一种数字水准仪i角室内测量方法

1.本发明属于光学计量技术领域，涉及一种数字水准仪i角室内测量方法。


背景技术：

2.数字水准仪i角的大小和稳定性是保证水准测量精度的一个重要条件。目前数字水准仪i角检测方法主要为室内法和室外法两种。室外法测量数字水准仪i角采用的是费尔斯特法，在相距45m距离的检测基线两端分别架设水准尺a、b，并将此基线分成3等份，在距水准尺a、b15m处设2个仪器测站，仪器分别在2个测站对水准尺a、b进行观测，将观测数据代入到电子i角计算公式得到最终结果。室内法主要考虑到室外检测受到太多不可控的干扰因素，为保证测量精度，参照相关计量规定要求在室内环境下，建立一平行光管组作为基本装置，在安装时应保证各平行光管的水平平行度小于1"，其目标分划板相互垂直，在竖直方向上与水准仪目镜分划板平行，并做好防震保护，减小测量过程中因目标晃动对检测精度的影响，以平行光管中的目标分划板(通过微缩技术处理的对应视距15m和30m的位置水准尺影像)为载体，采用强制对中架设工作台作为数字水准仪的安置台，整体构成一套数字水准仪i角检测系统，根据规程要求，在安置台上架设调平的数字水准仪并按照检测程序照准读取分划板上不同视距下水准尺的微缩像，完成数字水准仪的电子i角的测量。
3.室外法受到外界影响因素较多，影响测量精度，而室内法由于需要在分划板上刻不同编码水准尺以及不同视距下水准尺的微缩像，使得检测系统的应用性不强，更换水准尺以及改变视距就需要更换分划板，在分划板上重新刻像，不但增加制造成本，安装操作也十分的麻烦，且存在检测装置无法溯源问题。故，无论是室内法还是室外法目前都有着一定的缺陷。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种数字水准仪i角室内测量方法，操作简单，测量重复性好，解决了现有数字水准仪i角室内检测装置要求高，在室内无法对实物标尺进行远视距瞄准读数，测量精度低的问题。
5.本发明所采用的技术方案是，一种数字水准仪i角室内测量方法，具体按照以下步骤进行实施：
6.步骤1，搭建数字水准仪i角室内测量系统；
7.步骤2，通过数字水准仪对虚像进行观测，在室内近视距处对远视距的水准尺虚像进行读数；
8.步骤3，步骤2数字水准仪对远视距下水准尺虚像进行读数后，即进行室内远视距观测测量后，将测量数据带入到i角计算公式实现数字水准仪的i角测量。
9.本发明的特点还在于：
10.步骤1中的数字水准仪i角室内测量系统，包括安置台，安置台上设置数字水准仪，数字水准仪两侧同一水平面分别设置透镜组a，透镜组b，透镜组a，透镜组b外侧相对设置水
准标尺a，水准标尺b。
11.步骤2的具体过程为，确定水准标尺a与水准标尺b高差为
△
h，调整透镜组a、透镜组b，使数字水准仪经过透镜组a观测水准标尺a视距15米处的虚像标尺a"，数字水准仪经过透镜组b观测水准标尺b视距30米处的虚像标尺b"。
12.调整透镜组a、透镜组b的具体过程为：
13.透镜组a、透镜组b都是双光组的光学系统，每个组合光学系统包括前光组和后光组，根据光学成像原理，透镜组a、透镜组b分别将近视距的实物水准尺1：1成像为一个远视距下的水准尺虚像，并将水准尺虚像作为数字水准仪的观测对象。
14.将前光组的实像面作为后光组的物面，同时保证前光组的像面在后光组的一倍焦距之内，使得实物水准尺通过整个光组成一虚像。
15.步骤2中总放大率β
总
＝-1，后光组放大率记作β2，令前光组放大率对前光组有关系式：
16.l1＝f1′
(γ
1-1)
ꢀꢀ
(1)；
17.式中，l1为实物水准尺到前光组物方主面的距离；
18.对前光组运用高斯成像公式求得l1′
，l1′
l1为前光组的实像像距。
