全站儀的工作原理

全站儀是一種(zhong)集光、機、電為一體(ti)的新型測角(jiao)儀器，與光學經緯儀比(bi)較電子經緯儀將光學度(du)盤換為光電掃描度(du)盤，將人工光學測微讀(du)數(shu)代之以(yi)自動(dong)記錄和顯(xian)示(shi)讀(du)數(shu)，使測角(jiao)操作(zuo)簡(jian)單化，且(qie)可避免讀(du)數(shu)誤差的產(chan)生。電子經緯儀的自動(dong)記錄、儲存(cun)、計(ji)算(suan)功能(neng)，以(yi)及數(shu)據通訊功能(neng)，進(jin)一步提高了測量作(zuo)業的自動(dong)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(ji)個等級。

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全站儀主(zhu)要由測(ce)(ce)(ce)(ce)(ce)角(jiao)系(xi)統(tong)(tong)、測(ce)(ce)(ce)(ce)(ce)距(ju)系(xi)統(tong)(tong)、數(shu)(shu)據處(chu)理(li)系(xi)統(tong)(tong)及通訊接(jie)口(kou)、鍵盤、電(dian)源等(deng)部(bu)分構成(cheng)，其中，測(ce)(ce)(ce)(ce)(ce)角(jiao)系(xi)統(tong)(tong)用于(yu)完(wan)成(cheng)測(ce)(ce)(ce)(ce)(ce)角(jiao)功(gong)能(neng)；測(ce)(ce)(ce)(ce)(ce)距(ju)系(xi)統(tong)(tong)用于(yu)完(wan)成(cheng)測(ce)(ce)(ce)(ce)(ce)距(ju)功(gong)能(neng)；數(shu)(shu)據處(chu)理(li)系(xi)統(tong)(tong)用于(yu)完(wan)成(cheng)對數(shu)(shu)據的(de)自動記錄功(gong)能(neng)；通訊接(jie)口(kou)用于(yu)將內存與計算機連(lian)接(jie)起來，實現雙向(xiang)信息傳輸；鍵盤用于(yu)在測(ce)(ce)(ce)(ce)(ce)量過(guo)程中輸入數(shu)(shu)據或操作(zuo)指令(ling)；電(dian)源用于(yu)給全站儀提供工作(zuo)所需能(neng)量。除此之外，全站儀還可根據需要接(jie)入同軸望(wang)遠鏡、雙軸自動補償系(xi)統(tong)(tong)等(deng)輔(fu)助設施，以增(zeng)加其可完(wan)成(cheng)功(gong)能(neng)。

全(quan)站儀同(tong)軸化的(de)(de)(de)基本(ben)原(yuan)理是(shi)：在(zai)望(wang)遠(yuan)物鏡(jing)(jing)與(yu)調(diao)焦透鏡(jing)(jing)間設置分(fen)光(guang)(guang)(guang)棱(leng)鏡(jing)(jing)系統，通(tong)過(guo)該系統實現望(wang)遠(yuan)鏡(jing)(jing)的(de)(de)(de)多(duo)功能(neng)，即既可瞄準目標(biao)，使之成像于十字絲分(fen)劃板，進行(xing)角度測(ce)量，同(tong)時其測(ce)距(ju)部分(fen)的(de)(de)(de)外(wai)光(guang)(guang)(guang)路系統又(you)能(neng)使測(ce)距(ju)部分(fen)的(de)(de)(de)光(guang)(guang)(guang)敏(min)二極(ji)管發射的(de)(de)(de)調(diao)制(zhi)(zhi)紅(hong)外(wai)光(guang)(guang)(guang)在(zai)經物鏡(jing)(jing)射向反(fan)光(guang)(guang)(guang)棱(leng)鏡(jing)(jing)后。 經同(tong)一路徑反(fan)射回(hui)來，再經分(fen)光(guang)(guang)(guang)棱(leng)鏡(jing)(jing)作用使回(hui)光(guang)(guang)(guang)被光(guang)(guang)(guang)電二極(ji)管接(jie)收，為測(ce)距(ju)需要(yao)在(zai)儀器內(nei)部另設一內(nei)光(guang)(guang)(guang)路系統，通(tong)過(guo)分(fen)光(guang)(guang)(guang)棱(leng)鏡(jing)(jing)系統中的(de)(de)(de)光(guang)(guang)(guang)導纖維(wei)將由光(guang)(guang)(guang)敏(min)二極(ji)管發射的(de)(de)(de)調(diao)制(zhi)(zhi)紅(hong)外(wai)光(guang)(guang)(guang)傳也(ye)送給光(guang)(guang)(guang)電二極(ji)管接(jie)收，進行(xing)而由內(nei)、外(wai)光(guang)(guang)(guang)路調(diao)制(zhi)(zhi)光(guang)(guang)(guang)的(de)(de)(de)相位差(cha)間接(jie)計(ji)算光(guang)(guang)(guang)的(de)(de)(de)傳播時間，計(ji)算實測(ce)距(ju)離。

