全站儀的工作原理
全站儀是(shi)一種(zhong)集光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)、機、電為(wei)一體的新型(xing)測角儀器,與光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)學(xue)經緯(wei)(wei)儀比較電子(zi)經緯(wei)(wei)儀將光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)學(xue)度(du)盤(pan)換為(wei)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)電掃描(miao)度(du)盤(pan),將人(ren)工光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)學(xue)測微讀(du)數(shu)代之以自動記(ji)錄和顯示讀(du)數(shu),使測角操作簡(jian)單化,且(qie)可避免讀(du)數(shu)誤差的產生(sheng)。電子(zi)經緯(wei)(wei)儀的自動記(ji)錄、儲(chu)存、計算功能(neng),以及數(shu)據通訊功能(neng),進一步(bu)提高了測量作業的自動化程度(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″等幾個等級。
全(quan)站(zhan)儀(yi)(yi)主要(yao)由測(ce)(ce)角系(xi)(xi)統、測(ce)(ce)距系(xi)(xi)統、數據(ju)處理(li)系(xi)(xi)統及通訊(xun)(xun)接(jie)(jie)口、鍵盤、電源(yuan)等部分構成(cheng),其中,測(ce)(ce)角系(xi)(xi)統用(yong)(yong)于(yu)(yu)完(wan)成(cheng)測(ce)(ce)角功能;測(ce)(ce)距系(xi)(xi)統用(yong)(yong)于(yu)(yu)完(wan)成(cheng)測(ce)(ce)距功能;數據(ju)處理(li)系(xi)(xi)統用(yong)(yong)于(yu)(yu)完(wan)成(cheng)對數據(ju)的自動記錄功能;通訊(xun)(xun)接(jie)(jie)口用(yong)(yong)于(yu)(yu)將(jiang)內存與計(ji)算機連(lian)接(jie)(jie)起來,實現雙(shuang)向(xiang)信(xin)息傳輸(shu);鍵盤用(yong)(yong)于(yu)(yu)在(zai)測(ce)(ce)量(liang)過(guo)程中輸(shu)入(ru)數據(ju)或操(cao)作(zuo)指令;電源(yuan)用(yong)(yong)于(yu)(yu)給(gei)全(quan)站(zhan)儀(yi)(yi)提(ti)供工作(zuo)所需能量(liang)。除此之外,全(quan)站(zhan)儀(yi)(yi)還可根據(ju)需要(yao)接(jie)(jie)入(ru)同軸望(wang)遠鏡、雙(shuang)軸自動補償系(xi)(xi)統等輔(fu)助設施,以增(zeng)加其可完(wan)成(cheng)功能。
全站儀同(tong)軸化的基(ji)本原理(li)是:在望遠(yuan)物鏡(jing)與調(diao)焦(jiao)透(tou)鏡(jing)間(jian)設(she)置(zhi)分(fen)(fen)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)棱(leng)鏡(jing)系統(tong),通過該(gai)系統(tong)實現望遠(yuan)鏡(jing)的多功能(neng),即既可瞄準目標,使之成像于十字絲分(fen)(fen)劃板(ban),進行角(jiao)度測(ce)量,同(tong)時(shi)其測(ce)距部分(fen)(fen)的外光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)路(lu)(lu)系統(tong)又能(neng)使測(ce)距部分(fen)(fen)的光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)敏二(er)(er)(er)極(ji)管發射(she)(she)的調(diao)制(zhi)紅(hong)外光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)在經(jing)物鏡(jing)射(she)(she)向反(fan)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)棱(leng)鏡(jing)后(hou)。 經(jing)同(tong)一路(lu)(lu)徑(jing)反(fan)射(she)(she)回來,再經(jing)分(fen)(fen)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)棱(leng)鏡(jing)作用(yong)使回光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)被光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)電(dian)二(er)(er)(er)極(ji)管接收(shou),為測(ce)距需要在儀器內(nei)部另設(she)一內(nei)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)路(lu)(lu)系統(tong),通過分(fen)(fen)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)棱(leng)鏡(jing)系統(tong)中的光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)導纖維將由光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