测量学自学教程12
第十二章测量新仪器和新技术简介
一、本章重点
1．了解测量新仪器的构造特点和技术操纵方法。
2．了解测量新技术的应用情况。
二、本章难点
测量新仪器的设计思路与应用技术。
三、课时分配
本章讲授2—4学时。
第一节电子水准仪
一、构造与工作原理
电子水准仪是一种自动化程度很高的智能水准仪器，如图12-1所示。它由基座、水准器、望远镜及数据处理系统组成。电子水准仪具有内藏应用软件和良好的操作界面，可以自动完成读数、记录和计算处理等工作，并通过数据通讯将数据传输到计算机内进行后续处理，还可以通过远程通讯系统将测量成果直接传输给其它用户。若使用普通水准尺，也可当普通水准仪使用。
图12-1 电子水准仪
1-物镜；2-提环；3-物镜调焦螺旋；4-测量按钮；5-微动螺旋；6-RS接口；7-圆水准器观察窗；8-目镜；9-显示器；10-键盘；11-度盘；12-基座
电子水准仪的工作原理如图12-2所示，在仪器的中央处理器(数据处理系统)中建立了
一个对单平面上所形成的图像信息自动编码程序，通过望远镜中的照相机摄取水准尺上的
图像信息，传输给数据处理系统，自动地按编码转换成水准尺读数和水平距离或其它所需
要的数据，并自动记录储存在记录器中或在显示器上。
图12-2 电子水准仪工作原理图
电子水准仪不仅可进行普通水准仪的各种测量，还可以进行水平角测量、高精度距离
测量、坐标增量测量、水准网测量的平差计算，在较为平坦的地区可作中等精度全站仪使
用，具有一机多能的作用。尤其是自动连续测量的功能对大型建筑物的变形(瞬时变化值)
观测，更具有优越性，不是常规仪器所能比拟的。下面为瑞士徕卡NA2000型电子水准仪
的主要技术参数(电子读数)：
每公里往返中误差0.9mm
测距精度10mm
最小视距 2.0m
最大测程100m
高差最小显示值0.01mm
视场角2
安平补偿精度0.4″
外业作业温度20+50
二、条码水准尺
条码水准尺是与电子水准仪配套的专用尺，如图
12-3a)所示，它由玻璃纤维塑料制成，或用铟钢制成尺
面镶嵌在基尺上形成。尺面上刻有宽度不同的水平黑白
相间的分划(条码)，该条码相当于普通水准尺上的分划
和注记，全长为2 4.05m。条码水准尺上附有安
图12-3条码水准尺
平水准器和扶手，在尺的顶端留有撑杆固定螺孔，以便用撑杆固定条码尺，使之长时间保持竖直位置，减轻作业人员的劳动强度。条码水准尺在望远镜视场中的情形如图12-3b)所示。
三、技术操作方法
电子水准仪用于测量时，其技术操作方法与自动安平水准仪类似，分为粗平、照准、读数三步。下面以NA2000型电子水准仪为例介绍其操作方法。
1．粗平
转动脚螺旋，使圆水准气泡居中即可，气泡居中的状况可在观察窗中看到。而后打开仪器电源开关(开机)，使仪器进行自检。当仪器自检合格后显示器显示程序清单，此时即可进行测量工作。
2．照准
转动目镜调焦螺旋，看清十字丝；按相应键选择测量模式或测量程序，如仅测量不记录、测量并记录测量数据等。例如，按下RROG键，调出程序清单；按DSP↑或DSP ↓键，选择相应的测量程序，并按RUN键予以确认。仅测量水准尺的读数和距离时，程序为“P MEAS ONLY”；开始进行水准测量时的程序为“P START LEVELING”；水准线路连续高程测量和输入起始点高程的程序为“P CONT LEVELING”；视准轴误差检验的程序为“P CHECK & ADJUST”；删除记录器中数据记录的程序为“P ERASE DATA”。选定测量模式后，进行物镜对光，用十字丝照准条码尺中央，并制动望远镜。
3．读数
轻按一个测量按钮(红色)，显示器将显示水准尺读数；按测量键即可得到仪器至条码尺的距离。若按相应键即可得到所需的相应数据。若在“测量并记录”模式，仪器将自动记录测量数据。
在高程测量过程中，后视观测完毕后，仪器自动显示提示符“FORE □□□□”，提醒观测员观测前视，前视观测完毕后，仪器又自动显示提示符“BACK □□□□”，提醒进行下一站后视的观测；如此连续进行，直至观察到终点。仪器显示待定点的高程是以前一站转点的高差推算的。
4．结束
按［IN/SO］键结束测量工作。
第二节电子经纬仪
随着电子技术的发展，近年来出现了电子经纬仪，它测角精度高，能自动显示角度值，加快了测角精度。电子经纬仪与光学经纬仪具有类似的外形和结构特征，因此使用方法也有许多相通的地方。最主要的区别在于读数系统，光学经纬仪是在360的全圆上均匀地刻上度(分)的刻化并注有标记，利用光学测微器读出分、秒值，电子经纬仪则采用光电扫描度盘和自动显示系统。电子经纬仪具有以下特点：
(1)实现了测量的读数、记录、计算、显示自动一体化，避免了人为的影响。
(2)仪器的中央处理器配有专用软件，可自动对仪器几何条件进行检校和各种归算正。
