電子水準(zhǔn)儀又稱數(shù)字水準(zhǔn)儀，它是在自動(dòng)安平水準(zhǔn)儀的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。它采用條碼標(biāo)尺，各廠家標(biāo)尺編碼的條碼圖案不相同，不能互換使用。

目前照準(zhǔn)標(biāo)尺和調(diào)焦仍需目視進(jìn)行。人工完成照準(zhǔn)和調(diào)焦之后，標(biāo)尺條碼一方面被成象在望遠(yuǎn)鏡分化板上，供目視觀測(cè)，另一方面通過望遠(yuǎn)鏡的分光鏡，標(biāo)尺條碼又被成象在光電傳感器（又稱探測(cè)器）上，即線陣CCD器件上，供電子讀數(shù)。因此，如果使用傳統(tǒng)水準(zhǔn)標(biāo)尺，電子水準(zhǔn)儀又可以象普通自動(dòng)安平水準(zhǔn)儀一樣使用。不過這時(shí)的測(cè)量精度低于電子測(cè)量的精度。特別是精密電子水準(zhǔn)儀，由于沒有光學(xué)測(cè)微器，當(dāng)成普通自動(dòng)安平水準(zhǔn)儀使用時(shí)，其精度更低。

當(dāng)前電子水準(zhǔn)儀采用了原理上相差較大的三種自動(dòng)電子讀數(shù)方法：

• 相關(guān)法（徠卡NA3002/3003）
• 幾何法（蔡司DiNi10/20）
• 相位法（拓普康DL101C/102C）

相位法原理：

拓普康電子水準(zhǔn)儀DL101C/102C采用相位法。標(biāo)尺的條碼象經(jīng)望遠(yuǎn)鏡、調(diào)焦鏡、補(bǔ)償器的光學(xué)零件和分光鏡后，分成兩路，一路成象在CCD線陣上，用于進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，另一路成象在分劃板上，供目視觀測(cè)。DL101標(biāo)尺上部份條碼的圖案，其中有三種不同的碼條。R表示參考碼，其中有三條2mm寬的黑色碼條，每?jī)蓷l黑色碼條之間是一條1mm寬的黃色碼條。以中間的黑碼條的中心線為準(zhǔn)，每隔30mm就有一組R碼條重復(fù)出現(xiàn)。在每組R碼條左邊10mm處有一道黑色的B碼條。在每組參考碼R的右邊10mm處為一道黑色的A碼條。讀者不難發(fā)現(xiàn)，每組R碼條兩邊的A和B碼條的寬窄不相同，實(shí)際上A和B碼條的寬度是在0到10mm之間變化，這兩種碼包含了水準(zhǔn)測(cè)量時(shí)的高度信息。儀器設(shè)計(jì)時(shí)有意安排了它們的寬度按正弦規(guī)律變化。其中A碼條的周期為600mm，B碼條的周期為570mm。

當(dāng)然，R碼條組兩邊的黃碼條寬度也是按正弦規(guī)律變化的，這樣在標(biāo)尺長(zhǎng)度方向上就形成了亮暗強(qiáng)度按正弦規(guī)律周期變化的亮度波。條碼的下面畫出了波形?？v坐標(biāo)表示黑條碼的寬度，橫坐標(biāo)市標(biāo)尺的長(zhǎng)度。實(shí)線為A碼的亮度波，虛線為B碼的亮度波。由于A和B兩條碼變化的周期不同，也可以說A和B亮度波的波長(zhǎng)不同，在標(biāo)尺長(zhǎng)度方向上的每一位置上兩亮度波的相位差也不同。這種相位差就好象傳統(tǒng)水準(zhǔn)標(biāo)尺上的分劃，它可由標(biāo)出標(biāo)尺的長(zhǎng)度。只要3能測(cè)出標(biāo)尺底部某處的相位差，也就可由知道該處到標(biāo)尺底部的高度，因?yàn)橄辔徊羁梢宰鞯胶蜆?biāo)尺長(zhǎng)度一一對(duì)應(yīng)，即具有單值性。這就是適當(dāng)選則兩亮度波的波長(zhǎng)，在DL101中A碼的周期為600mm，B碼的周期為570mm，它們的最小公倍數(shù)為11400mm，因此在3m長(zhǎng)的標(biāo)尺上不會(huì)有相同的相位差。為了確保標(biāo)尺底端面，或說相位差分劃的端點(diǎn)相位差具有性，A和B碼的相位在此錯(cuò)過了π/2。

