全站仪的结构和工作原理

1、 全站仪的结构和工作原理目录第一节 全站仪概述第二节 全站仪的发展现状与前景第三节 第三节 电子经纬仪第四节 电磁波测距仪第五节 全站仪的操作第六节 全站仪的检定和检验第七节 全站仪的使用与维护第一节 全站仪概述 一、 全站仪概述全站仪，即全站型电子速测仪（Electronic Total Station）。是一种集光、机械、电子部件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。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。 因全站仪具有多功能、高效率的特性，目前几乎可以用在所有的测量领域。全站仪是人们在角度测量自动化的过程

2、中应用而生的，各类电子经纬仪在各种测绘作业中起着巨大的作用。 全站仪的发展经历了从组合式即光电测距仪与光学经纬仪组合，或光电测距仪与电子经纬仪组合，到整体式即将光电测距仪的光波发射接收系统的光轴和经纬仪的视准轴组合为同轴的整体式全站仪等几个阶段。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与光学视距来确定，而高程则是用三角测量方法来确定的。 带有“视距丝”的光学速测仪，由于其快速、简易，而在短距离（100米以）、低精度 （1/200(1/500）的测量中，如碎部点测定中，有其优势，得到了

3、广泛的应用。 随着电子测距技术的出现，大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）。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

4、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。近年来，随着微电子技术、电子计算技术、电子记录技术的迅速发展和广泛应用，全世界众多测绘仪器制造厂家不断推出各种型号的全站仪，以满足各类用户各种用途的需要。特别是新一代的智能型全站仪，不仅测量速度快、精度高，还置有微处理器和存储器，以与功能强大的系统软件和丰富多彩应用程序，可实现设计、计算、放样等许多高级功能，将全站仪的

5、发展推向了一个崭新的阶段。二、 全站仪的分类全站仪采用了光电扫描测角系统，其类型主要有：编码盘测角系统、光栅盘测角系统与动态（光栅盘）测角系统等三种。全站仪按结构组成分为组合式（Modular）全站仪（测距单元与电子经纬仪既可组合又可分离，两者通过专用的电缆和接口装置连接）和整体式（Integrated）全站仪（测角、测距和微处理器单元与仪器的光学、机械系统融为一体不可分离，且经纬仪的视准轴和测距仪的发射轴、接收轴三轴共线。 全站仪按功能分为普通全站仪（能够测角、测距和计算坐标、高差）、智能型全站仪（具有置或可扩充的系统软件和工具软件，具有自动安平和补偿设备）、自动跟踪式全站仪等。最近十余年来

6、，随着制造工艺、微电子技术和计算机技术的发展，世界上各个主要测量仪器制造厂商出产的全站仪大都属于新一代的集成式智能型全站仪。三、全站仪的应用全站仪的应用围已不仅局限于测绘工程、建筑工程、交通与水利工程、地籍与房地产测量，而且在大型工业生产设备和构件的安装调试、船体设计施工、大桥水坝的变形观 测、地质灾害监测与体育竞技等领域中都得到了广泛应用。全站仪的应用具有以下特点： 1.在地形测量过程中，可以将控制测量和地形测量同时进行。 2.在施工放样测量中，可以将设计好的管线、道路、工程建筑的位置测设到地面上，实现三维坐标快速施工放样。3.在变形观测中，可以对建筑（构筑）物的变形、地质灾害等进行实时动态

7、监测。 4.在控制测量中，导线测量、前方交会、后方交会等程序功能，操作简单、速度快、精度高；其他程序测量功能方便、实用且应用广泛。5.在同一个测站点，可以完成全部测量的基本容，包括角度测量、距离测量、高差测量，实现数据的存储和传输。6.通过传输设备，可以将全站仪与计算机、绘图机相连，形成外一体的测绘系统，从而大大提高地形图测绘的质量和效率。四、现代全站仪的特性和功能新一代的集成式智能型全站仪一般具有下列特性和功能： 1.电子水准器、激光对点器使整平、对中更为简便； 2.友好的用户界面可指导和提示作业人员应进行的操作； 3.强大的系统软件能自动进行仪器调校、参数设置、气象改正等； 4.丰富的应用

