水準(zhǔn)儀交叉誤差

數(shù)字水準(zhǔn)儀是由光學(xué)機(jī)械部分和電子設(shè)備組成,其誤差除由以上兩項(xiàng)單獨(dú)所產(chǎn)生的而外,還包括二者組合產(chǎn)生的誤差。其中光學(xué)機(jī)械部分產(chǎn)生的誤差已被大家所熟知。主要包括a、圓水準(zhǔn)器誤差;b、調(diào)焦透鏡運(yùn)行誤差;c、豎軸傾斜引起的視準(zhǔn)軸誤差;d、自動(dòng)補(bǔ)償器的補(bǔ)償誤差。以下主要討論電子設(shè)備和二者組合所產(chǎn)生的誤差 。

1線(xiàn)陣探測(cè)器(CCD)的物理特性引起的誤差

1.1光線(xiàn)的強(qiáng)弱引起條碼標(biāo)尺影像對(duì)比度的誤差影響

數(shù)字水準(zhǔn)儀是根據(jù)條碼影像在探測(cè)器上的位置和比例進(jìn)行測(cè)量的,CCD的物理特性決定其在光線(xiàn)過(guò)強(qiáng)或過(guò)弱、條碼標(biāo)尺表面光照不均勻、觀測(cè)瞬間強(qiáng)光閃爍、外界熱閃爍等情況下,都會(huì)大大降低標(biāo)尺成像的對(duì)比度,也會(huì)造成局部失真,這將造成測(cè)量誤差,甚至無(wú)法讀數(shù)。

1.2人工光線(xiàn)的影響

徠卡NA系列數(shù)字水準(zhǔn)儀的探測(cè)器是利用紅外光部分(CCD陣列對(duì)紅外光最敏感)接收和檢測(cè)條碼影像的。因此,在人工光線(xiàn)下進(jìn)行測(cè)量時(shí),如紅外光成份較弱時(shí),會(huì)造成測(cè)量誤差,甚至無(wú)法讀數(shù)。而在這方面,蔡司DINI系列數(shù)字水準(zhǔn)儀是采用可見(jiàn)光接收和檢測(cè)條碼影像,所以不受此影響。

2信號(hào)分析和處理的誤差

2.1信號(hào)分析方法的誤差

徠卡NA系列數(shù)字水準(zhǔn)儀采用相關(guān)法進(jìn)行測(cè)量,根據(jù)經(jīng)驗(yàn),儀器內(nèi)存儲(chǔ)的參考信號(hào)(偽隨機(jī)碼)與測(cè)量信號(hào)(偽隨機(jī)碼)的相關(guān)(對(duì)齊)精度約為碼元寬度(或碼的波長(zhǎng))的1%。條碼標(biāo)尺的碼元寬度為2.025mm,因此相關(guān)精度約為0.02mm。

2.2最大相關(guān)系數(shù)計(jì)算的誤差

數(shù)字水準(zhǔn)儀相關(guān)時(shí),在精度相關(guān)搜索區(qū)域內(nèi),測(cè)量信號(hào)與參考信號(hào)帶全八位數(shù)被相關(guān),因?yàn)閮尚盘?hào)的振幅不同,最大相關(guān)系數(shù)是在高度和距離坐標(biāo)系內(nèi)逐點(diǎn)計(jì)算:最大相關(guān)位置的精度取決于格網(wǎng)的尺寸,相關(guān)的內(nèi)插計(jì)算,忽略丟失條碼造成的影響。

2.3測(cè)量信號(hào)處理(圖像處理)的誤差

數(shù)字水準(zhǔn)儀的測(cè)量信號(hào)處理是獲得高精度水準(zhǔn)測(cè)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié),條碼影像在CCD陣列上的成象的質(zhì)量以及處理技術(shù)的優(yōu)劣,在很大程度上決定著測(cè)量的精度。引起圖像誤差的主要誤差影響包括:(1)因CCD陣列的物理特性引起的誤差;(2)標(biāo)尺被遮擋引起條碼信息丟失的誤差;(3)調(diào)焦的準(zhǔn)確引起的圖像的分辨力誤差;(4)標(biāo)尺傾斜引起的圖像變形誤差;(5)外界條件變化引起的影像誤差;(6)測(cè)量信號(hào)形成時(shí)電子設(shè)備的誤差等。

獲得穩(wěn)定、清晰、對(duì)比適中、完整的條碼影像是測(cè)量信號(hào)生成和處理的前提,是測(cè)量的關(guān)鍵。一般來(lái)說(shuō),圖像的處理是由水準(zhǔn)儀內(nèi)置的軟件完成的。其誤差依賴(lài)于軟件的算法和技術(shù)的先進(jìn)性。

