CN106017512A - 一种数字水准仪系统检定装置及检定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种数字水准仪系统检定装置包括数字水准仪系统、竖直运动控制系统、激光干涉仪距离测量系统、气象传感系统以及计算机。本发明公开的一种数字水准仪系统检定方法包括：将水准标尺移动到初始位置；计算机分别控制数字水准仪、激光干涉仪各自获取测量数据，并利用气象传感系统获取大气参数数据；然后利用Edlen公式结合大气参数获得激光干涉仪的修正波长，再得到修正后的水准标尺的实际移动距离，建立数字水准仪系统的误差分布图，最后利用最小二乘法和线性回归方程你和出误差回归直线。本发明的一种数字水准仪系统检定装置及检定方法能够对数字水准仪系统进行自动化竖直检定，简化了检定步骤并提高了检定效率。

Description

一种数字水准仪系统检定装置及检定方法

技术领域

本发明属于高精度测量技术领域，具体涉及一种数字水准仪系统检定装置，本发明还涉及一种数字水准仪系统检定方法。

背景技术

20世纪90年代初，数字水准仪凭借其精度高、速度快、操作简单等优点在水准测量领域很快得到广大用户的认可，并迅速占领高精度的水准测量、地表变形监测、工业测量等多种领域，成为水准测量仪器发展的趋势。通过对标尺上编码条纹信息的检测识别，实现测量数据的精确、快速、自动读出的功能。条码式水准标尺作为数字水准仪测量的器具，以标尺上分划线纹宽度和在标尺上的位置为基准进行测量应用，因此，水准尺的分划误差是水准测量的仪器的主要误差因素之一，对新生产的水准标尺进行检测、对已投入使用的标尺进行周期性检定，均是保证测量精度的前提。同时，在实际使用时，数字水准仪与水准标尺组成数字水准仪系统是同时使用的，因此，对数字水准仪与水准标尺进行系统检定才能更好的反应数字水准仪系统的精度。

但是目前国内对数字水准仪系统的检定都是按照数字水准仪检定规程JJG(测绘)2101-2013和因瓦条码水准标尺检定规程JJG(测绘)2102-2013进行分项检定的。其检定装置如名称为《数字水准仪和光学水准仪室内检定装置》、公开号为CN1619258A、公开日为2005年5月25日的发明专利是对数字水准仪和水准标尺的各项指标进行分项检定，针对水准标尺的检定如名称为《基于图像视觉的因瓦水准标尺零点差检测与调整装置》、授权公告号为CN204854766U、授权公告日为2015年12月9日的专利以及名称为《一种铟钢水准标尺检定装置》、授权公告号为CN203249631U、授权公告日为2013年10月23日的专利也是对水准标尺的各项误差进行分项检定。同时，在对水准标尺进行检定时，上述装置均为将水准标尺水平放置进行检定，与实际使用情况不符，且德国慕尼黑工业大学对大量铟瓦水准尺进行水平、竖直检定，其结果显示水平检定的改正数比竖直检定的改正数长0.9um/m，因此有必要对水准标尺进行竖直检定。

由于商业竞争，当发现测量缺陷时，数字水准仪的测量修正程序被作为商业机密，对于用户则不能很好地了解其测量的准确性，因此数字水准仪也必须进行相应的校准。并且数字水准仪与水准标尺作为一个数字水准仪系统同时进行测量，其综合精度不是由各项误差进行简单的累加，因此只有将数字水准仪与水准标尺进行系统检定，才能真实反映实际使用过程中的精度。

现有的数字水准仪及水准标尺的检定都是手动或半自动的，需要人员的参与进行测量，这样就造成人力资源的浪费，并且容易引入误操作及存在检测不全面的问题，导致检定失败。

发明内容

本发明的目的在于提供一种数字水准仪系统检定装置，其能够实现数字水准仪系统的自动化检定。

本发明的目的还在于提供一种数字水准仪系统检定方法，解决了现有的检定方法存在的效率低、检定结果可靠性差的问题。

本发明所采用的技术方案是：一种数字水准仪系统检定装置，包括数字水准仪系统、竖直运动控制系统、激光干涉仪距离测量系统、气象传感系统以及计算机五部分，

数字水准仪系统包括数字水准仪和水准标尺，数字水准仪与计算机相连；

竖直运动控制系统包括一个具有竖直导轨的移动平台，竖直导轨上连接有拖板，水准标尺通过夹具固定于拖板上，拖板通过驱动装置控制在竖直导轨上带动水准标尺在测量路径范围内做竖直运动；

