从1999年光谱精仪和卡尔蔡司公司成立合资公司，光谱精仪正式接管蔡司的测量业务开始，到2001年全资收购蔡司测量部门，成立德国 Trimble Jena 公司并以耶拿蔡司名义运营，天宝蔡司又有哪些鲜为人知的历史呢？

历 史 回 顾

第二次世界大战后的德国历史在许多德国公司的发展中得到了彰显，其中就包括卡尔·蔡司公司，其水准仪的发展就是一个例证。战后的政治局势，导致了以“卡尔·蔡司”命名的两家公司并列存在，一家是在东德的耶拿(Jena)，另一家是在西德的科恩（Oberkochen）。他们各自独立设计、制造和销售测绘水准仪，两家公司相互之间关系并不融洽。1990年德国统一后，情况发生了变化。团聚后的卡尔·蔡司利用这个契机，集中精力开发了技术先进的精密仪器，其中数字水准仪最为出名。

从1973年开始，科恩（Oberkochen）的卡尔·蔡司公司研发了诸如 Ni 22（1966年）、Ni 20（1972年）和 Ni 3（1980年）等仪器。它们都是1950年Ni 2的简化版，是第一款具有补偿器的工程水准仪，它能自动使视线保持水平。直到1999年，需要提供大地测量精度水平的客户仍然对Ni 2 有着强烈的需求。

借助与平行板测微器的连接，Ni 2可使每公里的平均误差降低至0.3-0.4mm。1967年推出了另一款自动大地测量水准仪 –  Ni 1，这是一款改进型水准仪，两者的区别在于悬摆，Ni 1结合了钢韧条，而并非传统的四连杆机构。Ni 1的望远镜放大倍数增加到50倍，测微器也被集成到了仪器中。与此同时，科恩（Oberkochen）的卡尔·蔡司公司还开发了Ni 4，Ni 4是1980年推出的一款自动化施工水准仪，它是1971年Ni 42的新一代产品，它配有一个带脚螺旋的常规水准基座。到了1976年，一款面向建筑业的非自动“气泡”水准仪Ni 52 问世了。等到1991年，具有中等和较低精度的常规水准仪Ni 30、40和50也加入到该阵营，至今对这个行业仍然举足轻重。

1950年(Ni 2) - 1966年(Ni 22)  - 1967年(Ni 1)  - 1971年(Ni 42）- 1972年(Ni 20) - 1976年(Ni 52) - 1980年(Ni 3、Ni 4) - 1991年(Ni 30、Ni 40、Ni 50）-1973年(NI 002) - 1982年(NI 020 A) - 1983年(NI 005 A\NI 021、NI 040 A）- 1988年(NI 002 A、RENI 002 A)

从1973年开始，耶拿 （Jena）的卡尔·蔡司公司也设计了多款水准仪。首要要提及到的是1973年上市的NI 002，这是一款超精密型自动大地测量水准仪。在随后几年中，又陆续问世了几款自动水准仪，例如：带有集成测微器的NI 020 A（1982年）、NI 005 A（1983年）和低端的 NI 040 A（1983年）。同期，1983年，NI 021气泡水准仪问世。系列A级，从NI 005 A到NI 040 A，精密等级分级，以满足不同用户在中低精度范围内的需求。多种类型的配件确保了应用的灵活性。该公司继续生产同种系列，但样式略有不同，名称也有所不同。

NI 002很快在业内被广泛使用。耶拿（Jena）的卡尔·蔡司公司因获得好评而欢欣鼓舞，在1988年推出了另外两款水准仪，形成了一个系列产品线：NI 002 A和 RENI 002 A。NI 002 A是严格的光学水准仪，几乎所有功能都与NI 002相同。RENI 002 A具有相同的精度，它迈出了半自动水准仪的第一步，将光学标尺的读数输入到车载电脑中，并且配有数字测微器读数。这些性能都使得操作变得更加方便，操作员只需手动将望远镜的十字线与光学标尺的刻度对齐就可以了。直到1990年莱卡（Leica）推出世界上第一款数字水准仪Na 2000 ，在这之前，这种半自动技术是当时最先进的技术。

就在那个时候，不仅“两个”德国重新团聚，耶拿(Jena)和科恩(Oberkochen)两家卡尔·蔡司公司也实现了合并。团聚后的卡尔·蔡司公司做出一个重要的决定：从1992年开始进行大规模数字水准仪开发工作。耶拿（Jena）研发团队在1983年至1985年期间已经获得了一些经验，当时德累斯顿工业大学（Dresden University of Technology）按照签订的合同开展了大量数字水准仪的研究。数字水准仪DiNi® 10和DiNi® 20在1994年的 Intergeo大会上隆重推出。一年后，第一台数字水准全站仪 - DiNi® 10T 在多特蒙德（Dortmund）测量界亮相。1996年，包括DiNi® 11、DiNi® 21和DiNi® 11T 在内的升级版数字水准仪先后加入到产品行列中。升级包含了用PC卡作为DiNi® 11和DiNi® 11T 机型的存储介质以及测量速度有被提升。

