率32x/26x主要賣點: 字母與數(shù)字鍵盤

線路平差 精度0.3mm 視場=30cm缺點: 笨大

較小的顯示窗(4x21字符) 稍有點重 較老式 無圓水準(zhǔn)器的照明 無標(biāo)準(zhǔn)電池的概念 用 Trimble儀器的PCMCIA卡才能測量12/17/20223競爭對手-SokkiaSDL30

主要特點:

0.8mm/1.0mm/km

內(nèi)部數(shù)據(jù)存貯(2000個點)

1°20’的電子視場 補(bǔ)償器置平精度0.3?

放大倍率32x主要賣點: 放大倍率

測量時間短 1.0mm精度 1°20’的視場 價格低缺點: 按鍵少

無字母數(shù)字鍵盤

顯示少(4x21個字符) 比較大 無圓水準(zhǔn)器照明 無標(biāo)準(zhǔn)電池概念 只有內(nèi)存/RS23212/17/20224競爭對手-TopconDL–101/102主要特點:

0.4mm/1.0mm/km

PCMCIA卡數(shù)據(jù)存貯和內(nèi)部數(shù)據(jù)存貯

1°20’的電子視場 補(bǔ)償器置平精度0.3?

/0.5? 放大倍率32x/30x主要賣點: 字母數(shù)字輸入

5m標(biāo)尺 內(nèi)存和PCMCIA卡 1°20’的視場角缺點: 顯示窗小(2x8字符)

卡槽位于電池倉后 無圓水準(zhǔn)器照明 無標(biāo)準(zhǔn)電池概念 內(nèi)存小(51KB)、PCMCIA(256KB)卡存貯能力小

12/17/20225競爭對手-TopconDL–103主要特點:

1.8mm/km

RS232C接口數(shù)據(jù)輸出

1°30’的電子視場 補(bǔ)償器置平精度5” 放大倍率26x主要賣點: 較強(qiáng)的防雨功能

耗電少 重量輕 測量時間短(2秒)缺點: 樣子笨

顯示窗小(128x32象素) 應(yīng)用特色少 無圓水準(zhǔn)器照明 測量距離近(2-60m)12/17/20226競爭對手–Internet查詢更多的信息:12/17/20227三、LeicaDNA03/10的特性和優(yōu)點1重量輕.直觀好用的字母數(shù)字鍵盤(TPS700概念)。大存貯容量.閃存.PCMCIA卡槽.RS232接口. 易提,易搬??s短了學(xué)習(xí)時間.快速、容易、方便的數(shù)據(jù)存貯,無電纜,可處理大的任務(wù)。長期保存數(shù)據(jù)不用電。