8、软件可实现面积计算、导线测量、交会测量、道路放样等复杂操作流程和数据处理； 5.三轴补偿器可自动测定竖轴误差、横轴误差和视准轴误差并加以改正，提高了半测回测角精度； 6.动态电子测角系统可自动消除度盘偏心误差和分划误差的影响，而无需在测回间配置水平度盘； 7.通过主机或电子记录器上的标准通信接口，可实现全站仪与计算机之间的数据通信，从而使得测量数据的采集、处理与绘图等实现无缝连接，形成外业一体化的高效率测量系统。五、全站仪的基本组成与结构1. 全站仪的基本组成全站仪几乎可以用在所有的测量领域。电子全站仪由电源部分、测角系统、测距系统、数据处理部分、通讯接口、与显示屏、键盘等组成。它本身就是一个

9、带有特殊功能的计算机控制系统，其微机处理装置由微处理器、存储器、输入部分和输出部分组成。由微处理器对获取的倾斜距离、水平角、竖直角、垂直轴倾斜误差、视准轴误差、垂直度盘指标差、棱镜常数、气温、气压等信息加以处理，从而获得各项改正后的观测数据和计算数据。在仪器的只读存储器中固化了测量程序，测量过程由程序完成。仪器的设计框架如图8-1所示。图8-1 全站仪设计框架其中：(1)电源部分是可充电电池，为各部分供电； (2)测角部分为电子经纬仪，可以测定水平角、竖直角，设置方位角； (3)补偿部分可以实现仪器垂直轴倾斜误差对水平、垂直角度测量影响的自动补偿改正；(4)测距部分为光电测距仪，可以测定两点之

10、间的距离； (5)中央处理器接受输入指令、控制各种观测作业方式、进行数据处理等； (6)输入、输出包括键盘、显示屏、双向数据通讯接口。 从总体上看，全站仪的组成可分为两大部分：一是为采集数据而设置的专用设备，主要有电子测角系统、电子测距系统、数据存储系统、自动补偿设备等。二是测量过程的控制设备，主要用于有序地实现上述每一专用设备的功能，包括与测量数据相连接的外围设备与进行计算、产生指令的微处理机等。 只有上面两大部分有机结合才能真正地体现“全站”功能，既要自动完成数据采集，又要自动处理数据和控制整个测量过程。2.全站仪的基本结构全站仪按其结构可分为组合式（积木式）与整体式两种。(1)组合式全站

11、仪组合式全站仪由测距头、光学经纬仪与电子计算部分拼装组合而成。这种全站仪的出现较早，经不断地改进可将光学角度读数通过键盘输入到测距仪并对倾斜距离进行计算处理，最后得出平面距离、高差、方位角和坐标差，这些结果可自动地传输到外部存储器中，后来发展为把测距头、电子经纬仪与电子计算部分拼装组合在一起。其优点是能通过不同的构件进行多样组合，当个别构件损坏时，可以用其他构件代替，具有很强的灵活性。早期的全站仪都采用这种结构。如图8-2是日本索佳公司生产的REDmini短程测距仪，仪器测程为O.8km。测距仪的支座下有插孔与制紧螺旋，可使测距仪牢固地安装在经纬仪的支架上方。旋紧测距仪支架上的竖直制动螺旋后，

12、可调节微动螺旋使测距仪在竖直面俯仰转动。测距仪发射接收镜的目镜有十字丝分划板，用以瞄准反射棱镜。图8-2 组合式全站仪图8-3是组合式单块反射棱镜，当测程大于300m时，可换装三块棱镜。图8-3 组合式单块棱镜此外，测距仪横轴到经纬仪横轴的高度与舰牌中心到反射棱镜中心的高度一致，从而使经纬仪瞄准视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（见图8-4）。图8-4 仪器站与棱镜站装配示意图(2)整体式全站仪整体式全站仪是在一个机器外壳含有电子测距、测角、补偿、记录、计算、存储等部分。将发射、接收、瞄准光学系统设计成同轴，共用一个望远镜（见图8-5），角度和距离测量只需一次瞄准，测量结果能

