電子水平儀的基本工作原理

電子水平儀又稱數字水平儀，是在自動安平水平儀的基礎上發展起來的。它是一種基于自動安平水平儀的高科技產品，在望遠鏡光路中增加了分光鏡和探測器（CCD），并采用條形碼尺和圖像處理電子系統。下面小編將詳細介紹電子水平儀的基本工作原理。

電子水平儀的基本工作原理。

1.1概述

1963年，Fenel工廠開發了編碼經緯儀，加上20世紀40年代出現的電磁波測距技術。隨著光電技術、計算機技術和精密機械的發展，電子測角和電子測距技術在20世紀80年代末得到了廣泛的應用然而，傳統的儀器仍然用于80年代末的水平測量。這是因為水平儀和水平尺不僅在空間上是分開的，而且兩者之間的距離可以從1米多變為100米，這在技術上造成了數字讀數的困難。

為了實際水平儀讀數的數字化，人們嘗試了近30年。例如，蔡司工廠的RENI002A使測微器讀數能夠自動完成，但粗度需要手動讀取并按鍵輸入，并與精讀數一起存儲在存儲器中。因此，它不是一個真正的電子水平儀，例如，激光掃描儀和探測水平尺可以自動記錄讀數。由于試驗結果不能滿足精密幾何水平測量的要求，因此沒有解決水平測量讀數自動化的問題。

1990年，威特工廠開發了NA2000數字水平儀器?？梢哉f，自1990年以來，地球測量儀器已經完成了從精密光機儀器到光機電測一體化的高科技產品的過渡，克服了地球測量儀器數字讀數的終困難。

到1994年，蔡司廠開發了Di水平儀Dini10/20，同年，拓普康廠也開發了電子水平儀DL101/102。這意味著電子水平儀也將普及，并開始了激烈的市場競爭。同時也說明幾何水平測量的精度還是很高的，沒有其他方法可以替代。GPS技術只能確定大地高，大地高轉化為工程中感興趣的正高。還需要知道高程異常，的水平測量是確定高程異常不可或缺的。這也是各廠商努力開發電子水平儀的原因之一。說明拓普康技術能力高，能夠在世界上第二批開發電子水平儀。

電子水平儀具有測量速度快、讀數客觀、降低作業勞動強度、精度高、測量數據輸入計算機方便、內外行業水平測量一體化的特點，投放市場后很快受到用戶的青睞。各種類型的激光定線儀和激光掃平儀廣泛應用于國外低精度高程測量。因此，電子水平儀定位在中高精度水平測量范圍內，分為兩個精度等級。中等精度標準差為:1.0-1.5mm/km，高精度標準差為:0.3-0.4mm/km。

1.2電子水平儀的基本原理。

電子水平儀又稱數字水平儀，是在自動安平水平儀的基礎上發展起來的。采用條碼尺，不同廠家尺碼的條碼圖案不同，不能互換使用。目前，水平尺和焦距仍需視覺進行。手動完成水平和焦距后，水平尺條碼一方面成像在望遠鏡分化板上進行視覺觀察，另一方面通過望遠鏡分光鏡，水平尺條碼成像在光電傳感器（又稱探測器）上，即線陣CCD設備上，供電子讀數。因此，如果使用傳統的水平尺，電子水平儀可以像普通的自動安平水平儀一樣使用。然而，此時的測量精度低于電子測量精度。特別是精密電子水平儀，由于沒有光學測微器，作為普通自動安平水平儀，其精度較低。

目前，電子水平儀采用三種自動電子讀數方法：

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。

DL101c/102C/102C采用相位法。尺子的條形碼像望遠鏡、調焦鏡、補償器的光學部件和分光鏡一樣，分為兩種方式，一種方式在CCD線陣上成像，用于光電轉換，另一種方式在劃分板上成像，供視覺觀察。DL101尺子上部分條形碼的圖案有三種不同的條形碼。R表示參考碼，其中有三個2毫米寬的黑色條形碼，每兩個黑色條形碼之間有一個1毫米寬的黃色條形碼。以中間黑碼條的中心線為準，每30毫米重復一組R碼條。每組R碼條左側10毫米處有一條黑色B碼條。每組參考碼R右側10毫米處有一條黑色A碼條。讀者不難發現，每組R碼條兩側的A和B碼條寬度不同。事實上，A和B碼條的寬度在0到10毫米之間發生變化，其中包含水平測量的高度信息。儀器設計有意根據正弦定期安排其寬度。其中，A碼條的周期為600mm，B碼條的周期為570mm。當然，R碼條組兩側的黃碼條寬度也是根據正弦規律變化的，從而根據正弦規律周期形成亮度波。條形碼下面畫了一個波形?？v坐標表示黑條碼的寬度和橫坐標市標尺的長度。實線為A碼亮度波，虛線為B碼亮度波。由于A和B條碼變化周期不同，也可以說A和B亮度波的波長不同，標尺長度方向的每個位置兩個亮度波的相位差也不同。這種相位差就像傳統水平尺上的劃分，可以通過標記水平尺的長度來顯示。只要3能測量水平尺底部某個地方的相位差，就可以知道水平尺底部的高度，因為相位差可以一一對應水平尺的長度，即具有單值性。這是適當選擇兩個亮度波的波長。DL101中，A碼的周期為600mm，B碼的周期為570mm，小公倍數為11400mm，因此3m長的標尺上不會有相同的相位差。為了保證標尺底端面或相位差劃分的端點相位差是的，A和B碼的相位錯過了π/2。

DL-102C的標尺與DL-101C略有不同。DL-102C的標尺為白色背景黑條碼，A碼波長為330mm，小公倍數為3300mm。波長底部A與B碼錯開的相位差為π。DL101-C的標尺與DL-102C的標尺可互換使用。

當望遠鏡按下標尺時，標尺上某一段的條形碼成像在線陣CCD上。黃條形碼使CCD產生光電流。隨著條形碼寬度的變化，光電流強度也發生了變化。模數轉換（A/D）后，得到不同的灰度值。當視距在μ0.6m時，標尺上的一小段成像到CCDA。A/D轉換后，得到不同的灰度值（縱坐標）。橫坐標是CCD上象素的序列號。當灰度值逐一輸出時，橫軸代表時間。根據橫坐標記的數字判斷，儀器采用512個象素的線陣CCD。視距和高視線信息的測量信號。