全站儀的工作原理

全站儀是一(yi)種集光(guang)、機、電(dian)為一(yi)體的(de)(de)新型(xing)測角儀(yi)器，與光(guang)學經(jing)緯(wei)儀(yi)比較電(dian)子經(jing)緯(wei)儀(yi)將光(guang)學度盤換為光(guang)電(dian)掃描度盤，將人工光(guang)學測微讀數(shu)代(dai)之以自(zi)(zi)動(dong)(dong)記(ji)錄和(he)顯示(shi)讀數(shu)，使(shi)測角操作簡單化(hua)，且可(ke)避(bi)免讀數(shu)誤差的(de)(de)產生。電(dian)子經(jing)緯(wei)儀(yi)的(de)(de)自(zi)(zi)動(dong)(dong)記(ji)錄、儲存、計算(suan)功(gong)能，以及數(shu)據(ju)通訊(xun)功(gong)能，進(jin)一(yi)步提高了測量作業的(de)(de)自(zi)(zi)動(dong)(dong)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″等幾個等級。

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全(quan)站儀(yi)主要由測角系(xi)統、測距系(xi)統、數據(ju)(ju)處(chu)理(li)系(xi)統及通訊接(jie)口、鍵盤、電源等部分構成，其中，測角系(xi)統用于(yu)完(wan)成測角功(gong)能(neng)；測距系(xi)統用于(yu)完(wan)成測距功(gong)能(neng)；數據(ju)(ju)處(chu)理(li)系(xi)統用于(yu)完(wan)成對數據(ju)(ju)的自動記錄(lu)功(gong)能(neng)；通訊接(jie)口用于(yu)將內存與(yu)計算機(ji)連接(jie)起來(lai)，實現雙(shuang)向信(xin)息傳輸；鍵盤用于(yu)在測量過程中輸入數據(ju)(ju)或操作指令；電源用于(yu)給全(quan)站儀(yi)提供工作所需(xu)能(neng)量。除此之(zhi)外(wai)，全(quan)站儀(yi)還可根據(ju)(ju)需(xu)要接(jie)入同軸望遠鏡、雙(shuang)軸自動補償系(xi)統等輔(fu)助(zhu)設施(shi)，以增加其可完(wan)成功(gong)能(neng)。

全(quan)站儀同軸化的(de)(de)基本原理是(shi)：在(zai)望遠物(wu)鏡(jing)(jing)(jing)與調焦(jiao)透鏡(jing)(jing)(jing)間設置分(fen)光(guang)(guang)棱鏡(jing)(jing)(jing)系統(tong)(tong)(tong)(tong)，通(tong)過(guo)該系統(tong)(tong)(tong)(tong)實(shi)現(xian)望遠鏡(jing)(jing)(jing)的(de)(de)多功(gong)能(neng)，即既可瞄準目(mu)標(biao)，使(shi)之成像于十字絲分(fen)劃(hua)板，進行角度測(ce)量，同時其(qi)測(ce)距(ju)部(bu)分(fen)的(de)(de)外(wai)光(guang)(guang)路系統(tong)(tong)(tong)(tong)又能(neng)使(shi)測(ce)距(ju)部(bu)分(fen)的(de)(de)光(guang)(guang)敏(min)二(er)極(ji)管發(fa)射(she)的(de)(de)調制紅外(wai)光(guang)(guang)在(zai)經物(wu)鏡(jing)(jing)(jing)射(she)向反光(guang)(guang)棱鏡(jing)(jing)(jing)后。 經同一(yi)路徑反射(she)回(hui)來，再經分(fen)光(guang)(guang)棱鏡(jing)(jing)(jing)作(zuo)用使(shi)回(hui)光(guang)(guang)被光(guang)(guang)電二(er)極(ji)管接收，為測(ce)距(ju)需要在(zai)儀器內部(bu)另設一(yi)內光(guang)(guang)路系統(tong)(tong)(tong)(tong)，通(tong)過(guo)分(fen)光(guang)(guang)棱鏡(jing)(jing)(jing)系統(tong)(tong)(tong)(tong)中的(de)(de)光(guang)(guang)導纖(xian)維將由(you)光(guang)(guang)敏(min)二(er)極(ji)管發(fa)射(she)的(de)(de)調制紅外(wai)光(guang)(guang)傳(chuan)也送(song)給光(guang)(guang)電二(er)極(ji)管接收，進行而由(you)內、外(wai)光(guang)(guang)路調制光(guang)(guang)的(de)(de)相位差間接計(ji)算(suan)(suan)光(guang)(guang)的(de)(de)傳(chuan)播時間，計(ji)算(suan)(suan)實(shi)測(ce)距(ju)離。

全站儀測量原理

它(ta)的基(ji)本(ben)測(ce)(ce)量原理是電(dian)子測(ce)(ce)距技(ji)術(shu)和電(dian)子測(ce)(ce)角技(ji)術(shu)。

