全站儀的工作原理

全站儀是一種集光、機(ji)、電(dian)為(wei)一體的新(xin)型測(ce)角儀(yi)器，與光學(xue)經(jing)緯(wei)儀(yi)比(bi)較(jiao)電(dian)子(zi)經(jing)緯(wei)儀(yi)將光學(xue)度盤(pan)換為(wei)光電(dian)掃描度盤(pan)，將人工光學(xue)測(ce)微讀(du)(du)數(shu)(shu)代之以(yi)自動(dong)(dong)記(ji)錄和顯(xian)示讀(du)(du)數(shu)(shu)，使測(ce)角操作(zuo)簡(jian)單(dan)化(hua)，且(qie)可避免讀(du)(du)數(shu)(shu)誤差的產生。電(dian)子(zi)經(jing)緯(wei)儀(yi)的自動(dong)(dong)記(ji)錄、儲存、計算功(gong)能(neng)，以(yi)及(ji)數(shu)(shu)據通(tong)訊功(gong)能(neng)，進一步(bu)提高了測(ce)量作(zuo)業的自動(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(zhan)儀主要由測角系統(tong)(tong)(tong)(tong)、測距系統(tong)(tong)(tong)(tong)、數據(ju)處理(li)系統(tong)(tong)(tong)(tong)及(ji)通訊接(jie)(jie)(jie)口(kou)、鍵盤、電(dian)源等(deng)部分構成，其中(zhong)，測角系統(tong)(tong)(tong)(tong)用(yong)于(yu)(yu)(yu)完(wan)成測角功(gong)能；測距系統(tong)(tong)(tong)(tong)用(yong)于(yu)(yu)(yu)完(wan)成測距功(gong)能；數據(ju)處理(li)系統(tong)(tong)(tong)(tong)用(yong)于(yu)(yu)(yu)完(wan)成對(dui)數據(ju)的自(zi)動(dong)記錄功(gong)能；通訊接(jie)(jie)(jie)口(kou)用(yong)于(yu)(yu)(yu)將內存(cun)與計算機連接(jie)(jie)(jie)起(qi)來(lai)，實現雙(shuang)向(xiang)信息傳輸；鍵盤用(yong)于(yu)(yu)(yu)在(zai)測量過(guo)程中(zhong)輸入數據(ju)或操作(zuo)指(zhi)令；電(dian)源用(yong)于(yu)(yu)(yu)給全(quan)站(zhan)儀提供工作(zuo)所需能量。除此之外(wai)，全(quan)站(zhan)儀還可根據(ju)需要接(jie)(jie)(jie)入同(tong)軸望遠鏡、雙(shuang)軸自(zi)動(dong)補償系統(tong)(tong)(tong)(tong)等(deng)輔助設施，以增加其可完(wan)成功(gong)能。

全站儀同軸化的(de)(de)(de)(de)基本原理是：在望遠物鏡(jing)與調焦(jiao)透鏡(jing)間設(she)置(zhi)分(fen)(fen)光(guang)(guang)(guang)棱(leng)(leng)(leng)鏡(jing)系統(tong)(tong)，通(tong)過該系統(tong)(tong)實現望遠鏡(jing)的(de)(de)(de)(de)多(duo)功能，即既可瞄(miao)準目標，使(shi)(shi)之成像于(yu)十字絲(si)分(fen)(fen)劃板，進(jin)(jin)行角(jiao)度測量，同時(shi)其測距部分(fen)(fen)的(de)(de)(de)(de)外光(guang)(guang)(guang)路(lu)系統(tong)(tong)又能使(shi)(shi)測距部分(fen)(fen)的(de)(de)(de)(de)光(guang)(guang)(guang)敏二(er)極(ji)(ji)管發(fa)(fa)射的(de)(de)(de)(de)調制紅外光(guang)(guang)(guang)在經(jing)物鏡(jing)射向反(fan)光(guang)(guang)(guang)棱(leng)(leng)(leng)鏡(jing)后。 經(jing)同一路(lu)徑(jing)反(fan)射回來，再經(jing)分(fen)(fen)光(guang)(guang)(guang)棱(leng)(leng)(leng)鏡(jing)作用使(shi)(shi)回光(guang)(guang)(guang)被(bei)光(guang)(guang)(guang)電二(er)極(ji)(ji)管接(jie)收(shou)，為測距需(xu)要在儀器內部另(ling)設(she)一內光(guang)(guang)(guang)路(lu)系統(tong)(tong)，通(tong)過分(fen)(fen)光(guang)(guang)(guang)棱(leng)(leng)(leng)鏡(jing)系統(tong)(tong)中的(de)(de)(de)(de)光(guang)(guang)(guang)導纖(xian)維將(jiang)由(you)光(guang)(guang)(guang)敏二(er)極(ji)(ji)管發(fa)(fa)射的(de)(de)(de)(de)調制紅外光(guang)(guang)(guang)傳也送給光(guang)(guang)(guang)電二(er)極(ji)(ji)管接(jie)收(shou)，進(jin)(jin)行而由(you)內、外光(guang)(guang)(guang)路(lu)調制光(guang)(guang)(guang)的(de)(de)(de)(de)相位差間接(jie)計(ji)算(suan)光(guang)(guang)(guang)的(de)(de)(de)(de)傳播(bo)時(shi)間，計(ji)算(suan)實測距離。

