全站仪测量技术23

第二章全站仪的测量原理全站仪的主要结构包括：１、电子经纬仪测角；２、电子测距仪测距；３、电子补偿器自动补偿改正；４、电子计算机自动数据处理等。其中电子补偿器为电子测角提供改正参数，计算机数据处理是体现全站仪功能的核心。一、全站仪的测角原理20世纪40年代出现的光学经纬仪，采用光学玻璃度盘及成像系统，把度盘的对径位置分划线重合在同一影像平面上(对径重合读数)。60年代，随着近代光学、电子学的发展，出现了电子经纬仪等自动化测角仪器。光学经纬仪与电子经纬仪主要区别：在于两者的读数系统不同。１、光学经纬仪是按照度盘上的分划线，用光学读数法读取角度值。２、电子经纬仪虽然仍采用度盘，但它采用光电扫描和电子元件进行自动读数和液晶显示。即从度盘上取得电信号，再将电信号转换为数字并显示角度值。光学读数光电扫描光学读数液晶显示电子测角的度盘主要有：１、编码度盘；２、光栅度盘；３、动态度盘。因此，电子测角也就有编码角、光栅测角、动态测角等形式。电子度盘的三种形式１、编码度盘的测角原理编码度盘进行测角是以二进制为基础，将光学度盘分成若干区域，每一区域用某一个二进制编码来表示。当照准方向确定以后，方向的投影落在度盘的某一区域上并与某一个二进制编码相对应。通过发光二极管和接收二极管，将编码度盘上的二进制编码信息转换成电信号，再通过模拟数字转换，得到一个角度值。特点：１、每个方向单值对应一个编码出，不会由于停电或其他原因而改变这种对应关系。２、利用编码度盘，不需要基准数据即没有基准读数方向值的影响，就可以得出绝对方向值。因此也把这种测角方法称为绝对式编码盘。1－１纯二进制码盘如图所示，度盘一周为360°，如果分成两半，即可确定两种状态：0°~180°与180°～360°，换句话说，角度值的分辨率为180°。将光学度盘经过刻上分划，造成透光与不透光两种状态，分别看作是二进制代码的逻辑“1”和“0”。纯二进制可以表示任何状态并由计算机来识别，二进制位数越多、所能表达的状态数也越多。如果角度值分辨率提到90°，首先必须把度盘分成四等份，然后再加上一圈，并以二进制规则刻制（见图）。用纯二进制码来代替这四种状态为：00，01，10，11。对应的角度分别为：0°~90°90°~180°180°~270°270°~360°２７０码道－度盘上的一圈称为一个编码轨道。分辨率－度盘上的最小分化值。为了提高角度值的分辨率，就必须增加度盘的等份数和相应的编码道数。若编码道数为n，则整个编码度盘表示的状态数为：分辨率为：如度盘分成十六等份，即所能表示的状态数为S=16，要求的编码道数为n=4，分辨率为：δ=22.5°。3602n2nS从理论上说，为了达到足够的分辨率，可以再增加码道数和相应的刻线。但是从实际技术来看则很困难。主要有下列原因：（1）光电接收器件不可能无限小。（2）实际度盘的半径不可能很大。（一般度盘的直径小于l00mm）（３）有时会使测量出现大的粗差。（由于度盘刻制工艺上存在公差或光电接收管安置不严格）由此可见，要提高编码度盘的测角分辨率，就必须采用角度测微技术。存在的问题：２－2.葛莱码盘葛莱码是使整个编码度盘的相邻状态只有一个编码道发生变化，所以亦称为循环码。克服用纯二进制编码度盘可能会出现较大的粗差这一缺点。为了计算角度值，必须通过转换电路将葛莱码，转换成相应的纯二进制数。１－3.矩阵码盘矩阵码是将编码度盘分成若干个区域，每一个区域上刻有相当于纯二进制编码或葛莱码的不同位数的编码轨道，利用若干个读数头取出按矩阵排列的电信号，经过矩阵编码器处理成纯二进制码。纯二进制码和葛莱码的一个编码轨道只能输出一位，而矩阵码的一个编码轨道可以输出若干位。如第一码道有n1位，第二码道有n2位，……，最后一个码轨道有nk位，则其所能表示的总的状态为这样大大地减少了编码道数，从而有利于缩小度盘直径和提高角度分辨率。1212()2222kknnnnnn二、光栅度盘的测角原理1.