熊指南

(天津市陸海測(cè)繪有限公司，天津 300191)

國(guó)產(chǎn)數(shù)字水準(zhǔn)儀溫度性能測(cè)試與研究

熊指南

(天津市陸海測(cè)繪有限公司，天津 300191)

環(huán)境溫度是影響數(shù)字水準(zhǔn)儀性能的關(guān)鍵因素。測(cè)試溫度對(duì)國(guó)產(chǎn)數(shù)字水準(zhǔn)儀i角的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)儀器內(nèi)外溫差較大時(shí)，儀器i角的變化顯著。測(cè)試結(jié)果表明，i角設(shè)置與測(cè)試、水準(zhǔn)測(cè)量都需要在儀器內(nèi)外溫度平衡時(shí)，才能夠獲得可靠的成果。

數(shù)字水準(zhǔn)儀；溫度性能；i角

目前我國(guó)已經(jīng)成為測(cè)繪儀器的制造大國(guó)[1]：電子經(jīng)緯儀已經(jīng)完全占領(lǐng)中國(guó)市場(chǎng)；全站儀產(chǎn)量世界第一，測(cè)地型GNSS接收機(jī)產(chǎn)量世界第一；全站儀及測(cè)地型GNSS接收機(jī)不但占有國(guó)內(nèi)大部分市場(chǎng)，而且還大量出口，這些中國(guó)制造的產(chǎn)品能夠在國(guó)際測(cè)繪儀器市場(chǎng)與國(guó)外知名品牌一爭(zhēng)高低。特別是光學(xué)水準(zhǔn)儀每年的產(chǎn)量達(dá)30萬(wàn)臺(tái)，而且大部分用于出口，幾乎占領(lǐng)普通光學(xué)水準(zhǔn)儀的國(guó)際市場(chǎng)[2]。制約水準(zhǔn)儀自動(dòng)化的關(guān)鍵技術(shù)近年來(lái)取得了突破，國(guó)產(chǎn)數(shù)字水準(zhǔn)儀如雨后春筍涌現(xiàn)，已有諸多國(guó)內(nèi)廠家研制成功具有中國(guó)特色的新產(chǎn)品。預(yù)計(jì)在不久的將來(lái)，數(shù)字水準(zhǔn)儀也會(huì)如其他測(cè)繪儀器一樣，逐步占領(lǐng)數(shù)字水準(zhǔn)儀的國(guó)際市場(chǎng)。

測(cè)繪儀器是由光機(jī)電構(gòu)成的精密科學(xué)儀器，但其特殊性在科學(xué)儀器中是少見(jiàn)的：除了要求其精度高外，還對(duì)使用環(huán)境條件要求苛刻，例如無(wú)論嚴(yán)寒酷暑還是風(fēng)霜雪雨，只要工程在進(jìn)行施工就需要測(cè)繪儀器引領(lǐng)方向，這要求測(cè)繪儀器具有良好的溫度性能；每天往返駐地及工作現(xiàn)場(chǎng)間的顛簸，相當(dāng)于在做振動(dòng)試驗(yàn)，這要求測(cè)繪儀器具有良好的抗震性能。對(duì)于測(cè)繪儀器生產(chǎn)廠家來(lái)說(shuō)，很難對(duì)每件產(chǎn)品的溫度性能及抗震性能進(jìn)行長(zhǎng)期的實(shí)際試驗(yàn)，這需要廣大用戶為國(guó)產(chǎn)測(cè)繪儀器積累實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，共同為提高國(guó)產(chǎn)測(cè)繪儀器的產(chǎn)品質(zhì)量貢獻(xiàn)力量。

國(guó)產(chǎn)數(shù)字水準(zhǔn)儀是非常有前途的產(chǎn)品，而且有些型號(hào)還擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)[3]，對(duì)這些產(chǎn)品進(jìn)行后續(xù)研究，是一件非常有意義的工作。

限于試驗(yàn)條件及試驗(yàn)時(shí)間的限制，本文僅對(duì)國(guó)產(chǎn)DAL1528R數(shù)字水準(zhǔn)儀溫度性能進(jìn)行初步試驗(yàn)。

1 DAL1528R數(shù)字水準(zhǔn)儀簡(jiǎn)介

DAL1528R型數(shù)字水準(zhǔn)儀是由北京博飛儀器股份有限公司與武漢大學(xué)測(cè)繪學(xué)院葉曉明等研制的擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品，與其它品牌的數(shù)字水準(zhǔn)儀相比較，DAL系列數(shù)字水準(zhǔn)儀的特點(diǎn)是測(cè)量速度快[4]，這主要得益于DAL數(shù)字水準(zhǔn)儀配套條碼尺采用簡(jiǎn)潔的編碼。

