全站儀的工作原理

全站儀是一種集光、機(jī)、電為一體的新型測角儀器，與光學(xué)經(jīng)緯儀比較電子經(jīng)緯儀將光學(xué)度盤換為光電掃描度盤，將人工光學(xué)測微讀數(shù)代之以自動記錄和顯示讀數(shù)，使測角操作簡單化，且可避免讀數(shù)誤差的產(chǎn)生。電子經(jīng)緯儀的自動記錄、儲存、計(jì)算功能，以及數(shù)據(jù)通訊功能，進(jìn)一步提高了測量作業(yè)的自動化程度。

全站儀與光學(xué)經(jīng)緯儀區(qū)別在于度盤讀數(shù)及顯示系統(tǒng)，電子經(jīng)緯儀的水平度盤和豎直度盤及其讀數(shù)裝置是分別采用兩個(gè)相同的光柵度盤（或編碼盤）和讀數(shù)傳感器進(jìn)行角度測量的。根據(jù)測角精度可分為0.5″、1″、2″、3″、5″、10″等幾個(gè)等級。

全站儀主要由測角系統(tǒng)、測距系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)及通訊接口、鍵盤、電源等部分構(gòu)成，其中，測角系統(tǒng)用于完成測角功能；測距系統(tǒng)用于完成測距功能；數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)用于完成對數(shù)據(jù)的自動記錄功能；通訊接口用于將內(nèi)存與計(jì)算機(jī)連接起來，實(shí)現(xiàn)雙向信息傳輸；鍵盤用于在測量過程中輸入數(shù)據(jù)或操作指令；電源用于給全站儀提供工作所需能量。除此之外，全站儀還可根據(jù)需要接入同軸望遠(yuǎn)鏡、雙軸自動補(bǔ)償系統(tǒng)等輔助設(shè)施，以增加其可完成功能。

全站儀同軸化的基本原理是：在望遠(yuǎn)物鏡與調(diào)焦透鏡間設(shè)置分光棱鏡系統(tǒng)，通過該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)望遠(yuǎn)鏡的多功能，即既可瞄準(zhǔn)目標(biāo)，使之成像于十字絲分劃板，進(jìn)行角度測量，同時(shí)其測距部分的外光路系統(tǒng)又能使測距部分的光敏二極管發(fā)射的調(diào)制紅外光在經(jīng)物鏡射向反光棱鏡后。 經(jīng)同一路徑反射回來，再經(jīng)分光棱鏡作用使回光被光電二極管接收，為測距需要在儀器內(nèi)部另設(shè)一內(nèi)光路系統(tǒng)，通過分光棱鏡系統(tǒng)中的光導(dǎo)纖維將由光敏二極管發(fā)射的調(diào)制紅外光傳也送給光電二極管接收，進(jìn)行而由內(nèi)、外光路調(diào)制光的相位差間接計(jì)算光的傳播時(shí)間，計(jì)算實(shí)測距離。

全站儀測量原理

它的基本測量原理是電子測距技術(shù)和電子測角技術(shù)。

1、電子測距技術(shù)

電子測距的基本原理是利用電磁波在空氣中傳播的速度為已知這一特性，測定電磁波在被測距離上往返傳播的時(shí)間來求得距離值。但是，這種直接測距的方法實(shí)現(xiàn)起來非常困難，當(dāng)我們要求較高的測量精度時(shí)，對測量時(shí)間的要求很高，這在實(shí)踐過程中是非常困難的。因此，在實(shí)際的測距過程中可以根據(jù)此原理采取改進(jìn)的方法進(jìn)行測距。在實(shí)際過程中主要用兩種方法，脈沖法和相位法。

（1）脈沖法

測距使用的光源為激光器，它發(fā)射一束極窄的光脈沖射向目標(biāo)，同時(shí)輸出一電脈沖信號，打開電子門讓標(biāo)準(zhǔn)頻率發(fā)生器產(chǎn)生的時(shí)標(biāo)脈沖通過并對其進(jìn)行計(jì)數(shù)。光脈沖被目標(biāo)反射后回到發(fā)射器，同樣產(chǎn)生一電脈沖，關(guān)閉電子門終止時(shí)標(biāo)脈沖通過。實(shí)踐表明，其測量精度不低于相位法測距的精度。

