全站仪的工作原理及应用
2006年4月
目录
第一章全站仪简介 (3)
第二章全站仪的工作原理 (4)
第三章全站仪在测量中的应用 (12)
第四章全站仪的概念解释及相关公式 (34)
第五章全站仪的相关参数设置 (49)
第六章全站仪的维护与保养 (51)
第七章结束语 (53)
第一章全站仪简介
1.全站仪的基本概念
全站仪的全称为全站型电子速测仪(Electronic Total Station),它由电子测角,电子测距,电子计算和数据存储等系统组成的三维坐标测量系统.其测量结果能够自动显示,存储.并能与外围设备交换信息的多功能测量仪器.她本身就是一个带有特殊功能的计算机控制系统.从理论上讲它可以替代各种常规测量仪器,如:水准仪,经纬仪,测距仪等.并且实现了观测数据的纪录和自动计算.全站仪的出现以及计算机技术的飞速发展,为实现测绘工作的无纸化,自动化,信息化,数字化,网络化提供了技术和物质上的保障。
2.全站仪的分类
从上世纪八十年代末到九十年代初,人们根据电子测角系统和电子测距系统的发展不平衡,将全站仪分为两类,即积木式和整体式.九十年代以来,基本上都发展为整体式全站仪,随着计算机技术的不断发展与应用和各行业的特殊需求再加之其他工业先进技术的大量应用,出现了工程型,防水型,防爆型,电脑型等等的全站仪,使得全站仪这种常规测量仪器越来越满足各项测绘工作的需求。
3．全站仪发展历程和趋势
20世纪50年代，光学与电子学相结合，产生了一个新的科学领域——光电子学。光电测距技术是光电子学应用到测量领域而产生的一种新的技术，它的应用带来了测量方式的巨大变革。进入90年代以来，随着电子技术和计算机技术飞速发展，全站仪的硬件得到了极大的改进。全站仪由简单的测量功能发展成为带存贮卡、数字化键以及能与计算机直接通讯等多项功能。全站仪测量技术作为现代测绘技术之一，在测量工程中的各个领域应用越来越广泛，作为现代数字测绘的实理手段之—，它使得测量外业工作的速度有了极大的提高，并从根本上改变了传统的测量方式。
全站仪的发展过程：
第一代：85-94年生产的全站仪能进行边角测量，能测斜距／平距／高差，具有基本的距离放样、悬高、对边、三维坐标测量、三维放样测量等功能。
第二代：94-98年生产的全站仪最显著的特征是能存储坐标，存储方式有磁卡和内存二种。内存成为主流。
第三代：1998-至今，全站仪特征是数字化、大屏幕、大容量内存，具有DOS操作系统，
具有丰富的测量程序，用户可自编程序写入仪器。
第四代：全站仪开始内置WindowsCE操作系统。
全站仪显示面板的变化
第一代：英文数字两行显示
第二代：英文数字四行显示
第二代：中文数字四行显示
第三代：图形菜单八行显示
第四代：WIN操作系统显示
全站仪自1985年至今，经历了四代的发展，其精度指标从测角、测距精度2″，5+3ppm发展到今天最高0.5″，1+1ppm，几乎没有大的什么变化，变化的是各项应用功能。全站仪从简单的边角测量发展到具有公路放样，现场成图，三维坐标放样等的高级功能，显示面板从两行到大屏幕的WIN操作界面，内存从最初的几千点到10万组数据存储。从没有CPU到可以与计算机相媲美的32位CPU，可以说全站仪的发展是现代科技发展的一个缩影。
展望未来，全站仪会向以下两方面发展：
一方面向“傻瓜型”发展，不需要过多的人或不需要精通测量的人就可以操作仪器完成各项工作。
另一方面向专业化发展，仪器操作者可以根据自己的工作内容和性质利用全站仪的各项基本功能对其进行编程定制。
第二章全站仪的工作原理
目前市场上出现的全站仪种类繁多，仪器内置的程序和测量软件各不相同，在这一章里,我们仅从电子测角,电子测距,电子计算,数据存储等四个方面探讨一下全站仪工作的基本原理。
一:电子测角
对于测角技术来说,20世纪40年代才出现光学玻璃度盘,用光学转像系统把度盘对径位置的刻划重合在同一平面上,这成为光学经纬仪测角的基础,到了60年代,随着光电技术的发展,和70年代电子测角技术的深入研究以及电子测微技术的改进使得电子测角的精度大大提高,已经能完全满足各种不同类型测量的需要.现在较为流行并且技术比较成功的电子测角方式有两种:编码度盘测角方式和光栅度盘测角方式。
