CN108020201A - 一种具有高精度仪器高测量功能的水准仪及其使用方法 - Google Patents

一种具有高精度仪器高测量功能的水准仪及其使用方法 Download PDF

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廖孟光
李羲
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易四海
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Abstract

本发明所要解决的技术问题是如何精确地测量水准仪仪器高。一种具有高精度仪器高测量功能的水准仪，包括水准仪，延展基座，测量尺和位移计，延展基座为水准仪基座的水平延伸体，延展基座上具有一竖直方向的穿孔尺套，测量尺从穿孔尺套中穿过，位移计一端安装在测量尺顶端，另一端安装在延展基座上，测量尺下端为基底。本发明具有以下有益效果：利用水准仪自身图像读数功能读取仪器高，测量精度很高且节省了大量成本；水准仪的高程是已知的，减少了该基准点上的高程测量步骤，测量效率翻倍；水准仪精平后，测量尺与延展基座和大地两平面严格垂直，其次测量尺始终伸开与地面基准点紧密接触，且磁致伸缩位移计的测量精度很高，共同保证了所测仪器高程的精度。

Description

一种具有高精度仪器高测量功能的水准仪及其使用方法
技术领域
本发明涉及测量技术领域，尤其是水准仪仪器高的测量。
背景技术
水准仪是建立水平视线测定地面两点间高差的仪器。原理为根据水准测量原理测量地面点间高差。主要部件有望远镜、管水准器（或补偿器）、垂直轴、基座、脚螺旋。按结构分为微倾水准仪、自动安平水准仪、激光水准仪和电子水准仪。按精度分为精密水准仪和普通水准仪。
目前，电子水准仪的照准标尺和调焦仍需目视进行。人工调试后，标尺条码一方面被成像在望远镜分化板上，供目视观测，另一方面通过望远镜的分光镜，又被成像在光电传感器（又称探测器）上，供电子读数。由于各厂家标尺编码的条码图案各不相同，因此条码标尺一般不能互通使用。当使用传统水准标尺进行测量时，电子水准仪也可以像普通自动安平水准仪一样使用，不过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，当成普通自动安平水准仪使用时，其精度更低。
当前电子水准仪采用了原理上相差较大的三种自动电子读数方法：1）相关法（徕卡NA3002/3003）2) 几何法（蔡司DiNi10/20）3) 相位法（拓普康DL101C/102C）。它与传统仪器相比有以下特点：
1)读数客观。不存在误差、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象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。不熟练的作业人员业也能进行高精度测量。
3)速度快。由于省去了报数、听记、现场计算的时间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1/3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。视距还能自动记录，检核，处理并能输入电子计算机进行后处理，可实线内外业一体化。
确定地面点高程的测量工作，称为高程测量。高程测量又是测量三项基本工作之一。根据使用仪器和施测方法的不同，高程测量可分为水准测量、三角高程测量和气压高程测量。用水准仪测量高程，称为水准测量，它是高程测量中最常用、最精密的方法。
水准测量的基本原理是利用水准仪提供的“水平视线”，测量两点间高差，从而由已知点高程推算出未知点高程。
目前，通常用高差法测量高程。若已知A点的高程HA，欲测定B点的高程HB，则在A、B两点上竖立两根尺子，并在A、B两点之间安置一架可以得到水平视线的仪器。假设水准仪的水平视线在尺子上的位置读数分别为A尺（后视）读数为a，B尺（前视）读数为b，则A、B两点之间的高程差（简称高差hAB）为
hAB =a-b （1）
于是B点的高程HB为
HB=HA+hAB （2）
HB=HA+hAB= HA +a-h （3）
连续水准测量。在实际水准测量中，A、B 两点间高差较大或相距较远，安置一次水准仪不能测定两点之间的高差。此时有必要沿A、B 的水准路线增设若干个必要的临时立尺点，即转点（用作传递高程）。根据水准测量的原理依次连续地在两个立尺中间安置水准仪来测定相邻各点间高差，求和得到A、B 两点间的高差值。
目前测量高程使用的高差法中，由于水准仪仪器高是未知的，每次测量两点的高程差都必须在两点之间架设水准仪以测量两点的水准尺读数，这样测量效率受到了限制。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是如何精确地测量水准仪仪器高。
一种具有高精度仪器高测量功能的水准仪，包括水准仪，延展基座，测量尺和位移计，延展基座为水准仪基座的水平延伸体，延展基座上具有一竖直方向的穿孔尺套，测量尺从穿孔尺套中穿过，位移计一端安装在测量尺顶端，另一端安装在延展基座上，测量尺下端为基底。优选地，位移计为磁致伸缩位移计。优选地，测量尺的横截面为矩形，测量尺上端安装有圆水准器或管水准器，在穿孔尺套上安装有两轴向方向相互垂直且上下错位的微调螺旋，微调螺旋内部一端嵌套在测量尺竖直方向的凹槽内。优选地，水准仪为电子水准仪。优选地，基底固定安装在测量尺下端。优选地，基底为圆柱形。优选地，基底可拆卸更换。优选地，测量尺为铟钢尺。优选地，测量尺的长度在1650-1800mm之间。该水准仪使用方法：a.架设水准仪，伸开测量尺，使其底端接触到地面基准；b.粗平；c.粗略瞄准、调焦、精确瞄准；d.精平；e.读数；f.测取仪器高，记录磁致伸缩位移计显示的读数，计算仪器高；g.高程测量原理与步骤，已知A点的高程HA，欲测定B点的高程HB，则在A点上竖立水准尺，在B点之间安置一架可以得到水平视线的水准仪，假设水准仪的水平视线在尺子上的位置读数分别为A尺读数为a，水准仪仪器高为h，于是B点的高程HB为