DL－102C的標(biāo)尺與DL－101C的略有區(qū)別，DL－102C的標(biāo)尺為白底黑條碼，A碼的波長(zhǎng)為330mm，最小公倍數(shù)為3300mm。A和B碼在波長(zhǎng)底部錯(cuò)開的相位差為π。DL101－C的標(biāo)尺與DL－102C的標(biāo)尺可由互換使用。

當(dāng)望遠(yuǎn)鏡照準(zhǔn)標(biāo)尺后，標(biāo)尺上某一段的條碼就成象在線陣CCD上，黃條碼使CCD產(chǎn)生光電流，隨條碼寬窄的改變，光電流強(qiáng)度也變化。將它進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換(A/D)后，得到不同的灰度值。視距在Δ0.6m時(shí)標(biāo)尺上某小段成象到CCDA上經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后，得到的不同灰度值(縱坐標(biāo))，橫坐標(biāo)是CCD上象素的序號(hào)，當(dāng)灰度值逐一輸出時(shí)，橫軸就代表時(shí)間了。橫坐標(biāo)標(biāo)記的數(shù)字判斷，儀器采用了512個(gè)象素的線陣CCD。視距和視線高的信息的測(cè)量信號(hào)。

如何從上述測(cè)量信號(hào)中求出A和B兩亮度波的相位差呢？

下文用測(cè)量人員容易理解的方式來說明。設(shè)想縱坐標(biāo)的灰度值就是表示亮度大小的十進(jìn)位數(shù)字，而且橫坐標(biāo)尺寸已放大到和標(biāo)尺尺寸一致。我們用一波長(zhǎng)為600mm的正弦曲線中的離散灰度值曲線擬合，就可由得到A波的振幅和初相位。再用波長(zhǎng)為570mm的正弦曲線，就可由得到B波的振幅和初相位。我們對(duì)振幅不太感興趣，因?yàn)殡S著標(biāo)尺上的照度不同，振幅在不同次數(shù)的測(cè)量中也不同，對(duì)我們求視線高無關(guān)緊要。我們求出的A和B兩亮度波的初相位之差就是高度數(shù)據(jù)。不過這是與CCD上個(gè)象素對(duì)應(yīng)的位置到標(biāo)尺底端面的高度。我們不難把它換算成CCD中點(diǎn)象素上的相位差，這就好象是中絲讀數(shù)。

像上述那樣人工處理測(cè)量信號(hào)是很麻煩的，而且很費(fèi)時(shí)間。在DL系列中則采用快速傅里葉變換(FFT)計(jì)算方法將測(cè)量信號(hào)在信號(hào)分析器中分解成三個(gè)頻率分量。由A和B兩信號(hào)的相位求相位差，即得到視線高讀數(shù)。這只是初讀數(shù)。因?yàn)橐暰嗖煌瑫r(shí)，標(biāo)尺上的波長(zhǎng)與測(cè)量信號(hào)波長(zhǎng)的比例不同。雖然在同一視距上A和B的波長(zhǎng)相同，可由求出相位差，或說視線高，但是可以想象其精度并不高。

R碼是為了提高讀數(shù)精度和求視距二安排的。設(shè)兩組R碼的間距為P(=30mm)，它在CCD行陣上成象所占的象素個(gè)數(shù)為Z,象素寬為D(=25μm)，則P在CCD行陣上的成象長(zhǎng)度為：

L=Z*b (1－5)

Z可由一信號(hào)分析中得出，b是CCD光敏窗口的寬度，因此l和P都為已知數(shù)據(jù)。根據(jù)幾何光學(xué)成象原理，可以象傳統(tǒng)儀器用視距絲測(cè)量距離的視距測(cè)量原理一樣求出視距：

D=P/l*f (1－6)

式中f是望遠(yuǎn)鏡物鏡的焦距。同時(shí)還可以求出物象比

A=P/l (1－7)

于是將測(cè)量信號(hào)放大到與標(biāo)尺上的一樣時(shí)，再進(jìn)行相位測(cè)量，就可以精確得出相位差，即視線高。

電子水準(zhǔn)儀的三種測(cè)量原理各有奧妙，三類儀器都經(jīng)受了各種檢驗(yàn)和實(shí)際測(cè)量的考驗(yàn)，能勝任精密水準(zhǔn)測(cè)量作業(yè)。

信息標(biāo)題：電子水準(zhǔn)儀原理

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