激光干涉仪距离测量系统包括激光干涉仪，激光干涉仪依次连接激光干涉仪用电路卡与激光干涉仪用并行接口卡后与计算机连接，激光干涉仪通过光路装置获取水准标尺的移动距离的光路信息；

气象传感系统包括沿竖直方向设置于测量路径范围内的两个或两个以上的温度传感器以及设置于测量路径范围中间位置的湿度传感器、气压传感器、二氧化碳浓度传感器，温度传感器、湿度传感器、气压传感器、二氧化碳浓度传感器共同连接有气象站主机，气象站主机与计算机相连。

本发明的特点还在于，

驱动装置包括通过滚动丝杠与拖板相连的伺服电机，伺服电机连接有驱动控制单元，驱动控制单元分别连接有驱动控制D/A卡和驱动控制开关量卡，驱动控制D/A卡和驱动控制开关量卡还分别与计算机连接。

驱动装置还包括设置于测量路径上下两端的限位传感器，两个限位传感器均与驱动控制开关量卡相连。

还包括对水准标尺进行辅助照明的辅助照明系统。

光路装置包括沿激光干涉仪至水准标尺光路依次设置的分光镜、第一角锥棱镜、反射镜以及固定于水准标尺底部的第二角锥棱镜。

本发明所采用的另一种技术方案是：一种数字水准仪系统检定方法，利用如上的一种数字水准仪系统检定装置完成，具体包括以下步骤：

步骤1、计算机通过驱动控制D/A卡控制驱动控制单元工作，驱动控制单元控制伺服电机使拖板带动水准标尺向下运动，同时计算机通过驱动开关量卡检测处于测量路径上下两端的限位开关，当位于测量路径下端的限位开关动作时，伺服电机停止工作，从而使拖板带动水准标尺达到初始位置，并设置此点为激光干涉仪零点位置；

步骤2、计算机通过驱动控制D/A卡控制驱动控制单元工作，驱动控制单元控制伺服电机工作，使拖板带动水准标尺按照设定的速度进行移动，并停在指定测量点；

步骤3、计算机触发数字水准仪开始测量，测量结束后，数字水准仪将测量的数据传输给计算机；

步骤4、然后计算机通过激光干涉仪用并行接口卡与激光干涉仪用电路卡控制激光干涉仪工作，激光干涉仪测量水准标尺的位移量并传输给计算机；

步骤5、计算机在获取激光干涉仪传输的位移量数据后，控制气象站主机利用温度传感器、气压传感器、湿度传感器以及二氧化碳浓度传感器测量大气参数；

步骤5、多次重复步骤2-步骤4的步骤；

步骤6、计算机根据获取的多次测量的数字水准仪的测量数据、激光干涉仪的测量数据以及气象站主机的大气参数，经过计算得到激光干涉仪的修正波长，再根据激光干涉仪传输的数据计算得到水准标尺上下移动的实际距离，以数字水准仪的测量数据为横坐标，以计算得到的水准标尺上下移动的实际距离与数字水准仪测量数据之差为纵坐标，绘制得到数字水准仪系统的误差分布图，进行拟合后得到数字水准仪系统的误差回归曲线，最终得到数字水准仪系统的零点误差和米修正系数。

本发明的特点还在于，

步骤6中计算机依据Edlen公式结合气象站主机传输的大气参数计算得到激光干涉仪的修正波长。

步骤6中绘制得到数字水准仪系统的误差分布图后，结合最小二乘法和线性回归方程进行拟合后得到数字水准仪系统的误差回归曲线。

本发明的有益效果是：本发明的一种数字水准仪系统检定装置能够对数字水准仪系统进行自动化竖直检定，本发明的一种数字水准仪系统检定方法利用上述检定装置可以简化检定步骤、提高检定效率，而且使得检定结果更加全面、可靠、可信，同时还节约了大量的人力资源。