13、自动显示并能与外围设备双向通讯。其优点是体积小、结构紧凑、操作方便、精度高，近期的全站仪都采用整体式结构。整体式全站仪配套使用棱镜对中杆与支架，如果仪器有水平方向和竖直方向同轴双速制动与微动手轮，瞄准操作只需单手进行，更适合移动目标的跟踪测量与空间点三维坐标测量，操作更方便，应用更广泛。图8-5整体式全站仪望眼镜的光路六、电脑全站仪的主要特点电脑全站仪亦称智能型全站仪，具有双轴倾斜补偿器，双边主、附显示器，双向传输通讯，大容量的存或磁卡与电子记录簿两种记录方式以与丰富的机软件，因而测量速度快、观测精度高、操作简便、适用面宽、性能稳定，深受广大测绘技术人员的欢迎，成为1993年以来的全站仪主流发

14、展方向。电脑全站仪的主要特点如下： 1.电脑操作系统电脑全站仪具有像通常PC机一样的DOS操作系统。 2.大屏幕显示可显示数字、文字、图像，也可显示电子气泡居中情况，以提高仪器安置的速度与精度，并采用人机对话式控制面板。3.大容量的存一般存在1M以上，其中主存有640K、数据存320K、程序存512K、扩展存512K。4.采用国际计算机通用磁卡。所有测量信息都可以文件形式记入磁卡或电子记录簿，磁卡采用无触点感应式，可以长期保留数据。5.自动补偿功能补偿器装有双轴倾斜传感器，能直接检测出仪器的垂直轴，在视准轴方向和横轴方向上的倾斜量，经仪器处理计算出改正值并对垂直方向和水平方向值加以改正，提高测

15、角精度。6.测距时间快，耗电量少。第二节 全站仪的发展现状与前景全站仪作为最常用的测量仪器之一，它的发展改变着我们的测量作业方式，极提高了生产的效率。虽然GPS技术在测量领域已广泛应用，但在测绘领域中全站仪依然发挥着极其重要的作用，因为它有着GPS接收机所不具备的一些优点。如不需对天通视，选点和布点灵活，特别适用于带状地形与隐蔽地区，观测数据直观，数据处理简单，操作方便，精度高等。全站仪早期的发展主要体现在硬件设备上，如减轻质量、减小体积等；中期的发展主要体现在软件功能上，如水平距离换算、自动补偿改正、加常数乘常数的改正等；现今的发展则是全方位的，如全自动、智能型。因此，全站仪的发展现状与前景

16、正朝着全自动、多功能、开放性、智能型、标准化方向发展，它将在地形测量、工程测量、工业测量、建筑施工测量和变形观测等领域中发挥越来越重要的作用。一、全站仪的发展随着计算机技术的不断发展与应用以与用户的特殊要求与其它工业技术的应用，全站仪出现了一个新的发展时期，出现了带存、防水型、防爆型、电脑型等等的全站仪。目前，世界上最高精度的全站仪：测角精度（一测回方向标准偏差）0.52，测距精度1mm+1ppm。利用ATR功能，白天和黑夜（无需照明）都可以工作。全站仪已经达到令人不可致信的角度和距离测量精度，既可人工操作也可自动操作，既可远距离遥控运行也可在机载应用程序控制下使用。纵观全站仪的发展，有些是仪

17、器加工制造与传统理论的进化，有些是其他技术的进步所带来的变化，而有些则是思想观念的更新。综合全站仪的发展具有如下几个特点。 1.仪器的系统性全站仪从20世纪60年代末开始出现即显示了其系统性。如德国ZEISS厂的RegElta-14和瑞典AGA厂的Geodimeter700全站仪，它们都配有记录、打印的外围设备，因此全站仪都配有供数据输出的RS-232C标准串行端口。目前这个标准串口的开发应用，不仅能将数据从仪器传输到记录器、电子记录簿或电子平板中，即实现数据的单向流动；而且能够将数据或程序从计算机输入到仪器中，以便对仪器的软件进行更新，甚至通过计算机和仪器的连接，将仪器作为终端由计算机中的程

