全站仪测量原理【详解】

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全站仪测量原理
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全站仪:即全站型电子测距仪(Electronic Total Station),是一种集光、机、电为一体的高技术测量仪器,是集水平角、垂直角、距离(斜距、平距)、高差测量功能于一体的测绘仪器系统。

与光学经纬仪比较电子经纬仪将光学度盘换为光电扫描度盘,将人工光学测微读数代之以自动记录和显示读数,使测角操作简单化,且可避免读数误差的产生。

因其一次安置仪器就可完成该测站上全部测量工作,所以称之为全站仪。

广泛用于地上大型建筑和地下隧道施工等精密工程测量或变形监测领域。

最初速测仪的距离测量是通过光学方法来实现的,我们称这种速测仪为“光学速测仪”。

实际上,“光学速测仪”就是指带有视距丝的经纬仪,被测点的平面位置由方向测量及光学视距来确定,而高程则是用三角测量方法来确定的。

随着电子测距技术的出现,大大地推动了速测仪的发展。

用电磁波测距仪代替光学视距经纬仪,使得测程更大、测量时间更短、精度更高。

人们将距离由电磁波测距仪测定的速测仪笼统地称之为“电子速测仪”(Electronic Tachymeter)。

然而,随着电子测角技术的出现。

这一“电子速测仪”的概念又相应地发生了变化,根据测角方法的不同分为半站型电子速测仪和全站型电子速测仪。

半站型电子速测仪是指用光学方法测角的电子速测仪,也有
称之为“测距经纬仪”。

这种速测仪出现较早,并且进行了不断的改进,可将光学角度读数通过键盘输入到测距仪,对斜距进行化算,最后得出平距、高差、方向角和坐标差,这些结果都可自动地传输到外部存储器中。

全站型电子速测仪则是由电子测角、电子测距、电子计算和数据存储单元等组成的三维坐标测量系统,测量结果能自动显示,并能与外围设备交换信息的多功能测量仪器。

由于全站型电子速测仪较完善地实现了测量和处理过程的电子化和一体化,所以人们也通常称之为全站型电子速测仪或简称全站仪。

1全站仪的测量原理
全站仪是一种集光、机、电为一体的高技术测量仪器,是集水平角、垂直角、距离(斜距、平距)、高差测量功能于一体的测绘仪器系统。

它的基本测量原理是电子测距技术和电子测角技术。

1.1 电子测距技术
电子测距的基本原理是利用电磁波在空气中传播的速度为已知这一特性,测定电磁波在被测距离上往返传播的时间来求得距离值。

但是,这种直接测距的方法实现起来非常困难,当我们要求较高的测量精度时,对测量时间的要求很高,这在实践过程中是非常困难的。

因此,在实际的测距过程中可以根据此原理采取改进的方法进行测距。

在实际过程中主要用两种方法,脉冲法和相位法。

1) 脉冲法:测距使用的光源为激光器,它发射一束极窄的光脉冲射向目标,同时输出一电脉冲信号,打开电子门让标准频率发生器产生的时标脉冲通过并对其进行计数。

光脉冲被目
标反射后回到发射器,同样产生一电脉冲,关闭电子门终止时标脉冲通过。

实践表明,其测量精度不低于相位法测距的精度。

2) 相位法:相位法测距是测定由仪器连续发射的电磁波正弦信号在被测距离上往返传播所产生的相位差,根据相位差来得到距离。

1.2 电子测角技术
电子测角,即角度测量的数字化,也就是自动数字显示角度测量结果,其实质是用一套角码转换系统来代替传统的光学读数系统。

目前,这套转换系统有两类:一类是采用光栅度盘的所谓“增量法”测角;一类是采用编码度盘的所谓“绝对法”测角。

1) 光栅度盘测角原理(增量法)
光栅就是具有刻制成许多宽度和间隔都相等的直线条纹的光学器件,即它是由许多等间隔的透光的缝隙和不透光的刻画线所组成。

光通过光栅时会产生光的衍射效应。

用于透射衍射的光栅称为透射光栅,用于反射光衍射的光栅称为反射光栅。

光栅有两个基本参数,一是毫米长度范围内的条纹数,称为条纹密度:二是相邻条纹之间的距离,称为间距。

根据测量对象不同,有长度测量用的光栅刻在一直尺上称为直线光栅。

另一种是用于角度测量的光栅,是在度盘径向按等角距离刻制的辐射状的径向光栅。

2) 编码度盘测角原理(绝对法)
编码度盘类似于普通光学度盘的玻璃码盘,在此平面上分着若干宽度相同的同心圆环,
而每一圆环又被刻制成若干等长的透光和不透光区,这种圆环称为编码度盘的“码道”。

每条码道代表一个二进制的数位,有里到外,位数由高到低。

在码道数目一定的条件下,整个编码盘可以分成数目一定,面积相等的扇形区,称为编码盘码区。

处于同一码区内的各码道的透光区与不透光区的排列,构成编码盘的一个编码,这一码区所显示的角度范围,称为编码度盘的角度分辨率。

为了读取各码区的编码数,需要编码度盘的码道一测设置光源,而在对应的码盘另一侧设置光电探测器,每一检测器对应一个光源。

码盘上的发光二极管和码盘下的光敏二极管组成测角的读定标志,把码盘的透光和不透光,由光电二极管转换成电信号,以透光表示“1”,不透光表示“0”,这样码盘上每一格就对应一个二进制数,经过译码即成十进制数,从而能显示一个度盘上读出的方位或角度数值。

因此,编码度盘的测角方式为绝对法测角。

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