1.1 DAL1528R的測(cè)量原理概述

目前，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)有多家儀器生產(chǎn)廠家在生產(chǎn)數(shù)字水準(zhǔn)儀，且都聲稱擁有自己的專利技術(shù)。如果不考慮儀器的具體構(gòu)造和數(shù)據(jù)處理等方面的差異，可以將其歸納成由主機(jī)、條碼尺及數(shù)據(jù)處理軟件3大部分組成，如圖1所示。其中條碼尺由寬度相等或不等的黑白條碼按某種編碼規(guī)則進(jìn)行有序排列而成；主機(jī)則是在自動(dòng)安平水準(zhǔn)儀的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，它由望遠(yuǎn)鏡物鏡系統(tǒng)、補(bǔ)償器、分光棱鏡、目鏡系統(tǒng)、圖像傳感器、計(jì)算機(jī)、鍵盤(pán)等組成；數(shù)據(jù)處理軟件對(duì)圖像傳感器獲取的圖像進(jìn)行處理，獲得視距及視線高。數(shù)據(jù)處理軟件及與數(shù)字水準(zhǔn)儀相配套的條碼尺的編碼方法構(gòu)成了數(shù)字水準(zhǔn)儀技術(shù)的核心，其中條碼尺的編碼方法為儀器生產(chǎn)廠家的專利保護(hù)條款[5]。關(guān)于數(shù)據(jù)處理軟件，目前還沒(méi)有儀器生產(chǎn)廠家公開(kāi)過(guò)，能夠查詢到的資料都是些原理性概述[5]。

圖1 數(shù)字水準(zhǔn)儀測(cè)量原理示意圖[5]

從圖1可以看出：條碼尺的一段圖像經(jīng)過(guò)望遠(yuǎn)鏡后傳輸?shù)綀D像傳感器，儀器所配的數(shù)據(jù)處理軟件對(duì)該段圖像進(jìn)行處理后，得到儀器視準(zhǔn)軸在條碼尺上的位置及條碼尺距儀器的視距。為了能夠獲得正確的測(cè)量結(jié)果，在對(duì)條碼尺進(jìn)行編碼時(shí)，需要考慮以下幾個(gè)因素：①在整個(gè)條碼尺的范圍內(nèi)，測(cè)量結(jié)果具有唯一性；②在儀器的視距范圍(一般1.5～100 m)，圖像傳感器接收到的條碼圖像變化達(dá)幾十倍，這就要求條碼寬窄恰當(dāng)，在遠(yuǎn)視距能夠區(qū)分不同的條碼，在短視距時(shí)條碼的變化足夠多；③能夠區(qū)分自動(dòng)識(shí)別出其它品牌的條碼尺并給出不能夠測(cè)量的信息；④自動(dòng)識(shí)別條碼尺的正倒并給出恰當(dāng)?shù)男畔ⅰ；谶@些條件，DAL系列數(shù)字水準(zhǔn)儀采用表1所示的4種類型的條碼。

表1 與DAL系列數(shù)字水準(zhǔn)儀相配套條碼尺的參數(shù)表

1.2 與DAL水準(zhǔn)儀配套條碼尺的特點(diǎn)

1)條碼結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,便于制造。與DAL系列數(shù)字水準(zhǔn)儀配套的條碼尺只使用表1所示的4種條碼，結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)單，黑白條碼均是1 mm的整倍數(shù)，便于生產(chǎn)制造。圖2為該類條碼尺段110～130 cm的實(shí)際編碼。經(jīng)筆者對(duì)2 m長(zhǎng)的條碼尺實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)確定，在近距離時(shí)，最少需要連續(xù)5個(gè)條碼才能夠獲得測(cè)量結(jié)果。在遠(yuǎn)視距時(shí)，條碼(15∶5)及(13∶7)區(qū)別不顯著，將其認(rèn)為是一種條碼；條碼(7∶13)及(5∶15)區(qū)別不顯著，將其認(rèn)為是一種條碼，即在遠(yuǎn)視距時(shí)，條碼尺只有2種類型條碼，這時(shí)最少需要連續(xù)10個(gè)條碼才能夠獲得測(cè)量結(jié)果。

2)相鄰黑白條碼寬度之和相等。從表1可以看出，相鄰黑白條碼寬度之和為20 mm，數(shù)據(jù)處理軟件可以充分利用這個(gè)特點(diǎn)來(lái)判別DAL數(shù)字水準(zhǔn)儀是否使用了正確的條碼尺；如果條碼尺處于倒置狀態(tài)，相鄰的黑白條碼寬度之和則不相等，這樣DAL就能夠很快識(shí)別出條碼尺是否安置到正確的位置。這可以節(jié)省大量的運(yùn)算時(shí)間，提高測(cè)量速度。

