全站儀的工作原理

全站儀是一種集光(guang)、機、電為一體的新(xin)型測角(jiao)儀(yi)器(qi)，與(yu)光(guang)學(xue)經(jing)緯(wei)(wei)儀(yi)比較電子經(jing)緯(wei)(wei)儀(yi)將光(guang)學(xue)度盤(pan)換為光(guang)電掃(sao)描度盤(pan)，將人工光(guang)學(xue)測微讀(du)數代之以(yi)自動(dong)記錄(lu)和(he)顯示讀(du)數，使測角(jiao)操(cao)作(zuo)簡單(dan)化，且(qie)可避(bi)免讀(du)數誤差的產生。電子經(jing)緯(wei)(wei)儀(yi)的自動(dong)記錄(lu)、儲存、計(ji)算功(gong)能，以(yi)及(ji)數據通(tong)訊功(gong)能，進(jin)一步提高了測量作(zuo)業(ye)的自動(dong)化程(cheng)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″等幾個等級。

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全站(zhan)儀主要由(you)測角(jiao)(jiao)系(xi)統(tong)(tong)、測距(ju)系(xi)統(tong)(tong)、數(shu)據(ju)處理(li)系(xi)統(tong)(tong)及通訊(xun)接(jie)口、鍵盤、電(dian)源等(deng)部(bu)分構成，其(qi)中，測角(jiao)(jiao)系(xi)統(tong)(tong)用于完(wan)成測角(jiao)(jiao)功能(neng)；測距(ju)系(xi)統(tong)(tong)用于完(wan)成測距(ju)功能(neng)；數(shu)據(ju)處理(li)系(xi)統(tong)(tong)用于完(wan)成對數(shu)據(ju)的自(zi)動(dong)記錄功能(neng)；通訊(xun)接(jie)口用于將內存與計算機連接(jie)起來，實現雙(shuang)向信(xin)息傳輸；鍵盤用于在(zai)測量過(guo)程中輸入(ru)數(shu)據(ju)或(huo)操(cao)作指(zhi)令(ling)；電(dian)源用于給全站(zhan)儀提供工作所(suo)需(xu)能(neng)量。除(chu)此之外，全站(zhan)儀還(huan)可根據(ju)需(xu)要接(jie)入(ru)同(tong)軸望遠鏡、雙(shuang)軸自(zi)動(dong)補(bu)償系(xi)統(tong)(tong)等(deng)輔(fu)助(zhu)設(she)施(shi)，以增加其(qi)可完(wan)成功能(neng)。

全站(zhan)儀(yi)同(tong)軸化的(de)(de)(de)(de)基本原理是：在望遠(yuan)物鏡(jing)(jing)與調(diao)(diao)焦透鏡(jing)(jing)間(jian)設置分(fen)(fen)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)棱鏡(jing)(jing)系(xi)統(tong)(tong)，通過該系(xi)統(tong)(tong)實(shi)(shi)現望遠(yuan)鏡(jing)(jing)的(de)(de)(de)(de)多功能，即既可瞄(miao)準目標(biao)，使之成像于十字絲分(fen)(fen)劃(hua)板(ban)，進行角度測量，同(tong)時其測距部(bu)(bu)分(fen)(fen)的(de)(de)(de)(de)外光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)路系(xi)統(tong)(tong)又能使測距部(bu)(bu)分(fen)(fen)的(de)(de)(de)(de)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)敏二(er)(er)極管(guan)(guan)發(fa)射(she)的(de)(de)(de)(de)調(diao)(diao)制(zhi)紅外光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)在經(jing)物鏡(jing)(jing)射(she)向反光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)棱鏡(jing)(jing)后。 經(jing)同(tong)一路徑(jing)反射(she)回(hui)來，再經(jing)分(fen)(fen)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)棱鏡(jing)(jing)作用使回(hui)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)被光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)電二(er)(er)極管(guan)(guan)接(jie)收，為測距需要在儀(yi)器(qi)內部(bu)(bu)另(ling)設一內光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)路系(xi)統(tong)(tong)，通過分(fen)(fen)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)棱鏡(jing)(jing)系(xi)統(tong)(tong)中的(de)(de)(de)(de)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)導纖維將(jiang)由(you)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)敏二(er)(er)極管(guan)(guan)發(fa)射(she)的(de)(de)(de)(de)調(diao)(diao)制(zhi)紅外光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)傳(chuan)也送給光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)電二(er)(er)極管(guan)(guan)接(jie)收，進行而(er)由(you)內、外光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)路調(diao)(diao)制(zhi)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)的(de)(de)(de)(de)相位差間(jian)接(jie)計算光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)的(de)(de)(de)(de)傳(chuan)播時間(jian)，計算實(shi)(shi)測距離。

