第八节
精密水准仪及电子水准仪简介

一、精密水准仪

精密水准仪主要应用于国家一、二等水准测量和高精度的工程测量中，如建筑物的变形观测、大型建筑物的施工及大型精密设备的安装等测量工作。

1.精密水准仪的特点

精密水准仪的构造与S3水准仪基本相同，也是由望远镜、水准器和基座三个主要部件组成，为了进行精密水准测量，精密水准仪必须满足下列几点要求。

（1）高质量的望远镜光学系统　为了获得水准标尺的清晰影像，望远镜的放大倍率应尽可能大，分辨率应尽可能高，规范要求DS1不小于38倍，DS05不小于40倍，物镜的孔径应大于50mm。

（2）高灵敏的管水准器　精密水准仪的管水准器的分划值为10″/2mm。

（3）高精度的测微器装置　精密水准仪必须有光学测微器装置，以测定小于水准标尺最小分划线间隔值的尾数，光学测微器可直读0.1mm，估读到0.01mm。

（4）坚固稳定的仪器结构　为了相对稳定视准轴与水准轴之间的关系，精密水准仪的主要构件均采用特殊的因瓦合金钢制成。

（5）高性能的补偿器装置。

（6）配备精密水准标尺。

2.精密水准标尺

精密水准标尺是在木质尺身中间的槽内，装有膨胀系数极小的一根因瓦合金钢带，带的下端固定，上端用弹簧以一定的拉力拉紧，以保证因瓦合金钢带的长度不受木质尺身伸缩变形的影响。在因瓦合金钢带上漆有左右两排长度分划，数字注记在因瓦合金钢带两旁的木质尺身上。精密水准标尺的分划值有5mm和10mm两种。

图2-36（a）为徕卡公司生产的精密水准标尺，主要为徕卡新N3精密水准仪配套使用。因为新N3精密水准仪为正像望远镜，所以水准标尺的注记也是正立的。尺长约3.2m，在因瓦合金钢带上右边的一排分划为基本分划，数字注记从0～300cm，左边的一排分划为辅助分划，数字注记从300～600cm，基本分划与辅助分划的零点相差301.55cm，称为基辅差或尺常数，用于作业时检查读数是否存在粗差。

3.新N3精密水准仪

图2-37为新N3精密水准仪，其每千米往返测高差中数的中误差为±0.3mm。

新N3精密水准仪的光学测微器是由平行玻璃板、测微尺、传动机构和测微读数系统组成，如图2-38所示。平行玻璃板装在物镜前，通过传动机构与测微尺相连，而测微尺的读数指标线刻在一块固定的棱镜上。传动机构由测微螺旋控制，转动测微螺旋，带有齿条的传动杆推动平行玻璃板绕其轴前、后倾斜，测微尺也随之移动。当平行玻璃板竖直时，水平视线不产生平移，倾斜时，视线则上下平行移动，其有效移动范围为10mm，在测微尺上为量取10mm而刻有100格，因此，测微器的最小分划值为0.1mm。

精密水准仪的使用方法与DS3水准仪基本相同，不同之处是精密水准仪是采用光学测微器读数。作业时，先转动微倾螺旋，使望远镜视场左侧的符合水准管气泡两端的影像精确符合，如图2-39所示，这时视线水平。再转动测微螺旋，使十字丝上楔形丝精确夹住整分划，读取该分划读数，图2-38中的为148cm分划，再从测微尺读数窗内读取测微尺读数，图中为0.655cm。水准尺的全读数等于楔形丝所夹分划线的读数与测微尺之和，即

4.国产DS1精密水准仪简介

国产DS1精密水准仪，如图2-40所示，其光学测微器的最小读数为0.05mm。与其配套的水准标尺如图2-36（b）所示。在因瓦合金钢带上漆有左右两排分划，每排的最小分划值均为10mm，彼此错开5mm，把两排分划合在一起便成为左、右交替形式的分划，其分划值为5mm。水准标尺分划的数字是注记在因瓦合金钢带两旁的木质尺身上，右边从 0～5注记米数，左边注记分米数，大三角形标志对准分米分划线，小三角形标志对准5cm分划线。注记的数值为实际长度的2倍，故用此水准标尺进行测量作业时，必须将观测高差除以2才是实际高差。