1、電子測距技術

電子測(ce)距的(de)(de)基本原理是(shi)(shi)利用電磁波在(zai)空氣中傳(chuan)播的(de)(de)速度(du)為(wei)已(yi)知這一特性，測(ce)定電磁波在(zai)被測(ce)距離上往返傳(chuan)播的(de)(de)時間來求得距離值。但(dan)是(shi)(shi)，這種直接測(ce)距的(de)(de)方(fang)法(fa)(fa)實現(xian)起(qi)來非(fei)常困難，當我(wo)們要(yao)(yao)求較高的(de)(de)測(ce)量精度(du)時，對測(ce)量時間的(de)(de)要(yao)(yao)求很高，這在(zai)實踐過(guo)程(cheng)中是(shi)(shi)非(fei)常困難的(de)(de)。因此(ci)，在(zai)實際的(de)(de)測(ce)距過(guo)程(cheng)中可以根據此(ci)原理采(cai)取(qu)改進的(de)(de)方(fang)法(fa)(fa)進行(xing)測(ce)距。在(zai)實際過(guo)程(cheng)中主要(yao)(yao)用兩種方(fang)法(fa)(fa)，脈沖法(fa)(fa)和相位法(fa)(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)量精度(du)不(bu)低于相位法(fa)測(ce)距的精度(du)。

（2）相位法

相(xiang)位(wei)(wei)法(fa)測(ce)距是(shi)測(ce)定(ding)由儀器連續發射的(de)電磁波正(zheng)弦信(xin)號在(zai)被測(ce)距離(li)上(shang)往返傳(chuan)播所產生的(de)相(xiang)位(wei)(wei)差，根據相(xiang)位(wei)(wei)差來得(de)到距離(li)。

在所(suo)有(you)的(de)(de)全(quan)站(zhan)儀(yi)(yi)測(ce)(ce)距部分(fen)(fen)標稱精度指標的(de)(de)表達式中，均(jun)使用±（A＋BD）的(de)(de)形式。該精度表達式有(you)A和BD組成，A代表固定(ding)誤(wu)(wu)(wu)(wu)差(cha)(cha)，單(dan)位(wei)為(wei)mm。固定(ding)誤(wu)(wu)(wu)(wu)差(cha)(cha)主(zhu)要由(you)儀(yi)(yi)器加常數的(de)(de)測(ce)(ce)定(ding)誤(wu)(wu)(wu)(wu)差(cha)(cha)、對中誤(wu)(wu)(wu)(wu)差(cha)(cha)、測(ce)(ce)相誤(wu)(wu)(wu)(wu)差(cha)(cha)等引起。固定(ding)誤(wu)(wu)(wu)(wu)差(cha)(cha)與測(ce)(ce)量的(de)(de)距離無關(guan)，即不管實際測(ce)(ce)量的(de)(de)距離多長，全(quan)站(zhan)儀(yi)(yi)將存在不大于該值的(de)(de)固定(ding)誤(wu)(wu)(wu)(wu)差(cha)(cha)。全(quan)站(zhan)儀(yi)(yi)的(de)(de)這一(yi)部分(fen)(fen)誤(wu)(wu)(wu)(wu)差(cha)(cha)一(yi)般(ban)在1-5mm之間。BD代表比例誤(wu)(wu)(wu)(wu)差(cha)(cha)，它主(zhu)要由(you)儀(yi)(yi)器頻率誤(wu)(wu)(wu)(wu)差(cha)(cha)，大氣折(zhe)射誤(wu)(wu)(wu)(wu)差(cha)(cha)引起。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)在測量(liang)作業現場的溫度(du)(du)T和氣壓(ya)PP以及濕度(du)(du)H，按照一定的氣象(xiang)改(gai)正公式，求出氣象(xiang)改(gai)正數ppm以及距離改(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(shen)至可以忽(hu)略不計。用戶可根據測量(liang)任務對精度的要求，來決定(ding)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(ti)傳統的(de)光學讀(du)數系統。目前，這套轉換(huan)系統有兩類(lei)：一類(lei)是采用光柵度(du)盤的(de)所(suo)謂“增量法”測角；一類(lei)是采用編碼度(du)盤的(de)所(suo)謂“絕對法”測角。

