全站儀的工作原理

全站儀是一種(zhong)集光(guang)、機、電為一體的新型(xing)測角(jiao)儀(yi)(yi)器，與(yu)光(guang)學(xue)(xue)經(jing)緯(wei)儀(yi)(yi)比較(jiao)電子經(jing)緯(wei)儀(yi)(yi)將(jiang)光(guang)學(xue)(xue)度盤換為光(guang)電掃(sao)描度盤，將(jiang)人工光(guang)學(xue)(xue)測微(wei)讀(du)數(shu)代之(zhi)以自動記錄和顯示讀(du)數(shu)，使測角(jiao)操作簡單化(hua)，且(qie)可(ke)避免讀(du)數(shu)誤(wu)差的產生(sheng)。電子經(jing)緯(wei)儀(yi)(yi)的自動記錄、儲存、計算功能(neng)，以及數(shu)據(ju)通訊功能(neng)，進一步提高了測量作業的自動化(hua)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(deng)幾個等(deng)級。

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全(quan)站儀主要由測(ce)角系(xi)統(tong)(tong)、測(ce)距(ju)系(xi)統(tong)(tong)、數(shu)據處(chu)理系(xi)統(tong)(tong)及通訊接口(kou)、鍵(jian)盤、電源等部分(fen)構(gou)成，其(qi)中(zhong)，測(ce)角系(xi)統(tong)(tong)用(yong)(yong)(yong)于(yu)完成測(ce)角功能(neng)(neng)(neng)；測(ce)距(ju)系(xi)統(tong)(tong)用(yong)(yong)(yong)于(yu)完成測(ce)距(ju)功能(neng)(neng)(neng)；數(shu)據處(chu)理系(xi)統(tong)(tong)用(yong)(yong)(yong)于(yu)完成對數(shu)據的自(zi)動(dong)記(ji)錄功能(neng)(neng)(neng)；通訊接口(kou)用(yong)(yong)(yong)于(yu)將內(nei)存與計算(suan)機(ji)連(lian)接起來，實現雙向信息傳(chuan)輸(shu)；鍵(jian)盤用(yong)(yong)(yong)于(yu)在(zai)測(ce)量過程中(zhong)輸(shu)入數(shu)據或操作(zuo)指令(ling)；電源用(yong)(yong)(yong)于(yu)給全(quan)站儀提供(gong)工作(zuo)所(suo)需(xu)能(neng)(neng)(neng)量。除此之外，全(quan)站儀還可(ke)根據需(xu)要接入同軸(zhou)望遠鏡、雙軸(zhou)自(zi)動(dong)補償(chang)系(xi)統(tong)(tong)等輔助設施(shi)，以增加其(qi)可(ke)完成功能(neng)(neng)(neng)。

全站儀同(tong)軸化的(de)(de)基本原理(li)是：在(zai)望遠物鏡(jing)(jing)(jing)與調(diao)焦(jiao)透(tou)鏡(jing)(jing)(jing)間設置(zhi)分(fen)(fen)光(guang)(guang)(guang)(guang)棱鏡(jing)(jing)(jing)系(xi)(xi)(xi)統(tong)，通(tong)過(guo)該系(xi)(xi)(xi)統(tong)實現望遠鏡(jing)(jing)(jing)的(de)(de)多功(gong)能，即既可瞄準目標(biao)，使之成(cheng)像于十字絲分(fen)(fen)劃(hua)板，進行角(jiao)度測量，同(tong)時其測距部分(fen)(fen)的(de)(de)外光(guang)(guang)(guang)(guang)路系(xi)(xi)(xi)統(tong)又能使測距部分(fen)(fen)的(de)(de)光(guang)(guang)(guang)(guang)敏(min)二(er)(er)極管(guan)發射(she)(she)的(de)(de)調(diao)制(zhi)紅外光(guang)(guang)(guang)(guang)在(zai)經物鏡(jing)(jing)(jing)射(she)(she)向反光(guang)(guang)(guang)(guang)棱鏡(jing)(jing)(jing)后。 經同(tong)一(yi)路徑反射(she)(she)回(hui)來，再經分(fen)(fen)光(guang)(guang)(guang)(guang)棱鏡(jing)(jing)(jing)作用使回(hui)光(guang)(guang)(guang)(guang)被光(guang)(guang)(guang)(guang)電(dian)二(er)(er)極管(guan)接(jie)收，為測距需要(yao)在(zai)儀器(qi)內部另設一(yi)內光(guang)(guang)(guang)(guang)路系(xi)(xi)(xi)統(tong)，通(tong)過(guo)分(fen)(fen)光(guang)(guang)(guang)(guang)棱鏡(jing)(jing)(jing)系(xi)(xi)(xi)統(tong)中的(de)(de)光(guang)(guang)(guang)(guang)導纖(xian)維將由(you)光(guang)(guang)(guang)(guang)敏(min)二(er)(er)極管(guan)發射(she)(she)的(de)(de)調(diao)制(zhi)紅外光(guang)(guang)(guang)(guang)傳(chuan)也送(song)給(gei)光(guang)(guang)(guang)(guang)電(dian)二(er)(er)極管(guan)接(jie)收，進行而(er)由(you)內、外光(guang)(guang)(guang)(guang)路調(diao)制(zhi)光(guang)(guang)(guang)(guang)的(de)(de)相位差間接(jie)計(ji)(ji)算光(guang)(guang)(guang)(guang)的(de)(de)傳(chuan)播時間，計(ji)(ji)算實測距離。

