DL系列

拓普康電子水準(zhǔn)儀DL101C/102C采用相位法。標(biāo)尺的條碼像經(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，一路成像在CCD線陣上，用于進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，另一路成像在分劃板上，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(huà)出了波形。縱坐標(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(shuō)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。這種相位差就好像傳統(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(shuō)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(guò)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，小公倍數(shù)為3300mm。A和B碼在波長(zhǎng)底部錯(cuò)開(kāi)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像在線陣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)尺上某小段成像到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(lái)說(shuō)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。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波的大振幅和初相位。再用波長(zhǎng)為570mm的正弦曲線，就可由得到B波的大振幅和初相位。人們對(duì)大振幅不太感興趣，因?yàn)殡S著標(biāo)尺上的照度不同，大振幅在不同次數(shù)的測(cè)量中也不同，對(duì)求視線高無(wú)關(guān)緊要。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(guò)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。人們不難把它換算成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(shuō)視線高，但是可以想象其精度并不高。