全站儀的工作原理

全站儀是一(yi)種集光(guang)、機、電為(wei)一(yi)體的新型(xing)測(ce)角儀(yi)器，與光(guang)學經緯(wei)儀(yi)比較電子經緯(wei)儀(yi)將光(guang)學度(du)盤換為(wei)光(guang)電掃(sao)描(miao)度(du)盤，將人工光(guang)學測(ce)微讀(du)數(shu)(shu)代之以自(zi)動(dong)記錄(lu)和顯示讀(du)數(shu)(shu)，使測(ce)角操作簡單化(hua)，且可避免讀(du)數(shu)(shu)誤差(cha)的產生(sheng)。電子經緯(wei)儀(yi)的自(zi)動(dong)記錄(lu)、儲(chu)存、計算功能(neng)，以及數(shu)(shu)據通訊(xun)功能(neng)，進一(yi)步提高(gao)了測(ce)量作業的自(zi)動(dong)化(hua)程度(du)。

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)(ce)(ce)角系統(tong)、測(ce)(ce)(ce)距(ju)系統(tong)、數(shu)(shu)據(ju)處理(li)系統(tong)及通訊接(jie)口、鍵盤、電源等(deng)部分構成，其中，測(ce)(ce)(ce)角系統(tong)用(yong)于(yu)完(wan)成測(ce)(ce)(ce)角功能(neng)；測(ce)(ce)(ce)距(ju)系統(tong)用(yong)于(yu)完(wan)成測(ce)(ce)(ce)距(ju)功能(neng)；數(shu)(shu)據(ju)處理(li)系統(tong)用(yong)于(yu)完(wan)成對數(shu)(shu)據(ju)的自動記錄功能(neng)；通訊接(jie)口用(yong)于(yu)將內存(cun)與(yu)計(ji)算機連接(jie)起來，實(shi)現雙向信息(xi)傳輸；鍵盤用(yong)于(yu)在(zai)測(ce)(ce)(ce)量過(guo)程中輸入數(shu)(shu)據(ju)或操作指令；電源用(yong)于(yu)給全(quan)站儀提供工作所需能(neng)量。除此之外，全(quan)站儀還可根據(ju)需要接(jie)入同軸(zhou)望遠鏡(jing)、雙軸(zhou)自動補償系統(tong)等(deng)輔(fu)助(zhu)設(she)施(shi)，以(yi)增加其可完(wan)成功能(neng)。

全站儀同(tong)軸化的(de)基本(ben)原(yuan)理(li)是：在望遠物鏡(jing)(jing)與調(diao)焦透鏡(jing)(jing)間設置分(fen)(fen)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)棱(leng)鏡(jing)(jing)系(xi)統(tong)，通過該系(xi)統(tong)實現(xian)望遠鏡(jing)(jing)的(de)多(duo)功(gong)能(neng)，即既可(ke)瞄準目標，使之成(cheng)像于十字絲(si)分(fen)(fen)劃板(ban)，進行角度測(ce)(ce)量，同(tong)時其測(ce)(ce)距(ju)部分(fen)(fen)的(de)外(wai)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)路系(xi)統(tong)又(you)能(neng)使測(ce)(ce)距(ju)部分(fen)(fen)的(de)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)敏二(er)極管發(fa)射(she)的(de)調(diao)制(zhi)紅外(wai)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)在經物鏡(jing)(jing)射(she)向反(fan)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)棱(leng)鏡(jing)(jing)后(hou)。 經同(tong)一路徑反(fan)射(she)回來，再經分(fen)(fen)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)棱(leng)鏡(jing)(jing)作用使回光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)被光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)電二(er)極管接(jie)收，為測(ce)(ce)距(ju)需要在儀器內(nei)部另設一內(nei)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)路系(xi)統(tong)，通過分(fen)(fen)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)棱(leng)鏡(jing)(jing)系(xi)統(tong)中的(de)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)導纖維將由光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)敏二(er)極管發(fa)射(she)的(de)調(diao)制(zhi)紅外(wai)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)傳也送給光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)電二(er)極管接(jie)收，進行而(er)由內(nei)、外(wai)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)路調(diao)制(zhi)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)的(de)相位(wei)差間接(jie)計(ji)算光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)的(de)傳播(bo)時間，計(ji)算實測(ce)(ce)距(ju)離。