全站儀測量原理

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

1、電子測距技術

電子測(ce)距(ju)(ju)(ju)的基本原(yuan)理是利用(yong)電磁波在(zai)(zai)(zai)(zai)空氣中(zhong)傳(chuan)播(bo)的速度為已(yi)知這(zhe)一特(te)性，測(ce)定(ding)電磁波在(zai)(zai)(zai)(zai)被(bei)測(ce)距(ju)(ju)(ju)離上往返傳(chuan)播(bo)的時(shi)(shi)間來求(qiu)得距(ju)(ju)(ju)離值。但是，這(zhe)種直接測(ce)距(ju)(ju)(ju)的方法實現起來非常(chang)困難(nan)，當(dang)我(wo)們要(yao)求(qiu)較高的測(ce)量(liang)精度時(shi)(shi)，對測(ce)量(liang)時(shi)(shi)間的要(yao)求(qiu)很高，這(zhe)在(zai)(zai)(zai)(zai)實踐過程(cheng)中(zhong)是非常(chang)困難(nan)的。因(yin)此，在(zai)(zai)(zai)(zai)實際(ji)的測(ce)距(ju)(ju)(ju)過程(cheng)中(zhong)可以根(gen)據此原(yuan)理采取改進的方法進行(xing)測(ce)距(ju)(ju)(ju)。在(zai)(zai)(zai)(zai)實際(ji)過程(cheng)中(zhong)主要(yao)用(yong)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(qi)測量精度(du)不低于(yu)相位法測距的精度(du)。

（2）相位法

相位(wei)(wei)法測距是測定由儀器連續發射的電磁波正弦信號(hao)在(zai)被測距離上往(wang)返傳播(bo)所(suo)產生的相位(wei)(wei)差(cha)，根據相位(wei)(wei)差(cha)來得到(dao)距離。

在(zai)(zai)所有(you)的(de)(de)(de)全(quan)(quan)站(zhan)儀(yi)(yi)測距(ju)部分(fen)標稱精度(du)指(zhi)標的(de)(de)(de)表(biao)(biao)達式中(zhong)，均使用±（A＋BD）的(de)(de)(de)形(xing)式。該精度(du)表(biao)(biao)達式有(you)A和BD組成，A代(dai)表(biao)(biao)固定(ding)誤(wu)差(cha)(cha)，單位(wei)為(wei)(wei)mm。固定(ding)誤(wu)差(cha)(cha)主要由儀(yi)(yi)器(qi)加常數的(de)(de)(de)測定(ding)誤(wu)差(cha)(cha)、對中(zhong)誤(wu)差(cha)(cha)、測相誤(wu)差(cha)(cha)等引(yin)起。固定(ding)誤(wu)差(cha)(cha)與測量的(de)(de)(de)距(ju)離(li)無(wu)關，即不管實際測量的(de)(de)(de)距(ju)離(li)多長，全(quan)(quan)站(zhan)儀(yi)(yi)將存在(zai)(zai)不大于該值的(de)(de)(de)固定(ding)誤(wu)差(cha)(cha)。全(quan)(quan)站(zhan)儀(yi)(yi)的(de)(de)(de)這一部分(fen)誤(wu)差(cha)(cha)一般在(zai)(zai)1-5mm之間。BD代(dai)表(biao)(biao)比例誤(wu)差(cha)(cha)，它主要由儀(yi)(yi)器(qi)頻率誤(wu)差(cha)(cha)，大氣折射誤(wu)差(cha)(cha)引(yin)起。B的(de)(de)(de)單位(wei)為(wei)(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(shu)。通過在測量作業(ye)現場的溫(wen)度T和氣壓PP以及(ji)濕(shi)度H，按照一定的氣象改正公(gong)式，求出氣象改正數(shu)ppm以及(ji)距離改正數(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(ke)以忽略不(bu)計。用戶(hu)可(ke)根據測量任(ren)務(wu)對精(jing)度的要求，來決定加上這項改正。

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傳(chuan)統(tong)的(de)光(guang)學讀數系統(tong)。目前(qian)，這套轉換系統(tong)有兩類(lei)：一類(lei)是采(cai)用光(guang)柵度盤(pan)的(de)所謂“增(zeng)量法”測(ce)(ce)角；一類(lei)是采(cai)用編碼度盤(pan)的(de)所謂“絕對法”測(ce)(ce)角。

