第4章 电子水准仪的构造与使用

4.1 电子水准仪的特点及基本构造

20世纪40年代出现了电磁波测距技术，1963年Fennel厂研制出了编码经纬仪，随着光电技术、计算机技术和精密机械制造技术的发展，到20世纪80年代已开始普遍使用电子测角和电子测距技术，然而到20世纪80年代末水准测量还在使用传统仪器。这是由于水准仪和水准标尺不仅在空间上是分离的，而且两者的距离可以以1m多变化到100m，因此在技术上引起数字化读数的困难。为实现水准仪读数的数字化，人们进行了近30年的尝试，如德国ZEISS厂的RENI002A已使测微器读数能自动完成，但粗读数还需人工读出并按键输入，然后与精读数一起存入存储器，因此还算不上真正的电子水准仪，又如利用激光扫平仪和带探测的水准标尺可以使读数由标尺自动记录，由于这种试验结果还不能达到精密几何水准测量的要求，因此也没有解决水准测量读数自动化的难题。1990年瑞士 Wild（今LEICA）厂首先研制出数字水准仪NA2000。可以说，从1990年起，测量仪器已经完成了从精密光机仪器向光机电测一体化的高技术产品的过渡，攻克了测量仪器中水准仪数字化读数这一最后难关。到1994年德国ZEISS厂研制出了电子水准仪Di-Ni10/20，同年日本TOPCON厂也研制出了电子水准仪DL101和DL102（图4.1），这意味着电子水准仪也将普及。同时也说明，目前还是几何水准测量的精度高，没有其他方法可以取代。GPS技术只能确定大地高，大地高换算成工程上感兴趣的正常高还需要知道高程异常，确定高程异常还需要精密水准测量。这也是各厂家努力开发电子水准仪的原因之一。电子水准仪具有测量速度快、读数客观、能减轻作业劳动强度、精度高、测量数据便于输入计算机和容易实现水准测量内外业一体化的特点，因此它投放市场后很快受到用户青睐。由于国外低精度高程测量盛行使用各种类型的激光定线仪和激光扫平仪，因此，目前电子水准仪的精度等级基本都是中高精度，中等精度电子水准仪的标准差在1.0～1.5mm/km，高精度电子水准仪的标准差在0.3～0.4mm/km。

图4.1 TOPCON电子水准仪DL102

4.1.1 电子水准仪的主要特征及原理

电子数字水准仪的主要特征是由传感器识别条形码水准标尺（铟瓦数字水准尺）上的条形码分划，经信息转换处理获取观测值，并以数字形式显示或存储在计算机内。观测时，经自动调焦和自动置平后，水准标尺条形码分划影像射到分光镜上，并将其分为两部分：一是可见光，通过十字丝和目镜，供照准用；二是红外光射向探测器，它将望远镜接收到的光图像信息转换成电影像信号，并传输给信息处理机，与机内原有的关于水准标尺的条形码本源信息进行相关处理，从而得出水准标尺上水平视线的读数。

电子水准仪又称数字水准仪，是在自动安平水准仪的基础上发展起来的，它采用条码标尺 （各厂家标尺编码的条码图案不相同，不能互换使用）。目前照准标尺和调焦仍需目视进行。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化板上，供目视观测，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，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。

图4.2 ZEISS DiNi11/12电子水准仪与条码尺

当前电子水准仪采用了原理上相差较大的3种自动电子读数方法，即相关法（LEICA NA3002/3003）、几何法（德国 ZEISS DiNi10/20）、相位法（日本TOPCON DL101C/102C）。电子水准仪的3种测量原理各有奥妙，3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。

德国ZEISS厂的电子水准仪及标尺编码如图4.2所示，其几何法测量原理如图4.3所示。

图4.3 几何法测量原理

图4.4 LEICA DNA03/10电子水准仪

LEICA DNA03/10的外形如图4.4所示，原理如图4.5所示。

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机电测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。它与传统水准仪相比有以下4个特点，即读数客观 （不存在误差、误记问题，没有人为读数误差）、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。不熟练的作业人员业也能进行高精度测量）、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）、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）。

图4.5 相关法测量原理

图4.6 DINI电子水准仪的典型结构

（a）正视斜侧面；（b）仰视斜侧面；（c）俯视斜侧面

4.1.2 电子水准仪的典型结构

图4.7 DINI电子水准仪的键盘

电子水准仪的典型结构如图4.6所示。DINI电子水准仪的软件非常丰富，其菜单情况见表4.1。DINI电子水准仪的键盘如图4.7所示。DINI电子水准仪的控制和显示单元见表4.2。