19.对后光组有关系式：
20.l2′
＝f2′
(β
2-1)
ꢀꢀ
(2)；
21.式中，-l2′
＝视距-d0，视距为所需要观测到的虚像标尺的视距，d0是后光组像方主面到数字水准仪安置中心的距离；
22.对后光组由高斯成像公式有其中l2为前光组所成的实像到后光组物方主面的距离。
23.分别对透镜组a、透镜组b进行调整后，每个组合光学系统的成像放大率为1：1，即实物水准尺与虚像水准尺尺寸为1：1，即可观测到水准标尺a与水准标尺b分别位于视距为15米、30米处的虚像，符合计量溯源。
24.步骤3中观测水准标尺a与水准标尺b视线高、视距，并将步骤2中安置高差带入，计算出被检数字水准仪的i角：
[0025][0026]
式中，ra为被检数字水准仪在水准尺虚像a"上读取的视线高，rb为被检数字水准仪在水准尺虚像b"上读取的视线高，da为与水准尺虚像a"对应的视距，db为与水准尺虚像b"对应的视距，
△
h＝h
a-hb或对应水准尺虚像a"、b"的高差。
[0027]
本发明的有益效果为：本发明将实物水准尺经过组合透镜所成的虚像作为数字水准仪的观测目标，运用高斯成像关系，对近视距实物水准尺经过组合透镜所成虚像的物像距进行调整，以对不同视距的水准尺虚像进行观测，实现在近视距下对远视距的水准尺进行瞄准读数。使得对不同数字水准仪进行i角检测时更加便捷、高效，且检测系统量值传递
和溯源链完整，满足国家规范要求。
附图说明
[0028]
图1是本发明一种数字水准仪i角室内测量系统布置示意图；
[0029]
图2是本发明一种数字水准仪i角室内测量系统一侧的水准标尺经透镜成虚像的示意图。
[0030]
图中，1.水准标尺a，2.水准标尺b，3.标尺a"，4.标尺b"，5.透镜组a，6.水准仪，7.透镜组b，8.安置台。
具体实施方式
[0031]
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
[0032]
本发明一种数字水准仪i角室内测量方法，具体按照以下步骤进行实施：
[0033]
步骤1，搭建数字水准仪i角室内测量系统；
[0034]
步骤1中的数字水准仪i角室内测量系统，如图1所示，包括安置台8，安置台8上设置数字水准仪6，数字水准仪6两侧同一水平面分别设置透镜组a5，透镜组b7，透镜组a5，透镜组b7外侧相对设置水准标尺a1，水准标尺b2。
[0035]
步骤2，通过数字水准仪对虚像进行观测，在室内近视距处对远视距的水准尺虚像进行读数；
[0036]
步骤2的具体过程为，确定水准标尺a1与水准标尺b2高差为
△
h，调整透镜组a5，透镜组b7，使数字水准仪6经过透镜组a5观测水准标尺a1视距15米处的虚像标尺a"3，数字水准仪6经过透镜组b7观测水准标尺b2视距30米处的虚像标尺b"4。
[0037]
调整透镜组a5，透镜组b7的具体过程为：
[0038]
透镜组a5和透镜组b7都是双光组组合的光学系统，每个组合光学系统包括前光组和后光组，根据光学成像原理，透镜组a5和透镜组b7分别将近视距的实物水准尺1：1成像为一个远视距下的水准尺虚像，并将水准尺虚像作为数字水准仪的观测对象。
[0039]
将前光组的实像面作为后光组的物面，同时保证前光组的像面在后光组的一倍焦距之内，使得实物水准尺通过整个光组成一虚像；总放大率β
总
＝-1，后光组放大率记作β2，令前光组放大率对前光组有关系式：
[0040]
l1＝f1′
(γ
1-1)
ꢀꢀ
(1)；
[0041]
式中，l1为实物水准尺到前光组物方主面的距离；
[0042]
对前光组运用高斯成像公式求得l1′
，l1′
l1为前光组的实像像距。对后光组有关系式：
[0043]
l2′
