全站儀的工作原理

全站儀是一(yi)種集光(guang)(guang)、機、電為一(yi)體(ti)的新(xin)型(xing)測(ce)角儀器(qi)，與(yu)光(guang)(guang)學經緯(wei)儀比較電子經緯(wei)儀將光(guang)(guang)學度盤換為光(guang)(guang)電掃描度盤，將人工光(guang)(guang)學測(ce)微讀數(shu)代之以(yi)自動記錄(lu)和顯示(shi)讀數(shu)，使(shi)測(ce)角操(cao)作(zuo)簡單化，且可避(bi)免讀數(shu)誤差的產生(sheng)。電子經緯(wei)儀的自動記錄(lu)、儲(chu)存(cun)、計算功(gong)能(neng)，以(yi)及數(shu)據(ju)通訊(xun)功(gong)能(neng)，進一(yi)步提高了測(ce)量作(zuo)業的自動化程度。

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

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全站儀主要(yao)由測(ce)角(jiao)系統(tong)(tong)、測(ce)距(ju)系統(tong)(tong)、數據(ju)(ju)處(chu)(chu)理(li)系統(tong)(tong)及通(tong)訊(xun)接(jie)口、鍵盤(pan)、電(dian)源(yuan)等部分構(gou)成(cheng)，其中，測(ce)角(jiao)系統(tong)(tong)用(yong)于(yu)完成(cheng)測(ce)角(jiao)功(gong)能(neng)(neng)；測(ce)距(ju)系統(tong)(tong)用(yong)于(yu)完成(cheng)測(ce)距(ju)功(gong)能(neng)(neng)；數據(ju)(ju)處(chu)(chu)理(li)系統(tong)(tong)用(yong)于(yu)完成(cheng)對數據(ju)(ju)的自(zi)動記錄功(gong)能(neng)(neng)；通(tong)訊(xun)接(jie)口用(yong)于(yu)將內存(cun)與計(ji)算機(ji)連接(jie)起來，實現雙向信息傳輸；鍵盤(pan)用(yong)于(yu)在測(ce)量過程中輸入數據(ju)(ju)或操作指令(ling)；電(dian)源(yuan)用(yong)于(yu)給全站儀提供工作所需能(neng)(neng)量。除此之外，全站儀還可根據(ju)(ju)需要(yao)接(jie)入同(tong)軸(zhou)望遠(yuan)鏡、雙軸(zhou)自(zi)動補償系統(tong)(tong)等輔助設(she)施，以增(zeng)加其可完成(cheng)功(gong)能(neng)(neng)。

全站儀同(tong)(tong)軸化的(de)基本原理是：在望遠(yuan)物(wu)鏡(jing)與調(diao)(diao)焦透鏡(jing)間(jian)(jian)設(she)置分(fen)光(guang)(guang)(guang)棱鏡(jing)系(xi)統，通過(guo)該系(xi)統實現望遠(yuan)鏡(jing)的(de)多功(gong)能，即既可瞄準目標(biao)，使之成像(xiang)于十字絲分(fen)劃板(ban)，進行(xing)角度測(ce)(ce)量，同(tong)(tong)時其(qi)測(ce)(ce)距(ju)(ju)部分(fen)的(de)外(wai)光(guang)(guang)(guang)路系(xi)統又能使測(ce)(ce)距(ju)(ju)部分(fen)的(de)光(guang)(guang)(guang)敏二(er)(er)極管發射(she)的(de)調(diao)(diao)制(zhi)紅外(wai)光(guang)(guang)(guang)在經物(wu)鏡(jing)射(she)向反光(guang)(guang)(guang)棱鏡(jing)后。 經同(tong)(tong)一路徑反射(she)回來，再經分(fen)光(guang)(guang)(guang)棱鏡(jing)作用使回光(guang)(guang)(guang)被光(guang)(guang)(guang)電(dian)(dian)二(er)(er)極管接(jie)收(shou)，為測(ce)(ce)距(ju)(ju)需要在儀器內部另設(she)一內光(guang)(guang)(guang)路系(xi)統，通過(guo)分(fen)光(guang)(guang)(guang)棱鏡(jing)系(xi)統中的(de)光(guang)(guang)(guang)導纖維(wei)將由(you)光(guang)(guang)(guang)敏二(er)(er)極管發射(she)的(de)調(diao)(diao)制(zhi)紅外(wai)光(guang)(guang)(guang)傳(chuan)也送給光(guang)(guang)(guang)電(dian)(dian)二(er)(er)極管接(jie)收(shou)，進行(xing)而由(you)內、外(wai)光(guang)(guang)(guang)路調(diao)(diao)制(zhi)光(guang)(guang)(guang)的(de)相位差(cha)間(jian)(jian)接(jie)計算(suan)光(guang)(guang)(guang)的(de)傳(chuan)播時間(jian)(jian)，計算(suan)實測(ce)(ce)距(ju)(ju)離。