DINI电子水准仪的显示器如图4.8所示，其中，图4.8（a）反映的是当前程序信息、输入以及电池情况；图4.8（b）反映的是当前工作信息；图4.8（c）反映的是最后一次测量结果；图4.8（d）反映的是输入下一测量任务的信息；图4.8（e）反映的是函数域和信息区域；图4.8（f）反映的是所有信息输入完毕后出现的图形并显示仪器准备测量；图4.8（g）反映的是仪器设置观测相反方向时的图标提醒。

图4.8 DINI电子水准仪的显示器

（a）界面1；（b）界面2；（c）界面3；（d）界面4；（e）界面5；（f）界面6；（g）界面7

DINI电子水准仪的键盘和显示屏功能原则如图4.9所示，其中，图4.9（a）反映的是用 【导航键】进行导航并显示要选择的项目；图4.9（b）、（c）反映的是按 【回车键】确认或者 【1】键选择项目；图4.9（d）反映的是一些输入区域带有下拉菜单，可以对已有菜单进行选择，用 【导航键】向右可以显示下拉菜单，向左可直接进行对项目选择；图4.9（e）反映的是使用者可在此区域输入数字和字母，从键盘进行选择要输入的数字或字母，用 【α键】进行切换，屏幕上方显示输入状态；图4.9（f）反映的是一些输入区域带有复选框，使用 【导航键】进行导航，激活复选框、按左箭头键进行选择或不选择；图4.9（g）反映的是使用 【导航键】可以上、下、左、右进行选择；图4.9（h）反映的是在这部分使用 【导航键】向上或向下通过不同的输入区域可进入显示器底部的软键，当此部分被激活时可使用 【导航键】向右选择下拉菜单或向左直接逐个进行选择；图4.9（i）反映的是在显示器这部分可使用 【导航键】向左或向右选择软键，按 【回车键】激活所选软键，若要返回输入区域则必须移到输入区域正下方的软件后再向上选择要选择的区域；图4.9（j）反映的是右下角符号显示下一步将要进行的工作。

图4.9 DINI电子水准仪的键盘和显示屏功能原则

（a）界面1；（b）界面2；（c）界面3；（d）界面4；（e）界面5；（f）界面6；（g）界面7；（h）界面8；（i）界面9；（j）界面10

DINI电子水准仪显示界面中的相关符号可通过按相应的键实现，”是指准备测量，可按测量键实现；回车时可按 【回车键】；储存时可按 【回车键】储存测量信息；接受时可按 【回车键】接受；继续时可按 【回车键】继续；结束时可按 【回车键】结束测量；需要第二页时可按 【回车键】进入下一页；“↑↓”可按 【导航键】向上向下选择信息。

DINI电子水准仪的开、关机可通过【开关键】实现开/关。电池恰当充电对仪器操作十分重要，使用【开关键】开机，开机几秒钟后仪器准备测量，主菜单或者“仪器超过倾斜范围”将会持续显示。

DINI电子水准仪的补偿器是其核心器件之一，其用途是使用机械补偿器对仪器倾斜进行校正。自动补偿器可保证仪器的倾斜自动调平，补偿器不仅作用于目视观测而且作用于仪器内部，是电子测量部分，补偿器不能被解除。补偿器补偿范围在±15′，根据仪器型号的不同其补偿精度有±5″或±2″之分，如果超过倾斜范围时会在屏幕上端显示不居中的气泡（图4.10），重新整平仪器之后将出现警告信息（图4.11）。补偿器对仪器视准轴有决定性影响，校正菜单有4个选项对DINI进行校正，校正应在固定的时间间隔进行以达到仪器的测量精度要求。

图4.10 超过倾斜范围

图4.11 警告信息

图4.12 简易角度测量系统

DINI电子水准仪带有简单的角度测量系统（图4.12），从而实现DINI的方向测量能力，借助其可进行简单的方向测量和放样，可通过仪器下部的度盘直接读取角度，最小读数是1°和1gon，可估读到0.1°和0.1gon。DINI电子水准仪还具有高程/距离测量系统，这部分将在后面做详细介绍。

DINI电子水准仪带有声音信号发生器，其作用是当系统信息显示时对功能和警告信号进行确认。用 “嘀”声反映仪器所处状态：连续测量 “嘀”；测量完成 “嘀”持续3s；错误信息 “嘀”一直持续；低电量 “嘀嘀嘀”；连接仪器或打开通信口 “嗒嘀”；断开仪器或打开通信口 “嘀嗒”。提示音可在仪器设置菜单界面打开或者关闭。

