专利名称：一种数字水准仪的制作方法
技术领域：
本发明属于测量领域，特别是涉及一种水准仪。
背景技术：
水准测量的基本原理是用水准仪的水平视线照准垂直竖立在两点上的水准尺读数来测定两点间的高差。
水准测量有光学水准测量和数字水准测量两种方法。
光学水准测量是目前使用的最多、可满足各种等级的水准测量方法，测量时使用光学水准仪和水准尺。光学水准仪主要由望远镜、分划板、气泡式水准器、外壳和基座组成，望远镜由物镜、调焦透镜、目镜构成，自动安平水准仪还带有自动安平装置。分划板上在垂直方向平行等间隔刻有三根水平丝，分别称为上丝、中丝和下丝。光学水准测量用的水准尺是在尺身上制有等间隔刻划和对刻划的高度的数字标注，为了便于识别等间隔刻划又有几种不同的图案。用光学水准仪进行测量时，首先将水准仪安装在三脚架上，并根据气泡式水准器调平水准仪，在照准水准尺并调焦清楚后，根据水准仪分划板上的中丝在水准尺上的位置，按数字标注读取高度的大的读数部分(米和分米)，再根据中丝与水准尺刻划的距离读取小的读数部分(厘米和毫米，以及小于毫米的部分)。根据水准仪分划板上的上丝和下丝读取的读数，按相似三角形的原理即可计算水准仪与水准尺的距离。根据不同位置的水准尺的中丝的读数就可获得不同位置高度的差值。光学水准测量主要由人工完成读数，因此测量的结果会带有观测者造成的误差，而且速度较慢。由于测量结果记录在纸介质上，这样一方面需要由人工将数据录入计算机进行计算，这样费时又费力，而且容易出现记录差错。
数字水准测量是新出现的水准测量方法，可满足各种等级的水准测量，测量时使用数字水准仪和条码水准尺。数字水准仪主要由望远镜、分划板、气泡式水准器、自动安平装置、图像采集装置、计算机、电源、外壳和基座组成。条码水准尺在尺身上制有按某种方案编码的非等间隔的条码刻划，而且没有数字标注。用数字水准仪进行测量时，首先将水准仪安装在三脚架上，并根据气泡式水准器调平水准仪，在照准水准尺并调焦清楚后，用计算机控制图像采集装置获得视场中的水准尺的图像，根据获得的图像、水准尺的编码方案以及相应的处理方法求得高度和距离。目前的数字水准测量方法有徕卡公司的相关法数字水准测量方法、蔡司公司的几何法数字水准测量方法、拓普康公司的相位法数字水准测量方法、索佳公司的RAB数字水准测量方法。数字水准测量由于测量是由机器自动完成的，因此结果稳定，速度较快，而且测量结果是存在水准仪的计算机中的数字结果，可以直接传输到其它计算机以供处理、保存，不会出现差错，并且可在测量现场进行某些计算处理。条码水准尺不能进行人工测量，而且制作工艺复杂，成本很高。目前市场上的数字水准仪和条码水准尺的缺点是价格昂贵，而且我国现有的测量规范、仪器检测规范都需要进行修改，以适应这些数字水准仪和条码水准尺，这是需要投入大量的人力和物力的去研究它们的特点。而且，我国的水准仪和配套设备的相关生产厂商，在长期的生产中已投入了大量的资源(人力、物力和财力)，在这个行业中已积累了丰富的相关技术。如果完全采用目前市场上的数字水准仪和条码水准尺，首先就必须再投入大量的资金进行研发，而且已积累起来的技术和生产设备中的一部分就会丧失其价值。

发明内容
针对上述不足，本发明的目的在于提供一种即能实现数字水准测量，又能实现光学水准测量的数字水准仪。
为了实现上述目的，本发明的技术方案是一种数字水准仪，物镜1、调焦透镜2、分划板4和目镜5沿光轴顺序安置在外壳17中，外壳17与基座18相连，外壳上装有气泡式水准器16，其特征是望远镜的光轴上，物镜1和分划板4之间安置一个分光镜3，分光镜3的一直角边与光轴平行，另一直角边与光轴垂直，分光镜3的斜边朝向调焦透镜2、图像传感器6；分光镜3处与光轴和垂轴构成的平面平行安置图像传感器6，图像传感器6的感光面的法线与光轴垂直，图像采集装置7一端与图像传感器6相连，一端与计算机相连。
图像传感器6为面阵图像传感器。
本发明采用上述结构，分光镜3将从物镜入射的光线分成两路，穿过分光镜的一路光线，通过分划板和目镜，供人眼观测，实现光学水准测量；被分光镜反射的一路光线，到达面阵图像传感器，供图像采集，实现数字水准测量。
本发明的数字水准仪进行测量即能实现水准测量的数字化，同样达到测量精度，又能充分利用已有的资源，保护已有的投资，即可进行数字水准测量，也可进行人工水准测量，这使得在数字水准测量失效时，仍可采用人工水准测量的方法继续未完的测量工作，这是目前市场上的数字水准仪无法做到的。


图1为本发明的结构示意图；图2为目镜视场中的图像；图中1.物镜，2.调焦透镜，3.分光镜，4.分划板，5.目镜，6.图像传感器，7.图像采集装置，8.CPU，9.存储器，10.显示器，11.键盘，12.电源，13.水平视线，14.水准尺，15.视线高度，16.气泡式水准器，17.外壳，18.基座，19.目镜视场，20.水准尺边沿，21.等间隔刻划，22.数字标注，23.标注条码。