)敏二(er)(er)(er)極(ji)管發射(she)(she)的調(diao)制(zhi)紅(hong)外光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)傳也送給光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)電(dian)二(er)(er)(er)極(ji)管接收(shou),進行而(er)由內(nei)、外光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)路(lu)(lu)調(diao)制(zhi)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)的相位差(cha)間(jian)接計算光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)的傳播時(shi)間(jian),計算實測(ce)距離。
全站儀測量原理
它的基本測(ce)量原理是電(dian)子測(ce)距技術(shu)和電(dian)子測(ce)角技術(shu)。
1、電子測距技術
電(dian)子(zi)測(ce)(ce)距(ju)的(de)(de)基本(ben)原理是(shi)利用電(dian)磁波(bo)在(zai)空氣中傳播(bo)的(de)(de)速度(du)為已知這一(yi)特性,測(ce)(ce)定電(dian)磁波(bo)在(zai)被測(ce)(ce)距(ju)離上往返傳播(bo)的(de)(de)時(shi)間來(lai)求得距(ju)離值。但是(shi),這種直接測(ce)(ce)距(ju)的(de)(de)方(fang)法(fa)實(shi)(shi)現起(qi)來(lai)非常(chang)(chang)困難,當我們要(yao)求較高(gao)的(de)(de)測(ce)(ce)量(liang)精(jing)度(du)時(shi),對測(ce)(ce)量(liang)時(shi)間的(de)(de)要(yao)求很高(gao),這在(zai)實(shi)(shi)踐過(guo)程(cheng)中是(shi)非常(chang)(chang)困難的(de)(de)。因(yin)此,在(zai)實(shi)(shi)際的(de)(de)測(ce)(ce)距(ju)過(guo)程(cheng)中可以根(gen)據此原理采取改進的(de)(de)方(fang)法(fa)進行測(ce)(ce)距(ju)。在(zai)實(shi)(shi)際過(guo)程(cheng)中主(zhu)要(yao)用兩(liang)種方(fang)法(fa),脈沖(chong)法(fa)和相位法(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(shi)踐表明,其測量精度不低于相(xiang)位法測距的(de)精度。
(2)相位法
相(xiang)位法測距(ju)(ju)是(shi)測定由儀器(qi)連續發射的(de)電磁(ci)波正弦信號在被測距(ju)(ju)離(li)(li)上(shang)往返傳播(bo)所產生的(de)相(xiang)位差,根據相(xiang)位差來(lai)得到距(ju)(ju)離(li)(li)。
在所有的(de)(de)全(quan)站(zhan)(zhan)儀(yi)測(ce)(ce)距部分標稱精度指標的(de)(de)表(biao)達(da)式(shi)(shi)中,均使(shi)用±(A+BD)的(de)(de)形式(shi)(shi)。該精度表(biao)達(da)式(shi)(shi)有A和BD組成,A代(dai)表(biao)固(gu)定(ding)(ding)誤(wu)(wu)(wu)(wu)差(cha),單位(wei)為mm。固(gu)定(ding)(ding)誤(wu)(wu)(wu)(wu)差(cha)主要由儀(yi)器加常數的(de)(de)測(ce)(ce)定(ding)(ding)誤(wu)(wu)(wu)(wu)差(cha)、對中誤(wu)(wu)(wu)(wu)差(cha)、測(ce)(ce)相誤(wu)(wu)(wu)(wu)差(cha)等引(yin)(yin)起(qi)。固(gu)定(ding)(ding)誤(wu)(wu)(wu)(wu)差(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)(zhan)儀(yi)將(jiang)存(cun)在不大(da)于(yu)該值的(de)(de)固(gu)定(ding)(ding)誤(wu)(wu)(wu)(wu)差(cha)。全(quan)站(zhan)(zhan)儀(yi)的(de)(de)這一部分誤(wu)(wu)(wu)(wu)差(cha)一般在1-5mm之間。BD代(dai)表(biao)比(bi)例(li)誤(wu)(wu)(wu)(wu)差(cha),它主要由儀(yi)器頻率誤(wu)(wu)(wu)(wu)差(cha),大(da)氣折射誤(wu)(wu)(wu)(wu)差(cha)引(yin)(yin)起(qi)。B的(de)(de)單位(wei)為
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(chang)數(shu)。通(tong)過在測量(liang)作(zuo)業(ye)現場(chang)的溫度(du)T和氣(qi)壓PP以及(ji)濕(shi)度(du)H,按照一定的氣(qi)象(xiang)改(gai)正(zheng)(zheng)公式,求(qiu)出氣(qi)象(xiang)改(gai)正(zheng)(zheng)數(shu)ppm以及(ji)距離改(gai)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(zhi)可以忽略不計。用(yong)戶可根據測(ce)量任務(wu)對精度(du)的要求,來(lai)決定(ding)加(jia)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統(tong)(tong)的光(guang)學讀數系(xi)統(tong)(tong)。