HB=HA+hAB= HA +a-h
之后转动望远镜测量C尺读数c，然后以B点或A点为已知点，再用高差法计算C点的高程，测完后再在D点安置水准仪，以此循环测量下去。
本发明由于采用了以上技术方案，具有以下有益效果：利用水准仪自身图像读数功能读取仪器高，测量精度很高且节省了大量成本；水准仪的高程是已知的，减少了该基准点上的高程测量步骤，测量效率翻倍；水准仪精平后，测量尺与延展基座和大地两平面严格垂直，其次测量尺始终伸开与地面基准点紧密接触，且磁致伸缩位移计的测量精度很高，共同保证了所测仪器高程的精度。
附图说明
图1是一种具有高精度仪器高测量功能的水准仪整体结构示意图；
图2是水准仪与测量尺连接部分结构示意图；
图3是测量尺凹槽结构示意图；
图4是微调螺旋、穿孔尺套、测量尺的连接结构示意图；
图5是目前的高程测量高差法原理示意图；
图6是本发明的高程测量高差法原理示意图；
图中：1.水准仪，2.测量尺，3.磁致伸缩位移计，4.延展基座，5.圆柱形基底，6. 穿孔尺套，7.圆水准器，8.微调螺旋，9.凹槽。
具体实施方式
实施例1，如附图1-4所示。
一种具有高精度仪器高测量功能的水准仪，包括水准仪，延展基座，测量尺和位移计，延展基座为水准仪基座的水平延伸体，延展基座上具有一竖直方向的穿孔尺套，测量尺从穿孔尺套中穿过，磁致伸缩位移计安装在延展基座上，与水准仪通过有线方式相连，朝向测量尺的刻度面，测量尺下端为基底。
测量尺依靠自身重力，能够保证测量尺底端与地面基准点时刻保持接触，减少测量误差，同时亦可实时监测仪器高的微小变化。
优选地，位移计为磁致伸缩位移计。磁致伸缩传感器是采用“磁致伸缩原理”研制开发的高精度位移传感器，采用非接触测量方式，不会由于磨擦、磨损等原因造成传感器的使用寿命降低。它良好的环境适应性、可靠性和稳定性，使用极为方便，与导电橡胶、LVDT、电阻式位移传感器等产品相比有明显的优势。它的输出信号是一个真正的绝对位置输出，而不是比例的或需要再放大处理的信号，所以不存在信号漂移或变值的情况，因此不必像其它位移传感器一样需要定期重标和维护；正是因为它的输出信号为绝对数值，所以假使电源中断重接也不会对数据接收构成问题，更无须重新归回零位。选用磁致伸缩位移计的主要理由是，其量程可选50mm到8000mm，量程范围合适本案选取1000mm左右即可，同时其精度可高达0.002％ ，折算成1000mm的测量误差即是1000×0.002mm＝0.00125mm，对于一般仪器高测量精度足够。优选地，测量尺的横截面为矩形，测量尺上端安装有圆水准器或管水准器，在穿孔尺套上安装有两轴向方向相互垂直且上下错位的微调螺旋，微调螺旋内部一端嵌套在测量尺竖直方向的凹槽内。该结构中，两个微调螺旋在各自的调节方向上互不影响，且可以在各自方向上推拉测量尺，保证了测量尺能够在两个微调螺旋的调节下实现调平，同时保证了及时测量尺有微小形变，也能顺利***穿孔尺套进行调平。调平后测量尺是竖直的，便可准确读取位移计读数。优选地，水准仪为电子水准仪。磁致伸缩位移计测量精度很高，适用于电子水准仪。
优选地，基底固定安装在测量尺下端。优选地，基底为圆柱形。这是为了方便基底与地面基准点的接触。优选地，基底可拆卸更换。优选地，测量尺为铟钢尺。铟钢尺结构稳定，不容易发生形变。优选地，测量尺的长度在1650-1800mm之间。此高度范围符合测量时的人体工程学，方便使用。该水准仪使用方法：a.架设水准仪，伸开测量尺，使其底端接触到地面基准；b.粗平；c.粗略瞄准、调焦、精确瞄准；d.精平；e.读数；f.测取仪器高，记录磁致伸缩位移计显示的读数，计算仪器高；g.高程测量原理与步骤，已知A点的高程HA，欲测定B点的高程HB，则在A点上竖立水准尺，在B点之间安置一架可以得到水平视线的水准仪，假设水准仪的水平视线在尺子上的位置读数分别为A尺读数为a，水准仪仪器高为h，于是B点的高程HB为
HB=HA+hAB= HA +a-h
之后转动望远镜测量C尺读数c，然后以B点或A点为已知点，再用高差法计算C点的高程，测完后再在D点安置水准仪，以此循环测量下去。
下面详述本发明的高程测量原理与步骤。
高差法，即利用高差计算待测点高程的方法。在此，与目前的普遍使用的高差法进行对比说明。
目前的高差法原理如图5所示，其测量步骤与计算方法如背景技术所述。
本发明的高差法原理如图6所示，由于本发明的水准仪仪器高h是已知的，相当于目前高差法中的B尺读数b，即无需测量B尺（前视）读数b，则A、B两点之间的高程差（简称高差hAB）为
hAB=a-h （4）
于是B点的高程HB为
HB=HA+hAB （5）
于是B点的高程HB为
HB=HA+hAB= HA +a-h （6）
将目前的和本发明的测量步骤对比可知，本发明在测量B点的高程HB，水准仪只测量了A尺（后视）读数a，当转动望远镜瞄准C点上C尺子，即可测量C尺（前视）读数c，然后以B点或A点为已知点，再用高差法计算C点的高程。这样，免去了B点高程的测量，测量效率翻倍。