全站儀測量原理

它(ta)的基本測量(liang)原理是電(dian)子測距(ju)技(ji)術和電(dian)子測角(jiao)技(ji)術。

1、電子測距技術

電子測(ce)距(ju)的(de)(de)基本原(yuan)理是(shi)利用(yong)電磁(ci)(ci)波(bo)在空氣中(zhong)傳播的(de)(de)速度(du)為已(yi)知這一特性，測(ce)定電磁(ci)(ci)波(bo)在被測(ce)距(ju)離上往返傳播的(de)(de)時(shi)間來求(qiu)得距(ju)離值。但是(shi)，這種直接測(ce)距(ju)的(de)(de)方法(fa)實(shi)現起(qi)來非常困難(nan)，當我們要(yao)求(qiu)較(jiao)高的(de)(de)測(ce)量精(jing)度(du)時(shi)，對測(ce)量時(shi)間的(de)(de)要(yao)求(qiu)很(hen)高，這在實(shi)踐過(guo)(guo)程(cheng)(cheng)中(zhong)是(shi)非常困難(nan)的(de)(de)。因此，在實(shi)際(ji)的(de)(de)測(ce)距(ju)過(guo)(guo)程(cheng)(cheng)中(zhong)可以根據(ju)此原(yuan)理采(cai)取改進的(de)(de)方法(fa)進行測(ce)距(ju)。在實(shi)際(ji)過(guo)(guo)程(cheng)(cheng)中(zhong)主要(yao)用(yong)兩種方法(fa)，脈沖法(fa)和(he)相位法(fa)。

（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，其測量精(jing)度不低于相位(wei)法測距的精(jing)度。

（2）相位法

相(xiang)位(wei)法測距是(shi)測定由(you)儀器連續發射的(de)電磁(ci)波正弦信號在被測距離上往(wang)返傳播所(suo)產生的(de)相(xiang)位(wei)差(cha)(cha)，根據相(xiang)位(wei)差(cha)(cha)來(lai)得(de)到距離。

在(zai)(zai)所(suo)有的(de)(de)全站(zhan)儀測距部分標稱(cheng)精度指標的(de)(de)表(biao)達(da)式中(zhong)，均使用(yong)±（A＋BD）的(de)(de)形式。該精度表(biao)達(da)式有A和BD組成，A代表(biao)固(gu)定(ding)(ding)(ding)誤(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)差(cha)(cha)(cha)，單位(wei)為(wei)mm。固(gu)定(ding)(ding)(ding)誤(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)差(cha)(cha)(cha)主要(yao)由儀器加常數的(de)(de)測定(ding)(ding)(ding)誤(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)差(cha)(cha)(cha)、對中(zhong)誤(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)差(cha)(cha)(cha)、測相誤(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)差(cha)(cha)(cha)等引(yin)起。固(gu)定(ding)(ding)(ding)誤(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)差(cha)(cha)(cha)與測量(liang)的(de)(de)距離無關(guan)，即(ji)不管實(shi)際測量(liang)的(de)(de)距離多長，全站(zhan)儀將存在(zai)(zai)不大(da)于該值的(de)(de)固(gu)定(ding)(ding)(ding)誤(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)差(cha)(cha)(cha)。全站(zhan)儀的(de)(de)這(zhe)一部分誤(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)差(cha)(cha)(cha)一般在(zai)(zai)1-5mm之間。BD代表(biao)比例(li)誤(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)差(cha)(cha)(cha)，它主要(yao)由儀器頻率誤(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)差(cha)(cha)(cha)，大(da)氣折(zhe)射(she)誤(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)差(cha)(cha)(cha)引(yin)起。B的(de)(de)單位(wei)為(wei)

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。通過(guo)在測(ce)量作(zuo)業(ye)現場的溫(wen)度(du)T和氣(qi)壓PP以(yi)及(ji)濕度(du)H，按照一(yi)定的氣(qi)象改(gai)(gai)正公(gong)式，求出(chu)氣(qi)象改(gai)(gai)正數ppm以(yi)及(ji)距離改(gai)(gai)正數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(yi)忽略不(bu)計。用戶可根據測(ce)量任(ren)務對(dui)精(jing)度的(de)要求(qiu)，來決(jue)定加上這項改正。

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(ti)傳統的光學讀數系(xi)統。目前，這套轉換系(xi)統有兩(liang)類：一類是采用(yong)光柵度盤(pan)的所(suo)謂“增量法(fa)”測(ce)角；一類是采用(yong)編(bian)碼度盤(pan)的所(suo)謂“絕對法(fa)”測(ce)角。