（2）相位法

相位法測距是測定由儀器連續(xù)發(fā)射的電磁波正弦信號在被測距離上往返傳播所產(chǎn)生的相位差，根據(jù)相位差來得到距離。

在所有的全站儀測距部分標(biāo)稱精度指標(biāo)的表達(dá)式中，均使用±（A＋BD）的形式。該精度表達(dá)式有A和BD組成，A代表固定誤差，單位為mm。固定誤差主要由儀器加常數(shù)的測定誤差、對中誤差、測相誤差等引起。固定誤差與測量的距離無關(guān)，即不管實(shí)際測量的距離多長，全站儀將存在不大于該值的固定誤差。全站儀的這一部分誤差一般在1-5mm之間。BD代表比例誤差，它主要由儀器頻率誤差，大氣折射誤差引起。B的單位為

ppm B和D的乘積形成比例誤差。一旦距離確定，則比例誤差部分就會確定。固定誤差與比例誤差絕對值之和，在冠以偶然誤差±號，即構(gòu)成全站儀測距精度。此外，在全站儀進(jìn)行測距的過程中還需要加上氣象改正和乘常數(shù)。通過在測量作業(yè)現(xiàn)場的溫度T和氣壓PP以及濕度H，按照一定的氣象改正公式，求出氣象改正數(shù)ppm以及距離改正數(shù)ΔD。

不同的廠家的全站儀，其氣象改正公式也不同。氣象改正ppm是一種比例改正因子，它隨測量現(xiàn)場的溫度、氣壓變化而變化，不是一個(gè)固定值。在進(jìn)行此項(xiàng)改正之后，全站儀尚存在另外一個(gè)相對固定的比例改正因子，習(xí)慣上把它叫做乘常數(shù)，其單位同樣是ppm。它的作用是用于改正與距離成比例的系統(tǒng)誤差，這種誤差是由于頻率偏移，折射率的偏移，發(fā)光管相位不均勻性等原因所引起的。每臺儀器均存在著乘常數(shù)，只是大小不同而已。一般大的由十幾個(gè)ppm，小的則有零點(diǎn)幾個(gè)ppm，甚至可以忽略不計(jì)。用戶可根據(jù)測量任務(wù)對精度的要求，來決定加上這項(xiàng)改正。

2、電子測角技術(shù)

電子測角，即角度測量的數(shù)字化，也就是自動數(shù)字顯示角度測量結(jié)果，其實(shí)質(zhì)是用一套角碼轉(zhuǎn)換系統(tǒng)來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的光學(xué)讀數(shù)系統(tǒng)。目前，這套轉(zhuǎn)換系統(tǒng)有兩類：一類是采用光柵度盤的所謂“增量法”測角；一類是采用編碼度盤的所謂“絕對法”測角。

（1）光柵度盤測角原理（增量法）

光柵就是具有刻制成許多寬度和間隔都相等的直線條紋的光學(xué)器件，即它是由許多等間隔的透光的縫隙和不透光的刻畫線所組成。光通過光柵時(shí)會產(chǎn)生光的衍射效應(yīng)。用于透射衍射的光柵稱為透射光柵，用于反射光衍射的光柵稱為反射光柵。光柵有兩個(gè)基本參數(shù)，一是毫米長度范圍內(nèi)的條紋數(shù)，稱為條紋密度；二是相鄰條紋之間的距離，稱為間距。

根據(jù)測量對象不同，有長度測量用的光柵刻在一直尺上稱為直線光柵。另一種是用于角度測量的光柵，是在度盤徑向按等角距離刻制的輻射狀的徑向光柵。

（2）編碼度盤測角原理（絕對法）

編碼度盤類似于普通光學(xué)度盤的玻璃碼盤，在此平面上分著若干寬度相同的同心圓環(huán)，而每一圓環(huán)又被刻制成若干等長的透光和不透光區(qū)，這種圓環(huán)稱為編碼度盤的“碼道”。每條碼道代表一個(gè)二進(jìn)制的數(shù)位，有里到外，位數(shù)由高到低。在碼道數(shù)目一定的條件下，整個(gè)編碼盤可以分成數(shù)目一定，面積相等的扇形區(qū)，稱為編碼盤碼區(qū)。處于同一碼區(qū)內(nèi)的各碼道的透光區(qū)與不透光區(qū)的排列，構(gòu)成編碼盤的一個(gè)編碼，這一碼區(qū)所顯示的角度范圍，稱為編碼度盤的角度分辨率。

為了讀取各碼區(qū)的編碼數(shù)，需要編碼度盤的碼道一測設(shè)置光源，而在對應(yīng)的碼盤另一側(cè)設(shè)置光電探測器，每一檢測器對應(yīng)一個(gè)光源。碼盤上的發(fā)光二極管和碼盤下的光敏二極管組成測角的讀定標(biāo)志，把碼盤的透光和不透光，由光電二極管轉(zhuǎn)換成電信號，以透光表示“1”，不透光表示“0”，這樣碼盤上每一格就對應(yīng)一個(gè)二進(jìn)制數(shù)，經(jīng)過譯碼即成十進(jìn)制數(shù)，從而能顯示一個(gè)度盤上讀出的方位或角度數(shù)值。因此，編碼度盤的測角方式為絕對法測角。

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