DINI电子水准仪带有存储器，仪器关闭以后存储卡仍可存储计算信息、操作模式、测量单元，测量数据以及其他信息存储在仪器内存卡内。DINI电子水准仪具有数据安全保障功能，数据存储在内存储器中可保证数据的安全。DINI电子水准仪具有足够的存储量，内存卡的内存取决于选择的测量模式，在线路测量中如果选用BFFB形式将比单点测量占用更多的空间。

DINI电子水准仪的安装应符合要求，仪器安置稳定可提高测量精度，可使TrimbleDINI的测量精度利用达到最大。如图4.13所示，稳定安置仪器应遵守相关要领，安置仪器时一定要注意以下3点，即：应尽量将脚架腿架展宽一些以增加仪器的稳定性，一条架腿在沥青里而其他两条架腿在土里时若仪器脚架架的宽则仪器仍然可以很稳定，若周围障碍物不允许架腿架的很宽，则可降低脚架以增加稳定性；应确认所有脚架螺旋均拧紧以防止仪器滑落；所有符合标准的脚架头都可以使用，Trimble建议使用钢铁、铝合金或类似材料的脚架头的脚架，玻璃丝或其他相关材料的脚架头不建议使用。

DINI电子水准仪测量的稳定性非常关键。考虑到仪器需要时间进行温度修正，根据经验，为达到高精度测量要求，温度修正应在规定的时间内调节到新的温度，应避免强光照射仪器（尤其是在中午）。

DINI电子水准仪的安装和粗平应符合要求，为保证测量稳定性应使用配套的Trimble三脚架。

图4.13 稳定安置仪器

（a）正确架法；（b）错误架法

图4.14 电子水准仪的架设

4.1.3 电子水准仪的架设

如图4.14所示，电子水准仪的架设应依序进行。安装时应将脚架打开到适合观测的高度并用螺旋拧紧，将仪器放在脚架盘中间并拧紧，脚架的螺旋应在中心。粗平时应将仪器安装到脚架，粗略对准地面点，粗略整平。在固定螺丝上挂住铅垂线，将脚架粗略对准地面点。

水准测量与精平应遵守相关规定。粗平的圆水准器如图4.15所示，应调动脚螺旋使气泡粗平。如图4.16所示，精平时应同时向里或向外转动与仪器视准轴垂直的两个脚螺旋，使气泡在此方向上居中；调整第3个螺旋使气泡居中；然后在各个方向上转动仪器看是否居中，若不居中则应重复上一动作；倾斜补偿器可对仪器进行倾斜补偿、补偿范围为±15′。精确对中时可转动三脚架顶板螺旋使铅垂线正好对准地面点，如果有必要则应相应的重复整平数次。

图4.15 圆水准器

图4.16 精平

图4.17 望远镜十字丝

望远镜调焦应准确，可采用十字丝调焦（图4.17），即将镜头找准光亮地区或彩色的表面，调节目镜，直到十字丝变得十分清晰。注意，望远镜调焦时一定不能将镜头对准太阳，因这样可造成对眼睛的伤害。

瞄准目标点应准确，通过转动望远镜控制器直到瞄准目标点，应注意检查视差，应确保移动目光的同时目标点与十字丝没有移动，如果有必要则需要重新对焦。需要注意的是，调节圆水准气泡之后仍产生的倾斜通过补偿器可以减小，但补偿器对范围过大的倾斜不起作用，因此要对气泡进行检查确认其是否居中。

仪器的开关机应遵守规定，按【开关键】对仪器进行开/关机，无意间关闭电源不会导致测量数据丢失。

4.1.4 电子水准仪测量时的相关操作及设置

如图4.18所示，按键盘上的 【测量触发键】【】和仪器右侧的 【测量触发键】可以开始测量。需要强调的是，为达到高精度测量，Trimble建议使用仪器右侧的 【测量触发键】进行测量，此按键可减少由于按键造成的仪器振动所带来的误差。

图4.18 测量触发键位置

配置菜单应遵守规定，在配置菜单可以设置时间、日期、单位等信息以及进行仪器校正，相关的操作如图4.19所示，其中，图4.19（a）反映的是选择配置；图4.19（b）反映的是输入，即在输入菜单可以输入大气折射、加常数、日期、时间，应在配置菜单中进入输入菜单；图4.19（c）反映的是使用【导航键】选择大气折射、加常数、日期时间，按【回车键】储存。