易進(jìn)行野外與辦公室的數(shù)據(jù)傳輸??稍黾油獠繑?shù)據(jù)采集器。特性優(yōu)點12/17/20228LeicaDNA03/10的特性和優(yōu)點28行24字符的大屏幕顯示機(jī)載程序功能用戶鍵。 程序鍵。 顯示屏液晶加熱易讀數(shù)。減少了外部計算。快速進(jìn)入用戶自定義的操作,在線程序和編碼功能。可在寒冷條件下繼續(xù)工作。特性優(yōu)點12/17/20229LeicaDNA03/10的特性和優(yōu)點3雙側(cè)無限位微動螺旋鉆石般的圓水準(zhǔn)器(有照明)帶有概略瞄準(zhǔn)器的固定提把低耗能電池字母數(shù)字鍵盤RS232接口PCMCIA卡優(yōu)秀的光學(xué)系統(tǒng)可定制的顯示屏12/17/202210LeicaDNA03/10的的特特性性和和優(yōu)優(yōu)點點4中軸軸位位置置的測測量量按按鈕鈕分離離的的DATA和和ESC鍵鍵分離離的的開開關(guān)關(guān)鍵鍵獨立立的的的定定位位鍵鍵內(nèi)存存:6000測測量量點點或或1650個個測測站站的的前前后后視視杰出出的的設(shè)計計和和外外型型寬大大的的LC顯顯示示屏屏可變變的的數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)輸出出格格式式12/12/202211‘你你所所要要用用的的’’-應(yīng)應(yīng)用用程程序序和和功功能能機(jī)機(jī)內(nèi)內(nèi)即即時時調(diào)調(diào)用用應(yīng)用用簡簡單單,,操操作作容容易易在線線作作業(yè)業(yè)管管理理按當(dāng)當(dāng)?shù)氐匦栊枨笄蟾母闹浦骑@顯示示內(nèi)內(nèi)容容用戶戶可可定定義義數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)輸輸出出格格式式DNA系系列列軟軟件件––概概要要12/12/202212DNA系系列列的的外外部部特特性性顯示示內(nèi)內(nèi)容容可可按按層層、、名名稱稱和和流流程程定定制制固件件是是可可升升級級儀器器軟軟件件接接口口上上載載通過過PCMCIA卡卡輸輸出出數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)12/12/202213四、、數(shù)數(shù)字字水水準(zhǔn)準(zhǔn)儀儀工工作作原原理理1、、相相關(guān)關(guān)法法((威威特特NA2000,,LeicaNA03/10))2、、幾幾何何法法((蔡蔡司司DINI10/20))3、、相相位位法法(拓拓普普康康DL101C/102C)12/12/2022141、相相關(guān)法法-儀器光光路示示意圖圖LeicaDNA系列列數(shù)字字水準(zhǔn)準(zhǔn)儀采采用相相關(guān)法法12/12/202215相關(guān)法法—標(biāo)標(biāo)尺及及相關(guān)關(guān)原理理(1)徠卡數(shù)數(shù)字水水準(zhǔn)儀儀配套套的水水準(zhǔn)標(biāo)標(biāo)尺為為偽隨隨機(jī)條條碼,,該條條碼圖圖象已已被存存儲在在數(shù)字字水準(zhǔn)準(zhǔn)儀中中作為為參考考信號號。在在條碼碼標(biāo)尺尺上,,最窄窄的條條碼寬寬為2.025mm(黑黑的、、黃的的或白白的)),稱稱為基基本碼碼寬。。在標(biāo)標(biāo)尺上上共有有2000個基基本碼碼(指指4.05m的的標(biāo)尺尺),,不同同數(shù)量量的同同顏色色的基基本碼碼相連連在一一起,,就構(gòu)構(gòu)成了了寬窄窄不同同的碼碼條。。12/12/202216相關(guān)法法—標(biāo)標(biāo)尺及及相關(guān)關(guān)原理理(2)測量信信號與與參考考信號號進(jìn)行行比較較,這就是是相關(guān)關(guān)過程程,稱為相相關(guān)。。例如如先與與標(biāo)尺尺底部部對齊齊,發(fā)發(fā)現(xiàn)不不相同同,然然后往往上移移動一一個步步距((基本本碼寬寬),,再比比較,,直到到兩碼碼相同同為止止,或或說兩兩信號號相同同為止止,也也就是是最佳佳相關(guān)關(guān)位置置時,,讀數(shù)就就可以以確定定。如如圖中中的00.116m。移移動一一個基基本碼碼寬來來進(jìn)行行比較較的精精度是是不夠夠的,,但是是可以以作為為粗相相關(guān)過過程,,得到到粗讀讀數(shù)。。