当平行玻璃板竖直时，水平视线不产生平移，倾斜时，视线则上下平行移动，其有效移动范围为5mm（尺上注记为10mm，实际为5mm），在测微尺上为量取5mm而刻有100格，因此，测微器的最小分划值为0.05mm。

作业时，先转动微倾螺旋，使望远镜视场左侧的符合水准管气泡两端的影像精确符合，此时视线水平。再转动测微螺旋，使十字丝上楔形丝精确夹住整分划，读取该分划读数，图2-41为1.97m，再从目镜右下方的测微尺读数窗内读取测微尺读数，图中为1.50mm。水准尺的全读数等于楔形丝所夹分划线的读数与测微尺之和，即1.97150m，实际读数为全读数的一半，即0.98575m。

二、电子水准仪的基本原理

电子水准仪又称数字水准仪，它是在自动安平水准仪的基础上发展起来的。由于水准仪和水准标尺在空间上是分离的，在标尺上自动读取水平视线刻度则需要图像处理技术。1990年，瑞士威特（Wild-Leitz）集团首先研制出数字水准仪NA2000，标志着水准仪数字化读数的难关已被攻克。1994年德国蔡司（Zeiss）厂推出了电子水准仪DiNi10/20，同年日本拓普康（Topcon）也研制出了电子水准仪DL-101/102。至此，电子水准仪逐步走向实用。近年来国产电子水准仪也进入市场，如南方测绘、北京博飞、苏州一光等。

当前电子水准仪采用原理上相差较大的三种自动电子读数方法。

（1）几何法（天宝DiNi03）。

（2）相关法（徕卡NA3002/3003/DNA03）。

（3）相位法（拓普康DL-101C/102C/103，如图2-42所示）。

由于各厂家采用条码标尺编码的条码图案不相同，因此不能互换使用。目前照准标尺和调焦仍需人工目视进行。人工完成照准和调焦之后，标尺条码一方面被成像在望远镜分划板上，供目镜观测，另一方面通过望远镜的分光镜，标尺条码又被成像在光电传感器（又称探测器）上，即线阵CCD器件上，供电子读数。因此，如果使用传统水准标尺，电子水准仪又可以像普通自动安平水准仪一样使用。但这时的测量精度低于电子测量的精度。特别是精密电子水准仪，由于没有光学测微器，作为普通自动安平水准仪使用时，其精度更低。

电子水准仪的三种测量原理各有奥妙，三类仪器都经受了各种检验和实际测量的考验，能胜任精密水准测量作业。本节以相关法为例，说明其读数原理，其他两种方法可参考有关专业书籍。

徕卡公司的NA3002/3003电子水准仪采用相关法。它的标尺一面是伪随机条形码，供电子测量用，另一面为区格式分划，供光学测量用。望远镜照准标尺并调焦后，可以将条码清晰地成像在分划板上（图2-43），供目视观测，同时条码影像也被分光镜成像在探测器上，供电子读数。如图2-44所示，DNA是徕卡公司的第二代数字水准仪，于2002年5月正式向中国市场推出。它设计新颖，外形美观，屏幕采取中文显示。有DNA03和DNA10两种型号，采用因钢尺每公里往返差分别是0.3mm和0.9mm。

图2-45左边是水准标尺的伪随机条码，该条码图像已经事先被存储在电子水准仪中作为参考信号。该条码右边是与它对应的区格式分划，左边伪随机条码的下面是望远镜照准伪随机条码后截取的片段伪随机条码。该片段成像在探测器上后，被探测器转换成电信号（测量信号），该信号在电子水准仪中与参考信号进行比较，当两信号相同，即图2-45中左边虚线位置，读数就可以确定。如图2-45中的0.116m，图中箭头所指为对应的区格式标尺的读数。

