《電子水準(zhǔn)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(zhǔn)儀電子水準(zhǔn)儀 1987 1987年，徠卡推出了世界上第一臺(tái)數(shù)字水準(zhǔn)儀年，徠卡推出了世界上第一臺(tái)數(shù)字水準(zhǔn)儀NA2000NA2000，開場(chǎng)了水準(zhǔn)丈量的自動(dòng)化，開場(chǎng)了水準(zhǔn)丈量的自動(dòng)化, ,主要數(shù)字水準(zhǔn)儀主要數(shù)字水準(zhǔn)儀及其原理如下及其原理如下: :1 1、相關(guān)法威特、相關(guān)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(guān)法、相關(guān)法2 2索佳索佳SDL30SDL30 國(guó)產(chǎn)數(shù)字水準(zhǔn)儀能夠會(huì)在今后兩年內(nèi)誕生國(guó)產(chǎn)數(shù)字水準(zhǔn)儀能夠會(huì)在今后兩年內(nèi)誕生. .一、數(shù)字水準(zhǔn)儀產(chǎn)品NA2000世界第一1990Sokkia SDL302002Leica DNA03/101994Topcon DL-101/102Trimble DiNi12/DiNi22Topcon DL-1035.4 5.4 電子水準(zhǔn)儀電子水準(zhǔn)儀主要特點(diǎn)主要特點(diǎn): 0.3mm / 0.7mm/km PCMCIA 數(shù)據(jù)存貯數(shù)據(jù)存貯 (DiNi12) 或在線數(shù)據(jù)存貯或在線數(shù)據(jù)存貯(DiNi22) 靜態(tài)的靜態(tài)的 30cm電子視場(chǎng)電子

3、視場(chǎng) 補(bǔ)償器置平精度補(bǔ)償器置平精度 0.2 / 0.5 放大倍率放大倍率 32x / 26x主要賣點(diǎn)主要賣點(diǎn): 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(chǎng)視場(chǎng) = 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(diǎn)重稍有點(diǎn)重 較老式較老式 無(wú)圓水準(zhǔn)器的照明無(wú)圓水準(zhǔn)器的照明 無(wú)規(guī)范電池的概念無(wú)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(zhǔn)儀電子水準(zhǔn)儀主要特點(diǎn)主要特點(diǎn): 0.6mm / 1.0mm/km 內(nèi)部數(shù)據(jù)存貯內(nèi)部數(shù)據(jù)存貯 (2000個(gè)點(diǎn)個(gè)點(diǎn)) 120的電子視場(chǎng)的電子視

4、場(chǎng) 補(bǔ)償器置平精度補(bǔ)償器置平精度 0.3 放大倍率放大倍率 32x主要賣點(diǎn)主要賣點(diǎn): 放大倍率放大倍率 丈量時(shí)間短丈量時(shí)間短 1.0 mm精度精度 120的視場(chǎng)的視場(chǎng) 價(jià)錢低價(jià)錢低缺陷缺陷: 按鍵少按鍵少 無(wú)字母數(shù)字鍵盤無(wú)字母數(shù)字鍵盤 顯示少顯示少4x21個(gè)字符個(gè)字符) 比較大比較大 無(wú)圓水準(zhǔn)器照明無(wú)圓水準(zhǔn)器照明 無(wú)規(guī)范電池概念無(wú)規(guī)范電池概念 只需內(nèi)存只需內(nèi)存/RS232 做一等水準(zhǔn)差點(diǎn)做一等水準(zhǔn)差點(diǎn)5.4 5.4 電子水準(zhǔn)儀電子水準(zhǔn)儀主要特點(diǎn)主要特點(diǎn): 0.4mm / 1.0mm/km PCMCIA 卡數(shù)據(jù)存貯和內(nèi)部數(shù)據(jù)存貯卡數(shù)據(jù)存貯和內(nèi)部數(shù)據(jù)存貯 120的電子視場(chǎng)的電子視場(chǎng) 補(bǔ)償器置平精度

5、補(bǔ)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(diǎn)主要賣點(diǎn): 字母數(shù)字輸入字母數(shù)字輸入 5m 標(biāo)尺標(biāo)尺 內(nèi)存和內(nèi)存和 PCMCIA卡卡 120的視場(chǎng)角的視場(chǎng)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(cāng)后卡槽位于電池倉(cāng)后 無(wú)圓水準(zhǔn)器照明無(wú)圓水準(zhǔn)器照明 無(wú)規(guī)范電池概念無(wú)規(guī)范電池概念 內(nèi)存小內(nèi)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(zhǔn)儀電子水準(zhǔn)儀主要特點(diǎn)主要特點(diǎn): 1.8mm/km RS232C 接口數(shù)據(jù)輸出接口數(shù)據(jù)輸出 130的電子視場(chǎng)的電子視場(chǎng) 補(bǔ)償器置平精度補(bǔ)償器置平精度 5 放大倍率

