全站儀的工作原理

全站儀是一(yi)(yi)種集光(guang)、機、電為一(yi)(yi)體的(de)新型測角(jiao)儀(yi)器，與(yu)光(guang)學經(jing)緯(wei)(wei)儀(yi)比(bi)較(jiao)電子經(jing)緯(wei)(wei)儀(yi)將光(guang)學度盤換為光(guang)電掃描度盤，將人(ren)工光(guang)學測微(wei)讀數(shu)代之以自(zi)(zi)動記錄(lu)和顯(xian)示讀數(shu)，使測角(jiao)操作簡(jian)單化(hua)，且可避免讀數(shu)誤(wu)差的(de)產生。電子經(jing)緯(wei)(wei)儀(yi)的(de)自(zi)(zi)動記錄(lu)、儲存、計算(suan)功能，以及數(shu)據(ju)通訊功能，進(jin)一(yi)(yi)步(bu)提高(gao)了(le)測量作業(ye)的(de)自(zi)(zi)動化(hua)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(ji)個等級。

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全站(zhan)(zhan)儀(yi)主(zhu)要(yao)由(you)測(ce)角系(xi)(xi)(xi)統(tong)、測(ce)距(ju)系(xi)(xi)(xi)統(tong)、數(shu)(shu)據(ju)(ju)處(chu)理系(xi)(xi)(xi)統(tong)及通訊(xun)接口、鍵盤、電源等(deng)部分構成(cheng)，其中，測(ce)角系(xi)(xi)(xi)統(tong)用(yong)(yong)(yong)于完成(cheng)測(ce)角功(gong)能(neng)(neng)；測(ce)距(ju)系(xi)(xi)(xi)統(tong)用(yong)(yong)(yong)于完成(cheng)測(ce)距(ju)功(gong)能(neng)(neng)；數(shu)(shu)據(ju)(ju)處(chu)理系(xi)(xi)(xi)統(tong)用(yong)(yong)(yong)于完成(cheng)對(dui)數(shu)(shu)據(ju)(ju)的(de)自(zi)動記錄功(gong)能(neng)(neng)；通訊(xun)接口用(yong)(yong)(yong)于將(jiang)內(nei)存與計(ji)算(suan)機連接起來，實現雙向信息傳輸(shu)；鍵盤用(yong)(yong)(yong)于在測(ce)量(liang)過程中輸(shu)入(ru)數(shu)(shu)據(ju)(ju)或(huo)操作指(zhi)令；電源用(yong)(yong)(yong)于給(gei)全站(zhan)(zhan)儀(yi)提供工作所需(xu)能(neng)(neng)量(liang)。除此(ci)之外(wai)，全站(zhan)(zhan)儀(yi)還可根據(ju)(ju)需(xu)要(yao)接入(ru)同(tong)軸望遠鏡、雙軸自(zi)動補償系(xi)(xi)(xi)統(tong)等(deng)輔助(zhu)設(she)施，以增加其可完成(cheng)功(gong)能(neng)(neng)。

全站儀(yi)同軸(zhou)化(hua)的(de)(de)基本原理是：在望遠(yuan)(yuan)物(wu)鏡(jing)(jing)(jing)與(yu)調(diao)焦透鏡(jing)(jing)(jing)間(jian)設置分(fen)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)棱鏡(jing)(jing)(jing)系(xi)統，通(tong)過該系(xi)統實現望遠(yuan)(yuan)鏡(jing)(jing)(jing)的(de)(de)多(duo)功能，即既可(ke)瞄(miao)準目標，使(shi)(shi)之成像于十字(zi)絲(si)分(fen)劃板(ban)，進行角度(du)測量，同時其測距(ju)(ju)部分(fen)的(de)(de)外光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)路(lu)系(xi)統又能使(shi)(shi)測距(ju)(ju)部分(fen)的(de)(de)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)敏二(er)極(ji)(ji)管(guan)(guan)發射(she)的(de)(de)調(diao)制(zhi)紅外光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)在經物(wu)鏡(jing)(jing)(jing)射(she)向反(fan)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)棱鏡(jing)(jing)(jing)后。 經同一(yi)路(lu)徑反(fan)射(she)回來，再經分(fen)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)棱鏡(jing)(jing)(jing)作用(yong)使(shi)(shi)回光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)被光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)電二(er)極(ji)(ji)管(guan)(guan)接(jie)收(shou)，為測距(ju)(ju)需要(yao)在儀(yi)器內(nei)部另設一(yi)內(nei)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)路(lu)系(xi)統，通(tong)過分(fen)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)棱鏡(jing)(jing)(jing)系(xi)統中的(de)(de)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)導纖維將(jiang)由(you)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)敏二(er)極(ji)(ji)管(guan)(guan)發射(she)的(de)(de)調(diao)制(zhi)紅外光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)傳也送(song)給光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)電二(er)極(ji)(ji)管(guan)(guan)接(jie)收(shou)，進行而(er)由(you)內(nei)、外光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)路(lu)調(diao)制(zhi)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)的(de)(de)相位差(cha)間(jian)接(jie)計(ji)算光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)的(de)(de)傳播(bo)時間(jian)，計(ji)算實測距(ju)(ju)離。