DINI电子水准仪的“限差/测试”功能仅限于水准线路测量。DINI电子水准仪的“限差/测试”功能操作应遵守规定，相关的操作如图4.20所示，其中，图4.20（a）反映的是在配置菜单中选择“限差/测试”菜单；图4.20（b）反映的是用【导航键】选择最大视距、最小视距高、最大视距高，按【回车键】键进入第二页，最大视距范围0～100m，最小视距范围0～1m，最大视距高0～5m；图4.20（c）反映的是用【导航键】上下选择限差，“一个测站”为B1-F1到B2-F2，“单次测量”为B1-B2和F1-F2；图4.20（d）反映的是用【导航键】向下翻到第二页，可输入最大限差以及选择或清除30cm检测，最大限差范围0～0.01m；图4.20（e）反映的是向下翻到第三页，可选择单站前后视距差、水准线路前后视，视距差范围0～5m，前后视范围0～100m。

图4.19 配置菜单的相关操作

（a）界面1；（b）界面2；（c）界面3

图4.20 DINI电子水准仪“限差/测试”功能的操作

（a）界面1；（b）界面2；（c）界面3；（d）界面4；（e）界面5

DINI电子水准仪的“校正”功能操作应遵守规定，相关的操作如图4.21所示，其中，图4.21（a）反映的是在配置菜单中选择校正；图4.21（b）反映的是屏幕显示旧值/新值，校正时选择地球曲率改正、大气折射改正开或关，按【回车键】继续；图4.21（c）反映的是选择确定或取消以及继续或退出校正，需要说明的是，完成校正以后将不能继续已有的水准线路；图4.21（d）反映的是选择校正方法。

DINI电子水准仪仪器设置的操作应遵守规定，相关的操作如图4.22所示，其中，图4.22（a）反映的是在配置菜单中选择仪器设置；图4.22（b）反映的是选择高度单位，m=米、ft=英尺、in=英寸；图4.22（c）反映的是选择输入单位，m=米、ft=英尺、in=英寸；图4.22（d）反映的是显示选择的十进制单位，需要说明的是，仪器将测量并储存选择的十进制单位的结果；图4.22（e）反映的是选择10min，仪器将在10min以后自动关机，在以下两种情况下仪器不会自动关机，即继续测量或与电脑或记忆卡连接时；图4.22（f）反映的是利用复选框进行选择或开/关声音；图4.22（g）反映的是选择显示语言，当确认选择后语言将改变；图4.22（h）反映的是选择日期，D=天、M=月、Y=年；图4.22（i）反映的是选择时间。

图4.21 DINI电子水准仪的“校正”功能操作

（a）界面1；（b）界面2；（c）界面3；（d）界面4

图4.22 DINI电子水准仪仪器设置的相关操作

（a）界面1；（b）界面2；（c）界面3；（d）界面4；（e）界面5；（f）界面6；（g）界面7；（h）界面8；（i）界面9

DINI电子水准仪记录设置的操作应遵守规定，相关操作如图4.23所示，其中，图4.23（a）反映的是在配置菜单选择记录设置；图4.23（b）反映的是选择或清除记录复选框，开/关数据记录；图4.23（c）反映的是选择数据记录，R-M只保存测量数据，RMC既保存测量数据又保存计算数据；图4.23（d）反映的是选择记录附加数据，按【回车键】进入下一页；图4.23（e）反映的是线路测量，输入“点号自动增加”和起始点号按【回车键】键确认，点号自动增加以起始点算起；图4.23（f）反映的是线路测量，输入“点号自动增加”和起始点号按【回车键】确认，点号以起始点算起自动增加。

图4.23 DINI电子水准仪记录设置的相关操作

（a）界面1；（b）界面2；（c）界面3；（d）界面4；（e）界面5；（f）界面6

DINI电子水准仪具有独特的“Trimble功能”，按【回车键】键可进入如图4.24所示菜单。需要说明的是，并不是一次就可以获得所有功能，所获得的功能与所选择的程序有关，应对选择的图标键按 【回车键】。其中的 “放样点功能”是指在水准线路测量中可以放样标出点，可通过选择 “Sout”实现，如图4.25所示。其中的 “中间点测量功能”是指在水准线路测量中可以进行单点测量，可通过选择 “中间点测量”实现，如图4.26所示。其中的 “距离测量功能”是为满足特殊需要而设置的，如有时工作人员在测量之前要知道距离，再如在水准线路测量中必须知道距离以调整前后视距，在距离测量中只能量到一个点的距离，可通过选择 “距离测量”实现，如图4.27所示，进入界面后可按 【测量触发键】进行测量，按退出键 【Esc】退出程序。