全站儀測量原理

它的基(ji)本測量原理是電子測距技(ji)術(shu)(shu)和(he)電子測角技(ji)術(shu)(shu)。

1、電子測距技術

電(dian)子測(ce)(ce)(ce)距的(de)基(ji)本原理是利用電(dian)磁波在(zai)空氣中傳(chuan)播的(de)速度為(wei)已知這一(yi)特性(xing)，測(ce)(ce)(ce)定電(dian)磁波在(zai)被(bei)測(ce)(ce)(ce)距離上(shang)往返(fan)傳(chuan)播的(de)時間來(lai)求(qiu)得距離值(zhi)。但是，這種直接測(ce)(ce)(ce)距的(de)方法實(shi)現起來(lai)非常(chang)(chang)困難，當我們要求(qiu)較高的(de)測(ce)(ce)(ce)量(liang)精(jing)度時，對測(ce)(ce)(ce)量(liang)時間的(de)要求(qiu)很高，這在(zai)實(shi)踐過(guo)程(cheng)中是非常(chang)(chang)困難的(de)。因此，在(zai)實(shi)際的(de)測(ce)(ce)(ce)距過(guo)程(cheng)中可以(yi)根據此原理采取(qu)改進的(de)方法進行測(ce)(ce)(ce)距。在(zai)實(shi)際過(guo)程(cheng)中主要用兩種方法，脈沖法和相位法。

（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(ming)，其測量精度(du)不(bu)低(di)于相位法測距的精度(du)。

（2）相位法

相位法(fa)測距是測定由儀器連續(xu)發(fa)射的電磁波正(zheng)弦信號(hao)在被測距離(li)上往返傳(chuan)播所產生的相位差，根(gen)據(ju)相位差來得到距離(li)。

在(zai)所有(you)的(de)(de)全站(zhan)儀(yi)(yi)(yi)測(ce)距(ju)部(bu)分標稱精度指標的(de)(de)表達式中(zhong)，均(jun)使用±（A＋BD）的(de)(de)形(xing)式。該精度表達式有(you)A和BD組(zu)成，A代表固(gu)(gu)(gu)定誤(wu)(wu)(wu)(wu)差(cha)，單位為(wei)mm。固(gu)(gu)(gu)定誤(wu)(wu)(wu)(wu)差(cha)主要由(you)儀(yi)(yi)(yi)器(qi)加常數的(de)(de)測(ce)定誤(wu)(wu)(wu)(wu)差(cha)、對中(zhong)誤(wu)(wu)(wu)(wu)差(cha)、測(ce)相誤(wu)(wu)(wu)(wu)差(cha)等(deng)引起。固(gu)(gu)(gu)定誤(wu)(wu)(wu)(wu)差(cha)與測(ce)量的(de)(de)距(ju)離無關，即不(bu)管實(shi)際測(ce)量的(de)(de)距(ju)離多長，全站(zhan)儀(yi)(yi)(yi)將(jiang)存在(zai)不(bu)大于該值的(de)(de)固(gu)(gu)(gu)定誤(wu)(wu)(wu)(wu)差(cha)。全站(zhan)儀(yi)(yi)(yi)的(de)(de)這一(yi)部(bu)分誤(wu)(wu)(wu)(wu)差(cha)一(yi)般在(zai)1-5mm之間。BD代表比例誤(wu)(wu)(wu)(wu)差(cha)，它主要由(you)儀(yi)(yi)(yi)器(qi)頻率(lv)誤(wu)(wu)(wu)(wu)差(cha)，大氣(qi)折射誤(wu)(wu)(wu)(wu)差(cha)引起。B的(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。通過在(zai)測量作業現場的(de)溫(wen)度(du)T和氣壓PP以及濕度(du)H，按照一定的(de)氣象改正(zheng)公式，求出(chu)氣象改正(zheng)數ppm以及距離(li)改正(zheng)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(zhi)可以(yi)忽略不計(ji)。用戶可根據測量任務對精度的要求，來決定加上這項改正。

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(ti)傳統的光學讀(du)數系統。目前(qian)，這套(tao)轉(zhuan)換系統有兩類：一類是采用光柵度盤的所謂(wei)“增量法”測(ce)角(jiao)；一類是采用編碼度盤的所謂(wei)“絕對法”測(ce)角(jiao)。