全站儀測量原理

它的基本測(ce)量原(yuan)理是電(dian)子測(ce)距技(ji)術和電(dian)子測(ce)角技(ji)術。

1、電子測距技術

電子(zi)測距(ju)的(de)基本(ben)原理(li)是利(li)用電磁(ci)波在空氣(qi)中(zhong)傳播(bo)的(de)速度(du)為已知(zhi)這一特性，測定電磁(ci)波在被測距(ju)離上往返傳播(bo)的(de)時(shi)(shi)間來(lai)求得(de)距(ju)離值(zhi)。但是，這種(zhong)直(zhi)接測距(ju)的(de)方法(fa)(fa)(fa)實現起來(lai)非常困難，當(dang)我們要求較高(gao)的(de)測量精(jing)度(du)時(shi)(shi)，對測量時(shi)(shi)間的(de)要求很(hen)高(gao)，這在實踐過(guo)程中(zhong)是非常困難的(de)。因此，在實際的(de)測距(ju)過(guo)程中(zhong)可以根據(ju)此原理(li)采(cai)取改進(jin)的(de)方法(fa)(fa)(fa)進(jin)行測距(ju)。在實際過(guo)程中(zhong)主要用兩種(zhong)方法(fa)(fa)(fa)，脈沖(chong)法(fa)(fa)(fa)和相位法(fa)(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。實踐表明，其測量精度(du)不低于相位(wei)法測距的精度(du)。

（2）相位法

相(xiang)位(wei)法測(ce)距(ju)是測(ce)定由儀器連(lian)續(xu)發射的電磁波正弦信號在被(bei)測(ce)距(ju)離上往返傳播所產生的相(xiang)位(wei)差，根(gen)據(ju)相(xiang)位(wei)差來得到距(ju)離。

在所有的(de)全(quan)站儀測(ce)(ce)距部(bu)分(fen)標稱(cheng)精度指標的(de)表達式中，均使(shi)用±（A＋BD）的(de)形(xing)式。該(gai)精度表達式有A和BD組成，A代表固定(ding)誤(wu)差(cha)，單(dan)位為mm。固定(ding)誤(wu)差(cha)主要由(you)儀器(qi)加常數(shu)的(de)測(ce)(ce)定(ding)誤(wu)差(cha)、對中誤(wu)差(cha)、測(ce)(ce)相誤(wu)差(cha)等引(yin)(yin)起。固定(ding)誤(wu)差(cha)與測(ce)(ce)量的(de)距離無關，即(ji)不(bu)管實際測(ce)(ce)量的(de)距離多長，全(quan)站儀將(jiang)存在不(bu)大(da)于該(gai)值的(de)固定(ding)誤(wu)差(cha)。全(quan)站儀的(de)這(zhe)一(yi)部(bu)分(fen)誤(wu)差(cha)一(yi)般在1-5mm之間。BD代表比(bi)例誤(wu)差(cha)，它主要由(you)儀器(qi)頻率(lv)誤(wu)差(cha)，大(da)氣(qi)折(zhe)射(she)誤(wu)差(cha)引(yin)(yin)起。B的(de)單(dan)位為