再在在粗讀讀數(shù)上上下選選取一一定范范圍,,減少少步距距,進(jìn)進(jìn)行精精相關(guān)關(guān),就就可以以得到到精度度足夠夠的讀讀數(shù)。。12/12/202217相關(guān)法——標(biāo)尺及及相關(guān)原原理(3)由于標(biāo)尺尺到儀器器的距離離不同,,條碼在在探測器器上成像像的“寬寬窄”也也將不同同,測量量信號片片段條碼碼的“寬寬窄”會會變化,,引起相相關(guān)困難難。徠卡卡數(shù)字水水準(zhǔn)儀采采用二維維相關(guān)法法,以一一定步距距改變儀儀器內(nèi)部部參考信信號的““寬窄””與CCD采集集到的測測量信號號相比較較,如果果沒有相相同的兩兩信號,,則再再改變,,再進(jìn)進(jìn)行一維維相關(guān),,直到到信號相相同為止止。參考考信號的的“寬窄窄”與視視距是對對應(yīng)的。?!皩捳毕嗤膬尚判盘栂啾缺容^是求求視線高高的過程程,在此此二維相相關(guān)中,,一維維是視距距,另另一維是是視線高高,二維維相關(guān)之之后視距距就可以以精確算算出。12/12/202218相關(guān)法——標(biāo)尺及及相關(guān)原原理(4)由于標(biāo)尺尺到儀器器的距離離不同,,條碼在在探測器器上成像像的“寬寬窄”也也將不同同,測量量信號片片段條碼碼的“寬寬窄”會會變化,,引起相相關(guān)困難難。徠卡卡數(shù)字水水準(zhǔn)儀采采用二維維相關(guān)法法,以一一定步距距改變儀儀器內(nèi)部部參考信信號的““寬窄””與CCD采集集到的測測量信號號相比較較,如果果沒有相相同的兩兩信號,,則再再改變,,再進(jìn)進(jìn)行一維維相關(guān),,直到到信號相相同為止止。參考考信號的的“寬窄窄”與視視距是對對應(yīng)的。?!皩捳毕嗤膬尚判盘栂啾缺容^是求求視線高高的過程程,在此此二維相相關(guān)中,,一維維是視距距,另另一維是是視線高高,二維維相關(guān)之之后視距距就可以以精確算算出。12/12/202219相關(guān)法——標(biāo)尺及及相關(guān)原原理(5)移動一個個基本碼碼寬來進(jìn)進(jìn)行比較較的精度度是不夠夠的,但但是可以以作為粗粗相關(guān)過過程,得得到粗讀讀數(shù)。再再在粗讀讀數(shù)上下下選取一一定范圍圍,減少少步距,,進(jìn)行精精相關(guān),,就可以以得到精精度足夠夠的讀數(shù)數(shù)。12/12/202220相關(guān)法——調(diào)焦移移動傳感感器可以想象象從原始始參考信信號一步步一步縮縮放比較較的相關(guān)關(guān)的計算算量會很很大,使使讀數(shù)數(shù)時間過過長。為為了縮短短讀數(shù)時時間,徠徠卡數(shù)字字水準(zhǔn)儀儀內(nèi)部設(shè)設(shè)計有調(diào)調(diào)焦移動動量傳感感器采集集調(diào)焦鏡鏡的移動動量,由由此可以以反算出出概略視視距,初初步可以以確定物物像比例例。對對儀器內(nèi)內(nèi)部的參參考信號號的“寬寬窄”進(jìn)進(jìn)行縮放放,使其其接近探探測器采采集到的的測量信信號的““寬窄””,然后后再進(jìn)行行二維相相關(guān)。這這樣可以以減少880%的的相關(guān)計計算量..使讀數(shù)數(shù)時間縮縮短到44秒以內(nèi)內(nèi)。12/12/202221相關(guān)法——電子原原理調(diào)焦編碼器補(bǔ)償器監(jiān)視CCD讀出電子部件ADACCU500mAh模塊信號處理芯片8BitCPUGatearray門陣列鍵盤顯示屏GSI接口機(jī)外電源機(jī)外接口鍵盤和測量按鈕調(diào)焦透鏡位置條碼影像視頻信號CCD(ChargeCoupledDevice)是由按照照一定規(guī)規(guī)律排列列的MOOS(金金屬一氧氧化物一一半導(dǎo)體體)電容容器陣列列組成的的移位寄寄存器,,線陣CCCD長長約6.5mm,由由中心距距為225μm的2256個個光敏二二極管組組成.其其光敏窗窗口寬度度為255μm。。一個光光敏窗口口也稱一一個象素素(或象象元)。。12/12/202222相關(guān)法——偽隨機(jī)機(jī)碼簡介介偽隨機(jī)碼碼屬于二二進(jìn)制碼碼,它的的結(jié)構(gòu)可可以預(yù)先先確定,,并且可可以重復(fù)復(fù)產(chǎn)生和和復(fù)制,,另一方方面它還還具有隨隨機(jī)特性性,即統(tǒng)統(tǒng)計特性性。