（1）光柵度盤測角原理（增量法）

光(guang)柵(zha)就是(shi)具有刻(ke)(ke)制成(cheng)許多(duo)寬度(du)和間(jian)隔(ge)(ge)都相等的(de)(de)(de)(de)直線(xian)條紋(wen)(wen)(wen)的(de)(de)(de)(de)光(guang)學器件，即它是(shi)由許多(duo)等間(jian)隔(ge)(ge)的(de)(de)(de)(de)透光(guang)的(de)(de)(de)(de)縫(feng)隙和不(bu)透光(guang)的(de)(de)(de)(de)刻(ke)(ke)畫(hua)線(xian)所組成(cheng)。光(guang)通過光(guang)柵(zha)時會產生光(guang)的(de)(de)(de)(de)衍射效應。用(yong)于透射衍射的(de)(de)(de)(de)光(guang)柵(zha)稱(cheng)為(wei)透射光(guang)柵(zha)，用(yong)于反射光(guang)衍射的(de)(de)(de)(de)光(guang)柵(zha)稱(cheng)為(wei)反射光(guang)柵(zha)。光(guang)柵(zha)有兩(liang)個基本參數，一是(shi)毫(hao)米長度(du)范圍內(nei)的(de)(de)(de)(de)條紋(wen)(wen)(wen)數，稱(cheng)為(wei)條紋(wen)(wen)(wen)密度(du)；二(er)是(shi)相鄰條紋(wen)(wen)(wen)之(zhi)間(jian)的(de)(de)(de)(de)距離，稱(cheng)為(wei)間(jian)距。

根(gen)據測量(liang)對(dui)象(xiang)不同(tong)，有長度測量(liang)用的光(guang)柵(zha)刻在(zai)一直尺上稱為直線光(guang)柵(zha)。另一種是用于角度測量(liang)的光(guang)柵(zha)，是在(zai)度盤徑(jing)向按等角距(ju)離(li)刻制的輻射狀的徑(jing)向光(guang)柵(zha)。

（2）編碼度盤測角原理（絕對法）

編(bian)碼(ma)(ma)度(du)(du)盤類似(si)于普通(tong)光學度(du)(du)盤的(de)(de)(de)(de)(de)玻璃(li)碼(ma)(ma)盤，在(zai)此平面(mian)上分(fen)著若干寬度(du)(du)相(xiang)同的(de)(de)(de)(de)(de)同心(xin)圓環(huan)(huan)，而每(mei)一(yi)(yi)圓環(huan)(huan)又被刻制成若干等(deng)(deng)長的(de)(de)(de)(de)(de)透(tou)光和(he)不(bu)透(tou)光區，這種圓環(huan)(huan)稱為(wei)編(bian)碼(ma)(ma)度(du)(du)盤的(de)(de)(de)(de)(de)“碼(ma)(ma)道”。每(mei)條碼(ma)(ma)道代表一(yi)(yi)個二進制的(de)(de)(de)(de)(de)數(shu)位(wei)，有里到外，位(wei)數(shu)由(you)高到低。在(zai)碼(ma)(ma)道數(shu)目一(yi)(yi)定(ding)的(de)(de)(de)(de)(de)條件(jian)下(xia)，整個編(bian)碼(ma)(ma)盤可以分(fen)成數(shu)目一(yi)(yi)定(ding)，面(mian)積相(xiang)等(deng)(deng)的(de)(de)(de)(de)(de)扇形區，稱為(wei)編(bian)碼(ma)(ma)盤碼(ma)(ma)區。處于同一(yi)(yi)碼(ma)(ma)區內的(de)(de)(de)(de)(de)各(ge)碼(ma)(ma)道的(de)(de)(de)(de)(de)透(tou)光區與不(bu)透(tou)光區的(de)(de)(de)(de)(de)排列(lie)，構成編(bian)碼(ma)(ma)盤的(de)(de)(de)(de)(de)一(yi)(yi)個編(bian)碼(ma)(ma)，這一(yi)(yi)碼(ma)(ma)區所顯示(shi)的(de)(de)(de)(de)(de)角度(du)(du)范(fan)圍，稱為(wei)編(bian)碼(ma)(ma)度(du)(du)盤的(de)(de)(de)(de)(de)角度(du)(du)分(fen)辨率(lv)。

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(bu)透(tou)光表示“0”，這樣碼盤上(shang)每一(yi)格(ge)就對應一(yi)個(ge)二(er)進制(zhi)數(shu)，經過譯(yi)碼即成十(shi)進制(zhi)數(shu)，從而能顯示一(yi)個(ge)度(du)盤上(shang)讀出(chu)的方(fang)位或角度(du)數(shu)值。因此，編碼度(du)盤的測角方(fang)式(shi)為(wei)絕(jue)對法測角。