1973年

NI 002/NI 002 A/RENI 002 A 

大地测量水准仪

图 1: NI 002 A

当NI 002在1973年呈现在测量界时，没有人预料到它开启了大地水准测量的新篇章。也许推测不准，该仪器在设计时并没有考虑到机动化水准测量的适用性。尽管由德累斯顿理工大学的佩舍尔（Peschel）教授带领导的研究小组在60年代末已经用其他水准仪进行过机动化整平测试。NI 002的设计是为了满足最严格的高差测量要求。事实上，它也满足了机动水准测量的要求，虽然是偶然，但却是一个额外的收获。

该仪器已被充分验证的 ±0.2 mm/km精度是通过其设计理念实现的，其中包括：独特的倒镜补偿器（摆镜悬浮在焦距的一半距离并且用所述反光镜在初始和相反位置进行测量）、此补偿器的设计精度、通过摆镜位移进行系统调焦以及物镜测微器。这些元素提供了所谓的“准绝对视界”。两个读数的平均值几乎与仪器和水准杆之间的距离无关。所描述的性能不再需要保持后视和前视距离精确相等，并将视线稳定性提高到了新的质量等级。因此，使用NI 002可以执行精确的水准线路测量，而不需要将后视和前视距离差保持在相等的10厘米以内。仪器设站具有更大的自由度，这在工业应用中是一个优势。以前，只有将仪器重新放置几次才能完成精确的区域水准测量，而NI 002及其后几代同款系列可以停留在单一测站，从该测站照准不同距离的不同目标。

1996年

DiNi®11/DiNi®21/DiNi®11T

数字水准仪

图 2: DiNi®11 T 带水平度盘的数字水准仪

通常，人们会对关于作为照准距离功能的高度和距离测量以及DiNi® 11T（DiNi® 10T）与延长标尺段联合使用时的精度提出疑问。DiNi® 11T（DiNi® 10T）使用100cm的标尺段会得到更好的距离精度。但是，高程读数仍然只使用30cm标尺段。在数字水准仪不仅用于水准线测量而且还用于结构监测和特殊测量的场合，会产生有关可实现精度的问题，在精度方面很难作出通用的有效声明，因为它取决于各种参数。下面的曲线图展示出了单高程测量的精度，它是作为距离功能从重复性照准判定的。

图 3: 从重复照准判定的高程测量系统

作为照准距离功能和标尺类型的可获得精度

这些精度是否能在特定的现场情况下，在特定的测量工作中实现，还有待用户分析。需要考虑的因素包括要使用的不同的瞄准距离，以及可以调整瞄准线的精度。

下图展示出了使用DiNi®11和DiNi®11T仪器和两种不同标尺类型可获得的距离测量精度。这些精度也可以描述如下：

图 4: 作为照准距离功能和标尺类型的可获得距离测量精度

DiNi®搭载了高度精密电子标尺读数系统，但其机械和光学设计和普通水准仪是一样的，这一点与NI 002不同。正因为如此，早期设计的水准仪自身的局限性同样会体现在数字水准仪上。要考虑的其中一个参数是仪器的温度表现。鉴于存在一个带内存和自动读数系统的板载电脑，它会考虑到视线随温度变化的倾斜程度（称为温度影响），并进行纠正。只要这种影响在仪器的整个使用寿命内保持一个常数，并且如果可以使用有效纠错的简单功能，以上纠正便可以实现。温度导致的水平视线偏差有多种原因，用户或制造商导致的误差源于不同的因素，例如所涉及的各种材料（玻璃、金属、塑料）热膨胀系数的累积影响，这使得我们很难挑出造成温度影响的单一原因。仪器的历史已经见证了机械温度补偿器，其中有意使用了不同的材料来移动标尺读数射线路径中的某些元素，从而产生抵消温度影响的效果。过去曾经尝试在精密水准仪中防止其温度影响超过0.3"-0.5"/K。鉴于数字水准仪的能力，现在可以进一步减少这些影响。这已经在DiNi® 11和DiNi® 11 T水准仪中得以实现了。

图 5: DiNi®11带纠正的温度影响

当前使用的纠正措施经过了现场实验，该实验涉及到在大量温度间隔下进行测量，并且包括为模拟长寿命而承受极大压力的仪器。纠正的有效性是通过一致性质量检验进行核查的。但是，纠正只适用于用过一段时间的仪器，此时间不可缩短。精密整平的等待时间应当为每度温差2分钟，这个经验法则仍然适用。温度平衡可能会稍快一些实现，但这不会导致任何明显差异。

