CN101446491B - 数字水准仪电子读数系统误差检测装置及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种数字水准仪电子读数系统误差检测装置及检测方法。检测装置包括升降台、水准尺和望远镜系统，水准尺垂直固定在升降台的活动拖板上，望远镜置于被测数字水准仪前，望远镜物镜与被测数字水准仪物镜相对，望远镜目镜与水准尺相对。检测时，被测数字水准仪通过望远镜观察水准尺，记录水准尺不同位置时的数字水准仪读数，按照标准偏差公式确定该数字水准仪的电子读数系统误差。本发明方案在真实的反映仪器的精度水平和可靠性水平的前提下，使用一种结构简单、空间紧凑、价格相对低廉的检测装置，检测方法简便、快捷。

Description

数字水准仪电子读数系统误差检测装置及检测方法

技术领域

本发明涉及一种数字水准仪的检测装置和检测方法，特别是数字水准仪电子读数系统误差的检测装置及检测方法。

背景技术

水准仪用于测量地面上两点的高差。数字水准仪是水准仪的一种，数字水准仪是在传统光学自动安平水准仪增加一套电子读数系统，以实现自动标尺读数。因此，数字水准仪不仅要达到光学自动安平水准仪全部技术指标，还必须达到电子读数系统的技术指标。目前，国内只有博飞公司的数字水准仪产品进入批量生产阶段，国外也只有少数厂家可以生产数字水准仪。关于数字水准仪的检测方法，与传统光学自动安平水准仪相同的部分可以继续执行国家标准中的相关规定，而新增加的电子读数系统的技术要求和检测方法，国家标准中尚无相关内容。数字水准仪与传统光学水准仪在检测方法上的一个重要区别在于：传统光学水准仪是利用望远镜分划板十字丝的横丝去照准水准尺上的刻划来进行标尺读数，水准尺上的一条水平线就可以确定标尺的读数，因此可以通过分别检测标尺精度和水准仪精度来检测水准仪的读数精度；而数字水准仪是利用水准尺上一段条码在望远镜的光电传感器(如CCD)上的影像来进行标尺读数，同时由于知识产权的原因，各生产厂家的水准尺编码方案不同，仪器的电子读数精度还与其编码解码方案有关，因此只能用各水准仪生产厂的专用水准尺与该生产厂的数字水准仪配合起来进行电子读数精度的检测，用电子读数结果与标准长度相比较，以此评价电子读数系统的精度。

现有的技术方案主要为：以双频激光干涉仪提供的干涉条纹作为标准长度，用电子读数系统的测量结果与之比较，以此确定测量误差。检测装置又分标尺横放与标尺竖放两种结构。标尺横放时(如图1所示)，利用平面反射镜将数字水准仪视准轴偏转90°，使数字水准仪能观察到水平放置的标尺，标尺固定在测量车上，通过测量车的移动使标尺水平移动；标尺竖放时(如图2所示)，标尺固定在垂直测量导轨上，通过测量导轨的移动使标尺垂直移动。

标尺横放的优点是标尺的移动精度不受重力的影响，检测装置相对简单，但受反射镜的限制，测程较短。标尺竖放的检测设备造价较高，难以在生产厂家推广。上述两种方法都存在两个共同问题：首先，都采用双频激光干涉仪的测量值作为真值。双频激光干涉仪价格昂贵，操作复杂，费时，适用于科研单位和计量检定单位，而不适合批量产品的检测。第二，数字水准仪的测程一般在100米左右，而采用上述两种方法，无论标尺横放还是竖放，要达到测程要求都需要有一个100米左右的室内通视长度，这在实际生产过程中会带来一定的困难。

发明内容

针对现有数字水准仪的检测装置和检测方法存在不足，本发明在真实的反映仪器的精度水平和可靠性水平的前提下，使用一种结构简单、空间紧凑、价格相对低廉的检测装置，简便、快捷地检测数字水准仪的精度。

本发明数字水准仪的检测装置包括升降台、水准尺和望远镜系统，水准尺垂直固定在升降台的活动拖板上，望远镜置于被测数字水准仪前，望远镜物镜与被测数字水准仪物镜相对，望远镜目镜与水准尺相对。

本发明数字水准仪的检测装置中，水准尺为垂直竖放的方式。升降台具有适宜的精度，一般可以采用电控升降台，将专用水准尺固定在电控升降台的活动拖板上，调整升降台，使导轨处于铅垂位置，水准尺铅垂固定在电控升降台的活动拖板上。升降台的核心部件是精密螺旋丝杠和精密导轨，由步进电机带动丝杠旋转，丝杠带动拖板沿导轨升降。步进电机由计算机和控制器进行控制和驱动，升降台升降的高度可以预先设定，仪器检测过程中，只要按动按钮或给出命令，升降台就可以按照设定的步长带动专用水准尺升降。步进电机、丝杠和导轨的精度保证了升降台的移动精度(可达到优于0.003mm，精度最低优于0.005mm)，完全可以满足一定等级仪器测量精度的要求。使用时，望远镜至水准尺的距离与望远镜放大倍数的乘积为数字水准仪最大测程的25％～100％，一般按最大测程值确定即可。