6、放大倍率 26x 主要賣點(diǎn)主要賣點(diǎn): 較強(qiáng)的防雨功能較強(qiáng)的防雨功能 耗電少耗電少 分量輕分量輕 丈量時(shí)間短丈量時(shí)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(yùn)用特征少運(yùn)用特征少 無(wú)圓水準(zhǔn)器照明無(wú)圓水準(zhǔn)器照明 丈量間隔近丈量間隔近 (2-60m)5.4 5.4 電子水準(zhǔn)儀電子水準(zhǔn)儀雙側(cè)無(wú)限位雙側(cè)無(wú)限位微動(dòng)螺旋微動(dòng)螺旋鉆石般的圓水準(zhǔn)器鉆石般的圓水準(zhǔn)器(有照明有照明)帶有概略瞄準(zhǔn)器帶有概略瞄準(zhǔn)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(xué)系統(tǒng)優(yōu)秀的光學(xué)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(zhǔn)儀電子水準(zhǔn)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(guān)鍵分別的開關(guān)鍵 獨(dú)立的獨(dú)立的的定位鍵的定位鍵內(nèi)存內(nèi)存:6000 丈量點(diǎn)或丈量點(diǎn)或1650個(gè)測(cè)站的前后視個(gè)測(cè)站的前后視出色的出色的設(shè)計(jì)和外型設(shè)計(jì)和外型寬大的寬大的LC顯示屏顯示屏可變的數(shù)據(jù)可變的數(shù)據(jù)輸出格式輸出格式5.4 5.4 電子水準(zhǔn)儀電子水準(zhǔn)儀DNA系列數(shù)字水準(zhǔn)儀原理系列數(shù)字水準(zhǔn)儀原理物鏡物鏡調(diào)焦發(fā)送器調(diào)焦發(fā)送器補(bǔ)償器補(bǔ)償器補(bǔ)償器監(jiān)視補(bǔ)償器監(jiān)視CCD探測(cè)器探測(cè)器分劃板分劃板分光鏡分光鏡目鏡目鏡調(diào)焦透鏡調(diào)焦透鏡5.4 5.4 電子水準(zhǔn)儀電子水準(zhǔn)儀一、相關(guān)法數(shù)字水準(zhǔn)儀一、相關(guān)法數(shù)字

8、水準(zhǔn)儀 水準(zhǔn)標(biāo)尺為偽隨機(jī)條水準(zhǔn)標(biāo)尺為偽隨機(jī)條碼，該條碼圖象已被存儲(chǔ)碼，該條碼圖象已被存儲(chǔ)在數(shù)字水準(zhǔn)儀中作為參考在數(shù)字水準(zhǔn)儀中作為參考信號(hào)。在條碼標(biāo)尺上，最信號(hào)。在條碼標(biāo)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(biāo)尺上共為根本碼寬。在標(biāo)尺上共有有20002000個(gè)根本碼，不同數(shù)個(gè)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(gòu)成了寬窄不在一同，就構(gòu)成了寬窄不同的碼條。同的碼條。 5.4 5.4 電子水準(zhǔn)儀電子水準(zhǔn)儀 丈量信號(hào)與參考信號(hào)進(jìn)展比丈量信號(hào)與參考信號(hào)進(jìn)展比較的過(guò)程為相關(guān)過(guò)程較的過(guò)程為相關(guān)過(guò)程. . 先與標(biāo)尺底部對(duì)齊，發(fā)現(xiàn)不一先

9、與標(biāo)尺底部對(duì)齊，發(fā)現(xiàn)不一樣，然后往上挪動(dòng)一個(gè)步距根樣，然后往上挪動(dòng)一個(gè)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(guān)位置時(shí)，也就是最正確相關(guān)位置時(shí)， 讀讀數(shù)就可以確定。數(shù)就可以確定。 經(jīng)過(guò)挪動(dòng)一個(gè)根本碼寬來(lái)得到經(jīng)過(guò)挪動(dòng)一個(gè)根本碼寬來(lái)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(jìn)展精相關(guān)，就圍，減少步距，進(jìn)展精相關(guān)，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(zhǔn)儀電子水準(zhǔn)儀 二維相關(guān)法二維相關(guān)法 以一定步距改動(dòng)儀器內(nèi)部參考信號(hào)的以一定步距改動(dòng)儀器內(nèi)部參考信號(hào)的“寬寬 窄與窄與CCDCCD采集到的