在“正常”的精密水准仪中始终要考虑的另一个问题是：剩余补偿误差。精密水准仪的摆运动在摆锤校正仪器倾斜度的范围内几乎是线性的。制造商采取各种措施使摆锤尽可能精确地设置到水平。尽管将摆锤系数调整为1（对于机械和光学两种效果），并且对摆锤和竖轴系统进行了精心的设计和组装，但在前视和后视之间仍可能会出现0.1-0.15"的微小角度误差。如果水准线以一致的过程运行，该角度将构成系统误差。

0.2"的剩余补偿误差意味着大约有1 mm的水准仪回路闭合差。数字水准仪快速测量，无主观误差的优势有助于比以往更好地识别该误差。过去，这些误差是随机误差的一部分，无法非常确定；现在，即使误差很小，也可以被发现。从这里得出的结论是：用已知品牌的数字水准仪进行精密水准测量作业，在任何情况下都应当是通过交替方法执行的（后视/前视/前视/后视 - 前视/后视/后视/前视），也被称为“red pants”法。

图 6: 测量方法

水准仪是通过正确的使视线实现水平从而达到精度的。然而，要在长时间的工作和任何温度下保持视线绝对稳定是不可能的。有必要随时地检查和校正视线，尤其是在环境温度波动较大情况下，进行的精密水准线路测量之前以及在仪器有过过大机械应力之后。

在迄今为止的已知光学精水准仪中，用户已通过熟悉的方法（Förstner等）进行了测量，并将十字线向标称读数进行了少量移动。十字线的厚度约为2"-3"。因此，过去用光学水准仪所作的改变和设置必定已经有几弧秒的量级。由于没有经验进行必要的数字修正，用数字水准仪得到的数字结果形式带来了一些不确定性。在数字水准仪中，电子视界是通过计算的线性CCD阵列偏心位置进行校准的，该线性CCD阵列在电子系统中起着十字线的作用。如果仪器用于光学测量，则在电子校准之后，可以将十字线移至标称工作标尺位置。随着时间变化观测到的图形表达变化给出了很好的概览，并有助于作出正确的决定。在正常环境条件下，连续重复进行校准测量会产生2"-3"的差异。在相同条件下进行测量时，每天的变化不应超过3"-5"。

数字水准仪可用于检测和监测建筑物和其它物体的高度。DiNi® 11T（DiNi® 10T）与其数字水平度盘特别适用于这类作业。我们可以安装两个步进制电机来驱动横向慢速运动和调焦螺旋。可以对控制电脑进行编程，以在固定于要检查结构点的任意数目的标尺段位置进行照准和读数。在通过执行手动循环测量进行程序示教之后，电脑将以用户确定的时间间隔重复循环任意多次。电脑通过RS232接口控制仪器和记录功能。必要的设备配置可以从卡尔·蔡司合作制造商处获取。

图 7: 为结构监测应用定制的 DiNi®10T

对比NI 002和DiNi®11

从上面给出的解释可以很明显看出，NI 002本身的设计在精度方面比DiNi® 11有优势，但是它缺少自动读数，在很大程度上依赖于操作员的精力集中，并且涉及到人为误差风险。

除了数字读数之外，数字水准仪还具有决定性的优势，它们以能够进行电子处理的形式在最短的时间内记录完整的数据。测量结果很少受到标尺沉降和类似效果的影响。由于数字水准仪将自动化引入到整平过程中，许多用户已经开始喜欢上它的平滑、可靠和精准测量性能，而且不需要花费很多时间就可以上手。

虽然它有诸如直角目镜等配件，但事实上，相对于NI 002和它的后继仪器，对于机动化整平，数字水准仪仍然很少用于这种方法，这是因为数字水准仪的其它性能对此派不上什么用场。在全球范围内，目前对大型精密水准测量项目的需求很低。另外，机动化整平需要过多的人力，这可能是导致该方法将来被逐步淘汰的一个重要因素。最后一个原因就是历史上发展的对机动化整平的态度总体上是因国家而异，一些国家根本就不使用它。

图 8: 1998年在丹麦外业使用DiNi

总 结

数据记录、存储和处理的能力以及消除人为误差的特点，对于精密水准的所有应用都至关重要。在涉及到广泛的不同照准距离的顶级精密测量作业中，当前的数字水准仪无法替代NI 002系列。而新型的DiNi®数字水准仪几乎能够达到NI 002的精度，同时它将被证明不仅能满足这些顶级精密测量作业，而且可以大大提高测量工作的效率并降低测量人员的工作难度和强度。

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