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(cheng)常(chang)數(shu)。通過(guo)在(zai)測量作業(ye)現場的溫度(du)(du)T和氣壓(ya)PP以及濕度(du)(du)H，按照(zhao)一定的氣象改(gai)正(zheng)公式，求出氣象改(gai)正(zheng)數(shu)ppm以及距(ju)離改(gai)正(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，甚至可以忽略不(bu)計。用戶可根據測(ce)量(liang)任務對精度的(de)要求(qiu)，來決定加(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(chuan)統的(de)光(guang)學讀數系(xi)統。目前，這套轉換系(xi)統有兩(liang)類：一類是采用光(guang)柵度(du)(du)盤的(de)所(suo)謂(wei)“增量法”測(ce)角；一類是采用編碼(ma)度(du)(du)盤的(de)所(suo)謂(wei)“絕(jue)對法”測(ce)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(cheng)(cheng)許多(duo)寬(kuan)度(du)和間(jian)(jian)(jian)隔(ge)都相(xiang)等的(de)(de)(de)直線條紋的(de)(de)(de)光(guang)(guang)(guang)(guang)學器(qi)件，即它是(shi)由許多(duo)等間(jian)(jian)(jian)隔(ge)的(de)(de)(de)透(tou)光(guang)(guang)(guang)(guang)的(de)(de)(de)縫隙(xi)和不(bu)透(tou)光(guang)(guang)(guang)(guang)的(de)(de)(de)刻畫線所組成(cheng)(cheng)。光(guang)(guang)(guang)(guang)通過光(guang)(guang)(guang)(guang)柵(zha)(zha)時會產(chan)生光(guang)(guang)(guang)(guang)的(de)(de)(de)衍射(she)效應。用于透(tou)射(she)衍射(she)的(de)(de)(de)光(guang)(guang)(guang)(guang)柵(zha)(zha)稱(cheng)為透(tou)射(she)光(guang)(guang)(guang)(guang)柵(zha)(zha)，用于反射(she)光(guang)(guang)(guang)(guang)衍射(she)的(de)(de)(de)光(guang)(guang)(guang)(guang)柵(zha)(zha)稱(cheng)為反射(she)光(guang)(guang)(guang)(guang)柵(zha)(zha)。光(guang)(guang)(guang)(guang)柵(zha)(zha)有(you)兩個基本(ben)參數，一(yi)是(shi)毫米長度(du)范圍內(nei)的(de)(de)(de)條紋數，稱(cheng)為條紋密度(du)；二是(shi)相(xiang)鄰(lin)條紋之間(jian)(jian)(jian)的(de)(de)(de)距離，稱(cheng)為間(jian)(jian)(jian)距。

根(gen)據測量對象不同，有長度測量用的(de)光柵(zha)刻(ke)在一(yi)直(zhi)尺(chi)上(shang)稱為直(zhi)線(xian)光柵(zha)。另一(yi)種是用于角(jiao)度測量的(de)光柵(zha)，是在度盤徑向(xiang)按等角(jiao)距離刻(ke)制的(de)輻(fu)射狀的(de)徑向(xiang)光柵(zha)。

（2）編碼度盤測角原理（絕對法）

編碼(ma)(ma)(ma)(ma)度(du)(du)(du)盤(pan)類似于(yu)普通光(guang)學度(du)(du)(du)盤(pan)的玻璃碼(ma)(ma)(ma)(ma)盤(pan)，在此(ci)平面(mian)上分(fen)著若干(gan)寬度(du)(du)(du)相(xiang)同的同心(xin)圓環(huan)(huan)，而(er)每(mei)一圓環(huan)(huan)又(you)被刻制成(cheng)若干(gan)等長(chang)的透光(guang)和不(bu)透光(guang)區，這種圓環(huan)(huan)稱(cheng)(cheng)為編碼(ma)(ma)(ma)(ma)度(du)(du)(du)盤(pan)的“碼(ma)(ma)(ma)(ma)道(dao)”。每(mei)條(tiao)碼(ma)(ma)(ma)(ma)道(dao)代表(biao)一個(ge)二(er)進制的數位，有里到外，位數由高到低。在碼(ma)(ma)(ma)(ma)道(dao)數目一定的條(tiao)件下，整個(ge)編碼(ma)(ma)(ma)(ma)盤(pan)可以分(fen)成(cheng)數目一定，面(mian)積相(xiang)等的扇形區，稱(cheng)(cheng)為編碼(ma)(ma)(ma)(ma)盤(pan)碼(ma)(ma)(ma)(ma)區。處于(yu)同一碼(ma)(ma)(ma)(ma)區內的各碼(ma)(ma)(ma)(ma)道(dao)的透光(guang)區與不(bu)透光(guang)區的排列(lie)，構成(cheng)編碼(ma)(ma)(ma)(ma)盤(pan)的一個(ge)編碼(ma)(ma)(ma)(ma)，這一碼(ma)(ma)(ma)(ma)區所(suo)顯示的角(jiao)度(du)(du)(du)范圍，稱(cheng)(cheng)為編碼(ma)(ma)(ma)(ma)度(du)(du)(du)盤(pan)的角(jiao)度(du)(du)(du)分(fen)辨率(lv)。

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(shi)“0”，這樣碼盤(pan)上每(mei)一(yi)格就對應一(yi)個二進制數，經過譯碼即成十(shi)進制數，從而能顯示一(yi)個度盤(pan)上讀出的(de)方位(wei)或角度數值(zhi)。因此，編碼度盤(pan)的(de)測角方式為(wei)絕(jue)對法測角。