全站儀測量原理

它的基本測(ce)量原(yuan)理(li)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(dian)子測(ce)(ce)(ce)距(ju)的(de)基(ji)本原理是利用電(dian)磁波在空氣中(zhong)(zhong)傳播的(de)速度(du)為已(yi)知這(zhe)(zhe)一(yi)特性，測(ce)(ce)(ce)定電(dian)磁波在被測(ce)(ce)(ce)距(ju)離上往(wang)返傳播的(de)時間(jian)來(lai)(lai)求(qiu)(qiu)得距(ju)離值。但是，這(zhe)(zhe)種直接測(ce)(ce)(ce)距(ju)的(de)方法實(shi)(shi)(shi)現起(qi)來(lai)(lai)非(fei)常困難(nan)，當我們要(yao)求(qiu)(qiu)較高(gao)的(de)測(ce)(ce)(ce)量精度(du)時，對測(ce)(ce)(ce)量時間(jian)的(de)要(yao)求(qiu)(qiu)很高(gao)，這(zhe)(zhe)在實(shi)(shi)(shi)踐過(guo)程(cheng)中(zhong)(zhong)是非(fei)常困難(nan)的(de)。因此(ci)，在實(shi)(shi)(shi)際的(de)測(ce)(ce)(ce)距(ju)過(guo)程(cheng)中(zhong)(zhong)可(ke)以根據(ju)此(ci)原理采(cai)取改進(jin)的(de)方法進(jin)行測(ce)(ce)(ce)距(ju)。在實(shi)(shi)(shi)際過(guo)程(cheng)中(zhong)(zhong)主(zhu)要(yao)用兩種方法，脈沖(chong)法和相位(wei)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)，其測量精(jing)度不(bu)低于(yu)相位(wei)法測距(ju)的精(jing)度。

（2）相位法

相(xiang)位(wei)法測(ce)距是測(ce)定由儀(yi)器連續發射的電磁波正弦(xian)信號在被測(ce)距離(li)上往返傳播所產生(sheng)的相(xiang)位(wei)差，根據(ju)相(xiang)位(wei)差來得到(dao)距離(li)。

在所有(you)的全站(zhan)儀(yi)(yi)測(ce)距(ju)部(bu)分標(biao)稱精(jing)度指(zhi)標(biao)的表達式(shi)中(zhong)，均(jun)使用±（A＋BD）的形式(shi)。該(gai)精(jing)度表達式(shi)有(you)A和BD組成(cheng)，A代表固定(ding)誤(wu)(wu)(wu)差(cha)，單位為(wei)mm。固定(ding)誤(wu)(wu)(wu)差(cha)主(zhu)要由(you)(you)儀(yi)(yi)器(qi)加常(chang)數的測(ce)定(ding)誤(wu)(wu)(wu)差(cha)、對(dui)中(zhong)誤(wu)(wu)(wu)差(cha)、測(ce)相(xiang)誤(wu)(wu)(wu)差(cha)等引(yin)起(qi)。固定(ding)誤(wu)(wu)(wu)差(cha)與測(ce)量的距(ju)離無關，即不管實際測(ce)量的距(ju)離多長，全站(zhan)儀(yi)(yi)將存在不大于該(gai)值的固定(ding)誤(wu)(wu)(wu)差(cha)。全站(zhan)儀(yi)(yi)的這(zhe)一(yi)部(bu)分誤(wu)(wu)(wu)差(cha)一(yi)般在1-5mm之間。BD代表比例誤(wu)(wu)(wu)差(cha)，它主(zhu)要由(you)(you)儀(yi)(yi)器(qi)頻率誤(wu)(wu)(wu)差(cha)，大氣折射誤(wu)(wu)(wu)差(cha)引(yin)起(qi)。B的單位為(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(cheng)常數(shu)。通過(guo)在(zai)測量作業現場的(de)溫(wen)度T和氣壓(ya)PP以(yi)及濕度H，按照一定的(de)氣象改正(zheng)(zheng)公式，求出氣象改正(zheng)(zheng)數(shu)ppm以(yi)及距離(li)改正(zheng)(zheng)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(yi)忽略不(bu)計。用戶可(ke)根據測量任務(wu)對(dui)精度(du)的(de)要求，來決定加上(shang)這項改正(zheng)。

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)的光學讀(du)數系統(tong)。目前，這套轉換(huan)系統(tong)有兩(liang)類：一(yi)(yi)類是采用光柵度盤的所謂“增量法”測角(jiao)；一(yi)(yi)類是采用編碼度盤的所謂“絕對法”測角(jiao)。