GPS中的的載波就就是用這這種偽隨隨機(jī)碼調(diào)調(diào)制的。。該碼由由線性移移位寄存存器產(chǎn)生生。這種種碼用在在數(shù)字水水準(zhǔn)儀中中具有可可以在1.8——100m距離離內(nèi)使用用相關(guān)法法的特點點。標(biāo)尺上的的白碼條條或黃碼碼條在CCD器器件上產(chǎn)產(chǎn)生光電電流,在在電路上上為高電電平,我我們用二二進(jìn)制的的“1””表示,,相反黑黑碼條用用“0””表示。。從條碼碼標(biāo)尺上上測量得得到的徠徠卡儀器器的參考考碼序列列為:{P}=1101000110111110111110001110111……01000000100100110112/12/202223相關(guān)法——相關(guān)函函數(shù)假定望遠(yuǎn)遠(yuǎn)鏡從條條碼標(biāo)尺尺上截取取的條碼碼片段經(jīng)經(jīng)電子部部件處理理后得到到的測量量碼序列列為:{Q}=100011011111011111000則相關(guān)函函數(shù)表示示為:式中:N為測量量碼序列列中碼元元的個數(shù)數(shù);i=1,2,…,N為測量量碼序列列中碼元元的序號號;表表示示模二和和運算。。t=0,1,.2,……,M-N-1,是移位相相關(guān)的次次數(shù),而而步距為為一個碼碼元M為參考碼碼元的個個數(shù);表示兩序序列中相相同元素素的個數(shù)數(shù)和減去去不同元元素的個個數(shù)和。。相關(guān)系數(shù)數(shù)表示為為:+12/12/202224相關(guān)關(guān)法法——相相關(guān)關(guān)示示例例模二二和和的的運運算算規(guī)規(guī)則則如如下下::0⊕⊕0=10⊕⊕1=01⊕⊕0=01⊕⊕1=1設(shè)t=0,{P}=110100011011111011111{Q}=100011011111011111000相關(guān)關(guān)函函數(shù)數(shù)序序列列{R}=101000111011011011000由由此此得得相相關(guān)關(guān)函函數(shù)數(shù)R0=11--10==1相相關(guān)關(guān)系系數(shù)數(shù)ρ0=1/21=0.05P=1101000110111110111110001110111……Q=100011011111011111000R=11010001011101011100112/12/202225相關(guān)關(guān)法法——相相關(guān)關(guān)示示例例設(shè)t=1,::{P}=101000110111110111110{Q}=100011011111011111000{R}=110100010111010111001此相相關(guān)關(guān)函函數(shù)數(shù)R1=12--9==3相相關(guān)關(guān)系系數(shù)數(shù)ρρ1=3//21==0.14同理理有有t=2時時R2=13--8==5ρρ2=5/21=0.2412/12/202226相關(guān)法—相關(guān)關(guān)示例t=3時R3=21-0=21ρρ3=1t=4時時R4=11-10=1ρρ4=0.05t=5時R5=10-11=-1ρρ5=-0.05t=6時R6=9-12==-3ρρ6=-0.14條碼片段的下下邊界到標(biāo)尺尺低端:h=b×t=2.025×3=6.75(mm)12/12/202227相關(guān)法——二二維相關(guān)徠卡數(shù)字水準(zhǔn)準(zhǔn)儀的數(shù)值處處理以相關(guān)原原理為基礎(chǔ)。。這就是將儀儀器“巳知的的”代碼,即即式(1-2)所示的二二進(jìn)制碼同行行陣傳感器上上標(biāo)尺條碼成成像經(jīng)處理構(gòu)構(gòu)成的測量信信號進(jìn)行比較較。數(shù)字水準(zhǔn)準(zhǔn)儀運用相關(guān)關(guān)方法時需要要優(yōu)化的兩個個參數(shù),也就就是“視線高高”和“物象象比”。儀器器的視線高表表現(xiàn)為標(biāo)尺條條碼像在線性性傳感器CCD上的上下下的位移,另另一方面標(biāo)尺尺上的條碼與與其成象的物物象比取決于于儀器到標(biāo)尺尺的距離,或或說物象比是是視距的函數(shù)數(shù)。