附图说明

图1是本发明的一种数字水准仪系统检定装置的结构示意图。

图中，1.限位传感器，2.拖板，3.竖直导轨，4.滚动丝杠，5.温度传感器，6.辅助照明系统，7.水准标尺，8.数字水准仪，9.动力电源，10.驱动控制单元，11.驱动开关量卡，12.驱动控制D/A卡，13.计算机，14.控制界面，15.湿度传感器，16.气压传感器，17.二氧化碳浓度传感器，18.气象站主机，19.第二角锥棱镜，20.反射镜，21.第一角锥棱镜，22.分光镜，23.激光干涉仪，24.激光干涉仪用电路卡，25.激光干涉仪用并行接口卡，26.伺服电机，27.辅助支撑架。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明提供的一种数字水准仪系统检定装置结构如图1所示，包括数字水准仪系统、竖直运动控制系统、激光干涉仪距离测量系统、气象传感系统以及计算机13五部分：

数字水准仪系统包括数字水准仪8和水准标尺7，数字水准仪8与计算机13相连；

竖直运动控制系统包括一个具有竖直导轨3的移动平台，竖直导轨3上连接有拖板2，水准标尺7通过夹具固定于拖板2上，拖板2通过驱动装置控制在竖直导轨3上带动水准标尺7在测量路径范围内做竖直运动；事例性的，可以通过辅助支撑架17对移动平台上的竖直导轨3进行固定支撑。

激光干涉仪距离测量系统包括激光干涉仪23，激光干涉仪23依次连接激光干涉仪用电路卡24与激光干涉仪用并行接口卡25后与计算机13连接，激光干涉仪23通过光路装置获取水准标尺7的移动距离的光路信息；

气象传感系统包括沿竖直方向设置于测量路径范围内的两个或两个以上的温度传感器5以及设置于测量路径范围中间位置的湿度传感器15、气压传感器16、二氧化碳浓度传感器17，温度传感器5、湿度传感器15、气压传感器16、二氧化碳浓度传感器17共同连接有气象站主机18，气象站主机18与计算机13相连。事例性的，计算机13可以连接控制界面14进行显示和操作。

事例性的，驱动装置包括通过滚动丝杠4与拖板2相连的伺服电机26，伺服电机26连接有驱动控制单元10，驱动控制单元10分别连接有驱动控制D/A卡12和驱动控制开关量卡11，驱动控制D/A卡12和驱动控制开关量卡11还分别与计算机13连接。事例性的，可以使用动力电源9为计算机13和伺服电机26进行供电。

事例性的，驱动装置还包括设置于测量路径上下两端的限位传感器1，两个限位传感器1均与驱动控制开关量卡11相连。

优选的，可以在测量路径范围内设置一个辅助照明系统6进行辅助照明。

事例性的，激光干涉仪23发出的激光经过光路装置后到达水准标尺7的底部再返回激光干涉仪23，光路装置可以包括沿激光干涉仪23至水准标尺7光路依次设置的分光镜22、第一角锥棱镜21、反射镜20以及固定于水准标尺7底部的第二角锥棱镜19。

拖板2及其上固定的水准标尺7由伺服电动机26驱动上下移动，伺服电机26通过驱动控制单元10、驱动控制D/A卡12后与计算机13连接并通过计算机13控制；水准标尺7安装竖直导轨3的拖板2上，并在拖板2的底端安装第二角锥棱镜19反射激光干涉仪23的光线，激光干涉仪23通过激光干涉仪用电路卡24与激光干涉仪用并行接口卡25与计算机13连接；计算机13通过数据线(或无线方式)触发数字水准仪8开始测量，测量完成后，数字水准仪8通过数据线(或无线方式)回传测量数据到计算机13；气象站主机18负责采集测量光路上的大气环境参数，并通过数据线(或无线方式)传回计算机13，其中采集的大气参数包括均匀分布在测量光路上的四个温度传感器5的测量值，处于光路中间的湿度传感器15、气压传感器16、二氧化碳浓度传感器17的测量值。