18、序对仪器进行实时控制操作，实现数据的双向流动。此时全站仪已不再是一台单一的测绘仪器，它和计算机、软件甚至一些通讯设备（如、 机、调制解调器等）一起，组成了一个智能型的测绘系统。 2.双轴自动补偿改正仪器误差对测角精度的影响，主要是由仪器的三轴之间关系不正确造成的。在光学经纬仪中主要是通过对三轴之间关系的检验校正，减少仪器误差对测角精度的影响；在电子仪器中则主要是通过所谓“自动补偿”实现的。最新的全站仪已实现了“三轴”补偿功能（补偿器的有效工作围一般为±3´），即全站仪中安装的补偿器，自动检测或改正由于仪器垂直轴倾斜而引起的测角误差；通过仪器视准轴误差和横轴误差的检测结果计算

19、出误差值，必要时由仪器置程序对所观测的角度加以改正。 3.实时自动跟踪、处理和接收计算机控制新式结构的全站仪，仪器中都安装有驱动仪器水平方向360º、望远镜竖直方向360º。旋转的伺服马达，用这种类型的全站仪可以实现无人值守观测、自动放样、自动检测三轴误差、自动寻找和跟踪目标。因此，在变形观测、动态定位与在一些对人体有害的环境中应用，将具有无可比拟的优越性。4.操作方便，功能性强全站仪的发展使得它操作方便，功能性强。由于仪器中的操作菜单往往使用的是英文描述，于是操作便显得复杂起来。全站仪处理这一问题时是用象形符号或助记符号帮助理解或使用类似于Windows风格的界面提供联机

20、帮助。事实上，提供中文菜单并不是没有可能。由于全站仪所使用的是液晶显示屏，因此用何种文字显示并没有太多的区别（有些仪器即提供了好几种不同语言的操作菜单，如英文、日文、法文、德文等），尽管中文占用的点阵行数会多一些，但“滚动条”的使用可解决这个问题。全站仪全中文菜单的出现将是一件并不遥远的事。5.置程序增多和标准化近年来，全站仪发展的一个极其重要的特征是置程序的增多和标准化。置程序能够实时提供观测过程并计算出最终结果。观测者只要能够按仪器中设定的功能，操作步骤正确就能完成测量工作，而不含程序的全站仪则只能提供观测值和观测值的计算值。也就是说，通过程序将业计算的工作直接在外业中完成，程序的执行过程

21、实际上也就是仪器操作的执行过程。目前，各厂家仪器都具备有置程序的功能，比较实用的程序有度盘定向、放样测量、坐标测量等。6.开放性环境，用户可二次开发功能开放性环境最大的特点是它具有足够的包容性和灵活性，在不同的场合中能够适应不同的要求。随着科学技术的进步，开放环境的要求已经遍与整个开发和应用领域。过去用户只能被动地接收全站仪所提供的功能，若遇到一些特殊要求的工作，用户只能采用一些变通的方法，不能主动地去指挥仪器工作。而在开放环境的条件下，用户就可以参与到仪器功能的二次开发中，从而使用户真正地成为仪器的“头脑”，使仪器按照人的意愿去进行工作。7.仪器的兼容性和标准化考虑到用户的利益，兼容性是必须

22、的。兼容的基础是在计算机领域由IBM公司首先完成，从而使计算机得以飞速发展。在全站仪领域，用户已经体会到了不兼容的弊端，如所购的一套仪器，使用了若干年后，如果其中一个关键部件的损坏或技术的更新，由于设备之间的不兼容，使这套仪器配置中的其他配件也不能为别的仪器所利用，那么用户只能将其整个淘汰。目前各厂家的数据记录设备都向PCM-CIA卡靠拢，但这仅仅是在兼容性方面迈出的小小一步。考虑到全站仪是一种特殊行业使用的特殊仪器与各厂家自身的利益，兼容性还仅仅只能停留在设想上。8.实现数据共事能力由于对仪器实时作业的要求，“业”的“外业化”便显得十分必要。过去从外业到业再到外业的工作过程，将被一次性的外业