全站儀測量原理

它的基(ji)本測量(liang)原理是電(dian)子(zi)測距技術和電(dian)子(zi)測角(jiao)技術。

1、電子測距技術

電(dian)(dian)子測(ce)距(ju)的(de)(de)(de)基本原(yuan)理是利用電(dian)(dian)磁波在空(kong)氣中傳(chuan)播的(de)(de)(de)速度為已(yi)知這(zhe)一特性，測(ce)定電(dian)(dian)磁波在被測(ce)距(ju)離(li)上往(wang)返傳(chuan)播的(de)(de)(de)時間(jian)來(lai)求得(de)距(ju)離(li)值(zhi)。但是，這(zhe)種直接(jie)測(ce)距(ju)的(de)(de)(de)方法(fa)實現起來(lai)非(fei)常困(kun)難，當我們要求較(jiao)高的(de)(de)(de)測(ce)量精(jing)度時，對測(ce)量時間(jian)的(de)(de)(de)要求很高，這(zhe)在實踐過(guo)程中是非(fei)常困(kun)難的(de)(de)(de)。因此，在實際的(de)(de)(de)測(ce)距(ju)過(guo)程中可(ke)以(yi)根(gen)據此原(yuan)理采取改進(jin)的(de)(de)(de)方法(fa)進(jin)行測(ce)距(ju)。在實際過(guo)程中主要用兩種方法(fa)，脈沖法(fa)和相(xiang)位(wei)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(shi)踐表明，其測(ce)量精(jing)度不低(di)于相位法測(ce)距的精(jing)度。

（2）相位法

相(xiang)位法測(ce)(ce)距是測(ce)(ce)定由儀(yi)器連續(xu)發(fa)射(she)的電磁波正弦信號在被測(ce)(ce)距離上往返傳播所產生的相(xiang)位差，根據相(xiang)位差來得到距離。

在所(suo)有的(de)(de)全(quan)(quan)站(zhan)(zhan)儀測(ce)(ce)距部分標稱精度指標的(de)(de)表達式(shi)中(zhong)，均使(shi)用(yong)±（A＋BD）的(de)(de)形(xing)式(shi)。該(gai)精度表達式(shi)有A和BD組成，A代表固定(ding)誤(wu)(wu)差(cha)(cha)，單(dan)位(wei)為(wei)mm。固定(ding)誤(wu)(wu)差(cha)(cha)主要(yao)由(you)儀器(qi)加常數的(de)(de)測(ce)(ce)定(ding)誤(wu)(wu)差(cha)(cha)、對中(zhong)誤(wu)(wu)差(cha)(cha)、測(ce)(ce)相誤(wu)(wu)差(cha)(cha)等引起(qi)。固定(ding)誤(wu)(wu)差(cha)(cha)與(yu)測(ce)(ce)量的(de)(de)距離無(wu)關，即(ji)不管實際測(ce)(ce)量的(de)(de)距離多長，全(quan)(quan)站(zhan)(zhan)儀將存在不大(da)于該(gai)值的(de)(de)固定(ding)誤(wu)(wu)差(cha)(cha)。全(quan)(quan)站(zhan)(zhan)儀的(de)(de)這一部分誤(wu)(wu)差(cha)(cha)一般在1-5mm之間。BD代表比例誤(wu)(wu)差(cha)(cha)，它主要(yao)由(you)儀器(qi)頻(pin)率誤(wu)(wu)差(cha)(cha)，大(da)氣折射誤(wu)(wu)差(cha)(cha)引起(qi)。B的(de)(de)單(dan)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(zai)測量作業現(xian)場的(de)溫度T和氣(qi)壓PP以及(ji)濕(shi)度H，按照一定的(de)氣(qi)象改(gai)正(zheng)公式，求出氣(qi)象改(gai)正(zheng)數ppm以及(ji)距離改(gai)正(zheng)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，甚至可以忽略不計(ji)。用戶(hu)可根據(ju)測(ce)量任(ren)務(wu)對精度的要求，來決定加上(shang)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)的光(guang)學讀(du)數系(xi)(xi)統(tong)。目前，這套轉換系(xi)(xi)統(tong)有兩類(lei)：一類(lei)是(shi)采用(yong)光(guang)柵(zha)度(du)盤的所謂“增量法(fa)”測角；一類(lei)是(shi)采用(yong)編碼(ma)度(du)盤的所謂“絕對法(fa)”測角。