3電視準(zhǔn)軸(i角)的誤差

電視準(zhǔn)軸(i角)的誤差對(duì)水準(zhǔn)測(cè)量的影響理論上與光學(xué)水準(zhǔn)儀i角誤差相同,但電視準(zhǔn)軸(i角)在數(shù)字水準(zhǔn)儀中又缺少象光學(xué)視準(zhǔn)軸(i角)那樣的絕對(duì)標(biāo)定水平視線(xiàn)的性質(zhì)。然而電視準(zhǔn)軸(i角)對(duì)水準(zhǔn)測(cè)量的精度的影響是肯定的,而且它隨外界條件的變化而變化。盡管可以用前后視距等長(zhǎng)加以減弱,數(shù)字水準(zhǔn)儀也可由機(jī)內(nèi)設(shè)置的程序自動(dòng)改正,然而外條件隨時(shí)在變化,隨時(shí)測(cè)定i角而加以改正不僅影響作業(yè)效率,而且改正數(shù)也不是可以線(xiàn)性模擬的。

4外界條件變化引起的誤差

數(shù)字水準(zhǔn)儀與條碼標(biāo)尺組成的測(cè)量系統(tǒng)是處在時(shí)刻變化的外界條件下工作的。外界條件的變化將引起儀器各部件產(chǎn)生誤差。這種影響常常表現(xiàn)為各部件及其組合的綜合影響,外界因素影響產(chǎn)生的誤差主要有:(1)視準(zhǔn)軸(i角)變化的影響;(2)大氣垂直折光的影響;(3)儀器和標(biāo)尺垂直位移的影響;(4)地面震動(dòng)的影響;(5)地面電磁場(chǎng)的影響等。

5數(shù)字水準(zhǔn)儀所克服的常規(guī)水準(zhǔn)儀的誤差

(1)沒(méi)有讀數(shù)錯(cuò)誤,沒(méi)有人為讀數(shù)誤差;(2)多條碼(可認(rèn)為是多分劃)測(cè)量,削弱標(biāo)尺分劃誤差;(3)自動(dòng)多次測(cè)量,削弱外界條件變化的影響;(4)實(shí)現(xiàn)內(nèi)外業(yè)一體化,實(shí)現(xiàn)自動(dòng)記錄、檢核、處理和存儲(chǔ)。

以上僅能從概念上對(duì)數(shù)字水準(zhǔn)儀誤差加以論述,由于數(shù)字水準(zhǔn)儀的許多技術(shù)是保密的,尚難給予量的估算,只能通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)加以分析。

電子水準(zhǔn)儀是以自動(dòng)安平水準(zhǔn)儀為基礎(chǔ)，在望遠(yuǎn)鏡光路中增加了分光鏡和探測(cè)器(CCD),并采用條碼標(biāo)尺和圖象處理電子系統(tǒng)二構(gòu)成的光機(jī)電測(cè)一體化的高科技產(chǎn)品。采用普通標(biāo)尺時(shí)，又可象一般自動(dòng)安平水準(zhǔn)儀一樣使用。它與傳統(tǒng)儀器相比有以下共同特點(diǎn)： 　1) 讀數(shù)客觀。不存在誤差、誤記問(wèn)題，沒(méi)有人為讀數(shù)誤差。

2) 精度高。視線(xiàn)高和視距讀數(shù)都是采用大量條碼分劃圖象經(jīng)處理后取平均得出來(lái)的，因此削弱了標(biāo)尺分劃誤差的影響。多數(shù)儀器都有進(jìn)行多次讀數(shù)取平均的功能，可以削弱外界條件影響。不熟練的作業(yè)人員業(yè)也能進(jìn)行高精度測(cè)量。

3) 速度快。由于省去了報(bào)數(shù)、聽(tīng)記、現(xiàn)場(chǎng)計(jì)算的時(shí)間以及人為出錯(cuò)的重測(cè)數(shù)量，測(cè)量時(shí)間與傳統(tǒng)儀器相比可以節(jié)省1/3左右。

4) 效率高。只需調(diào)焦和按鍵就可以自動(dòng)讀數(shù)，減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度。視距還能自動(dòng)記錄，檢核，處理并能輸入電子計(jì)算機(jī)進(jìn)行后處理，可實(shí)線(xiàn)內(nèi)外業(yè)一體化。

誤差（errors）是實(shí)驗(yàn)科學(xué)術(shù)語(yǔ)，指測(cè)量結(jié)果偏離真值的程度。對(duì)任何一個(gè)物理量進(jìn)行的測(cè)量都不可能得出一個(gè)絕對(duì)準(zhǔn)確的數(shù)值，即使使用測(cè)量技術(shù)所能達(dá)到的最完善的方法，測(cè)出的數(shù)值也和真實(shí)值存在差異，這種測(cè)量值和真實(shí)值的差異稱(chēng)為誤差。數(shù)值計(jì)算分為絕對(duì)誤差和相對(duì)誤差。也可以根據(jù)誤差來(lái)源分為系統(tǒng)誤差（又稱(chēng)可定誤差、已定誤差）、隨機(jī)誤差（又稱(chēng)機(jī)會(huì)誤差、未定誤差）和毛誤差（又稱(chēng)粗差）。