23、工作所替代，而这种效率的提高，需要以仪器间数据的共享为基础。这种数据共享主要是指全站仪和其他类型的仪器（如GPS接收机、数字水准仪）之间的数据交流。通过不同仪器之间的数据交流，从而减少业、外业之间的衔接，提高测量工作的自动化水平。9.高精度精度是全站仪最重要的参数之一，现行精度最高的全站仪，测角精度±0.5"，测距精度±(lmm+1ppmD)。高精度仪器的出现，解决了一系列精密工程测量方面的问题，但现实测量工程中有时也需要更高精度的仪器，以降低精密测量的难度和工作量，这是用户的要求，也是技术发展的要求。二、全站仪软件包的发展20世纪90年代推出的全站仪所配置的测量

24、与定位软件，已由过去少量的特殊功能发展到迄今的功能齐全、实用、操作简便的测量软件包，使得全站仪测量技术更加广泛地应用于控制测量、施工放样测量、地形测量和地籍测量等领域。 1.全站仪测量软件包的发展现状随着市场产销竞争日趋激烈，全站仪测量软件包的发展也在不断地更新。现代新型全站仪测量配置的软件包普遍向多功能化方向发展，归纳起来具有如下功能：(1)菜单功能。各公司目前新近推出的全站仪软件包大都采用了菜单功能。利用菜单功能和配置的操作提示，可以在提高仪器操作功能的同时简化键盘操作。(2)基本测量功能。包括电子测距、电子测角（水平角、垂直角），经微处理器可实现数据存储、成果计算、数据传输与基本参数设置

25、等。主要用于测绘的基本测量工作，包括控制测量、地形测量和工程放样施工测量等。特别注意的是只要开机，电子测角系统即开始，工作并实时显示观测数据。(3)程序测量功能。包括水平距离和高差的切换显示、三维坐标测量、对边测量、放样测量、偏心测量、后方交会测量、面积计算等。特别注意的是程序测量功能只是测距与数据处理，它是通过预置程序由观测数据经微处理器数据处理、计算后显示所需要的测量结果，实现数据的存储与双向通信。(4)用户开发系统。为了便于用户自行开发新的功能，满足某些特殊测量工作的需要，全站仪具有用户开发系统。目前，全站仪一般都装有标准的MS-DOS操作系统，用户可在PC机上开发各种测量应用程序，以扩

26、充全站仪的功能。2.国全站仪软件包开发状况我国电子测量仪器的研制与生产虽然起步较晚，但发展较快。20世纪80年代初国产光电测距仪投放市场。90年代研制生产光电子经纬仪，南方公司生产的我国第一台NTS-200系列全站仪，打破了国外厂家垄断我国全站仪市场的局面，随后其他仪器厂家也相继地推出了自己的全站仪。这说明我国已基本具备生产全站仪的能力，而且全站仪精度也能满足实际需要，价格仅是国外全站仪的1/3。从这些全站仪目前所配备的软件来看，它们具有以下特点：(1)软件包一般配备有按我国测绘生产组织方式和国家测绘规要求的应用程序。(2)软件包功能齐全。如南方测绘仪器公司的NTS-200系列全站仪，能够提供

27、平均测量、放样测量、悬高测量、间接测量、坐标测量和数据传输等功能，它们在实现数字化测图中起着重要的作用。(3)用户界面文字化，便于我国用户操作。如第一光学仪器厂生产的DQZ2全站仪具有宽屏幕点阵图形，其软件包的用户界面全部采用汉字显示。(4)软件包数据采集和计算处理一体化，形成的各种坐标数据文件可通过格式转换与各种绘图软件接口，实现自动绘图。(5)多种测量方法供用户选择，使全站仪能广泛地应用于控制测量、工程测量和工程放样施工等领域。由此看来，从硬件到软件，实现全站仪国产化已具备了技术条件。3.全站仪软件包的未来发展趋势由于近代电子技术高速发展，测量仪器不断地更新换代，满足了各种各样的用途和精度