10、丈量信號(hào)相比較采集到的丈量信號(hào)相比較 假設(shè)沒(méi)有一樣的兩信號(hào)，假設(shè)沒(méi)有一樣的兩信號(hào)， 那么再改動(dòng)那么再改動(dòng) ，再，再 進(jìn)展一維相關(guān)，進(jìn)展一維相關(guān)， 直到信號(hào)一樣為止。直到信號(hào)一樣為止。 “寬窄一樣的兩信號(hào)相比較是求視野高寬窄一樣的兩信號(hào)相比較是求視野高 的過(guò)程，的過(guò)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(guān)之后視距就可以準(zhǔn)確算出。二維相關(guān)之后視距就可以準(zhǔn)確算出。 5.4 5.4 電子水準(zhǔn)儀電子水準(zhǔn)儀相關(guān)法標(biāo)尺及相關(guān)原理4由于標(biāo)尺到儀器的間隔不同，條碼在探測(cè)器上成像的“寬窄也將不同，丈量信號(hào)片段條碼的“寬窄會(huì)變化，引起相關(guān)困難。徠卡數(shù)字水準(zhǔn)儀采用二維相關(guān)法，以一定步距改

11、動(dòng)儀器內(nèi)部參考信號(hào)的“寬窄與CCD采集到的丈量信號(hào)相比較，假設(shè)沒(méi)有一樣的兩信號(hào)， 那么再改動(dòng) ，再進(jìn)展一維相關(guān)， 直到信號(hào)一樣為止。參考信號(hào)的“寬窄與視距是對(duì)應(yīng)的?！皩捳粯拥膬尚盘?hào)相比較是求視野高的過(guò)程，在此二維相關(guān)中， 一維是視距， 另一維是視野高，二維相關(guān)之后視距就可以準(zhǔn)確算出。 5.4 5.4 電子水準(zhǔn)儀電子水準(zhǔn)儀 可以想象從原始參考信號(hào)一步一步縮放比較的相關(guān)的計(jì)算量會(huì)很大， 使讀數(shù)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。為了縮短讀數(shù)時(shí)間，徠卡數(shù)字水準(zhǔn)儀內(nèi)部設(shè)計(jì)有調(diào)焦挪動(dòng)量傳感器采集調(diào)焦鏡的挪動(dòng)量，由此可以反算出概略視距，初步可以確定物像比例。 對(duì)儀器內(nèi)部的參考信號(hào)的“寬窄進(jìn)展縮放，使其接近探測(cè)器采集到的丈量信號(hào)的

12、“寬窄，然后再進(jìn)展二維相關(guān)。這樣可以減少的相關(guān)計(jì)算量使讀數(shù)時(shí)間縮短到秒以內(nèi)。 調(diào)焦挪動(dòng)傳感器調(diào)焦挪動(dòng)傳感器5.4 5.4 電子水準(zhǔn)儀電子水準(zhǔn)儀 偽隨機(jī)碼簡(jiǎn)介偽隨機(jī)碼簡(jiǎn)介 偽隨機(jī)碼屬于二進(jìn)制碼，它的構(gòu)造可以預(yù)偽隨機(jī)碼屬于二進(jìn)制碼，它的構(gòu)造可以預(yù)先確定，并且可以反復(fù)產(chǎn)生和復(fù)制，另一方先確定，并且可以反復(fù)產(chǎn)生和復(fù)制，另一方面它還具有隨機(jī)特性，即統(tǒng)計(jì)特性。這種碼面它還具有隨機(jī)特性，即統(tǒng)計(jì)特性。這種碼用在數(shù)字水準(zhǔn)儀中具有可以在用在數(shù)字水準(zhǔn)儀中具有可以在1.8100m1.8100m間隔間隔內(nèi)運(yùn)用相關(guān)法的特點(diǎn)。內(nèi)運(yùn)用相關(guān)法的特點(diǎn)。 標(biāo)尺上的白碼條或黃碼條在標(biāo)尺上的白碼條或黃碼條在CCDCCD器件上產(chǎn)器件上產(chǎn)

13、生光電流，在電路上為高電平，我們用二進(jìn)生光電流，在電路上為高電平，我們用二進(jìn)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(biāo)尺上丈量得到的徠卡儀器的參考碼序條碼標(biāo)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(zhǔn)儀電子水準(zhǔn)儀蔡司蔡司Dini 10/205.4 5.4 電子水準(zhǔn)儀電子水準(zhǔn)儀二、幾何法數(shù)字水準(zhǔn)儀二、幾何法數(shù)字水準(zhǔn)儀2、幾何法條碼標(biāo)