Claims (10)

1.一种具有高精度仪器高测量功能的水准仪，其特征为包括水准仪，延展基座，测量尺和位移计，延展基座为水准仪基座的水平延伸体，延展基座上具有一竖直方向的穿孔尺套，测量尺从穿孔尺套中穿过，位移计一端安装在测量尺顶端，另一端安装在延展基座上，测量尺下端为基底。
2.根据权利要求1中所述的一种具有高精度仪器高测量功能的水准仪，其特征为位移计为磁致伸缩位移计。
3.根据权利要求1或2中所述的一种具有高精度仪器高测量功能的水准仪，其特征为测量尺的横截面为矩形，测量尺上端安装有圆水准器或管水准器，在穿孔尺套上安装有两轴向方向相互垂直且上下错位的微调螺旋，微调螺旋内部一端嵌套在测量尺竖直方向的凹槽内。
4.根据权利要求1或2中所述的一种具有高精度仪器高测量功能的水准仪，其特征为水准仪为电子水准仪。
5.根据权利要求1中所述的一种具有高精度仪器高测量功能的水准仪，其特征为基底固定安装在测量尺下端。
6.根据权利要求5中所述的一种具有高精度仪器高测量功能的水准仪，其特征为基底为圆柱形。
7.根据权利要求5或6中所述的一种具有高精度仪器高测量功能的水准仪，其特征为基底可拆卸更换。
8.根据权利要求1中所述的一种具有高精度仪器高测量功能的水准仪，其特征为测量尺为铟钢尺。
9.根据权利要求2中所述的一种具有高精度仪器高测量功能的水准仪，其特征为测量尺的长度在1650-1800mm之间。
10.根据权利要求1中所述的一种具有高精度仪器高测量功能的水准仪，其特征为该水准仪使用方法：a.架设水准仪，伸开测量尺，使其底端接触到地面基准；b.粗平；c.粗略瞄准、调焦、精确瞄准；d.精平；e.读数；f.测取仪器高，记录磁致伸缩位移计显示的读数，计算仪器高；g.高程测量原理与步骤，已知A点的高程HA，欲测定B点的高程HB，则在A点上竖立水准尺，在B点之间安置一架可以得到水平视线的水准仪，假设水准仪的水平视线在尺子上的位置读数分别为A尺读数为a，水准仪仪器高为h，于是B点的高程HB为
HB=HA+hAB= HA +a-h
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