望远镜放大倍数一般可以测试场地和数字水准仪的测程确定，一般可以选择的放大倍数为5～50倍，以满足测试场地和数字水准仪的最大测程等要求。如对于测程100m的数字水准仪，采用25倍的望远镜，只需望远镜距水准尺4m左右即可进行测试。

当然，如果有适宜的测试场所，也可以不使用望远镜，其它部件和测试方法均可不变。即：检测装置包括升降台和水准尺，水准尺垂直固定在升降台的活动拖板上，被测数字水准仪与水准尺相对。

本发明数字水准仪电子读数系统误差检测检测方法使用上述检测装置，具体步骤包括：将被测数字水准仪置于望远镜物镜之后，望远镜目镜与水准尺相对，根据数字水准仪技术要求调整望远镜与水准尺距离，使望远镜至水准尺距离与望远镜放大倍数的乘积在约数字水准仪最大测程的25％～100％范围内，被测数字水准仪通过望远镜观察水准尺，记录水准尺不同位置时的数字水准仪读数，按照标准偏差公式确定该数字水准仪的电子读数系统误差。本发明数字水准仪电子读数系统误差检测检测方法可以同时检测多台数字水准仪。

使用不包括望远镜的检测装置的检测方法为：将被测数字水准仪与水准尺相对，被测数字水准仪与水准尺的距离为数字水准仪最大测程的25％～100％，从被测数字水准仪观察水准尺，记录水准尺不同位置时的数字水准仪读数，按照标准偏差公式确定该数字水准仪的电子读数系统误差。

与现有技术相比，在检测结果可以真实的反映仪器的精度水平和可靠性水平的前提下，本检测装置和检测方法采用价格相对低廉的电控升降台替代双频激光干涉仪，操作简单，快捷，适用于大批量生产；另外，采用望远系统模拟较大的水准仪测程(如100米距离)，避免了现有方案所需要的较大距离的通视长度。本发明检测装置和检测方法具有装置简单、空间紧凑，价格相对低廉，检测过程简便，快捷的优点。本方案尤其适合于批量生产过程中的产品检测。

附图说明

图1为现有技术采用双频激光干涉仪进行数字水准仪测试的一种装置及方法示意图，其中标尺为横放结构。

图2为现有技术采用双频激光干涉仪进行数字水准仪测试的另一种装置及方法示意图，其中标尺为竖放结构。

图3为本发明采用升降台和望远镜进行数字水准仪测试的装置及方法示意图。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明数字水准仪电子读数系统误差检测装置和检测方法。

如图3所示，本发明检测装置中，采用丝杠作为升降的驱动器件，丝杠本身的精度需达到较高的水平，要求满足被检等级仪器的精度需要。利用电控升降台(电控平移台)的平移量(升降台升高或降低)作为测量标准值。利用望远镜的视角放大率在短距离上模拟远距离，如图3中用25倍望远镜在4m距离上模拟100m距离。通过电控升降台的n次连续升降获得的2组(每组n个)标准长度(高差)，与数字水准仪的相应的测量结果比对，得到两组改正数(改正数是误差理论的术语)，据此按标准偏差公式算出以固定间隔为标准长度的电子读数系统测量标准偏差σ₁和相对起点的总间隔为标准长度的电子读数系统标准偏差σ₂，以σ₁和σ₂中较大者报告为最终仪器误差值。

一种具体测量过程可以按如下步骤进行：

1、数字水准仪照准水准尺并读数X₀；

2、水准尺在升降台的带动下按固定间隔升高(或降低)一段距离L，并以此间隔作为标准值，L值一般为3～10mm，可以根据需要设定；

3、数字水准仪照准专用水准尺并读数X_i(第i次升降读数)；

4、重复步骤2、步骤3操作n次，按统计学理论和实验总结，n值一般为60～100较为适宜。受升降台行程限制，当L值较大时，n值相应减小。

5、按下式计算以固定间隔为标准长度的电子读数系统测量标准偏差σ₁和相对起点的总间隔为标准长度的电子读数系统标准偏差σ₂：

${\mathrm{\σ}}_1=\sqrt{\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{(X_i-X_{i-1}-L)}^2}{n-1}}$

${\mathrm{\σ}}_2=\sqrt{\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{(X_i-X_0-\mathrm{iL})}^2}{n-1}}$