1.3 DAL1528R 主要技術(shù)參數(shù)[6]

1)1 km往返水準(zhǔn)測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)差為：±1.5 mm；2)最大測(cè)程為100 m，最小測(cè)程為2 m；3)單次測(cè)量時(shí)間為1～2 s；4)高程最小顯示值為0.2 mm，距離最小顯示值為0.01 m。

2 DAL1528R 溫度性能試驗(yàn)

2.1 已有研究結(jié)果簡(jiǎn)介

為了在水準(zhǔn)測(cè)量中獲得高精度的測(cè)量成果，需要保證數(shù)字水準(zhǔn)儀的視準(zhǔn)軸穩(wěn)定而且一直處于水平位置。但補(bǔ)償器的性能、溫度變化及震動(dòng)等都會(huì)給視準(zhǔn)軸的穩(wěn)定性帶來(lái)影響。視準(zhǔn)軸的穩(wěn)定性通常用視準(zhǔn)軸的i角(通?？梢詫角簡(jiǎn)單地定義為視準(zhǔn)軸的實(shí)際位置與應(yīng)有位置之間的夾角)的穩(wěn)定性來(lái)表征。自數(shù)字水準(zhǔn)儀投入測(cè)繪生產(chǎn)以來(lái)，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)國(guó)外數(shù)字水準(zhǔn)儀的溫度特性進(jìn)行研究，得出的結(jié)論如下：①i角隨環(huán)境溫度的升高而降低[7-8]；②i角隨環(huán)境溫度的降低而降低[9-10]；③急速升降溫階段與緩慢升降溫階段，i角隨環(huán)境溫度變化特別顯著[8-9]。已有的研究結(jié)果表明環(huán)境溫度對(duì)數(shù)字水準(zhǔn)儀影響的復(fù)雜性，這些研究成果可以為數(shù)字水準(zhǔn)儀的正確使用提供參考。

2.2 試驗(yàn)方法

首先在相距30 m的距離上設(shè)置兩穩(wěn)固標(biāo)志點(diǎn)A，B，如圖3所示。將NI002精密光學(xué)水準(zhǔn)儀安置15 m處，用配套的因瓦水準(zhǔn)尺測(cè)量A，B點(diǎn)的高差作為真值；按照文獻(xiàn)[6]所示方法設(shè)置DAL1528R的(電子)i角。為消除水準(zhǔn)尺零點(diǎn)差對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，用NI002和DAL1528R進(jìn)行高差測(cè)量時(shí)，均只使用配套的一根水準(zhǔn)尺。

取下DAL1528R的機(jī)載電池，將DAL1528R用塑料袋密封后置于冰箱冷凍5 h以上，使儀器內(nèi)部元器件充分適應(yīng)冰箱冷凍室的溫度；把DAL1528R從冰箱冷凍室取出后按圖3所示的C點(diǎn)上架設(shè)儀器，對(duì)A，B點(diǎn)的高差進(jìn)行測(cè)量，開(kāi)始時(shí)每隔3 min測(cè)量一次，0.5 h后每5 min測(cè)量一次，連續(xù)觀測(cè)1 h。測(cè)試開(kāi)始時(shí)間為2013-10-05T13:00:00，由于沒(méi)有溫度計(jì)，沒(méi)有對(duì)環(huán)境溫度進(jìn)行測(cè)量。

2.3 數(shù)據(jù)處理方法

從圖3并結(jié)合文獻(xiàn)[3]知i角算式為

(1)

式中：rA，sA分別為條碼尺安置在A點(diǎn)時(shí)的視線高及視距5次讀數(shù)的平均值；rB，sB分別為條碼尺安置在B點(diǎn)時(shí)的視線高及視距5次讀數(shù)的平均值；ΔhAB為A，B兩點(diǎn)間的高差，ρ=206 265″。

圖3 數(shù)字水準(zhǔn)儀溫度性能檢定試驗(yàn)場(chǎng)地示意圖

2.4 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)原始數(shù)據(jù)如表2所示。A，B點(diǎn)間的高差Δh=-14.78 mm。

表2 數(shù)字水準(zhǔn)儀DAL1528R溫度試驗(yàn)結(jié)果

從表2可以看出：從冷凍室取出儀器的0.5 h內(nèi)，i角變化顯著；在以后的1 h內(nèi)，i角已經(jīng)穩(wěn)定，其差值在測(cè)量誤差范圍內(nèi)。