本发明的一种数字水准仪系统检定方法为利用上述数字水准仪系统检定装置实现，具体包括以下步骤：

步骤1、计算机13通过驱动控制D/A卡12控制驱动控制单元10工作，驱动控制单元10控制伺服电机26使拖板2带动水准标尺7向下运动，同时计算机13通过驱动开关量卡11检测处于测量路径上下两端的限位开关1，当位于测量路径下端的限位开关1动作时，伺服电机26停止工作，从而使拖板2带动水准标尺7达到初始位置，并设置此点为激光干涉仪23零点位置；

步骤2、计算机13通过驱动控制D/A卡12控制驱动控制单元10工作，驱动控制单元10控制伺服电机26工作，使拖板2带动水准标尺7按照设定的速度进行移动，并停在指定测量点；

步骤3、计算机13触发数字水准仪8开始测量，测量结束后，数字水准仪8将测量的数据传输给计算机13；

步骤4、然后计算机13通过激光干涉仪用并行接口卡25与激光干涉仪用电路卡24控制激光干涉仪23工作，激光干涉仪23测量水准标尺7的位移量并传输给计算机；

步骤5、计算机13在获取激光干涉仪23传输的位移量数据后，控制气象站主机18利用温度传感器5、气压传感器16、湿度传感器15以及二氧化碳浓度传感器17测量大气参数；

步骤5、多次重复步骤2-步骤4的步骤；

步骤6、计算机13根据获取的多次测量的数字水准仪8的测量数据、激光干涉仪23的测量数据以及气象站主机18的大气参数数据，经过计算得到激光干涉仪23的修正波长，再根据激光干涉仪23传输的数据计算得到水准标尺7上下移动的实际距离，以数字水准仪8的测量数据为横坐标，以计算得到的水准标尺7上下移动的实际距离与数字水准仪8测量数据之差为纵坐标，绘制得到数字水准仪系统的误差分布图，进行拟合后得到数字水准仪系统的误差回归曲线，最终得到数字水准仪系统的零点误差和米修正系数。

事例性的，步骤6中计算机13可以依据Edlen公式结合气象站主机18传输的大气参数计算得到激光干涉仪23的修正波长。

优选的，步骤6中绘制得到数字水准仪系统的误差分布图后，结合最小二乘法和线性回归方程进行拟合后得到数字水准仪系统的误差回归曲线。

后续地，完成上述六个步骤后，可以给出检定报告，包含测试仪器、测试环境、误差分布图、误差拟合曲线、米修正系数及评定结果数据等。

Claims (8)

1.一种数字水准仪系统检定装置，其特征在于，包括数字水准仪系统、竖直运动控制系统、激光干涉仪距离测量系统、气象传感系统以及计算机(13)五部分，

所述数字水准仪系统包括数字水准仪(8)和水准标尺(7)，所述数字水准仪(8)与所述计算机(13)相连；

所述竖直运动控制系统包括一个具有竖直导轨(3)的移动平台，所述竖直导轨(3)上连接有拖板(2)，所述水准标尺(7)通过夹具固定于拖板(2)上，所述拖板(2)通过驱动装置控制在所述竖直导轨(3)上带动所述水准标尺(7)在测量路径范围内做竖直运动；

所述激光干涉仪距离测量系统包括激光干涉仪(23)，所述激光干涉仪(23)依次连接激光干涉仪用电路卡(24)与激光干涉仪用并行接口卡(25)后与所述计算机(13)连接，所述激光干涉仪(23)通过光路装置获取所述水准标尺(7)的移动距离的光路信息；

所述气象传感系统包括沿竖直方向设置于所述测量路径范围内的两个或两个以上的温度传感器(5)以及设置于所述测量路径范围中间位置的湿度传感器(15)、气压传感器(16)、二氧化碳浓度传感器(17)，所述温度传感器(5)、湿度传感器(15)、气压传感器(16)、二氧化碳浓度传感器(17)共同连接有气象站主机(18)，所述气象站主机(18)与所述计算机(13)相连。