由于标尺到仪器的距离不同，条码在探测器上成像的宽窄也不相同，即图2-45中片段条码的宽窄会变化，随之电信号的“宽窄”也将改变，于是引起上述相关的困难。NA系列仪器采用二维相关法来解决，也就是根据精度要求以一定步距改变仪器内部参考信号的“宽窄”，与探测器采集到的测量信号相比较，如果没有相同的两信号，则再改变，再进行一维相关，直至两信号相同为止，可以确定读数。参考信号的“宽窄”与视距是对应的，“宽窄”相同的两信号相比较是求视线高的过程，因此二维相关中，一维是视距，另一维是视线高。二维相关之后视距就可以精确算出。

三、电子水准仪的特点

电子水准仪是以自动安平水准仪为基础，在望远镜光路中增加了分光镜和探测器（CCD），并采用条码标尺和图像处理电子系统而构成的光电测量一体化的高科技产品。采用普通标尺时，又可像一般自动安平水准仪一样使用。它与传统仪器相比有以下特点。

（1）读数客观　不存在误读、误记问题，没有人为读数误差。

（2）精度高　视线高和视距读数都是采用大量条码分划图像经处理后取平均得出来的。因此削弱了标尺分划误差的影响。多数仪器都有进行多次读数取平均的功能，可以削弱外界条件影响。不熟练的作业人员也能进行高精度测量。

（3）速度快　由于省去了人工读数、报数、听记和现场计算以及人为出错的重测数量，测量时间与传统仪器相比可以节省1/2左右。

（4）效率高　只需调焦和按键就可以自动读数，减轻了劳动强度。数据还能自动记录、检核、处理并能输入电子计算机进行后处理。可实现内、外业一体化。

（5）仪器菜单功能丰富，内置功能强、操作界面友好，有各种信息提示，大大方便了实际操作。

四、天宝DiNi03电子水准仪的简介

天宝DiNi03电子水准仪是目前世界上精度最高的电子水准仪之一，每千米往返测量高差中误差最高为±0.3mm。它有先进的感光读数系统，感应可见白光即可测量，测量时仅需读取条码尺30cm的范围；配有2M内存的PCMCIA数据存储卡；具有多种水准导线测量模式及平差和高程放样功能，可进行角度、面积和坐标等测量。该电子水准仪由望远镜、补偿器、光敏二极管、圆水准器及脚螺旋等组成。图2-46（a）为DiNi03电子水准仪的外观图，图2-46（b）为该仪器的操作面板及显示窗口。

1.测量准备

（1）安置仪器

①松开脚架的三个制动螺旋，展开架腿，将脚架升至合适高度（仪器安放后望远镜大致与眼睛平齐）并使架头基本水平，旋紧三个制动螺旋并将脚架踩入地面使之稳定。

②将仪器箱打开，把仪器安放在三脚架上，旋紧基座下面的连接螺旋。

③调节脚螺旋使圆水准器气泡居中。

④在明亮背景下对望远镜进行目镜调焦，使十字丝清晰。

（2）照准目标

①用手转动望远镜大致照准水准尺（注：该仪器为阻尼制动，无制动螺旋），用瞄准器进行粗瞄。

②调节对光螺旋（俗称调焦）使尺像清晰，用水平微动螺旋使十字丝精确对准条码尺的中央。

③消除十字丝视差。

（3）开机

①开机前必须确认电池已充好电，仪器应和周围环境温度相适应。

②用ON/OFF键启动仪器，在简短的显示程序说明和公司简介后，仪器进入工作状态。这时可根据选项设置测量模式。

③选项有3种：单次测量，路线水准测量，校正测量。

④测量模式有后前、后前前后、后前后前、后后前前、后前（奇偶站交替）、后前前后（奇偶站交替）、后前后前（奇偶站交替）、后后前前（奇偶站交替）8种。可选用适当的测量模式进行。

⑤可直接输入点号、点名、线名、线号以及代号信息。

⑥可直接设定正/倒尺模式。

2.测量过程

设置完成后，即可按照测量程序进行。表2-3列出了DiNi03电子水准仪的主要技术参数。