（1）光柵度盤測角原理（增量法）

光(guang)柵(zha)就是(shi)具有(you)刻制(zhi)成許多寬(kuan)度和(he)間隔都相等(deng)的(de)(de)直線條(tiao)紋(wen)(wen)的(de)(de)光(guang)學(xue)器件，即它是(shi)由許多等(deng)間隔的(de)(de)透(tou)光(guang)的(de)(de)縫隙和(he)不透(tou)光(guang)的(de)(de)刻畫線所組成。光(guang)通過光(guang)柵(zha)時會產生光(guang)的(de)(de)衍射(she)(she)效應。用(yong)于(yu)透(tou)射(she)(she)衍射(she)(she)的(de)(de)光(guang)柵(zha)稱(cheng)為透(tou)射(she)(she)光(guang)柵(zha)，用(yong)于(yu)反射(she)(she)光(guang)衍射(she)(she)的(de)(de)光(guang)柵(zha)稱(cheng)為反射(she)(she)光(guang)柵(zha)。光(guang)柵(zha)有(you)兩個基本(ben)參數，一是(shi)毫米長度范圍內(nei)的(de)(de)條(tiao)紋(wen)(wen)數，稱(cheng)為條(tiao)紋(wen)(wen)密度；二是(shi)相鄰條(tiao)紋(wen)(wen)之間的(de)(de)距(ju)離，稱(cheng)為間距(ju)。

根據測(ce)量(liang)對象(xiang)不(bu)同，有長度測(ce)量(liang)用的光柵(zha)(zha)刻在一(yi)直尺上稱為直線光柵(zha)(zha)。另(ling)一(yi)種(zhong)是用于角度測(ce)量(liang)的光柵(zha)(zha)，是在度盤(pan)徑(jing)向按等角距離(li)刻制(zhi)的輻射(she)狀(zhuang)的徑(jing)向光柵(zha)(zha)。

（2）編碼度盤測角原理（絕對法）

編(bian)(bian)碼(ma)(ma)(ma)度(du)(du)(du)(du)盤(pan)類似于普通光學(xue)度(du)(du)(du)(du)盤(pan)的(de)(de)玻(bo)璃碼(ma)(ma)(ma)盤(pan)，在此平面(mian)上(shang)分(fen)著若干寬(kuan)度(du)(du)(du)(du)相同(tong)(tong)的(de)(de)同(tong)(tong)心圓(yuan)環(huan)(huan)，而每一(yi)(yi)圓(yuan)環(huan)(huan)又(you)被刻制(zhi)成若干等(deng)長的(de)(de)透(tou)(tou)光和不透(tou)(tou)光區(qu)(qu)，這種圓(yuan)環(huan)(huan)稱(cheng)為編(bian)(bian)碼(ma)(ma)(ma)度(du)(du)(du)(du)盤(pan)的(de)(de)“碼(ma)(ma)(ma)道(dao)”。每條(tiao)(tiao)碼(ma)(ma)(ma)道(dao)代表一(yi)(yi)個二進制(zhi)的(de)(de)數位(wei)，有(you)里到外，位(wei)數由高到低(di)。在碼(ma)(ma)(ma)道(dao)數目(mu)一(yi)(yi)定的(de)(de)條(tiao)(tiao)件下，整個編(bian)(bian)碼(ma)(ma)(ma)盤(pan)可(ke)以分(fen)成數目(mu)一(yi)(yi)定，面(mian)積(ji)相等(deng)的(de)(de)扇形區(qu)(qu)，稱(cheng)為編(bian)(bian)碼(ma)(ma)(ma)盤(pan)碼(ma)(ma)(ma)區(qu)(qu)。處于同(tong)(tong)一(yi)(yi)碼(ma)(ma)(ma)區(qu)(qu)內的(de)(de)各碼(ma)(ma)(ma)道(dao)的(de)(de)透(tou)(tou)光區(qu)(qu)與不透(tou)(tou)光區(qu)(qu)的(de)(de)排列(lie)，構成編(bian)(bian)碼(ma)(ma)(ma)盤(pan)的(de)(de)一(yi)(yi)個編(bian)(bian)碼(ma)(ma)(ma)，這一(yi)(yi)碼(ma)(ma)(ma)區(qu)(qu)所(suo)顯(xian)示的(de)(de)角度(du)(du)(du)(du)范圍，稱(cheng)為編(bian)(bian)碼(ma)(ma)(ma)度(du)(du)(du)(du)盤(pan)的(de)(de)角度(du)(du)(du)(du)分(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“0”，這(zhe)樣碼盤上每一(yi)格就(jiu)對應一(yi)個二進制數(shu)，經過譯碼即成十進制數(shu)，從而能顯示一(yi)個度(du)(du)盤上讀出(chu)的(de)方(fang)位(wei)或角(jiao)度(du)(du)數(shu)值。因此，編碼度(du)(du)盤的(de)測角(jiao)方(fang)式(shi)為絕對法(fa)測角(jiao)。