28、的需要，新型全站仪正朝着自动化、多功能化、一体化的方向更新和发展。为了充分发挥全站仪的功效，国外厂家都在进一步地研究与开发全站仪软件包。从目前的情况来看，全站仪软件包将向着以下方面发展： (1)由基于DOS编程的Windows编程发展，软件包功能强大，界面更丰富多彩。(2)通过格式转换和各种绘图软件接口，实现自动绘图。(3)随着液晶显示技术的进一步发展，未来全站仪显示屏不仅能显示字符，而且还能显示图形，全站仪软件包能现场实时绘制工作草图，使数据自动采集与辅助测图同时进行行，成为未来野外测量作业的先进作业方式。(4)全站仪作为、外作业联系的重要部分，建立综合测量系统，已成为开发全站仪软件包的延续

29、。如：索佳测绘公司的“综合测绘系统”、徕卡公司的“开放式测量世界”、南方测绘公司的“CASS南方外业一体化成图软件”、光学仪器厂的“BGSS”综合测绘系统等。因此，综合测量系统将是今后测量工作的发展趋势。这种系统把全站仪通过相关软件系统和计算机、打印机、绘图机、数字化仪等设备联为一体，将大大有利于实现地形测量、地籍测量、工程测量与变形观测等工作的自动化。第三节 电子经纬仪一、电子经纬仪的特点电子经纬仪是一种集光学、机械、电子技术于一体的测角仪器。它既可以设计成一台完整的仪器和电子测距仪连接成积木型全站仪，也可以设计成电子经纬仪单元，与电子测距仪单元有机结合在一起构成不可分割的整体式全站仪。但不

30、管是哪种形式，它都可以独立工作。相对于传统的光学经纬仪来说，现代的电子经纬仪具有如下优点： 1.对中光学经纬仪的对中采用垂球或光学对中器，而如今越来越多的电子经纬仪采用激光对中器，使用起来非常直观。2.整平光学经纬仪的精密整平使用长水准器，整平过程需要花费较长时间；而如今越来越多的电子经纬仪采用电子气泡，用数字或图形直接显示垂直轴倾斜量，使用起来非常直观、方便。3.读数光学经纬仪的读数必须借助专门的读数窗，需要人工调焦、调像进行对径读数、估读，掌握起来比较困难，且非常容易出错；而电子经纬仪的水平角、垂直角读数自动显示，一般最小显示为l´，有的可达0.1´，因而没有读数误差。

31、4.记录光学经纬仪的读数需要用笔记录手簿，并由人工来进行质量控制，对作业人员的素质要求较高；而电子经纬仪的读数可直接存储到PCMCIA卡或外接记录器，并可由系统进行质量控制。5.补偿器光学经纬仪采用机械补偿器，只能对垂直角进行补偿；而如今越来越多的电子经纬仪采用电子液体补偿器，不仅对垂直角进行补偿，而且可对水平角进行补偿，补偿围更大，精度更高，除此之外，补偿器零点可以通过软件调整，免除了机械调整的麻烦。6.轴系调整光学经纬仪的轴系误差，只能进行机械调整来消除，而这些调整往往要送到专业维修单位进行；而如今越来越多的电子经纬仪除了机械调整之外，还可以通过软件设置进行修正，使修正后的残余误差几乎为零

32、，而这些调整除送专业维修单位之外，也可以由用户自行操作。二、电子测角的原理电子测角，即电子化、数字化、自动化角度测量，其表现是直接以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，也就是采用了光电度盘，将度盘的角值符号变成能被光电器件识别和接收的特定信号，然后再转换成常规的角值，从而实现了读数记录的数字化和自动化。角值和光电信号的转换，大体分为两类：一类是把度盘分成区、环进行编码，称为编码度盘，它直接把角度转换成二进制代码，所以称绝对转换系统；另一类是利用光栅度盘把单位角度转换成脉冲信号，然后用计算机累积变化的脉冲数，求得相应的角度值，称为增量转换系统。三、补偿器与电