全站儀測量原理

它(ta)的基本測量原(yuan)理(li)是電(dian)子(zi)測距技術和電(dian)子(zi)測角技術。

1、電子測距技術

電子測(ce)(ce)(ce)距(ju)的(de)基本原(yuan)理是(shi)利(li)用(yong)電磁波在空氣中傳播的(de)速度為已知這(zhe)一特性(xing)，測(ce)(ce)(ce)定電磁波在被測(ce)(ce)(ce)距(ju)離(li)上往返傳播的(de)時間(jian)來求得(de)距(ju)離(li)值。但是(shi)，這(zhe)種直(zhi)接(jie)測(ce)(ce)(ce)距(ju)的(de)方法實現起來非常困難，當我們要求較高(gao)的(de)測(ce)(ce)(ce)量精(jing)度時，對測(ce)(ce)(ce)量時間(jian)的(de)要求很高(gao)，這(zhe)在實踐過程中是(shi)非常困難的(de)。因(yin)此，在實際(ji)的(de)測(ce)(ce)(ce)距(ju)過程中可以根據(ju)此原(yuan)理采取改進(jin)的(de)方法進(jin)行(xing)測(ce)(ce)(ce)距(ju)。在實際(ji)過程中主要用(yong)兩種方法，脈沖(chong)法和相(xiang)位法。

（1）脈沖法

測距使用的光源為激光器，它發射一束極窄的光脈沖射向目標，同時輸出一電脈沖信號，打開電子門讓標準頻率發生器產生的時標脈沖通過并對其進行計數。光脈沖被目標反射后回到發射器，同樣產生一電脈沖，關閉電子門終止時標脈沖通過。實踐表明(ming)，其測(ce)量精度(du)不低于相位法測(ce)距的精度(du)。

（2）相位法

相(xiang)(xiang)位法測(ce)距是(shi)測(ce)定由儀(yi)器連續發射的(de)(de)電(dian)磁波正弦(xian)信號在被(bei)測(ce)距離(li)上往(wang)返(fan)傳播所產生的(de)(de)相(xiang)(xiang)位差(cha)，根據相(xiang)(xiang)位差(cha)來得到距離(li)。

在所有的(de)全(quan)站儀測(ce)(ce)距部分標稱精(jing)度(du)指標的(de)表(biao)達(da)式中(zhong)，均(jun)使(shi)用±（A＋BD）的(de)形式。該精(jing)度(du)表(biao)達(da)式有A和BD組(zu)成，A代表(biao)固(gu)定(ding)誤(wu)(wu)差(cha)，單(dan)位為mm。固(gu)定(ding)誤(wu)(wu)差(cha)主要(yao)由儀器加常(chang)數的(de)測(ce)(ce)定(ding)誤(wu)(wu)差(cha)、對中(zhong)誤(wu)(wu)差(cha)、測(ce)(ce)相誤(wu)(wu)差(cha)等(deng)引起。固(gu)定(ding)誤(wu)(wu)差(cha)與測(ce)(ce)量(liang)的(de)距離無關，即不(bu)(bu)管實際測(ce)(ce)量(liang)的(de)距離多(duo)長，全(quan)站儀將存在不(bu)(bu)大于該值的(de)固(gu)定(ding)誤(wu)(wu)差(cha)。全(quan)站儀的(de)這一部分誤(wu)(wu)差(cha)一般在1-5mm之間。BD代表(biao)比例誤(wu)(wu)差(cha)，它主要(yao)由儀器頻率誤(wu)(wu)差(cha)，大氣折(zhe)射誤(wu)(wu)差(cha)引起。B的(de)單(dan)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，即構成全站儀測距精度。此外，在全站儀進行測距的過程中還需要加上氣象改正和乘常數(shu)。通(tong)過在測量(liang)作業(ye)現場的(de)溫度(du)T和氣(qi)(qi)壓PP以及濕度(du)H，按照一定的(de)氣(qi)(qi)象改(gai)正公式(shi)，求出(chu)氣(qi)(qi)象改(gai)正數(shu)ppm以及距離改(gai)正數(shu)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，它隨測量現場的溫度、氣壓變化而變化，不是一個固定值。在進行此項改正之后，全站儀尚存在另外一個相對固定的比例改正因子，習慣上把它叫做乘常數，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誤差，這種誤差是由于頻率偏移，折射率的偏移，發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，只是大小不同而已。一般大的由十幾個ppm，小的則有零點幾個ppm，甚至可以忽略(lve)不計。用戶可根據(ju)測量任務對精度的(de)要求，來(lai)決定加上這(zhe)項改正。

2、電子測角技術

電子測角，即角度測量的數字化，也就是自動數字顯示角度測量結果，其實質是用一套角碼轉換系統來代替傳統(tong)的光學(xue)讀數系統(tong)。目前(qian)，這(zhe)套轉換系統(tong)有兩類(lei)：一類(lei)是采(cai)用(yong)光柵度盤的所(suo)謂(wei)“增量法(fa)(fa)”測(ce)角；一類(lei)是采(cai)用(yong)編碼(ma)度盤的所(suo)謂(wei)“絕對法(fa)(fa)”測(ce)角。