具体实施例方式
如图1所示，一种数字水准仪，主要由望远镜、分光镜3、分划板4、气泡式水准器16、图像传感器6、图像采集装置7、计算机、电源12、外壳17和基座18构成。物镜1、调焦透镜2、分划板4和目镜5沿光轴顺序安置在外壳17中，外壳17与基座18相连，外壳上装有气泡式水准器16。望远镜的光轴上，物镜1和分划板4之间安置一个分光镜3，分光镜3的一直角边与光轴平行，另一直角边与光轴垂直，分光镜3的斜边朝向调焦透镜2、图像传感器6；分光镜3处与光轴和垂轴构成的平面平行安置图像传感器6，图像传感器6的感光面的法线与光轴垂直，使得经分光镜3反射的图像可到达图像传感器6。图像采集装置7一端与图像传感器6相连，一端与计算机相连。
计算机由CPU8、存储器9、显示器10、键盘11构成，计算机可固定在基座18上。望远镜由物镜1、调焦透镜2、目镜5构成。
如图1、图2所示，水准尺14尺身采用长条形、不易变形的材料制成，如铟钢、玻璃钢、低精度的尺可以采用优质木材或铝合金等材料。在尺身上制有等间隔刻划21，在刻划旁有数字标注22，数字标注22表明等间隔刻划21的某一根刻划的某一边缘的高度，即XX分米或XXX厘米，数字标注22采用阿拉伯数字。在数字标注22的附近用含有数字标注22内容的标注条码23进行表示，以供自动识别。等间隔刻划21以厘米为单位，每分米部分包括两个矩形条和一个E字。标注条码23按二进制码进行编码，被印制在E字的下横划处，并保留E字的下横划的一部分，以便于小读数测量。等间隔刻划21的标准高度为精确已知的高度，如10毫米。
进行水准测量时，首先将水准仪安装在三脚架上，并根据气泡式水准器16调平水准仪，在照准水准尺14并调焦清楚后，计算机在接收到测量命令后，控制图像采集装置7从面阵图像传感器6获得目镜视场19中的包含水准尺14的图像。首先根据水准尺边沿20为两条平行的长直线的特点，用图像处理技术将水准尺14的图像从整个图像中分离出来，即去除背景图像。在获得的图像中应用图像匹配技术确定水准尺14中的E字的位置，确定水平视线13以下的E字的位置，并根据E字的位置，以及E字的下横划的位置，确定标注条码23的位置。从图像中E字的下横划的位置取出标注条码23的图像，根据标注条码23的图像经译码后，获得标注的内容，即获得视线高度15的大读数(米和分米)。根据标注条码23与常规的等间隔刻划21的关系，获得常规的等间隔刻划21的图像，并可计算出水平视线13与E字的下横划的距离，即厘米读数。根据水平视线13与所处的等间隔刻划21的空间关系，可以计算出水平视线13处的视线高度15的小读数(毫米及小于毫米的部分)。合并大读数、厘米读数和小读数，即获得了水平视线13处的精确的视线高度15数据。由于水准尺14的等间隔刻划21的实际的尺寸是已知的，根据已知的尺寸与图像中相应的部分的像方数据，按相似三角形的原理可以计算出水准仪与水准尺14的距离。
本发明同时还可进行光学水准测量，按现有的常规光学水准测量进行测量。
权利要求
1.一种数字水准仪，物镜(1)、调焦透镜(2)、分划板(4)和目镜(5)沿光轴顺序安置在外壳(17)中，外壳(17)与基座(18)相连，外壳上装有气泡式水准器(16)，其特征是望远镜的光轴上，物镜(1)和分划板(4)之间安置一个分光镜(3)，分光镜(3)的一直角边与光轴平行，另一直角边与光轴垂直，分光镜(3)的斜边朝向调焦透镜(2)、图像传感器(6)；分光镜(3)处与光轴和垂轴构成的平面平行安置图像传感器(6)，图像传感器(6)的感光面的法线与光轴垂直，图像采集装置(7)一端与图像传感器(6)相连，一端与计算机相连。
2.根据权利要求1所述的一种数字水准仪，其特征是图像传感器(6)为面阵图像传感器。
3.根据权利要求1所述的一种数字水准仪，其特征是计算机可自动获得数字的测量结果。
全文摘要
本发明涉及一种水准仪，一种数字水准仪。物镜(1)、调焦透镜(2)、分划板(4)和目镜(5)沿光轴顺序安置在外壳(17)中，外壳(17)与基座(18)相连，外壳上装有气泡式水准器(16)，其特征是望远镜的光轴上，物镜(1)和分划板(4)之间安置一个分光镜(3)，分光镜(3)的一直角边与光轴平行，另一直角边与光轴垂直，分光镜(3)的斜边朝向调焦透镜(2)、图像传感器(6)；分光镜(3)处与光轴和垂轴构成的平面平行安置图像传感器(6)，图像传感器(6)的感光面的法线与光轴垂直，图像采集装置(7)一端与图像传感器(6)相连，一端与计算机相连。本发明既能实现数字水准测量，又能实现光学水准测量。
文档编号G01C5/00GK1544882SQ200310111409
公开日2004年11月10日 申请日期2003年11月18日 优先权日2003年11月18日
发明者赵珞成 申请人:武汉大学