2.如权利要求1所述的一种数字水准仪系统检定装置，其特征在于，所述驱动装置包括通过滚动丝杠(4)与所述拖板(2)相连的伺服电机(26)，所述伺服电机(26)连接有驱动控制单元(10)，所述驱动控制单元(10)分别连接有驱动控制D/A卡(12)和驱动控制开关量卡(11)，所述驱动控制D/A卡(12)和驱动控制开关量卡(11)还分别与所述计算机(13)连接。

3.如权利要求2所述的一种数字水准仪系统检定装置，其特征在于，所述驱动装置还包括设置于所述测量路径上下两端的限位传感器(1)，所述两个限位传感器(1)均与所述驱动控制开关量卡(11)相连。

4.如权利要求1-3任一项所述的一种数字水准仪系统检定装置，其特征在于，还包括对所述水准标尺(7)进行辅助照明的辅助照明系统(6)。

5.如权利要求1所述的一种数字水准仪系统检定装置，其特征在于，所述光路装置包括沿所述激光干涉仪(23)至所述水准标尺(7)光路依次设置的分光镜(22)、第一角锥棱镜(21)、反射镜(20)以及固定于所述水准标尺(7)底部的第二角锥棱镜(19)。

6.一种数字水准仪系统检定方法，其特征在于，利用如权利要求1-5任一项所述的一种数字水准仪系统检定装置完成，具体包括以下步骤：

步骤1、计算机(13)通过驱动控制D/A卡(12)控制驱动控制单元(10)工作，驱动控制单元(10)控制伺服电机(26)使拖板(2)带动水准标尺(7)向下运动，同时计算机(13)通过驱动开关量卡(11)检测处于测量路径上下两端的限位开关(1)，当位于测量路径下端的限位开关(1)动作时，伺服电机(26)停止工作，从而使拖板(2)带动水准标尺(7)达到初始位置，并设置此点为激光干涉仪(23)零点位置；

步骤2、计算机(13)通过驱动控制D/A卡(12)控制驱动控制单元(10)工作，驱动控制单元(10)控制伺服电机(26)工作，使拖板(2)带动水准标尺(7)按照设定的速度进行移动，并停在指定测量点；

步骤3、计算机(13)触发数字水准仪(8)开始测量，测量结束后，数字水准仪(8)将测量的数据传输给计算机(13)；

步骤4、然后计算机(13)通过激光干涉仪用并行接口卡(25)与激光干涉仪用电路卡(24)控制激光干涉仪(23)工作，激光干涉仪(23)测量水准标尺(7)的位移量并传输给计算机；

步骤5、计算机(13)在获取激光干涉仪(23)传输的位移量数据后，控制气象站主机(18)利用温度传感器(5)、气压传感器(16)、湿度传感器(15)以及二氧化碳浓度传感器(17)测量大气参数；

步骤5、多次重复步骤2-步骤4的步骤；

步骤6、计算机(13)根据获取的多次测量的数字水准仪(8)的测量数据、激光干涉仪(23)的测量数据以及气象站主机(18)的大气参数，经过计算得到所述激光干涉仪(23)的修正波长，再根据激光干涉仪(23)传输的数据计算得到水准标尺(7)上下移动的实际距离，以数字水准仪(8)的测量数据为横坐标，以计算得到的水准标尺(7)上下移动的实际距离与所述数字水准仪(8)测量数据之差为纵坐标，绘制得到数字水准仪系统的误差分布图，进行拟合后得到数字水准仪系统的误差回归曲线，最终得到数字水准仪系统的零点误差和米修正系数。

7.如权利要求6所述的一种数字水准仪系统检定方法，其特征在于，所述步骤6中计算机(13)依据Edlen公式结合气象站主机(18)传输的大气参数计算得到所述激光干涉仪(23)的修正波长。

8.如权利要求6所述的一种数字水准仪系统鉴定方法，其特征在于，所述步骤6中绘制得到数字水准仪系统的误差分布图后，结合最小二乘法和线性回归方程进行拟合后得到数字水准仪系统的误差回归曲线。