试论全站仪竖轴补偿器和补偿器零位误差

1试论全站仪竖轴补偿器和补偿器零位误差虞积强（合肥工业大学土木与水利工程学院，安徽，合肥，230009）摘要：全站仪在进行角度测量时，如果竖轴倾斜，就会给水平角和竖直角的测量带来误差，同时，如果全站仪补偿器存在零位误差，也会给测角带来误差。本文介绍了全站仪补偿器和补偿器零位误差的概念和原理。关键词：全站仪竖轴倾斜；补偿器；单轴补偿；双轴补偿；全站仪补偿器零位误差OnVerticalAxisCompensatorandCompensatorZeroPositionErrorofTotalStationYuJi-Qiang(HefeiUniversityofTechnology，DepartmentofCivilandHydraulicEngineeringInstitute,Anhui,Hefei,230009)Abstract：Duringanglemeasurement,iftheTotalStationverticalaxistilting,itwillgivehorizontalangleandverticalanglemeasurementerror,atthesametime,ifthetotalstationhavezeroerror,compensatorwillbringtotheanglemeasuringerror.ThisarticledescribestheTotalStationtheconceptsandprinciplesofcompensatorandcompensatorzeroerror.Keywords:totalstationverticalaxistilt；compensator；single-axiscompensation；dual-axiscompensation；totalstationcompensatorzeroerror1引言随着科学技术的发展，全站仪日益普及，已广泛运用到生产，科研，教学等各个领域，并取得了巨大的经济和社会效益。在测量工作中，有诸多因素影响着测量的精度，其中在测角方面竖轴，水平轴，视准轴以及竖轴补偿器的不正确安装或整置，常常是误差源中最重要的因素。为了更好地发挥全站仪方便快捷，高效，准确的特点，就应该对全站仪的基本原理，以及全站仪各种误差产生的机理，规律，检查，校正等，有一定的了解和认识。2全站仪补偿器2.1全站仪补偿器的原理和作用竖轴倾斜是全站仪竖轴与重力线不平行所导致的水平方向和垂直方向的误差。由于全站仪和经纬仪类似存在轴系误差，会给测量结果带来偏差，但全站仪可以利用电子补偿技术来处理这一系统误差，根据系统误差规律对测量的结果进行误差修正，使系统误差降低到最低。人们将电子补偿器（微倾斜感应器）应用于全站仪，可使全站仪获得比传统水泡更高的精度，实现了仪器竖轴在倾斜状态下的误差自动补偿，保证了观测值精度并不因仪器竖轴倾斜而降低。2.2全站仪补偿器的分类补偿器是调整全站仪精度的关键部件，2目的是探测出仪器在垂直和水平方向的倾斜量并对倾斜量进行改正，以提高采集数据的精度。全站仪目前主要分为单轴补偿和双轴补偿，也有人提出了“三轴补偿”。2.2.1单轴补偿，即对纵向(X方向)的补偿，只能补偿全站仪垂直倾斜引起的垂直度盘的读数误差。如在光学经纬仪上的簧片补偿器，吊丝补偿器，液体补偿器等。2.2.2单轴补偿器的补偿原理单轴补偿器的结构形式有多种，图1给出德国Zeiss公司所使用的单轴补偿器系统。它使用电子气泡作为传感器。该系统在管状水准管中装有可导电的液体，并在玻璃壁上装有三个电极，在电子气泡的输入端输入一个频率为1KHz的反相交变电压。竖轴的倾斜将带来气泡的倾斜，气泡的倾斜将破坏其输出的平衡，在输出端产生变化的电压，电压值的大小随仪器的倾斜量而变。因此根据输出电压值的大小，可以确定竖轴倾斜量的补偿值，再加到竖直角读数中。图1单轴补偿器补偿原理图2.3双轴补偿2.3.1双轴补偿器的补偿原理双轴补偿是相对单轴补偿而言，增加了横向(Y轴)补偿，这样就可以同时补偿由于竖轴引起的垂直和水平方向的读数误差。常用的双轴补偿器有液体补偿器，当仪器倾斜时，密封的液体形成的光楔会导致光束偏移，仪器的微处理器则根据偏移的大小计算出仪器的倾斜量以及此倾斜量对应的改正数，系统在改正后输出读数。在全站仪(或经纬仪)的角度测量中，经纬仪竖轴的倾斜不仅会给水平方向测量带来误差，而且也会给竖直角的测量带来误差。在早期的全站仪和电子经纬仪中，采用单轴补偿器(亦称为竖直度盘自动归零装置)来补偿仪器竖轴倾斜对竖直角带来的误差，在近代的全站仪和电子经纬仪中,采用双轴补偿器来补偿竖轴倾斜对水平方向和竖直角带来的误差。