3 結(jié)束語(yǔ)

試驗(yàn)表明：國(guó)產(chǎn)數(shù)字水準(zhǔn)儀與國(guó)外數(shù)字水準(zhǔn)儀具有類似的溫度特性：即在儀器自身溫度與環(huán)境溫度差異較大時(shí)，i角的變化顯著。這要求在設(shè)置和測(cè)量?jī)x器的(電子)i角時(shí)，需要選定在溫度差異不大的時(shí)候進(jìn)行；進(jìn)行水準(zhǔn)測(cè)量作業(yè)時(shí)，需要將儀器置于作業(yè)環(huán)境中足夠的時(shí)間(例如0.5 h)，使儀器的內(nèi)外溫度一致，這樣才能獲得高精度的測(cè)量成果。

[1]繆小林.國(guó)產(chǎn)當(dāng)自強(qiáng)——談中國(guó)測(cè)繪儀器的國(guó)產(chǎn)化[N].南方測(cè)繪，2012-01-15(8).

[2]陳耿彪.數(shù)字水準(zhǔn)儀標(biāo)尺編碼理論與識(shí)別技術(shù)研究[EB/OL].(2010-11-30)[2013-12-06].http://www.docin.com/p-102121529.html.

[3]葉曉明.用于數(shù)字水準(zhǔn)儀條碼尺和電子經(jīng)緯儀度盤(pán)的條碼及其編碼解碼方法：中國(guó)，200410061193.8[P].2005-06-29.

[4]佚名.武大工程師發(fā)明數(shù)字式電子水準(zhǔn)儀 測(cè)量速度世界最快[EB/OL].(2007-01-20)[2013-12-06].http://www.cnhubei.com/200701/ca1259006.htm.

[5]閻錫臣.應(yīng)用數(shù)字水準(zhǔn)儀進(jìn)行長(zhǎng)視距水準(zhǔn)測(cè)量的研究[J].測(cè)繪工程，2013，22(2)：42-44，56.

[6]北京博飛儀器股份有限公.DAL1528 1528R數(shù)字水準(zhǔn)儀說(shuō)明書(shū)[EB/OL].(2012-12-04)[2013-12-06].http://www.baidu.com/s?tn=98010089_dg&ie=utf-8&bs=%E5%A4%A9%E6%B4%A5%E5%B8%82%E9%99%86%E6%B5%B7%E6%B5%8B%E7%BB%98%E6%9C%89%E9%99%90%E5%85%AC%E5%8F%B8&f=8&rsv_bp=1&wd=DAL1528R+%E6%95%B0%E5%AD%97%E6%B0%B4%E5%87%86%E4%BB%AA+%E4%BD%BF%E7%94%A8%E6%89%8B%E5%86%8C&rsv_n=2&rsv_sug3=9&rsv_sug4=250&inputT=1984.

[7]SHEIL E.Evaluation of a Wild NA3000 Digital Level[EB/OL].(2001-10-15)[2013-12-06].http://www.google.com.hk/search?newwindow=1&safe=strict&hl=zh-CN&q=NA3000+&oq=NA3000+&gs_l=serp.12...152047.165125.0.167531.11.11.0.0.0.0.0.0..0.0....0...1c.1.32.serp..11.0.0.1xHzu8eq94g.

[9]AKSAMITAUSKAS1 V ?,REKUS D, WASILEWSKI A.Investigation of Error Sources Measuring Deformations of Engineering Structures by Geodetic Methods[EB/OL].[2013-12-06].http://dspace.vgtu.lt/bitstream/1/465/1/1071-0176_aksamitauskas_rekus_et_al.pdf.

[10]羅官德,任道勝,陳如麗.數(shù)字水準(zhǔn)儀i角檢校方法探討[J].測(cè)繪信息與工程,2002,27(4):45-47.

[責(zé)任編輯：張德福]

Temperature dependence of domestic digital level

XIONG Zhi-nan

(Tianjin Surveying and Hydrography Co., Ltd，Tianjin 300191,China)

Environment temperature is the key factor affecting the performance of digital level.The influence of temperature on the collimation error of digital level is tested practically, which is that the collimation error changes dramatically when the temperature difference inside and outside of the instrument is big. The test results show that reliable results of collimation error set-up,test, leveling can only be achieved when the temperature inside and outside of the instrument is balanced.

digital level;temperature dependence;collimation error

2014-03-02

熊指南(1979-)，男，工程師.

P204

：A

：1006-7949(2014)07-0072-04