電子水準儀又稱數(shù)字水準儀，它是在自動安平水準儀的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。它采用條碼標尺，各廠家標尺編碼的條碼圖案不相同，不能互換使用。
目前照準標尺和調(diào)焦仍需目視進行。人工完成照準和調(diào)焦之后，標尺條碼一方面被成象在望遠鏡分化板上，供目視觀測，另一方面通過望遠鏡的分光鏡，標尺條碼又被成象在光電傳感器（又稱探測器）上，即線陣CCD器件上，供電子讀數(shù)。因此，如果使用傳統(tǒng)水準標尺，電子水準儀又可以象普通自動安平水準儀一樣使用。不過這時的測量精度低于電子測量的精度。特別是精密電子水準儀，由于沒有光學測微器，當成普通自動安平水準儀使用時，其精度更低。
當前電子水準儀采用了原理上相差較大的三種自動電子讀數(shù)方法：
- 相關(guān)法（徠卡NA3002/3003）
- 幾何法（蔡司DiNi10/20）
- 相位法（拓普康DL101C/102C）
相位法原理：
拓普康電子水準儀DL101C/102C采用相位法。標尺的條碼象經(jīng)望遠鏡、調(diào)焦鏡、補償器的光學零件和分光鏡后，分成兩路，一路成象在CCD線陣上，用于進行光電轉(zhuǎn)換，另一路成象在分劃板上，供目視觀測。DL101標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，每兩條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，每隔30mm就有一組R碼條重復出現(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測量時的高度信息。儀器設(shè)計時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，這樣在標尺長度方向上就形成了亮暗強度按正弦規(guī)律周期變化的亮度波。條碼的下面畫出了波形?？v坐標表示黑條碼的寬度，橫坐標市標尺的長度。實線為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A和B亮度波的波長不同，在標尺長度方向上的每一位置上兩亮度波的相位差也不同。這種相位差就好象傳統(tǒng)水準標尺上的分劃，它可由標出標尺的長度。只要3能測出標尺底部某處的相位差，也就可由知道該處到標尺底部的高度，因為相位差可以作到和標尺長度一一對應，即具有單值性。這就是適當選則兩亮度波的波長，在DL101中A碼的周期為600mm，B碼的周期為570mm，它們的最小公倍數(shù)為11400mm，因此在3m長的標尺上不會有相同的相位差。為了確保標尺底端面，或說相位差分劃的端點相位差具有性，A和B碼的相位在此錯過了π/2。
DL－102C的標尺與DL－101C的略有區(qū)別，DL－102C的標尺為白底黑條碼，A碼的波長為330mm，最小公倍數(shù)為3300mm。A和B碼在波長底部錯開的相位差為π。DL101－C的標尺與DL－102C的標尺可由互換使用。
當望遠鏡照準標尺后，標尺上某一段的條碼就成象在線陣CCD上，黃條碼使CCD產(chǎn)生光電流，隨條碼寬窄的改變，光電流強度也變化。將它進行模數(shù)轉(zhuǎn)換(A/D)后，得到不同的灰度值。視距在Δ0.6m時標尺上某小段成象到CCDA上經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后，得到的不同灰度值(縱坐標)，橫坐標是CCD上象素的序號，當灰度值逐一輸出時，橫軸就代表時間了。橫坐標標記的數(shù)字判斷，儀器采用了512個象素的線陣CCD。視距和視線高的信息的測量信號。
如何從上述測量信號中求出A和B兩亮度波的相位差呢？
下文用測量人員容易理解的方式來說明。設(shè)想縱坐標的灰度值就是表示亮度大小的十進位數(shù)字，而且橫坐標尺寸已放大到和標尺尺寸一致。我們用一波長為600mm的正弦曲線中的離散灰度值曲線擬合，就可由得到A波的振幅和初相位。再用波長為570mm的正弦曲線，就可由得到B波的振幅和初相位。我們對振幅不太感興趣，因為隨著標尺上的照度不同，振幅在不同次數(shù)的測量中也不同，對我們求視線高無關(guān)緊要。我們求出的A和B兩亮度波的初相位之差就是高度數(shù)據(jù)。不過這是與CCD上個象素對應的位置到標尺底端面的高度。我們不難把它換算成CCD中點象素上的相位差，這就好象是中絲讀數(shù)。
像上述那樣人工處理測量信號是很麻煩的，而且很費時間。在DL系列中則采用快速傅里葉變換(FFT)計算方法將測量信號在信號分析器中分解成三個頻率分量。由A和B兩信號的相位求相位差，即得到視線高讀數(shù)。這只是初讀數(shù)。因為視距不同時，標尺上的波長與測量信號波長的比例不同。雖然在同一視距上A和B的波長相同，可由求出相位差，或說視線高，但是可以想象其精度并不高。
R碼是為了提高讀數(shù)精度和求視距二安排的。設(shè)兩組R碼的間距為P(=30mm)，它在CCD行陣上成象所占的象素個數(shù)為Z,象素寬為D(=25μm)，則P在CCD行陣上的成象長度為：
L=Z*b (1－5)
Z可由一信號分析中得出，b是CCD光敏窗口的寬度，因此l和P都為已知數(shù)據(jù)。根據(jù)幾何光學成象原理，可以象傳統(tǒng)儀器用視距絲測量距離的視距測量原理一樣求出視距：
D=P/l*f (1－6)
式中f是望遠鏡物鏡的焦距。同時還可以求出物象比
A=P/l (1－7)
于是將測量信號放大到與標尺上的一樣時，再進行相位測量，就可以精確得出相位差，即視線高。
電子水準儀的三種測量原理各有奧妙，三類儀器都經(jīng)受了各種檢驗和實際測量的考驗，能勝任精密水準測量作業(yè)。
信息標題：電子水準儀原理
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