（1）光柵度盤測角原理（增量法）

光(guang)(guang)(guang)柵就是(shi)具有刻(ke)制成(cheng)許(xu)多寬度(du)(du)和間隔(ge)都相等的(de)(de)(de)直(zhi)線條(tiao)(tiao)(tiao)紋(wen)的(de)(de)(de)光(guang)(guang)(guang)學(xue)器件，即它是(shi)由許(xu)多等間隔(ge)的(de)(de)(de)透光(guang)(guang)(guang)的(de)(de)(de)縫隙(xi)和不透光(guang)(guang)(guang)的(de)(de)(de)刻(ke)畫線所組成(cheng)。光(guang)(guang)(guang)通過光(guang)(guang)(guang)柵時會產生光(guang)(guang)(guang)的(de)(de)(de)衍(yan)射(she)效應。用于透射(she)衍(yan)射(she)的(de)(de)(de)光(guang)(guang)(guang)柵稱(cheng)為(wei)(wei)透射(she)光(guang)(guang)(guang)柵，用于反(fan)(fan)射(she)光(guang)(guang)(guang)衍(yan)射(she)的(de)(de)(de)光(guang)(guang)(guang)柵稱(cheng)為(wei)(wei)反(fan)(fan)射(she)光(guang)(guang)(guang)柵。光(guang)(guang)(guang)柵有兩個基本參數，一是(shi)毫米(mi)長度(du)(du)范圍內的(de)(de)(de)條(tiao)(tiao)(tiao)紋(wen)數，稱(cheng)為(wei)(wei)條(tiao)(tiao)(tiao)紋(wen)密度(du)(du)；二是(shi)相鄰條(tiao)(tiao)(tiao)紋(wen)之間的(de)(de)(de)距離，稱(cheng)為(wei)(wei)間距。

根據測(ce)量(liang)(liang)對象不(bu)同，有長度(du)測(ce)量(liang)(liang)用的(de)光(guang)柵(zha)刻在(zai)一(yi)直尺上稱為直線光(guang)柵(zha)。另一(yi)種(zhong)是(shi)(shi)用于角度(du)測(ce)量(liang)(liang)的(de)光(guang)柵(zha)，是(shi)(shi)在(zai)度(du)盤(pan)徑向按等角距離(li)刻制的(de)輻射(she)狀的(de)徑向光(guang)柵(zha)。

（2）編碼度盤測角原理（絕對法）

編(bian)碼(ma)(ma)(ma)度(du)(du)(du)盤類(lei)似(si)于(yu)普通光(guang)(guang)學(xue)度(du)(du)(du)盤的(de)(de)(de)(de)玻璃碼(ma)(ma)(ma)盤，在此平面上(shang)分著若干寬度(du)(du)(du)相同(tong)的(de)(de)(de)(de)同(tong)心(xin)圓(yuan)環(huan)，而(er)每一(yi)(yi)圓(yuan)環(huan)又被(bei)刻(ke)制成若干等長的(de)(de)(de)(de)透(tou)光(guang)(guang)和不(bu)透(tou)光(guang)(guang)區，這(zhe)種圓(yuan)環(huan)稱為(wei)編(bian)碼(ma)(ma)(ma)度(du)(du)(du)盤的(de)(de)(de)(de)“碼(ma)(ma)(ma)道”。每條(tiao)碼(ma)(ma)(ma)道代表一(yi)(yi)個二進(jin)制的(de)(de)(de)(de)數位(wei)(wei)，有里到(dao)外，位(wei)(wei)數由高到(dao)低(di)。在碼(ma)(ma)(ma)道數目一(yi)(yi)定的(de)(de)(de)(de)條(tiao)件下，整個編(bian)碼(ma)(ma)(ma)盤可(ke)以分成數目一(yi)(yi)定，面積相等的(de)(de)(de)(de)扇(shan)形區，稱為(wei)編(bian)碼(ma)(ma)(ma)盤碼(ma)(ma)(ma)區。處于(yu)同(tong)一(yi)(yi)碼(ma)(ma)(ma)區內(nei)的(de)(de)(de)(de)各碼(ma)(ma)(ma)道的(de)(de)(de)(de)透(tou)光(guang)(guang)區與(yu)不(bu)透(tou)光(guang)(guang)區的(de)(de)(de)(de)排列，構(gou)成編(bian)碼(ma)(ma)(ma)盤的(de)(de)(de)(de)一(yi)(yi)個編(bian)碼(ma)(ma)(ma)，這(zhe)一(yi)(yi)碼(ma)(ma)(ma)區所顯示的(de)(de)(de)(de)角度(du)(du)(du)范圍，稱為(wei)編(bian)碼(ma)(ma)(ma)度(du)(du)(du)盤的(de)(de)(de)(de)角度(du)(du)(du)分辨(bian)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(bu)透光表示“0”，這樣(yang)碼盤上每一(yi)格就對應一(yi)個(ge)二進制數(shu)，經(jing)過譯(yi)碼即成(cheng)十進制數(shu)，從而能顯示一(yi)個(ge)度盤上讀出的方(fang)位或角(jiao)度數(shu)值。因此，編(bian)碼度盤的測角(jiao)方(fang)式為(wei)絕對法測角(jiao)。