图4.24 Trimble功能界面

图4.25 放样点功能界面

图4.26 中间点测量功能界面

图4.27 距离测量功能界面

DINI电子水准仪具有光学测量能力，某些情况下不能进行数字测量时测量员就必须进行光学测量，测量结果可以手工输入到该点信息中。光学测量的过程如图4.28所示，其中，图4.28（a）反映的是选择光学测量；图4.28（b）反映的是可以键入距离值，也可以选择视距读数；图4.28（c）反映的是选择键入读数，可以输入平距，按 【回车键】键继续；图4.28（d）反映的是如果选择视距读数，键入读数值按 【回车键】继续。

图4.28 光学测量过程

（a）界面1；（b）界面2；（c）界面3；（d）界面4

DINI电子水准仪具有倒尺测量能力，地下测量和室内测量要求用倒尺测量，倒尺测量模式一旦被选择，在进行测量时即进入此模式，必须切换到正常测量模式才可以进行正常测量。倒尺测量的过程如图4.29所示，其中，图4.29（a）反映的是选择倒尺测量；图4.29（b）反映的是选择“是”进入倒尺测量模式，“是”代表进入倒尺测量、“否”代表进入正常模式；图4.29（c）反映的是当设置为倒尺测量时，屏幕右下角显示“↓”。

图4.29 倒尺测量过程

（a）界面1；（b）界面2；（c）界面3

DINI电子水准仪具有多次测量能力，在重复测量中可以设置测量次数和最大标准差以限制所要达到的测量精度，“nM=1”代表只进行一次测量，“nM＞1、mR=0”代表可以进行任何测量，“nM＞1、mR＞1”代表可以进行设定的测量次数和精度的测量。重复测量中测量完毕后屏幕会显示测量员的读数、距离、标准偏差。如果设定标准偏差则最少需要3次测量。多次测量的过程如图4.30所示，其中，图4.30（a）反映的是选择多次测量键；图4.30（b）反映的是键入测量点号，“nM”代表测量次数，最多测量次数为10；图4.30（c）反映的是输入标准偏差按【回车键】存储，“mR”代表测量结果接受之前的最大标准偏差，至少要进行3次测量。

图4.30 多次测量过程

（a）界面1；（b）界面2；（c）界面3

DINI电子水准仪具有输入注释能力，在测量中，如有需要的话可以输入文本信息，包括日期、时间等。输入注释的过程如图4.31所示，其中，图4.31（a）反映的是选择注释；图4.31（b）反映的是选择输入更多信息；图4.31（c）反映的是现在就可以输入希腊字母和数字；图4.31（d）反映的是如想输入当前日期时间，可选择追加当前日期/追加当前时间；图4.31（e）反映的是按【回车键】储存信息；图4.31（f）反映的是执行此命令将记录仪器的基本信息。

图4.31 输入注释过程

（a）界面1；（b）界面2；（c）界面3；（d）界面4；（e）界面5；（f）界面6

DINI电子水准仪具有照明灯功能，在此菜单可以选择开/关照明灯。照明灯功能的操作过程如图4.32所示，其中，图4.32（a）反映的是用【回车键】或者数字键9开/关照明灯；图4.32（b）反映的是照明灯打开，屏幕上方会显示此图标，使用安全模式会在30s关闭照明灯且太阳图标将变成月亮。

图4.32 照明灯功能的操作

（a）界面1；（b）界面2

DINI电子水准仪具有照明和对比度功能，在此菜单可以设置屏幕或者气泡照明的开/关，可以设置照明亮度、显示器对比度、省电模式。照明和对比度功能的操作过程如图4.33所示，其中，图4.33（a）反映的是按【0】键；图4.33（b）反映的是在照明下拉菜单中可以选择仅气泡、仅屏幕、所有；图4.33（c）反映的是若增加或降低气泡亮度可按【导航键】向左/向右进行；图4.33（d）反映的是若增加或降低屏幕亮度可以按【导航键】向左/向右进行；图4.33（e）反映的是增加或降低对比度可以用【导航键】向左/向右进行；图4.33（f）反映的是在复选框中选择打开/关闭“省电模式”。

图4.33 照明和对比度功能的操作

（a）界面1；（b）界面2；（c）界面3；（d）界面4；（e）界面5；（f）界面6

DINI电子水准仪可选择版本及序列号，其操作过程如图4.34所示，其中，图4.34（a）反映的是按【逗号/句号】键；图4.34（b）反映的是显示版本和序列号，按【回车键】回到主对话框。

图4.34 版本及序列号操作过程

（a）界面1；（b）界面2