新疆维吾尔自治区计量测试研究院 新疆乌鲁木齐 830011
摘要：在科技不断发展的背景下，工程测量项目逐渐朝着数字化的方向转变，传统光学水准仪逐渐被市场淘汰，取而代之的是数字水准仪，这是一种集光、电、机、微处理器等为一体的几何水准测量设备，能够对数据整合、分析等进行自动化处理，最大化地降低人为误差，确保测量数据更精准，本文作者结合多年的计量检定经验，介绍了数字水准仪误差分析的原理与误差分析，以提高数字水准仪的检测水平。
关键词：数字水准仪；误差分析；原理；计量
1引言
数字水准仪又称作“电子水准仪”，是20世纪90年代研制的一种全新测量仪器，其是根据电子工程学原理进行测量、计算的，能够确定所有观测值的一般平差。由于这一设备具有较高的精准性，对此，市场应用范围不断扩大，在今后的技术领域中，数字水准仪取代光学水准仪是一个必然的发展趋势。不过，该如何加强仪器的有效质量控制则是一个最关键的问题。为了确保数据测量更精准，误差得到有效控制，则需要对数字水准仪的误差原因进行分析，并对其应用原理等进行逐一探究，以便于能够更好地发挥事半功倍的作用。
2数字水准仪的原理分析
从应用角度来看，数字水准仪需要在自动安平水准仪的辅助下进行研制，其内部构件有三个：自动安平补偿设备、电子设备、光学设备。其中，电子设备一般是指：光电传感仪、调焦编码器、读取电子元件、CIS接口、显示屏、键盘、单片微处理机、数据处理软件、光学传感器、测量键、影像等。对于其使用的标尺来说，则是通过条形码的方式进行电子测量的。
不同的厂家在研制的过程中，选择的数据处理方式是不一样的。通过调查发现，一般厂家的数据处理方式包括：相关法、几何法、相位法等。由于方法有差异，所以精确度也是有很大差异的。对于采用相关法的数字水准仪来说，其望远镜照准标尺且调焦后，标尺的伪随机码影像利用分光镜成像于行阵传感器中，并借助于入射的红外波段来收集测量信号，并且，入射光谱的可见光部分成像于分划板中，便于目测。对于电子测量来说，标尺条码成像于行阵传感仪中，其随之能够把接收的图像转化为模拟信号，然后进行信号读出，并对视频信号进行放大处理，由此获得测量信号[1]。如果这两个信号位于最佳位置上，那么就能够获得标尺读数与视距读数。
因为标尺至仪器的距离是不一样的，条码在探测器上的成像宽窄有差异，对此，测量信号的宽窄完全不一，所以，必然会带来测量环节的障碍。对此，大部分数字水准仪是通过二维相关法进行数据处理，也就是说，按照精度要求的特定步距来调整仪器中的参考信号的宽窄（并按照精度范围调整仪器的内部参数、信号宽窄等），和测量信号进行对比，如果不存在相同的信号的话，那么需要重新调整，接着并进行一维相关，截止到两个信号相同即可，随后能够确定最后的读数。
3数字水准仪的误差分析
3.1外界条件变化造成的误差
数字水准仪和条码标尺构成的测量系统能够应对外界不断变化的环境。外界环境的变化会导致仪器内部的组件出现误差。这种影响一般具有综合性质。
3.2线阵探测器的物理性能造成的误差
一般包括两大影响因素：①光线的强弱造成条码标尺影像对比度出现误差；②人工光线造成的干扰。对于第一个来说，线阵探测器的物理特性会对光线的强弱、光照均匀度等造成一定的影响，这必然会对低标尺成像的对比效果带来干扰，由此引起局部失真，进而导致测量误差的出现，甚至不能读数。对于第二个来说，在市场上有一些数字水准仪的探测器是通过红外光线接收、检测条码影像完成的[2]。
所以，如果利用人工光线进行照射的话，那么在红外光线比较弱的情况下，必然会造成测量误差，乃至无法读数。不过，对于其他类型的数字水准仪（采用几何法进行数据处理）来说，能够通过可见光接收、检测条码影像来完成，自然不会受到这一因素的干扰。
3.3信号分析及处理的误差
首先，信号分析方法的误差。针对一些采用相关法进行数据处理的数字水准仪来说，其内部存储的参考信号和测量信号的相关精度一般是码元宽度的1%。条码标尺的码元宽度值是2.015mm，所以，相关精度一般是0.02mm。其次，最大相关系数计算的误差[3]。在数字水准仪相关的过程中，也就是说，在精度相关搜索范围内，参考信号和测量信号具有全8位数被相关，由于这两个信号的振幅有区别，所以，在计算最大相关系数的过程中，其精度一般会受到格网尺寸的影响，而丢失条码带来的影响则可以忽略不计。最后，图像处理的误差。在处理数字水准仪的测量信号的过程中，则是获得较高精度测量值的一个重要过程，条码影像在线阵探测器的阵列上的成像质量、处理技术的好坏，从某种意义上来说，与测量精度有着直接的关联。
3.4电视准轴（i角）的误差
站在水准测量的影响原理层面进行分析，电视准轴（i角）误差和光学水准仪i角误差一样，不过，前者在数字水准仪中缺乏如后者同样绝对的标定水平视线特性。不过，前者对水准测量的精确度造成的影响是不可忽视的，并且与外界环境的变化有着直接的相关性[4]。虽然能够通过前后视距等长进行减弱，数字水准仪也能够通过内部参数的调整进行改正，不过外界条件是不稳定的，所以，测定i角并给予改正不但会影响作业效率，并且改正数并非能够通过线性模拟来完成。
3.5数字水准仪克服的常规水准仪的误差
①不存在读数偏差，不存在人为误差；②多条码策略，能够减少标尺分划误差；③自动重复测量，减少外界环境变化带来的干扰[5]；④实现内外一体化，并进行自动记录、复核、存储等。
4结束语
总之，通过以上内容的介绍，我们对数字水准仪的应用原理及误差原因有一定的了解。因为数字水准仪是一个精密仪器，内部很多技术并不对外公开，再加上不同类型的数字水准仪在数据处理过程中，选择的方法是不一样的，对此，差别是比较明显的。所以，在当前进行误差分析的过程中，缺乏一定的数据支撑，我们只能够通过大范围地进行实验分析，方可对其获得的数据进行整理与统计，以便于对其误差原因展开探讨，并不断地完善其相应的检验方法及手段。对此，希望在接下来的研究中，能够对该课题进一步地深化与完善，由此能够获得更完善的结论。
参考文献
[1]徐友尧.水准测量中应注意的问题与水准测量误差控制分析[J].科学技术创新,2018(13):44-45.
[2]蒲秉永.关于水准测量中应注意的问题与水准测量误差控制的分析[J].大科技,2018,000(029):242.
[3]张振伟.浅析数字水准仪水准测量中出现的测量误差来源及注意的问题[J].建筑工程技术与设计,2015(25).
[4]阿帕尔沙塔尔.浅析水准测量中出现的测量误差来源及注意的问题[J].中国外资,2010(14):234-234.
[5]杨自然.浅谈水准测量中应注意的问题及水准测量误差控制[J].城市建设理论研究(电子版),2017,000(035):P.91-91.
作者简介：赵宏亮，男，1977年08月，单位：新疆维吾尔自治区计量测试研究院，工程师，研究方向：长度计量器具的检定、校准与研究。