（1）光柵度盤測角原理（增量法）

光(guang)(guang)柵(zha)就是具有刻制成許多寬(kuan)度和(he)間隔都相(xiang)等(deng)(deng)的(de)直線條紋的(de)光(guang)(guang)學器件，即(ji)它是由(you)許多等(deng)(deng)間隔的(de)透光(guang)(guang)的(de)縫隙和(he)不透光(guang)(guang)的(de)刻畫線所組成。光(guang)(guang)通過光(guang)(guang)柵(zha)時會產(chan)生光(guang)(guang)的(de)衍射(she)(she)效應。用于透射(she)(she)衍射(she)(she)的(de)光(guang)(guang)柵(zha)稱(cheng)為(wei)(wei)透射(she)(she)光(guang)(guang)柵(zha)，用于反射(she)(she)光(guang)(guang)衍射(she)(she)的(de)光(guang)(guang)柵(zha)稱(cheng)為(wei)(wei)反射(she)(she)光(guang)(guang)柵(zha)。光(guang)(guang)柵(zha)有兩個基本參數(shu)，一是毫(hao)米長度范圍內的(de)條紋數(shu)，稱(cheng)為(wei)(wei)條紋密度；二是相(xiang)鄰條紋之(zhi)間的(de)距(ju)離，稱(cheng)為(wei)(wei)間距(ju)。

根據(ju)測量(liang)(liang)對(dui)象(xiang)不同，有長度測量(liang)(liang)用的光柵刻在一直尺上稱為直線光柵。另一種是用于角度測量(liang)(liang)的光柵，是在度盤徑(jing)向按等角距離(li)刻制的輻射(she)狀的徑(jing)向光柵。

（2）編碼度盤測角原理（絕對法）

編(bian)碼(ma)(ma)度(du)盤(pan)(pan)(pan)類似于普通光(guang)(guang)學度(du)盤(pan)(pan)(pan)的(de)(de)(de)(de)玻(bo)璃碼(ma)(ma)盤(pan)(pan)(pan)，在此平(ping)面上分著若干寬度(du)相(xiang)同的(de)(de)(de)(de)同心(xin)圓環，而每(mei)一(yi)(yi)(yi)圓環又被刻(ke)制成若干等(deng)長(chang)的(de)(de)(de)(de)透(tou)光(guang)(guang)和不透(tou)光(guang)(guang)區(qu)，這種圓環稱為(wei)(wei)編(bian)碼(ma)(ma)度(du)盤(pan)(pan)(pan)的(de)(de)(de)(de)“碼(ma)(ma)道”。每(mei)條碼(ma)(ma)道代(dai)表一(yi)(yi)(yi)個(ge)二進(jin)制的(de)(de)(de)(de)數位(wei)，有里到外，位(wei)數由(you)高(gao)到低。在碼(ma)(ma)道數目(mu)一(yi)(yi)(yi)定的(de)(de)(de)(de)條件下，整個(ge)編(bian)碼(ma)(ma)盤(pan)(pan)(pan)可以分成數目(mu)一(yi)(yi)(yi)定，面積相(xiang)等(deng)的(de)(de)(de)(de)扇形區(qu)，稱為(wei)(wei)編(bian)碼(ma)(ma)盤(pan)(pan)(pan)碼(ma)(ma)區(qu)。處于同一(yi)(yi)(yi)碼(ma)(ma)區(qu)內的(de)(de)(de)(de)各碼(ma)(ma)道的(de)(de)(de)(de)透(tou)光(guang)(guang)區(qu)與不透(tou)光(guang)(guang)區(qu)的(de)(de)(de)(de)排列(lie)，構成編(bian)碼(ma)(ma)盤(pan)(pan)(pan)的(de)(de)(de)(de)一(yi)(yi)(yi)個(ge)編(bian)碼(ma)(ma)，這一(yi)(yi)(yi)碼(ma)(ma)區(qu)所顯(xian)示(shi)的(de)(de)(de)(de)角度(du)范圍(wei)，稱為(wei)(wei)編(bian)碼(ma)(ma)度(du)盤(pan)(pan)(pan)的(de)(de)(de)(de)角度(du)分辨率(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(bu)透光表示“0”，這樣碼盤(pan)(pan)上每一格(ge)就(jiu)對應一個二(er)進制(zhi)數，經過譯(yi)碼即成十進制(zhi)數，從而能顯示一個度(du)(du)盤(pan)(pan)上讀出的方位或角度(du)(du)數值。因此，編碼度(du)(du)盤(pan)(pan)的測角方式為(wei)絕對法測角。