（1）光柵度盤測角原理（增量法）

光(guang)(guang)(guang)(guang)柵(zha)(zha)就是(shi)(shi)(shi)具(ju)有刻制成許多(duo)寬度和間隔都相等(deng)的(de)(de)(de)直線條紋的(de)(de)(de)光(guang)(guang)(guang)(guang)學器件，即(ji)它是(shi)(shi)(shi)由許多(duo)等(deng)間隔的(de)(de)(de)透(tou)(tou)光(guang)(guang)(guang)(guang)的(de)(de)(de)縫隙(xi)和不透(tou)(tou)光(guang)(guang)(guang)(guang)的(de)(de)(de)刻畫線所組成。光(guang)(guang)(guang)(guang)通過光(guang)(guang)(guang)(guang)柵(zha)(zha)時會(hui)產(chan)生光(guang)(guang)(guang)(guang)的(de)(de)(de)衍射(she)效應。用(yong)于透(tou)(tou)射(she)衍射(she)的(de)(de)(de)光(guang)(guang)(guang)(guang)柵(zha)(zha)稱(cheng)為(wei)透(tou)(tou)射(she)光(guang)(guang)(guang)(guang)柵(zha)(zha)，用(yong)于反射(she)光(guang)(guang)(guang)(guang)衍射(she)的(de)(de)(de)光(guang)(guang)(guang)(guang)柵(zha)(zha)稱(cheng)為(wei)反射(she)光(guang)(guang)(guang)(guang)柵(zha)(zha)。光(guang)(guang)(guang)(guang)柵(zha)(zha)有兩個基本參數，一是(shi)(shi)(shi)毫(hao)米長度范圍內的(de)(de)(de)條紋數，稱(cheng)為(wei)條紋密度；二是(shi)(shi)(shi)相鄰條紋之間的(de)(de)(de)距離，稱(cheng)為(wei)間距。

根據測(ce)量對(dui)象(xiang)不(bu)同，有長度(du)測(ce)量用的(de)光柵(zha)刻在一直(zhi)尺上稱為直(zhi)線光柵(zha)。另一種是用于角度(du)測(ce)量的(de)光柵(zha)，是在度(du)盤徑向按(an)等角距離刻制的(de)輻(fu)射(she)狀的(de)徑向光柵(zha)。

（2）編碼度盤測角原理（絕對法）

編(bian)碼(ma)(ma)度(du)(du)(du)盤(pan)類似于普通光(guang)學度(du)(du)(du)盤(pan)的(de)(de)玻璃碼(ma)(ma)盤(pan)，在此平面上(shang)分(fen)(fen)(fen)著若干寬度(du)(du)(du)相同的(de)(de)同心圓(yuan)環(huan)(huan)，而(er)每一(yi)圓(yuan)環(huan)(huan)又被刻制成若干等長的(de)(de)透(tou)光(guang)和(he)不(bu)透(tou)光(guang)區(qu)，這(zhe)(zhe)種圓(yuan)環(huan)(huan)稱為(wei)編(bian)碼(ma)(ma)度(du)(du)(du)盤(pan)的(de)(de)“碼(ma)(ma)道”。每條(tiao)碼(ma)(ma)道代表(biao)一(yi)個(ge)二(er)進(jin)制的(de)(de)數(shu)(shu)位，有里(li)到外，位數(shu)(shu)由(you)高(gao)到低。在碼(ma)(ma)道數(shu)(shu)目一(yi)定的(de)(de)條(tiao)件下，整個(ge)編(bian)碼(ma)(ma)盤(pan)可以分(fen)(fen)(fen)成數(shu)(shu)目一(yi)定，面積相等的(de)(de)扇(shan)形區(qu)，稱為(wei)編(bian)碼(ma)(ma)盤(pan)碼(ma)(ma)區(qu)。處于同一(yi)碼(ma)(ma)區(qu)內的(de)(de)各碼(ma)(ma)道的(de)(de)透(tou)光(guang)區(qu)與不(bu)透(tou)光(guang)區(qu)的(de)(de)排列，構(gou)成編(bian)碼(ma)(ma)盤(pan)的(de)(de)一(yi)個(ge)編(bian)碼(ma)(ma)，這(zhe)(zhe)一(yi)碼(ma)(ma)區(qu)所顯示的(de)(de)角度(du)(du)(du)范圍，稱為(wei)編(bian)碼(ma)(ma)度(du)(du)(du)盤(pan)的(de)(de)角度(du)(du)(du)分(fen)(fen)(fen)辨率。

為了讀取各碼區的編碼數，需要編碼度盤的碼道一測設置光源，而在對應的碼盤另一側設置光電探測器，每一檢測器對應一個光源。碼盤上的發光二極管和碼盤下的光敏二極管組成測角的讀定標志，把碼盤的透光和不透光，由光電二極管轉換成電信號，以透光表示“1”，不透光表示(shi)“0”，這樣碼盤(pan)(pan)上每一(yi)(yi)格就對應一(yi)(yi)個二進(jin)制數(shu)(shu)，經過譯碼即成十進(jin)制數(shu)(shu)，從而能顯示一(yi)(yi)個度盤(pan)(pan)上讀(du)出的方(fang)(fang)位或角度數(shu)(shu)值。因此(ci)，編碼度盤(pan)(pan)的測角方(fang)(fang)式為絕對法(fa)測角。