目前,這(zhe)套轉換系(xi)統(tong)(tong)有兩類(lei)(lei):一(yi)類(lei)(lei)是采用光(guang)柵度盤(pan)的所謂“增量法(fa)”測角;一(yi)類(lei)(lei)是采用編(bian)碼(ma)度盤(pan)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)(guang)柵(zha)就是(shi)具有(you)刻制(zhi)成許多寬度(du)和間(jian)隔都相等的(de)直線條紋(wen)的(de)光(guang)(guang)(guang)(guang)學器件,即它是(shi)由許多等間(jian)隔的(de)透光(guang)(guang)(guang)(guang)的(de)縫隙和不(bu)透光(guang)(guang)(guang)(guang)的(de)刻畫(hua)線所組成。光(guang)(guang)(guang)(guang)通過光(guang)(guang)(guang)(guang)柵(zha)時會(hui)產生光(guang)(guang)(guang)(guang)的(de)衍(yan)射(she)(she)效應。用于透射(she)(she)衍(yan)射(she)(she)的(de)光(guang)(guang)(guang)(guang)柵(zha)稱為(wei)透射(she)(she)光(guang)(guang)(guang)(guang)柵(zha),用于反射(she)(she)光(guang)(guang)(guang)(guang)衍(yan)射(she)(she)的(de)光(guang)(guang)(guang)(guang)柵(zha)稱為(wei)反射(she)(she)光(guang)(guang)(guang)(guang)柵(zha)。光(guang)(guang)(guang)(guang)柵(zha)有(you)兩個基本參(can)數,一是(shi)毫米長度(du)范圍(wei)內的(de)條紋(wen)數,稱為(wei)條紋(wen)密度(du);二(er)是(shi)相鄰條紋(wen)之間(jian)的(de)距離,稱為(wei)間(jian)距。
根據測量對(dui)象不同,有(you)長度測量用的光柵(zha)(zha)刻在一直尺上稱(cheng)為直線(xian)光柵(zha)(zha)。另一種是(shi)(shi)用于角度測量的光柵(zha)(zha),是(shi)(shi)在度盤(pan)徑向(xiang)按(an)等角距離刻制的輻射狀(zhuang)的徑向(xiang)光柵(zha)(zha)。
(2)編碼度盤測角原理(絕對法)
編(bian)(bian)(bian)碼(ma)(ma)(ma)度(du)(du)盤(pan)類似(si)于普通(tong)光學度(du)(du)盤(pan)的(de)(de)(de)(de)(de)玻璃(li)碼(ma)(ma)(ma)盤(pan),在此平(ping)面上(shang)分著(zhu)若(ruo)干(gan)寬度(du)(du)相(xiang)同(tong)的(de)(de)(de)(de)(de)同(tong)心圓(yuan)(yuan)環(huan),而每(mei)一(yi)圓(yuan)(yuan)環(huan)又(you)被刻制成若(ruo)干(gan)等長的(de)(de)(de)(de)(de)透(tou)光和不(bu)透(tou)光區(qu),這種圓(yuan)(yuan)環(huan)稱為編(bian)(bian)(bian)碼(ma)(ma)(ma)度(du)(du)盤(pan)的(de)(de)(de)(de)(de)“碼(ma)(ma)(ma)道(dao)”。每(mei)條(tiao)碼(ma)(ma)(ma)道(dao)代(dai)表(biao)一(yi)個(ge)二進制的(de)(de)(de)(de)(de)數位,有里到外,位數由高到低。在碼(ma)(ma)(ma)道(dao)數目一(yi)定(ding)的(de)(de)(de)(de)(de)條(tiao)件(jian)下(xia),整個(ge)編(bian)(bian)(bian)碼(ma)(ma)(ma)盤(pan)可以分成數目一(yi)定(ding),面積(ji)相(xiang)等的(de)(de)(de)(de)(de)扇(shan)形區(qu),稱為編(bian)(bian)(bian)碼(ma)(ma)(ma)盤(pan)碼(ma)(ma)(ma)區(qu)。處于同(tong)一(yi)碼(ma)(ma)(ma)區(qu)內的(de)(de)(de)(de)(de)各碼(ma)(ma)(ma)道(dao)的(de)(de)(de)(de)(de)透(tou)光區(qu)與不(bu)透(tou)光區(qu)的(de)(de)(de)(de)(de)排(pai)列,構成編(bian)(bian)(bian)碼(ma)(ma)(ma)盤(pan)的(de)(de)(de)(de)(de)一(yi)個(ge)編(bian)(bian)(bian)碼(ma)(ma)(ma),這一(yi)碼(ma)(ma)(ma)區(qu)所(suo)顯示的(de)(de)(de)(de)(de)角度(du)(du)范圍,稱為編(bian)(bian)(bian)碼(ma)(ma)(ma)度(du)(du)盤(pan)的(de)(de)(de)(de)(de)角度(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”,不透光表(biao)示“0”,這樣碼(ma)盤(pan)上每一格就對(dui)應一個(ge)(ge)二進制(zhi)數,經過譯碼(ma)即成十進制(zhi)數,從而(er)能顯示(shi)一個(ge)(ge)度(du)盤(pan)上讀出的(de)(de)方位或角(jiao)度(du)數值。因此(ci),編(bian)碼(ma)度(du)盤(pan)的(de)(de)測角(jiao)方式為絕(jue)對(dui)法測角(jiao)。
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