A:光栅度盘测角的原理和方法
这种测角的方法技术较为简单比较易实现,目前被世界上各个生产厂家广泛采用,光栅度盘由两块对径玻璃度盘组成,其中之一叫主光栅,另一个叫副光栅(又称指示光栅),我们在主光栅上刻划上16200条辐射状的明暗相间的等距条纹,如图1所示,辐射中心通常与圆度盘的圆心重合,另外,在指示光栅上的一端我们四个小窗口,如图2所示,在其中也刻划上明暗相间的条纹,但该条纹与主光栅的条纹有一微小夹角,当两块光栅相互转动时,指示光栅小窗口上刻划的条纹会与主光栅上刻划的条纹之间相互重叠,在相互重叠的区域可观察到一系列与光栅条纹方向几乎垂直的明暗相间的条纹,(我们将这种条纹称为莫尔干涉条纹,)当两度盘相互转动时也就会出现莫尔条纹的移动,我们在度盘的一侧安置一个发光二极管,用它来照射指示光栅上的小窗口,这时那些明暗相间的条纹经照射后会发生光电转换,继而会发出有规律的正弦信号,我们在度盘的另一侧安置一接受二极管来接受这些信号,并通过整形电路转换成矩形信号,该信号的变化的周期数可由仪器上安装的计数器获得,然后对不足整周期的的信号先用脉冲填充,然后对填充的脉冲再进行计数后由计数器转化为二进制信号,并通过总线系统被输入到存储器,并由数字显示单元以十进制在显示屏上显示出来。
图1 图2
B:编码度盘测角原理和方法
从光学经纬仪到电子经纬仪,人们首先考虑到是将光学经纬仪的度盘分划值转化成一定的编码,再将编码通过一定读数系统自动转换成相应的角值,因此,利用编码度盘进行测角是采用最早,也是较为普遍的电子测角方法,大家都知道,因为二进制可以表示任何状态都可以由计算机来识别,所以,我们以二进制为基础,将光学度盘分为若干区域,每个区域用一二进制码来表示(将度盘刻划成透光和不透光两种状态分别看做是二进制代码的逻辑”1”和”0”)这样,当照准方向确定以后,方向的投影落在度盘的某一区域上,即该方向与某一二进制码相对应,通过发光二极管和接受二极管,将度盘上的二进制码转成电信号,再通过膜数转换,可得到一可读角度值。
C:角度的电子测微技术
无论是编码度盘还是光栅度盘,直接测定角值的精度是很低的,这是由于受到度盘直径,度盘刻划技术和光电读数系统的尺寸所限制.因此我们运用电子技术对交变的电信号进行内插(既电子测微技术),从而提高计数脉冲的频率,达到细分的效果,提高电子测角的精度。
二：电子测距
全站仪测距的基本原理是利用仪器发出的电磁拨在同一密度均匀的媒质中直线传播的特性来测出两点之间的直线距离。根据不同的测时方法可以把电子测距分为脉冲法测距,相位法测距,干涉法测距。
A:脉冲法测距
脉冲法测距就是直接测定脉冲信号在被测距离是往返传播所需的时间，
利用公式S=VT/2来计算距离.其基本原理图如下:
图 3
其测时方法:当测距仪向反射器(即我们通常所说的反射棱镜)发射一个脉冲信号时,还给触发器发射一个脉冲,经过触发器去打开电子门,电子门一打开,计时用的时标脉冲就通过电子门进入计数器,当发向反射器的脉冲信号被反射器反射回测距仪,经测距仪接受后,也送入触发器,通过触发器去关闭电子门,电子门关闭后,时标脉冲就不能通过电子门,那末计数器记录下的时标脉冲个数m,将对应与测距脉冲信号在被测距离D上往返传播所需的时间t.根据时标脉冲的个数可以计算出时间,从而获得距离.例如:某台脉冲测距仪的脉冲频率为fp=1GHz,电磁波速是已知的,(v=300000000m/s),用该仪器测量一段距离,记数器显示通过电子门的脉冲个数为3000个,则该段距离为100米。
B:相位法测距
相位法测距是目前应用最广泛的一种测距方法,其技术比较简单,目前,国产的全站仪全使利用红外线或激光作为载波,采用相位法测距这种方法进行测距,因此在这里对相位法测距进行详细的论述.
1.相位法测距的原理
相位法测距又称为间接法测距,它不直接测定电磁波在传播距离上的往返时间,而是测定由仪器发出的连续正弦电磁信号在被测距离上往返传播而产生的相位变化(即相位差),根据相位差来求得距离.我们知道距离公式是S=VT,(在这里T值只能取一半,因为T为往返时间,所以下面推导的测距公式为S=VT/2)现在光速V是已知的,因此无论是相位法还是脉冲法问题