全站儀的工作原理

全站儀是一種集光(guang)、機、電為(wei)一體的(de)新(xin)型測(ce)角(jiao)(jiao)儀器，與光(guang)學(xue)經緯儀比較電子經緯儀將(jiang)光(guang)學(xue)度盤(pan)換為(wei)光(guang)電掃描度盤(pan)，將(jiang)人(ren)工光(guang)學(xue)測(ce)微讀(du)數(shu)(shu)(shu)代之以自(zi)(zi)動(dong)記錄和顯示(shi)讀(du)數(shu)(shu)(shu)，使測(ce)角(jiao)(jiao)操作簡單化，且可避免讀(du)數(shu)(shu)(shu)誤差(cha)的(de)產(chan)生。電子經緯儀的(de)自(zi)(zi)動(dong)記錄、儲存(cun)、計算(suan)功能(neng)(neng)，以及數(shu)(shu)(shu)據通訊(xun)功能(neng)(neng)，進一步(bu)提高了測(ce)量作業的(de)自(zi)(zi)動(dong)化程度。

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(quan)站儀主要(yao)由測角(jiao)系(xi)(xi)統(tong)(tong)、測距系(xi)(xi)統(tong)(tong)、數(shu)據(ju)處理系(xi)(xi)統(tong)(tong)及通(tong)訊接口、鍵(jian)盤(pan)、電(dian)源等(deng)部分構(gou)成，其中，測角(jiao)系(xi)(xi)統(tong)(tong)用(yong)于(yu)完成測角(jiao)功(gong)能(neng)；測距系(xi)(xi)統(tong)(tong)用(yong)于(yu)完成測距功(gong)能(neng)；數(shu)據(ju)處理系(xi)(xi)統(tong)(tong)用(yong)于(yu)完成對數(shu)據(ju)的自(zi)動記(ji)錄(lu)功(gong)能(neng)；通(tong)訊接口用(yong)于(yu)將內存與計算機(ji)連接起來，實現(xian)雙(shuang)向信(xin)息(xi)傳輸；鍵(jian)盤(pan)用(yong)于(yu)在測量(liang)過程中輸入(ru)(ru)數(shu)據(ju)或操作指令；電(dian)源用(yong)于(yu)給全(quan)站儀提(ti)供(gong)工作所需能(neng)量(liang)。除此(ci)之外，全(quan)站儀還可(ke)根據(ju)需要(yao)接入(ru)(ru)同軸望遠鏡、雙(shuang)軸自(zi)動補償系(xi)(xi)統(tong)(tong)等(deng)輔助(zhu)設(she)施(shi)，以增加其可(ke)完成功(gong)能(neng)。

全(quan)站儀同(tong)軸化的(de)(de)(de)基本(ben)原理是：在望遠(yuan)物鏡(jing)(jing)與調焦透(tou)鏡(jing)(jing)間(jian)設置分(fen)(fen)光(guang)(guang)(guang)(guang)棱(leng)鏡(jing)(jing)系(xi)統，通過該(gai)系(xi)統實現望遠(yuan)鏡(jing)(jing)的(de)(de)(de)多功(gong)能，即既可(ke)瞄準(zhun)目標，使之成像于十字絲分(fen)(fen)劃板(ban)，進(jin)行角度(du)測(ce)量，同(tong)時其測(ce)距部(bu)(bu)分(fen)(fen)的(de)(de)(de)外光(guang)(guang)(guang)(guang)路(lu)系(xi)統又能使測(ce)距部(bu)(bu)分(fen)(fen)的(de)(de)(de)光(guang)(guang)(guang)(guang)敏二(er)(er)極管(guan)(guan)發射(she)的(de)(de)(de)調制(zhi)紅外光(guang)(guang)(guang)(guang)在經物鏡(jing)(jing)射(she)向反光(guang)(guang)(guang)(guang)棱(leng)鏡(jing)(jing)后(hou)。 經同(tong)一路(lu)徑反射(she)回(hui)(hui)來，再經分(fen)(fen)光(guang)(guang)(guang)(guang)棱(leng)鏡(jing)(jing)作用使回(hui)(hui)光(guang)(guang)(guang)(guang)被(bei)光(guang)(guang)(guang)(guang)電二(er)(er)極管(guan)(guan)接(jie)(jie)收(shou)，為測(ce)距需要在儀器內(nei)(nei)部(bu)(bu)另設一內(nei)(nei)光(guang)(guang)(guang)(guang)路(lu)系(xi)統，通過分(fen)(fen)光(guang)(guang)(guang)(guang)棱(leng)鏡(jing)(jing)系(xi)統中(zhong)的(de)(de)(de)光(guang)(guang)(guang)(guang)導(dao)纖維將由光(guang)(guang)(guang)(guang)敏二(er)(er)極管(guan)(guan)發射(she)的(de)(de)(de)調制(zhi)紅外光(guang)(guang)(guang)(guang)傳(chuan)也(ye)送給光(guang)(guang)(guang)(guang)電二(er)(er)極管(guan)(guan)接(jie)(jie)收(shou)，進(jin)行而由內(nei)(nei)、外光(guang)(guang)(guang)(guang)路(lu)調制(zhi)光(guang)(guang)(guang)(guang)的(de)(de)(de)相位(wei)差間(jian)接(jie)(jie)計算光(guang)(guang)(guang)(guang)的(de)(de)(de)傳(chuan)播時間(jian)，計算實測(ce)距離(li)。