光栅度盘光栅是指均匀刻有间隔很小，明暗相间的等宽度的分划线。若将分划线刻在光学玻璃度盘上，就构成了光栅度盘。在电子经纬仪的光栅度盘上刻的都是辐射状的直线，辐射中心通常与度盘的圆心重合，故也叫做中心辐射光栅度盘。在电子经纬仪中要实现测角，通常由两个光栅度盘构成，其中：一个为主光栅（全圆光栅度盘），另一个为指标光栅（局部光栅度盘）。利用光栅度盘测量角度，就是要测定从起始方向到实际方向，指标光栅相对光栅度盘移动的光栅数，这种测角方法也称作增量式。增量式光栅度盘2－２.莫尔干涉条纹如图所示，两个间隔相同的光栅叠放在一起并错开很小的夹角，当它们相对移动时，可看到明暗相间的干涉条纹，称为莫尔干涉条纹，简称莫尔条纹。设是光栅度盘相对于固定光栅的移动量，是莫尔干涉条纹在径向的移动量，两光栅间的夹角为,则有关式：yxctgkx对于任意选定的Ｘ，愈小，干涉条纹的径向移动量就愈大。可见莫尔干涉条纹具有放大作用，且越小，放大倍数越大。这样，就有利于提高测角的分辨率；便于安置光电传感器，正确传输信息，实现自动控制和数字化测量。于是干涉条纹移动的周期总数就等于所通过的格线数。如果数出和记录光电传感器所接收的光强变化周期总数，便可测得移动量，再经光电信号转换，最后得到角度值。三、动态测角的基本原理在测角时仪器的度盘分别绕垂直轴和横轴恒速旋转，称之为动态式。T2000的度盘直径为52mrn，在该度盘上刻有1024条分划，则每一分划区间（包含一条透光和一条不透光部分）所对应的角度值为：＝21'05.625003601024图中LS为固定传感器，相当于角度值的起始方向。LR为可随望远镜转动的可动传感器，相当于提供目标方向。这两个光电传感器之间的夹角就是我们要测定的角度值。0n1、粗测粗测只能够测定角度值中的大数。为此在T2000的度盘上每隔90°设有一个特殊的标识符。每个标识符通过改变原来分划线的不透光部分宽度有仪器自动识别。对应的角度值分别为0°、90°、180°和２７０°。设标识符A中仅有一个不透光的部分变窄，当动态度盘转动时，第一个光电传感器接收到该标识符时就开始计数，直至另一个光电传感器接收到该标识符信息时停止计数，这样就可获得相位差大数。其它几个标识符用于检验，以保证大数的正确性。0n2、精测当动态度盘转动时，两传感器LS和LR分别输出两信号S和R。如同测距仪中的数字测量相位原理，使该两信号经双稳态触发器得到相位差信号，并用1.72MHz的脉冲填充，即可得到不足一个的角度值。000TT0T0－动态度盘旋转过角度所用的时间；△T—转过所用的时间。四、角度的电子测微技术无论是编码度盘还是光栅度盘，直接测定角度值的精度很低。由于受到度盘直径、度盘刻制技术和光电读数系统的尺寸限制，如将一个度盘刻成八个编码轨道，已经是很不简了，而其分辨率仅为360°/＝1.4°。可见，仅仅靠电子度盘上刻制的分划是无法达到角度测量的精度要求。因此，在测量角度时，无论采用什么格式的电子度盘，都必须采用适当的角度电子测微器技术，提高角度分辨率，才能满足角度测量的精度要求。82部分仪器的光栅线数及其分辨率仪器生产厂家光栅数分辨率'TC1瑞士WILD125001.728E2瑞士KERN200001.080Ceodimeter700瑞典AGA200001.080Elta2德国ZEISS200001.080VEctron美国K&H200001.080HP3820A美国HP0965.270GTS/CTS/DT日本TOPCON162001.333SET/SDM3FR/DT日本SOMA21600l.000角度的电子测微器技术是运用电子技术对交变的电信号进行内插，从而提高计数脉冲的频率，以达到细分的效果。几种常用的电子测微方法:1.四倍频直接测微法2.正弦比内插测微法3.光学测微电子重合读数法4.分散细分小因子内插法电子测微的方法光电测距是用光波作为载波传输测距信号以测量两点间距离的一种方法。