14、尺系列的標(biāo)尺每劃分為一個(gè)丈量間距，其中的碼條構(gòu)成一個(gè)碼詞，每個(gè)丈量間距的邊境由黑白過(guò)渡線構(gòu)成，其下邊境到標(biāo)尺底部的高度，可由該丈量間距中的碼詞判讀出來(lái)，就象區(qū)格式標(biāo)尺上的注記一樣I系列丈量時(shí)，只利用中絲的上下兩邊各cm的標(biāo)尺截距，也就是個(gè)丈量間距來(lái)計(jì)算視距和視野高。 5.4 5.4 電子水準(zhǔn)儀電子水準(zhǔn)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?cè)贑D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(gè)數(shù)可以由輸出的信號(hào)得知，因此可以算出i和i+1，也就是說(shuō)i和i+1是計(jì)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(fù)值，在光軸之下方取正值。假設(shè)在標(biāo)尺上看，那么是在光軸之上為正, 反之為負(fù)。 5.4 5.4 電子水準(zhǔn)儀電子水準(zhǔn)儀幾何法丈量原理為丈量間距長(zhǎng)cm，用第個(gè)丈量間距來(lái)丈量時(shí)，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(gè)丈量間距從標(biāo)尺底部數(shù)起的序號(hào)，可由所屬碼詞判讀出來(lái) 5.4 5.4 電子水準(zhǔn)儀電子水準(zhǔn)儀幾何法丈量原理為了提高丈量精度，系列取個(gè)丈量間距平均來(lái)計(jì)算，也就是取標(biāo)尺上中絲上下各的范圍，即個(gè)丈量間距取平均來(lái)計(jì)算。 5.4 5.4 電子水準(zhǔn)儀電子水準(zhǔn)儀3、相位法光路表示圖標(biāo)尺的條碼像經(jīng)望遠(yuǎn)鏡、物鏡、調(diào)焦

16、鏡、補(bǔ)償器標(biāo)尺的條碼像經(jīng)望遠(yuǎn)鏡、物鏡、調(diào)焦鏡、補(bǔ)償器的光學(xué)零件和分光鏡后，分成兩路：的光學(xué)零件和分光鏡后，分成兩路： 一路成像在線陣上，用于進(jìn)展光電轉(zhuǎn)換；一路成像在線陣上，用于進(jìn)展光電轉(zhuǎn)換； 另一路成像在分劃板上，供目視觀測(cè)。另一路成像在分劃板上，供目視觀測(cè)。 5.4 5.4 電子水準(zhǔn)儀電子水準(zhǔn)儀三、拓普康數(shù)字水準(zhǔn)儀的相位法三、拓普康數(shù)字水準(zhǔn)儀的相位法相位法標(biāo)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?jī)蓷l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(zhǔn)，每隔mm就有一組碼條反復(fù)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(shí)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(zhǔn)丈量時(shí)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(zhǔn)儀電子水準(zhǔn)儀相位法標(biāo)尺編碼在標(biāo)尺長(zhǎng)度方向上就構(gòu)成了亮暗強(qiáng)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(biāo)表示黑條碼的寬度，橫坐標(biāo)是標(biāo)尺的長(zhǎng)度。實(shí)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(shuō)和亮度波的波長(zhǎng)不同，在標(biāo)尺長(zhǎng)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(zhǔn)標(biāo)尺上的分劃，可由它標(biāo)出標(biāo)尺的長(zhǎng)度。只需能測(cè)出

18、標(biāo)尺某處的相位差，也就可以知道該處到標(biāo)尺底部的高度，由于相位差可以做到和標(biāo)尺長(zhǎng)度一一對(duì)應(yīng)，即具有單值性，這也是適中選擇兩亮度波的波長(zhǎng)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(zhǎng)的標(biāo)尺上不會(huì)有一樣的相位差。為了確保標(biāo)尺低端面，或說(shuō)相位差分劃的端點(diǎn)相位差具有獨(dú)一性，和碼的相位在此錯(cuò)開了。 600mm570mmRA碼B碼5.4 5.4 電子水準(zhǔn)儀電子水準(zhǔn)儀相位法信號(hào)分析人工處置丈量信號(hào)是很費(fèi)事的，而且很費(fèi)時(shí)間。在系列中采用快速傅里葉變換計(jì)算方法將丈量信號(hào)在信號(hào)分析器中分解成三個(gè)頻率分量。由和B兩信號(hào)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(shí)，標(biāo)尺上的波長(zhǎng)與丈量信號(hào)波長(zhǎng)的比例不同。雖然在同一視距上和的波長(zhǎng)比例一樣，可以求出相位差，或說(shuō)是視野高，但是可以想象其精度并不高。 5.4 5.4 電子水準(zhǔn)儀電子水準(zhǔn)儀相位法信號(hào)分析碼是為了提高讀數(shù)精度和求視距而安排的。設(shè)兩組碼之間的間距為P30 mm, 它在行陣上成像所占象素的個(gè)數(shù)為，象素寬為b25m,