33、子气泡（一）补偿器1.补偿器的产生 在角度测量中，经纬仪的垂直轴、水平轴和视准轴的不正确安装或整置往往是诸多误差源中最重要的因素。为了减弱或消除三轴误差对角度测量的影响，人们常常采用一定的测量程序，如盘左、盘右分别测量取平均，但是这个过程比较麻烦且很容易出现操作上的错误。而在许多工程放样中，对作业进度的要求比较高，对测量精度的要求相对低些，例如在石油物探的物理点放样中，一方面对施工作业的进度要求，另一方面只需进行盘左或盘右半测回测量就能够满足精度要求，这就要求确保经纬仪的安置正确无误。另外，如今来执行测量任务的作业人员，许多没有经过系统的测量技术培训，这就要求仪器生产厂家提供的产品尽可能地自动

34、减少轴系误差的影响。补偿器就是为了这个目的应运而生的。补偿器的作用就是通过寻找仪器在垂直和水平方向的倾斜信息，自动地对测量值进行改正，从而提高采集数据的精度。2.补偿器的类型 补偿器按工作原理一般分为两种类型：摆式补偿器和液体补偿器。摆式补偿器多见于早期的电子经纬仪。其基本原理是：当仪器倾斜时，引起垂直度盘指标随之位移，而同时也将引起摆的微小摆动，并通过光路引起垂直度盘影像的相应变化，因而，最终输出的角度为正确的角度。液体补偿器为现代大多数全站仪所普遍采用。其基本原理是：当仪器倾斜时，倾斜传感器液体光模导致光束的随之位移，并将位移量感应在阵列上，全站仪的微处理器根据位移的大小计算仪器的倾斜量与

35、由倾斜引起的改正数，并提供给角度输出系统。补偿器按补偿功能一般分为单轴补偿、双轴补偿和三轴补偿。单轴补偿：仅能补偿由于垂直轴倾斜而引起的垂直度盘的读数误差。双轴补偿：可同时补偿由于垂直轴倾斜而引起的垂直度盘和水平度盘的读数误差。三轴补偿：不仅能补偿由于垂直轴倾斜而引起的垂直度盘和水平度盘的读数误差，而且还能补偿由于水平轴误差和视准轴误差而引起的水平度盘的读数误差。3.补偿器的补偿围 补偿器的补偿围是指补偿器正常工作所能接受的仪器倾斜程度，即当仪器的倾斜量在补偿围时，补偿器将测量纵向和横向倾斜量，进而计算对垂直度盘和水平度盘读数的影响并加以改正；当仪器的倾斜量超出补偿围时，补偿器将停止工作。补偿

36、器的补偿围总是有限度的，市场上大多数全站仪的补偿围一般在3´5´左右。较大的补偿围使用户增加了在恶劣环境下（如地基松软地带或地基振动地带）作业仍取得可靠结果的信心。4.补偿器的补偿精度 补偿器的补偿精度有两种含义：一种是倾斜量测定精度，是指补偿器对倾斜度的测量精度，在用户手册上给出的补偿精度通常都是倾斜量测定精度；一种是垂直角修正精度，是指在仪器标称补偿围进行有效修正后的垂直角值与仪器处于正确位置时的垂直角值的偏差，在检定证书中给出的补偿精度通常都是垂直角修正精度。（二）电子气泡新型的全站仪大都装备有电子气泡。电子气泡是补偿器的显示单元，它直接显示仪器的倾斜状态。电子气泡的

37、形式有两种，一种是数字型，直接显示仪器在纵向（X）和横向（Y）的倾斜值，当二者都为零时，仪器为整平状态；一种是图形型，常常用一个圆点在大圆圈中的位置来表示，当小圆点位于大圆圈的圆心时，仪器为整平状态。在仪器工作过程中，仪器的倾斜状态通过电子气泡显示出来，而这种状态对垂直度盘和水平度盘读数的影响，则通过补偿器有关电路来进行改正。在实际测量作业时，可以利用电子气泡进行快速整平（只需整平到补偿围）或精确整平。仪器允许用户对整平后的残余倾斜量进行补偿或不进行补偿。当倾斜量被自动地用来改正水平角和垂直角时，即使盘左或盘右半测回测量，也能够获得比较满意的精度，特别是当垂直角较大时自动补偿对精度的改善更为明