全站儀測量原理

它(ta)的(de)基本測(ce)(ce)量原理是電子測(ce)(ce)距(ju)技術和(he)電子測(ce)(ce)角技術。

1、電子測距技術

電(dian)(dian)子測(ce)距(ju)(ju)的(de)基本原理是利用電(dian)(dian)磁(ci)波在(zai)空氣中(zhong)傳(chuan)(chuan)播的(de)速(su)度為已知這一特性，測(ce)定電(dian)(dian)磁(ci)波在(zai)被測(ce)距(ju)(ju)離(li)上往返(fan)傳(chuan)(chuan)播的(de)時間來求(qiu)得距(ju)(ju)離(li)值。但是，這種(zhong)直接測(ce)距(ju)(ju)的(de)方(fang)法實(shi)(shi)現起(qi)來非常困難，當我們要(yao)求(qiu)較(jiao)高的(de)測(ce)量精度時，對測(ce)量時間的(de)要(yao)求(qiu)很高，這在(zai)實(shi)(shi)踐過(guo)(guo)程中(zhong)是非常困難的(de)。因此，在(zai)實(shi)(shi)際的(de)測(ce)距(ju)(ju)過(guo)(guo)程中(zhong)可以根據此原理采取改(gai)進的(de)方(fang)法進行測(ce)距(ju)(ju)。在(zai)實(shi)(shi)際過(guo)(guo)程中(zhong)主要(yao)用兩種(zhong)方(fang)法，脈(mo)沖法和相(xiang)位法。

（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(shi)踐表明，其測(ce)量(liang)精(jing)度不(bu)低于相(xiang)位法測(ce)距的精(jing)度。

（2）相位法

相位(wei)法測距是測定(ding)由(you)儀器(qi)連(lian)續(xu)發(fa)射的(de)電磁波正弦信(xin)號在被測距離上往(wang)返傳(chuan)播(bo)所產生(sheng)的(de)相位(wei)差，根(gen)據相位(wei)差來得到距離。

在(zai)(zai)所有的(de)(de)(de)全站(zhan)儀(yi)(yi)測距(ju)(ju)部(bu)分(fen)標(biao)稱精(jing)(jing)度指標(biao)的(de)(de)(de)表達(da)式(shi)中，均(jun)使用±（A＋BD）的(de)(de)(de)形式(shi)。該精(jing)(jing)度表達(da)式(shi)有A和(he)BD組成，A代表固(gu)定(ding)誤(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)差(cha)，單位為(wei)mm。固(gu)定(ding)誤(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)差(cha)主要(yao)由儀(yi)(yi)器加常(chang)數(shu)的(de)(de)(de)測定(ding)誤(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)差(cha)、對中誤(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)差(cha)、測相誤(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)差(cha)等(deng)引起(qi)。固(gu)定(ding)誤(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)差(cha)與測量的(de)(de)(de)距(ju)(ju)離無關，即不管(guan)實際測量的(de)(de)(de)距(ju)(ju)離多(duo)長，全站(zhan)儀(yi)(yi)將存(cun)在(zai)(zai)不大于該值的(de)(de)(de)固(gu)定(ding)誤(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)差(cha)。全站(zhan)儀(yi)(yi)的(de)(de)(de)這一部(bu)分(fen)誤(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)差(cha)一般在(zai)(zai)1-5mm之間(jian)。BD代表比例誤(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)差(cha)，它主要(yao)由儀(yi)(yi)器頻率(lv)誤(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)差(cha)，大氣折射誤(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)差(cha)引起(qi)。B的(de)(de)(de)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常(chang)數。通(tong)過(guo)在測量作業現場的溫度T和(he)氣(qi)(qi)壓PP以及濕度H，按照一定的氣(qi)(qi)象(xiang)(xiang)改(gai)(gai)正公式，求出(chu)氣(qi)(qi)象(xiang)(xiang)改(gai)(gai)正數ppm以及距離(li)改(gai)(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，甚至可(ke)以忽略不計。用戶可(ke)根據測(ce)量任務對(dui)精度的(de)要求(qiu)，來決(jue)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)統的(de)光學(xue)讀(du)數系統。目(mu)前，這(zhe)套轉換(huan)系統有兩類(lei)：一類(lei)是采用光柵度盤的(de)所謂“增量法”測角(jiao)；一類(lei)是采用編碼度盤的(de)所謂“絕對法”測角(jiao)。