（1）光柵度盤測角原理（增量法）

光(guang)(guang)柵(zha)就是(shi)具有刻(ke)制成(cheng)許(xu)多寬度(du)和間(jian)隔(ge)都相等(deng)的(de)直線條紋的(de)光(guang)(guang)學(xue)器件(jian)，即它是(shi)由(you)許(xu)多等(deng)間(jian)隔(ge)的(de)透(tou)光(guang)(guang)的(de)縫隙和不(bu)透(tou)光(guang)(guang)的(de)刻(ke)畫(hua)線所組成(cheng)。光(guang)(guang)通過光(guang)(guang)柵(zha)時會產生(sheng)光(guang)(guang)的(de)衍射(she)(she)效應。用于(yu)透(tou)射(she)(she)衍射(she)(she)的(de)光(guang)(guang)柵(zha)稱(cheng)為透(tou)射(she)(she)光(guang)(guang)柵(zha)，用于(yu)反射(she)(she)光(guang)(guang)衍射(she)(she)的(de)光(guang)(guang)柵(zha)稱(cheng)為反射(she)(she)光(guang)(guang)柵(zha)。光(guang)(guang)柵(zha)有兩個基本(ben)參數，一是(shi)毫(hao)米長度(du)范圍內(nei)的(de)條紋數，稱(cheng)為條紋密度(du)；二是(shi)相鄰(lin)條紋之間(jian)的(de)距離(li)，稱(cheng)為間(jian)距。

根據測(ce)量(liang)對象(xiang)不同，有長(chang)度(du)測(ce)量(liang)用(yong)的光(guang)柵(zha)刻在一直(zhi)尺上(shang)稱為(wei)直(zhi)線光(guang)柵(zha)。另(ling)一種是(shi)用(yong)于角(jiao)(jiao)度(du)測(ce)量(liang)的光(guang)柵(zha)，是(shi)在度(du)盤徑向(xiang)按(an)等角(jiao)(jiao)距離刻制的輻(fu)射狀的徑向(xiang)光(guang)柵(zha)。

（2）編碼度盤測角原理（絕對法）

編碼(ma)(ma)(ma)(ma)(ma)度(du)(du)盤(pan)(pan)類似于(yu)普通光(guang)學度(du)(du)盤(pan)(pan)的(de)(de)玻璃(li)碼(ma)(ma)(ma)(ma)(ma)盤(pan)(pan)，在此(ci)平(ping)面(mian)(mian)上分著若干(gan)寬度(du)(du)相(xiang)同(tong)的(de)(de)同(tong)心圓環，而每一(yi)圓環又(you)被刻制成(cheng)若干(gan)等(deng)長的(de)(de)透(tou)(tou)光(guang)和不透(tou)(tou)光(guang)區(qu)(qu)，這(zhe)種圓環稱為(wei)編碼(ma)(ma)(ma)(ma)(ma)度(du)(du)盤(pan)(pan)的(de)(de)“碼(ma)(ma)(ma)(ma)(ma)道”。每條碼(ma)(ma)(ma)(ma)(ma)道代表(biao)一(yi)個二進(jin)制的(de)(de)數位，有里到(dao)外，位數由高(gao)到(dao)低。在碼(ma)(ma)(ma)(ma)(ma)道數目一(yi)定的(de)(de)條件下，整個編碼(ma)(ma)(ma)(ma)(ma)盤(pan)(pan)可(ke)以(yi)分成(cheng)數目一(yi)定，面(mian)(mian)積(ji)相(xiang)等(deng)的(de)(de)扇形區(qu)(qu)，稱為(wei)編碼(ma)(ma)(ma)(ma)(ma)盤(pan)(pan)碼(ma)(ma)(ma)(ma)(ma)區(qu)(qu)。處于(yu)同(tong)一(yi)碼(ma)(ma)(ma)(ma)(ma)區(qu)(qu)內的(de)(de)各碼(ma)(ma)(ma)(ma)(ma)道的(de)(de)透(tou)(tou)光(guang)區(qu)(qu)與(yu)不透(tou)(tou)光(guang)區(qu)(qu)的(de)(de)排列，構(gou)成(cheng)編碼(ma)(ma)(ma)(ma)(ma)盤(pan)(pan)的(de)(de)一(yi)個編碼(ma)(ma)(ma)(ma)(ma)，這(zhe)一(yi)碼(ma)(ma)(ma)(ma)(ma)區(qu)(qu)所顯示的(de)(de)角(jiao)(jiao)度(du)(du)范圍(wei)，稱為(wei)編碼(ma)(ma)(ma)(ma)(ma)度(du)(du)盤(pan)(pan)的(de)(de)角(jiao)(jiao)度(du)(du)分辨率。

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“0”，這樣碼(ma)(ma)盤(pan)上每一(yi)格就對(dui)應一(yi)個二進制(zhi)(zhi)數，經過譯碼(ma)(ma)即(ji)成十進制(zhi)(zhi)數，從而能顯示一(yi)個度盤(pan)上讀(du)出的(de)方位或(huo)角(jiao)度數值。因此，編碼(ma)(ma)度盤(pan)的(de)測角(jiao)方式為絕對(dui)法測角(jiao)。