双轴补偿器一般采用液体补偿器，它既可以测量竖轴在水平轴方向的倾斜分量（对水平方向产生影响），又能测量竖轴在视准轴方向的倾斜分量(对竖直角产生影响)。其基本补偿原理如图2和图3所示。图2双轴补偿器补偿原理图（经纬仪竖轴未倾斜）3图3光电式双轴补偿器补偿原理图（经纬仪竖轴倾斜后）当液体表面静止时，铅垂线OZ垂直于液面A,竖直轴倾斜等于零。它引起的水平方向和竖直角的改正数也等于零。在平行于水平轴的线B1B2上有一发光二极管，它发射的光经透镜组落到液面A，被液面A反射后，又经透镜组落到B1B2线上另一端的光电二极管阵的中心光电二极管上。在垂直于水平轴的方向线上，也有类似的装置。如图2所示，当发光二极管发射的光线被两个方向的中心光电二极管接收时，表明竖轴铅直。如果竖直轴相对于铅垂线有一倾角i时，这个倾斜角在水平轴方向上的分量为bi，在视准轴水平方向上的分量为pi，如图3所示，在B1B2线上的发光二极管射出的光线与垂直于液面方向的夹角为1，经液面反射后落到5号光电二极管上。设计这个补偿系统时，已决定了5号光电二极管输出的信号表示bi角。同样，在视准轴线的方向上，某个号的光电二极管也接收光信号，设计已决定该光电二极管输出处理，微处理机根据按下式编制的程序，计算竖直倾斜引起的水平方向和竖直方向改正数。各个仪器生产厂家采用双轴补偿器的具体结构各不相同，但基本补偿原如前所述。图4给出了德国Zeiss公司所使用的双轴液体补偿器。液体装在一环璃器(5)中，一直径为100μm的光源(1)以物镜(6)后，在液体(4)的表面上形成全反射后，在一较大幅面的光电二极管(2)上成像，光电二极管具有4个象限，它相当于一个二维位置探测器。图4ZeissElta2双轴补偿器补偿原理图我国和国外的仪器厂家，目前，基本都采用双轴补偿器来补偿仪器的竖轴不铅直引起水平角和竖轴角的误差。三轴补偿是在双轴补偿的基础上增加了照准误差的自动补偿。3全站仪补偿器零位误差3.1全站仪补偿器零位误差的概念补偿器零点误差是由于补偿器与铅垂方向不一致而引起的误差，也被称为补偿器指标差。带有电子补偿器的仪器均经过如下调整：当仪器竖轴铅直时，补偿器的补偿值为零；反之，当补偿器的补偿值为零时，仪器的竖轴处于铅直状态。在实践时，由于使用和搬运的振动等，使补偿器的零位置发生了变化，这时就需要重新调整补偿器的零位。现在大部分全站仪补偿器的零位是动态的，可以经过软件消除零点差，重新设置零位。3.2补偿器的零点误差产生的影响4如果全站仪补偿器零位不正确，在进行照准部误差，横轴误差，竖轴指标差预置校正时，照准部误差，横轴误差，竖轴指标差的余量就包含了补偿器的零位误差，即改正的结果包含了误差。仪器的程序一般采用下式来计算水平角和竖轴角。水平方向显示值为：0kkkCSinKHZHZSinVTanKTanV＋＋其中：kHZ显示屏上显示的水平角。0HZ水平度盘实际测得的水平角度值。kV被测点的天顶距。C仪器视准轴误差。仪器竖轴倾斜量。仪器竖轴和横轴在水平面上投影的夹角。K横轴误差竖直方向显示值为：0coskVVi其中：kV为仪器显示屏显示的天顶距。0V竖直度盘测得的方向值。i仪器竖盘指标差。竖轴的倾斜量。由上式可见，如果补偿器的零位误差存在，必然会造成δ值的偏差，进而影响到水平角和竖轴角的显示值。4结语补偿器的使用在给竖轴倾斜的误差带来补偿的同时，补偿器同样存在零点误差问题，会给补偿的结果带来新的误差，通过研究发现补偿器零点误差这个新的误差源可以通过正倒镜读数取均值的方法来抵消其影响。但竖轴倾斜误差不具备这种自抵偿特征，这说明正倒镜双盘位测量取均值可获得更高的测量精度。参考文献[1]杨俊志.全站仪的原理及其检定[M].北京：测绘出版社2004.[2]叶晓明，凌模全站仪原理误差[M].湖北武汉大学出版社，2004[3]于书奎试论全站仪的补偿与补偿器[J].测绘通报，2003，（2）：63-65[4]马兴安.测绘仪器的保护[J].湖南水利水电2003（3）:14-15[5]霍慧君，周建业.测量实验教学和实验室建设探索[J].黄河水利职业技术学院学报200517(3):65-67[6]李晓莉.测量学实验与实习[M].北京测绘出版社，2006.[7]刘光.地理信息系统[M]北京:中国电力出版社,2003.[8]尤宝平，暴景阳，崔高嵩.全站仪的补偿与改正研究[J].海洋测绘200424（5）：29-32[9]国家测绘局人事司.工程测量.[M].哈尔滨:哈尔滨地图出版社,2001.[10]王侬,过静珺.现代普通测量学.[M].北京:清华大学出版社,2005.作者简介：虞积强（1971—），男，实验员，安徽合肥人，硕士研究生，研究方向：测绘数字化。主要从事测量实验教学。电话：[phone]EMAIL:[e-mail]5