＝f2′
(β
2-1)
ꢀꢀ
(2)；
[0044]
式中，-l2′
＝视距-d0，视距为所需要观测到的虚像标尺的视距，d0是后光组像方主面到数字水准仪安置中心的距离。
[0045]
对后光组由高斯成像公式有其中l2为前光组所成的实像到后光组物方主面的距离；
[0046]
分别对透镜组a5，透镜组b7进行调整后，每个组合光学系统的成像放大率为1：1，即实物水准尺与虚像水准尺尺寸为1：1，即可观测到水准标尺a1与水准标尺b2分别位于视距为15米、30米处的虚像，符合计量溯源。
[0047]
步骤3，步骤2数字水准仪6对远视距下水准尺虚像进行读数后，即进行室内远视距观测测量后，将测量数据带入到i角计算公式实现数字水准仪的i角测量。
[0048]
观测水准标尺a1与水准标尺b2视线高、视距，并将步骤2中安置高差带入，计算出被检数字水准仪的i角：
[0049][0050]
式中，ra为被检数字水准仪6在水准尺虚像a"上读取的视线高，rb为被检数字水准仪6在水准尺虚像b"上读取的视线高，da为与水准尺虚像a"对应的视距，db为与水准尺虚像b"对应的视距，
△
h＝h
a-hb或对应水准尺虚像a"、b"的高差。
[0051]
在室内对具有不同编码规则的水准尺进行i角检测时，只需要更换配套水准尺，即无需刻制不同编码的分划板。
[0052]
实施例
[0053]
本实施例在室内将实物水准尺分别放置在2.24米和4.34米的近视距位置处，用数字水准仪观测其15米和30米的虚像水准尺，进行数字水准仪i角检测。
[0054]
本实施例中每个透镜组都是双光组组合的光学系统，每个组合光学系统分为前光组和后光组，为满足视场要求和良好的成像效果以及优化整个系统，前光组为一大视场短焦光组，后光组为一短距离长焦光组，如图2所示，每个组合光学系统将前光组的实像面位置设置在后光组的物面处，然后实像经后光组成一虚像；改变测量视距或者光组参数，可以通过高斯成像公式重新计算。i角计算公式中的水准尺a、b的安置高差
△
h，可选用i角符合测量安全裕度的数字水准仪进行标定。i角计算公式中的
△
h，用水准尺虚像a"、b"标定则可以降低装置的制作难度、安装调整也大为方便。
[0055]
在计算i角时，对标尺a的视距为15米处的虚像进行观测，对标尺b的视距为30米处的虚像进行观测，计算出i角后，再对视距进行交替即标尺a和标尺b进行对调，对标尺a的视距为30米处的虚像进行观测，对标尺b的视距为15米处的虚像进行观测，计算出i角，两次i角取平均值可以提高i角检测的准确性。
[0056]
本发明一种数字水准仪i角室内测量方法，简单易行，根据光学成像原理，将近视距的实物水准尺通过组合透镜成像为远视距的虚像，数字水准仪观测该虚像实现数字水准仪i角测量。通过组合透镜分别将放置在2.24米和4.34米的一副实物水准尺以1：1成像为视距15米和30米的一副虚像水准尺，以检测合格的一副实际水准尺为观测对象，对不同品牌数字水准仪i角测量，只需更换对应品牌的水准尺即可，解决了传统室外数字水准仪i角检测需要环境良好的平坦大场地问题，将室外检测移入到室内检测，减少了室外场地因素对测量精度的影响；同时该方法也规避了其它室内检测方法需要更换分划板、不能溯源的局限性，满足计量系统对标准器溯源性的要求，具有成本低、测量效率高的特点。
[0057]
本发明一种数字水准仪i角室内测量方法不仅针对费氏法，也可以推广到李氏法、库氏法、日本法中任意一种方法，必要时只需要针对每个测站的视距要求不同，对光学系统进行必要的调整。对不同条码分划水准尺进行检测仍然只需要更换水准尺即可。同时数字水准仪也可替换为光学水准仪，本文所述一种数字水准仪i角室内测量方法对光学水准仪同样适用。