（1）光柵度盤測角原理（增量法）

光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)柵(zha)(zha)就是具有刻制成許多寬度(du)和(he)間隔都相等(deng)的直線(xian)條(tiao)(tiao)紋(wen)(wen)(wen)的光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)學器(qi)件，即它是由許多等(deng)間隔的透(tou)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)的縫隙和(he)不(bu)透(tou)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)的刻畫線(xian)所組(zu)成。光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)通過光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)柵(zha)(zha)時會產生光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)的衍(yan)射效應。用(yong)(yong)于透(tou)射衍(yan)射的光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)柵(zha)(zha)稱(cheng)為透(tou)射光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)柵(zha)(zha)，用(yong)(yong)于反射光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)衍(yan)射的光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)柵(zha)(zha)稱(cheng)為反射光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)柵(zha)(zha)。光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)柵(zha)(zha)有兩個基(ji)本參數(shu)(shu)，一是毫米長度(du)范圍內的條(tiao)(tiao)紋(wen)(wen)(wen)數(shu)(shu)，稱(cheng)為條(tiao)(tiao)紋(wen)(wen)(wen)密(mi)度(du)；二是相鄰條(tiao)(tiao)紋(wen)(wen)(wen)之(zhi)間的距離，稱(cheng)為間距。

根(gen)據(ju)測量對(dui)象不同，有(you)長度(du)測量用(yong)的光柵刻在一直尺上稱為(wei)直線(xian)光柵。另一種是用(yong)于角(jiao)度(du)測量的光柵，是在度(du)盤徑向按(an)等角(jiao)距(ju)離刻制的輻射(she)狀的徑向光柵。

（2）編碼度盤測角原理（絕對法）

編(bian)(bian)碼(ma)(ma)(ma)(ma)度(du)(du)(du)盤(pan)(pan)類似于(yu)普通(tong)光(guang)(guang)學度(du)(du)(du)盤(pan)(pan)的(de)玻璃碼(ma)(ma)(ma)(ma)盤(pan)(pan)，在此平(ping)面上分(fen)(fen)著若(ruo)干寬度(du)(du)(du)相同(tong)(tong)的(de)同(tong)(tong)心圓(yuan)環，而每一(yi)(yi)(yi)(yi)圓(yuan)環又被(bei)刻(ke)制成若(ruo)干等長的(de)透光(guang)(guang)和(he)不(bu)透光(guang)(guang)區，這(zhe)種圓(yuan)環稱(cheng)(cheng)為編(bian)(bian)碼(ma)(ma)(ma)(ma)度(du)(du)(du)盤(pan)(pan)的(de)“碼(ma)(ma)(ma)(ma)道(dao)”。每條(tiao)碼(ma)(ma)(ma)(ma)道(dao)代表一(yi)(yi)(yi)(yi)個(ge)二進制的(de)數位，有里到(dao)(dao)外，位數由高到(dao)(dao)低。在碼(ma)(ma)(ma)(ma)道(dao)數目一(yi)(yi)(yi)(yi)定的(de)條(tiao)件下，整個(ge)編(bian)(bian)碼(ma)(ma)(ma)(ma)盤(pan)(pan)可以分(fen)(fen)成數目一(yi)(yi)(yi)(yi)定，面積(ji)相等的(de)扇形(xing)區，稱(cheng)(cheng)為編(bian)(bian)碼(ma)(ma)(ma)(ma)盤(pan)(pan)碼(ma)(ma)(ma)(ma)區。處(chu)于(yu)同(tong)(tong)一(yi)(yi)(yi)(yi)碼(ma)(ma)(ma)(ma)區內(nei)的(de)各碼(ma)(ma)(ma)(ma)道(dao)的(de)透光(guang)(guang)區與不(bu)透光(guang)(guang)區的(de)排列，構(gou)成編(bian)(bian)碼(ma)(ma)(ma)(ma)盤(pan)(pan)的(de)一(yi)(yi)(yi)(yi)個(ge)編(bian)(bian)碼(ma)(ma)(ma)(ma)，這(zhe)一(yi)(yi)(yi)(yi)碼(ma)(ma)(ma)(ma)區所顯(xian)示的(de)角度(du)(du)(du)范圍，稱(cheng)(cheng)為編(bian)(bian)碼(ma)(ma)(ma)(ma)度(du)(du)(du)盤(pan)(pan)的(de)角度(du)(du)(du)分(fen)(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(biao)示“0”，這樣碼(ma)盤(pan)上(shang)每一格就對應一個(ge)二進(jin)制(zhi)數，經(jing)過(guo)譯碼(ma)即成(cheng)十(shi)進(jin)制(zhi)數，從而能顯(xian)示一個(ge)度(du)(du)盤(pan)上(shang)讀出的方位或(huo)角度(du)(du)數值。因(yin)此，編(bian)碼(ma)度(du)(du)盤(pan)的測角方式為絕對法測角。