（1）光柵度盤測角原理（增量法）

光(guang)(guang)(guang)(guang)柵(zha)(zha)就是(shi)具有(you)刻制成許多寬度(du)和間(jian)(jian)隔都相等的(de)(de)(de)直線條(tiao)紋(wen)的(de)(de)(de)光(guang)(guang)(guang)(guang)學器件，即它是(shi)由許多等間(jian)(jian)隔的(de)(de)(de)透(tou)光(guang)(guang)(guang)(guang)的(de)(de)(de)縫隙和不透(tou)光(guang)(guang)(guang)(guang)的(de)(de)(de)刻畫線所組成。光(guang)(guang)(guang)(guang)通(tong)過光(guang)(guang)(guang)(guang)柵(zha)(zha)時會產生光(guang)(guang)(guang)(guang)的(de)(de)(de)衍射(she)(she)效應。用(yong)于(yu)透(tou)射(she)(she)衍射(she)(she)的(de)(de)(de)光(guang)(guang)(guang)(guang)柵(zha)(zha)稱(cheng)為透(tou)射(she)(she)光(guang)(guang)(guang)(guang)柵(zha)(zha)，用(yong)于(yu)反射(she)(she)光(guang)(guang)(guang)(guang)衍射(she)(she)的(de)(de)(de)光(guang)(guang)(guang)(guang)柵(zha)(zha)稱(cheng)為反射(she)(she)光(guang)(guang)(guang)(guang)柵(zha)(zha)。光(guang)(guang)(guang)(guang)柵(zha)(zha)有(you)兩個基本參數，一是(shi)毫米長(chang)度(du)范圍內的(de)(de)(de)條(tiao)紋(wen)數，稱(cheng)為條(tiao)紋(wen)密度(du)；二是(shi)相鄰條(tiao)紋(wen)之間(jian)(jian)的(de)(de)(de)距離，稱(cheng)為間(jian)(jian)距。

根據測量對象(xiang)不同，有長度測量用的光(guang)(guang)柵刻(ke)在一直尺上稱為直線光(guang)(guang)柵。另一種是用于角度測量的光(guang)(guang)柵，是在度盤徑(jing)(jing)向按等角距(ju)離刻(ke)制(zhi)的輻射狀的徑(jing)(jing)向光(guang)(guang)柵。

（2）編碼度盤測角原理（絕對法）

編(bian)(bian)(bian)(bian)(bian)碼(ma)(ma)度(du)(du)(du)盤(pan)類似于普(pu)通光(guang)學度(du)(du)(du)盤(pan)的(de)(de)玻璃碼(ma)(ma)盤(pan)，在此平面(mian)上分著若干寬度(du)(du)(du)相同的(de)(de)同心圓(yuan)環(huan)，而(er)每一(yi)(yi)圓(yuan)環(huan)又被(bei)刻制成(cheng)若干等長的(de)(de)透(tou)光(guang)和不透(tou)光(guang)區(qu)(qu)，這種圓(yuan)環(huan)稱為(wei)(wei)編(bian)(bian)(bian)(bian)(bian)碼(ma)(ma)度(du)(du)(du)盤(pan)的(de)(de)“碼(ma)(ma)道(dao)(dao)”。每條碼(ma)(ma)道(dao)(dao)代(dai)表(biao)一(yi)(yi)個二進制的(de)(de)數(shu)位，有里到外，位數(shu)由(you)高到低。在碼(ma)(ma)道(dao)(dao)數(shu)目一(yi)(yi)定(ding)的(de)(de)條件下，整個編(bian)(bian)(bian)(bian)(bian)碼(ma)(ma)盤(pan)可(ke)以分成(cheng)數(shu)目一(yi)(yi)定(ding)，面(mian)積相等的(de)(de)扇形區(qu)(qu)，稱為(wei)(wei)編(bian)(bian)(bian)(bian)(bian)碼(ma)(ma)盤(pan)碼(ma)(ma)區(qu)(qu)。處于同一(yi)(yi)碼(ma)(ma)區(qu)(qu)內的(de)(de)各(ge)碼(ma)(ma)道(dao)(dao)的(de)(de)透(tou)光(guang)區(qu)(qu)與不透(tou)光(guang)區(qu)(qu)的(de)(de)排列，構(gou)成(cheng)編(bian)(bian)(bian)(bian)(bian)碼(ma)(ma)盤(pan)的(de)(de)一(yi)(yi)個編(bian)(bian)(bian)(bian)(bian)碼(ma)(ma)，這一(yi)(yi)碼(ma)(ma)區(qu)(qu)所(suo)顯示的(de)(de)角度(du)(du)(du)范圍(wei)，稱為(wei)(wei)編(bian)(bian)(bian)(bian)(bian)碼(ma)(ma)度(du)(du)(du)盤(pan)的(de)(de)角度(du)(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(yang)碼(ma)(ma)盤(pan)(pan)上每一格(ge)就(jiu)對應一個二進制數，經過(guo)譯碼(ma)(ma)即成十進制數，從(cong)而(er)能顯示(shi)一個度盤(pan)(pan)上讀(du)出的方位或角度數值。因(yin)此，編(bian)碼(ma)(ma)度盤(pan)(pan)的測(ce)角方式為絕對法測(ce)角。