其中：X_i----第i次电子读数高度值

      X₀----电子读数初始高度值

      n----专用水准尺位移次数

      L----专用水准尺位移间隔，专用水准尺升高时，L为负值，专用水准尺降低时，L为正值。

下面给出一个具体检测实例，将一个25倍望远镜(放大倍数为25倍的水准仪)置于被测仪器前，望远镜物镜与被测仪器物镜相对，望远镜目镜距水准尺4m，被测仪器通过望远镜观察水准尺，等效于被测仪器到水准尺的距离为100m。

水准尺固定在升降台上，数字水准仪的水准尺为条形码尺。升降台采用北京光学仪器厂生产的MTS307型电控升降台，该升降台行程420mm，升降台位移精度为0.003mm。测量时，升降台及标尺以固定间隔L升高并以此间隔作为标准长度，L值为5mm，每次用电子读数方式读出高度读数Xi并算出间隔的测量值，升降台升高或下降次数N为80，经计算以固定间隔为标准长度的电子读数系统测量标准偏差σ₁＝0.36mm，相对起点的总间隔为标准长度的电子读数系统标准偏差σ₂＝0.41mm，以σ₂作为测量结果。

Claims (8)

1.一种数字水准仪的检测装置，其特征在于：检测装置包括升降台、水准尺和望远镜系统，水准尺垂直固定在升降台的活动拖板上，望远镜置于被测数字水准仪前，望远镜物镜与被测数字水准仪物镜相对，望远镜目镜与水准尺相对，升降台采用电控升降台，调整升降台，使导轨处于铅垂位置，电控升降台的核心部件是精密螺旋丝杠和精密导轨，由步进电机带动丝杠旋转，丝杠带动拖板沿导轨升降，步进电机由计算机和控制器进行控制和驱动。

2.按照权利要求1所述的检测装置，其特征在于：望远镜至水准尺的距离与望远镜放大倍数的乘积为数字水准仪最大测程的25％～100％。

3.按照权利要求1所述的检测装置，其特征在于：数字水准仪的水准尺为条形码尺，升降台位移精度优于0.005mm。

4.一种数字水准仪电子读数系统误差检测检测方法，其特征在于：使用权利要求1所述的检测装置，具体步骤包括：将被测数字水准仪置于望远镜物镜之后，望远镜目镜与水准尺相对，调整望远镜与水准尺距离，使望远镜至水准尺距离与望远镜放大倍数的乘积在数字水准仪最大测程的25％～100％范围内，被测数字水准仪通过望远镜观察水准尺，记录水准尺不同位置时的数字水准仪读数，按照标准偏差公式确定该数字水准仪的电子读数系统误差。

5.按照权利要求4所述的方法，其特征在于：数字水准仪电子读数系统误差检测检测方法具体步骤为：

(1)数字水准仪照准水准尺并读数X₀；

(2)水准尺在升降台的带动下按固定间隔升高或降低一段距离L，并以此间隔作为标准值；

(3)数字水准仪照准专用水准尺并读第i次升降读数X_i；

(4)重复步骤(2)、步骤(3)操作n次；

(5)按下式计算以固定间隔为标准长度的电子读数系统测量标准偏差σ₁和相对起点的总间隔为标准长度的电子读数系统标准偏差σ₂：

${\mathrm{\σ}}_1=\sqrt{\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{(X_i-X_{i-1}-L)}^2}{n-1}}$

${\mathrm{\σ}}_2=\sqrt{\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{(X_i-X_0-\mathrm{iL})}^2}{n-1}}$

其中：X_i----第i次电子读数高度值，

X₀----电子读数初始高度值，

n----专用水准尺位移次数，

L----专用水准尺位移间隔，专用水准尺升高时，L为负值，专用水准尺降低时，L为正值。

6.按照权利要求4所述的方法，其特征在于：步骤(2)中间隔标准值L值为3～10mm；步骤(3)中的操作次数n值为60～100。

7.一种数字水准仪的检测装置，其特征在于：检测装置包括升降台和水准尺，水准尺垂直固定在升降台的活动拖板上，被测数字水准仪与水准尺相对；升降台采用电控升降台，调整升降台，使导轨处于铅垂位置，水准尺铅垂固定在电控升降台的活动拖板上，电控升降台的核心部件是精密螺旋丝杠和精密导轨，由步进电机带动丝杠旋转，丝杠带动拖板沿导轨升降，步进电机由计算机和控制器进行控制和驱动。

8.一种数字水准仪电子读数系统误差检测检测方法，其特征在于：使用权利要求7所述的检测装置，检测方法为：将被测数字水准仪与水准尺相对，被测数字水准仪与水准尺的距离为数字水准仪最大测程的25％～100％，从被测数字水准仪观察水准尺，记录水准尺不同位置时的数字水准仪读数，按照标准偏差公式确定该数字水准仪的电子读数系统误差。

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