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(cè)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(pán)換為光電掃描度盤(pán)，將人工光學(xué)測(cè)微讀數(shù)代之以自動(dòng)記錄和顯示讀數(shù)，使測(cè)角操作簡(jiǎn)單化，且可避免讀數(shù)誤差的產(chǎn)生。電子經(jīng)緯儀的自動(dòng)記錄、儲(chǔ)存、計(jì)算功能，以及數(shù)據(jù)通訊功能，進(jìn)一步提高了測(cè)量作業(yè)的自動(dòng)化程度。

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

全站儀主要由測(cè)角系統(tǒng)、測(cè)距系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)及通訊接口、鍵盤(pán)、電源等部分構(gòu)成，其中，測(cè)角系統(tǒng)用于完成測(cè)角功能；測(cè)距系統(tǒng)用于完成測(cè)距功能；數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)用于完成對(duì)數(shù)據(jù)的自動(dòng)記錄功能；通訊接口用于將內(nèi)存與計(jì)算機(jī)連接起來(lái)，實(shí)現(xiàn)雙向信息傳輸；鍵盤(pán)用于在測(cè)量過(guò)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(dòng)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(guò)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(cè)量，同時(shí)其測(cè)距部分的外光路系統(tǒng)又能使測(cè)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(lái)，再經(jīng)分光棱鏡作用使回光被光電二極管接收，為測(cè)距需要在儀器內(nèi)部另設(shè)一內(nèi)光路系統(tǒng)，通過(guò)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(cè)距離。

全站儀測(cè)量原理

它的基本測(cè)量原理是電子測(cè)距技術(shù)和電子測(cè)角技術(shù)。

1、電子測(cè)距技術(shù)

電子測(cè)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(cè)定電磁波在被測(cè)距離上往返傳播的時(shí)間來(lái)求得距離值。但是，這種直接測(cè)距的方法實(shí)現(xiàn)起來(lái)非常困難，當(dāng)我們要求較高的測(cè)量精度時(shí)，對(duì)測(cè)量時(shí)間的要求很高，這在實(shí)踐過(guò)程中是非常困難的。因此，在實(shí)際的測(cè)距過(guò)程中可以根據(jù)此原理采取改進(jìn)的方法進(jìn)行測(cè)距。在實(shí)際過(guò)程中主要用兩種方法，脈沖法和相位法。

（1）脈沖法

測(cè)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(hào)，打開(kāi)電子門(mén)讓標(biāo)準(zhǔn)頻率發(fā)生器產(chǎn)生的時(shí)標(biāo)脈沖通過(guò)并對(duì)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(mén)終止時(shí)標(biāo)脈沖通過(guò)。實(shí)踐表明，其測(cè)量精度不低于相位法測(cè)距的精度。

（2）相位法

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

在所有的全站儀測(cè)距部分標(biāo)稱(chēng)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(cè)定誤差、對(duì)中誤差、測(cè)相誤差等引起。固定誤差與測(cè)量的距離無(wú)關(guān)，即不管實(shí)際測(cè)量的距離多長(zhǎng)，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(huì)確定。固定誤差與比例誤差絕對(duì)值之和，在冠以偶然誤差±號(hào)，即構(gòu)成全站儀測(cè)距精度。此外，在全站儀進(jìn)行測(cè)距的過(guò)程中還需要加上氣象改正和乘常數(shù)。通過(guò)在測(cè)量作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)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(cè)量現(xiàn)場(chǎng)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(duì)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(tái)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(hù)可根據(jù)測(cè)量任務(wù)對(duì)精度的要求，來(lái)決定加上這項(xiàng)改正。

2、電子測(cè)角技術(shù)

電子測(cè)角，即角度測(cè)量的數(shù)字化，也就是自動(dòng)數(shù)字顯示角度測(cè)量結(jié)果，其實(shí)質(zhì)是用一套角碼轉(zhuǎn)換系統(tǒng)來(lái)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(lèi)：一類(lèi)是采用光柵度盤(pán)的所謂“增量法”測(cè)角；一類(lèi)是采用編碼度盤(pán)的所謂“絕對(duì)法”測(cè)角。

（1）光柵度盤(pán)測(cè)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(xiàn)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(huà)線(xiàn)所組成。光通過(guò)光柵時(shí)會(huì)產(chǎn)生光的衍射效應(yīng)。用于透射衍射的光柵稱(chēng)為透射光柵，用于反射光衍射的光柵稱(chēng)為反射光柵。光柵有兩個(gè)基本參數(shù)，一是毫米長(zhǎng)度范圍內(nèi)的條紋數(shù)，稱(chēng)為條紋密度；二是相鄰條紋之間的距離，稱(chēng)為間距。

根據(jù)測(cè)量對(duì)象不同，有長(zhǎng)度測(cè)量用的光柵刻在一直尺上稱(chēng)為直線(xiàn)光柵。另一種是用于角度測(cè)量的光柵，是在度盤(pán)徑向按等角距離刻制的輻射狀的徑向光柵。

（2）編碼度盤(pán)測(cè)角原理（絕對(duì)法）

編碼度盤(pán)類(lèi)似于普通光學(xué)度盤(pán)的玻璃碼盤(pán)，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(zhǎng)的透光和不透光區(qū)，這種圓環(huán)稱(chēng)為編碼度盤(pán)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(pán)可以分成數(shù)目一定，面積相等的扇形區(qū)，稱(chēng)為編碼盤(pán)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(pán)的一個(gè)編碼，這一碼區(qū)所顯示的角度范圍，稱(chēng)為編碼度盤(pán)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(pán)的碼道一測(cè)設(shè)置光源，而在對(duì)應(yīng)的碼盤(pán)另一側(cè)設(shè)置光電探測(cè)器，每一檢測(cè)器對(duì)應(yīng)一個(gè)光源。碼盤(pán)上的發(fā)光二極管和碼盤(pán)下的光敏二極管組成測(cè)角的讀定標(biāo)志，把碼盤(pán)的透光和不透光，由光電二極管轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，以透光表示“1”，不透光表示“0”，這樣碼盤(pán)上每一格就對(duì)應(yīng)一個(gè)二進(jìn)制數(shù)，經(jīng)過(guò)譯碼即成十進(jìn)制數(shù)，從而能顯示一個(gè)度盤(pán)上讀出的方位或角度數(shù)值。因此，編碼度盤(pán)的測(cè)角方式為絕對(duì)法測(cè)角。

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