因此在徠徠卡數(shù)字水準(zhǔn)準(zhǔn)儀中,二維維離散相關(guān)系系數(shù)為:式中:ρPQ為Q和P之間間的相關(guān)系數(shù)數(shù);QQ(y)為測測量信號;PP(dd,y-h(huán)))為參考信號號;d為視距;;h為為視線高。。12/12/2022282、幾何法———光路示意意圖蔡司DINII10/200采用幾何法法原理讀數(shù)。。12/12/2022292、幾何法———條碼標(biāo)尺尺DINI系列列的標(biāo)尺每22cm劃分為為一個測量間間距,其中的的碼條構(gòu)成一一個碼詞,每個測量間間距的邊界由由黑白過渡線線構(gòu)成,其下下邊界到標(biāo)尺尺底部的高度度,可由該測測量間距中的的碼詞判讀出出來,就象區(qū)區(qū)格式標(biāo)尺上上的注記一樣樣DINI系列列測量時,只只利用中絲的的上下兩邊各各15cm的的標(biāo)尺截距,,也就是155個測量間距距來計算視距距和視線高。。12/12/2022302、幾何法———測量原理理圖中Gi為某測量間距距的下邊界,,Gi+1為上邊界,它它們在CCD行陣上的成像像為Bi及Bi+1。它們到光軸軸(中絲)的的距離分別用用用bi及bi+1表示。CCDD上象素的寬寬度是己知的的,這兩距離離在CCD上所占象素素的個數(shù)可以以由CCD輸輸出的信號得得知,因此可可以算出bi和bi+1,也就是說bbi和bi+1是計算視距和和視線高的己己知數(shù)。bi和bi+1在光軸之上方方為負(fù)值,在在光軸之下方方取正值。如果在標(biāo)尺上上看,則是在在光軸之上為為正,反之為負(fù)。12/12/202231幾何法——測測量原理g為測量間距距長(2cm),用第ii個測量間距距來測量時,,則物象比Ai=g/(bi+1-bi)視線高讀數(shù)為為:Hi=g(Ci+l/2)-A(bi+1+bi)/2Ci是第i個測量量間距從標(biāo)尺尺底部數(shù)起的的序號,可由由所屬碼詞判判讀出來12/12/202232幾何法——測測量原理為了提高測量量精度,DIINi系列取取N個測量間間距平均來計計算,也就是是取標(biāo)尺上中中絲上下各115cm的范范圍,即155個測量間距距取平均來計計算。12/12/2022333、相位法法——光路路示意圖拓普康數(shù)字字水準(zhǔn)儀DDL101C/1022C采用相相位法。望望遠(yuǎn)鏡光路路見圖1—11。標(biāo)尺的條條碼像經(jīng)望望遠(yuǎn)鏡、物物鏡、調(diào)焦焦鏡、補(bǔ)償償器的光學(xué)學(xué)零件和分分光鏡后,,分成兩路路。一路成成像在CCCD線陣上上,用于進(jìn)進(jìn)行光電轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換;另一一路成像在在分劃板上上,供目視視觀測。12/12/202234相位法———標(biāo)尺編碼碼有三種不同的的碼條,RR表示參考考碼,其中中有三條22mm寬的的黑色碼條條,每兩條條黑色碼條條之間是一一條1mm寬的黃色色碼條,以以中間的黑黑碼條的中中心線為準(zhǔn)準(zhǔn),每隔330mm就就有一組RR碼條重復(fù)復(fù)出現(xiàn)。在在每組R碼碼條左邊110mm處處有一道黑黑色的B碼碼條。在每每組一參考考碼R的右右邊10mm為一道道黑色的AA碼條。每每組R碼條條兩邊的AA和B碼條條的寬窄不不相同。實際上AA和B碼碼條的寬度度是在1到到10mm之間變變化,這兩兩種碼包含含了水準(zhǔn)測測量時的高高度信息。。其中A碼碼條的周期期為600mm,BB碼條的周周期為570mm12/12/202235相位法———標(biāo)尺編碼碼在標(biāo)尺長度度方向上就就形成了亮亮暗強(qiáng)度按按正弦規(guī)律律周期變化化的亮度波波。在圖中中條碼的上上面畫出了了波形??v縱坐標(biāo)表示示黑條碼的的寬度,橫橫坐標(biāo)是標(biāo)標(biāo)尺的長度度。實線為A碼碼的亮度波波,虛線為為B碼的亮亮度波。由于A和和B兩條碼碼變化的周周期不同,,也可以說說A和B亮亮度波的波波長不同,,在標(biāo)尺長度方方向上的每每一位置上上兩亮度波波的相位差差也不同。這種相位位差就好象象傳統(tǒng)水準(zhǔn)準(zhǔn)標(biāo)尺上的的分劃,可可由它標(biāo)出出標(biāo)尺的長長度。只要要能測出標(biāo)標(biāo)尺某處的的相位差,,也就可以以知道該處處到標(biāo)尺底底部的高度度,因為相相

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