光电测距仪的载波：可见光、红外光、激光红外测距仪二、全站仪的测距原理光电测距仪的优点：1、测程远、精度高。2、作业快、工作强度低。3、受地形限制少等优点。工程测量中应用较多的是短程红外光电测距仪。光电测距仪是通过测量光波在待测距离D上往、返传播的时间t2D，来计算待测距离D的。式中：c—光波在空气中的传播速度D221ctD一、测距原理二、测距方法光电测距仪按照时间t2D的不同测量方式，可分为：脉冲式（直接测定时间）相位式（间接测定时间）1、脉冲式脉冲式光电测距仪是将发射光波的光强调制成一定频率的尖脉冲，通过测量发射的尖脉冲在待测距离上往返传播的时间来计算距离。脉冲测距原理图002fqqTtD设时钟脉冲的振荡频率为,计数器计得的时钟脉冲个数为q，则0f计数器只能记忆整数个时钟脉冲，不足一周期的时间被丢掉了。测距精度较低，一般在“米”级，最好的达“分米”级。测距精度对应的时钟脉冲频率：0.01m0.1m0.5m1.0m15000MHz1500MHz300MHz150MHz测距精度脉冲频率2、相位式相位式光电测距仪是将发射广波的光强调制成正弦波的形式，通过测量正弦光波在待测距离上往、返传播的相位移来间接解算时间的。相位式测距仪的基本工作原理图将返程的正弦波以棱镜站为中心对称展开后的图形：N2D222tftD由物理学知：所以：ftD22所以传播时间为：fNtD222）＋（＝NN2)2(2NfcD式中，2N＝10N则：相位式测距相当于使用一把长度的尺子丈量距离，由N个整尺长加上不足整尺的余长就是被测距离。2由于检相器只能测出不足整周期的相位移尾数；而不能测出整相位2π的个数,所以只能求出不足整尺的距离。为了求得完整距离，在测距仪上，采用多把测尺，即多个调制频率的方法来解决。调制频率ƒ测尺长2ZMH15ZMH5.1ZKH150ZKH1510m100m1km10kmZKH5.1100km精度1cm10cm1m10m100m不同的调制频率ƒ对应的测尺长见下表：调制频率越大，测尺长度越短，精度越高。例：测定386.43m的距离，就可选用一把粗测尺和一把精测尺，粗测尺尺长1km，精度1m（最小分划值）,精测尺尺长10m，精度1cm（最小分划值）。用粗测尺测量的距离：386.5m用精测尺测量的距离：6.43m组合结果：386.43m测距仪是根据仪器的测程范围来设置调制频率的个数的。短程测距仪一般都采用两个测尺的频率。三、测程及测距仪的精度：1、测程：测距仪一次所能测的最远距离。短程测距仪—测程小于5km；中程测距仪—测程在5km-30km；远程测距仪—测程在30km以上。2、测距仪的精度：)(bDamD式中：mD—测距中误差，单位为mm；a—固定误差，单位为mm；b—比例误差,单位为pp（）；D—以km为单位的距离。REDmini短程红外测距仪的精度为当距离D为0.6km时，测距精度是mD=±8.0mm。)55(DmmmD610四、光电测距仪的使用各种反射棱镜经纬仪与测距仪配接测距仪功能键盘1、距离测量：经纬仪瞄准觇牌中心的视线与测距仪瞄准反射棱镜中心的视线保持平行。调整经纬仪望远镜，使十字丝对准觇牌中心。调整测距仪望远镜，使十字丝对准反射棱镜中心。2、距离计算：1）仪器常数改正（测距仪的乘常数R和加常数K）加常数K=L–L´（mm）乘常数R的单位是mm/km对于观测值为L´的距离，其常数改正值为：LRKLk2）气象改正（不同类型的测距仪气象改正公式不同）3）倾斜改正cosLDL—经过常数改正和气象改正后的距离；α—经纬仪测定的测线竖直角。五、光电测距的注意事项(1)防止日晒雨淋，在仪器使用和运输中应注意防震。(2)严防阳光及强光直射物镜，以免损坏光电器件。(3)仪器长期不用时，应将电池取出。(4)测线应离开地面障碍物一定高度，避免通过发热体和较宽水面上空，避开强电磁场干扰的地方。(5)镜站的后面不应有反光镜和强