(3)储存的数据可通过I/O接口输入计算机作相应的数据处理。
一、电子经纬仪的测角原理
电子经纬仪获取电信号形式与度盘有关。目前，
电子测角有三种度盘形式，即编码度盘、光栅度盘和
格区式度盘。下面分述其测角原理。
1．编码度盘
图12-4电子经纬仪编码度盘如图12-4所示编码度盘。整个度盘被均匀地划
分为16个区间，每个区间的角值相应为360/16 2230；以同心圆由里向外划分为4个环带(每个环带称为1条码道)。黑色为透光区，白色为不透光区，透光表示二进制代码“1”，不透光表示“0”。这样通过各区间的4个码道的透光和不透光，即可每区由里向外读出一组4位二进制数来，每组数代表度盘的一个位置，从而达到对度盘区间编码的目的，参见表12-1所列。
二进制编码表表12-1区间二进制编码角值(°′)区间二进制编码角值(°′)区间二进制编码角值(°′) 000000 0060110135 00111000247 30 1000122 3070111157 30121100270 00 2001045 0081000180 00131101292 30 3001167 3091001202 30141110315 00 4010090 00101010225 00151111337 30 51101112 30
如图12-5所示，为了识别照准方向落在度盘的区间的编码，在度盘上方沿径向每个码道安装一个发光二极管组成光源系列；在度盘下方相应位置安装一组光电二极管，组成通过码道所编码的光信号转化为电信号输出的接收检测系列，从而识别了度盘区间的编码。通过对两个方向的编码识别，即可求得测角值。
图12-5 编码接收检测系统
编码度盘分化区间的角值大小(分辨率)取决于码道数n，按360/2n式计算，如需分辨率为10，则需要2048个区间，11个码道，
即
360/211360/204810。
显然，这对有限尺寸的度盘是难以解决的。因而在实际
中，采用码道数和细分法加测微技术来提高分辨率。
图12-6电子经纬仪光栅度盘
2．光栅度盘
在光学玻璃圆盘上全圆360均匀而密集地刻划出许多径向刻线，构成等间隔的明暗条纹——光栅，称做光栅度盘，如图12-6所示。通常光栅的刻线宽度与缝隙宽度相同，二者之和称为光栅的栅距。栅距所对应的圆心角即为栅距的分划值。如在光栅度盘上、下对应位置安装照明器和光电接收管，光栅的刻线不透光，缝隙透光，即可把光信号转换成电信号。当照明器和接收管随照准部相对于光栅度盘转动，由计数器计出转动所累计的栅距数，就可得到转动的角度值。因为光栅度盘是累计计数的，所以通常这种系统为增量式读数系统。
仪器在操作中会顺时针转动和逆时针转动，因
此计数器在累计栅距数时也有增有减。例如在瞄准
目标时，如果转动过了目标，当反向回到目标时，
计数器就会减去多转的栅距数。所以这种读数系统
具有方向判别的能力，顺时针转动时就进行加法计
数，而逆时针转动时就进行减法计数，最后结果为
图12-7电子经纬仪莫尔条纹度盘
顺时针转动时相应的角值。
在80mm直径的度盘上刻线密度已达到50线mm，如此之密，而栅距的分划值仍很大，为143。为了提高测角精度，还必须用电子方法对栅距进行细分，分成几十至上千等份。由于栅距太小，细分和计数都不易准确，所以在光栅测角系统中都采用了莫尔条纹技术，借以将栅距放大，再细分和计数。莫尔条纹如图12-7所示，是用与光栅度盘相同密度和栅距的一段光栅(称为指示光栅)，与光栅度盘以微小的间距重叠起来，并使两光栅刻线互成一微小夹角，这时就会出现放大的明暗交替的条纹，这些条纹就是
莫尔条纹。通过莫尔条纹，即可使栅距d放大至D。
日本索佳、瑞士克恩(Kern)厂的E1型和E2型电子经纬仪即采用光栅度盘。
3．格区式度盘
格区式度盘如图12-8所示，度盘刻有1024个分划，每个分划间隔包括一条刻线和一个空隙(刻线不透光，空隙透光)，其分划值为0测角时度盘以一定的速度旋转，因此称为动态测角。度盘上装有两个指示光栏，L S为固定光栏，L R可随照准部转动，为可动光栏。两光栏分别安装在度盘的内外缘。测角时，可动光栏L R随照准部旋转，L S与L R之间构成角度。度盘在马达带动下以一定的速度旋转，其分划被光栏L S和L R扫描而计取两个光栏之间的分划数，从而求得角度值。
图12-8 电子经纬仪格区式度盘
由图12-8可知，n0，即角等于n个整周期0与不足整周期的之和。n与分别由粗测和精测求得。
1)粗测
在度盘同一径向的外边缘上设有两个标记a和b，度盘旋转时，从标记a通过L S时起，计数器开始计取整间隔0的个数，当另一标记b通过L R时计数器停止计数，此时计数器所得到的数值即为0的个数n。
2)精测
度盘转动时，通过光栏L S和L R处于同一位置，或间隔的角度是分划间隔0的整倍