38、显。（三）三轴补偿老式的单轴补偿器只能补偿由垂直轴倾斜引起的垂直度盘读数误差，双轴补偿器则可同时补偿由垂直轴倾斜而引起的垂直度盘和水平度盘读数误差；近年来推出的三轴补偿器，不仅能补偿由垂直轴倾斜而引起的垂直度盘和水平度盘读数误差，而且还能补偿由于水平轴倾斜和视准轴误差而引起的水平度盘的读数误差。在三轴补偿状态下，引起水平度盘读数变化的因素（即用以修正水平度盘读数的因素）增加到3个。以下对三轴补偿的原理做简单介绍。1.双轴补偿 垂直轴倾斜将引起对中误差、水平角误差和垂直角误差。由垂直轴倾斜导致的对中误差一般可以忽略（1´的倾斜量只会使望远镜中心偏离仪器旋转中心0.05mm的位移），由垂

39、直轴倾斜引起的水平角误差和垂直角误差不能用盘左、盘右的措施消除。在双轴补偿中，将垂直轴倾斜分解为纵向倾斜和横向倾斜两个分量。所谓纵向倾斜，是指垂直轴倾斜在视准轴与铅垂线平面的分量。纵向倾斜将引起垂直角的误差。所谓单轴补偿实质上就是对纵向倾斜所导致的垂直角误差施加改正。所谓横向倾斜，是指垂直轴倾斜在水平轴与铅垂线平面的分量。横向倾斜影响水平角的测量。当望远镜水平瞄准时，横向倾斜对水平度盘没有影响。但望远镜倾斜瞄准时，对水平度盘的影响将随着望远镜倾斜的增加而明显增加（如望远镜倾斜45°时，1´横向倾斜引起l´的水平角误差）。所谓双轴补偿实质上就是对纵向倾斜所导致的垂直

40、角误差和横向倾斜所引起的水平角误差均施加改正。例如，在照准部固定的情况下，使望远镜上下仰俯，对单轴补偿来说，水平度盘读数保持不变，而对双轴补偿来说，水平度盘读数可能在不断变化，这正是对横向倾斜引起的水平度盘读数误差进行修正。2.水平轴误差 水平轴误差，又称为横轴误差，一般用表示，是指其由于制造、安装和调整不完善致使水平轴两端的直径不等或支承水平轴的两个支架不等高引起的水平轴倾斜误差。由于仪器存在着水平轴误差，当仪器整平时，垂直轴垂直，而水平轴不水平，这将会引起水平方向的观测误差。若令为水平轴倾斜误差对水平方向观测读数的影响，则有： （8-1）显然，的大小不仅与角的大小成正比，而且还与目标点的垂

41、直角有关。3.视准轴误差 视准轴误差，又称为照准误差，一般用表示，是指由于安装和调整不当致使望远镜的十字丝中心偏离正确位置，导致视准轴与水平轴不正交而引起的误差。它是一个固定值；外界温度的变化也会引起视准轴位置的变化，这个变化则不是一个固定值。若令为视准轴误差对水平方向观测读数的影响，则有： （8-2） 显然，视准轴误差对水平方向读数的影响不仅与视准轴误差成正比，而且也与目标点的垂直角有关。当垂直角为0°时，即视准轴误差与它所引起的水平方向读数误差是一样的。此时可通过盘左、盘右的观测值之差来求得，即：。4.三轴补偿的基本思想 三轴补偿的基本思想是，用双轴补偿的方法来补偿垂直轴倾斜引起

42、的垂直和水平度盘的读数误差，用机计算软件来改正因横轴误差和视准轴误差引起的水平读数误差。对于单轴补偿的老式全站仪来说，没有上述三种改正功能，人们看到无论怎么转动望远镜，水平读数都不变化，这并不是因为仪器稳定可靠，其实是因为仪器没有能力进行这方面的改正。对于仅有双轴补偿器的全站仪来说，只能改正垂直轴倾斜引起的垂直和水平读数误差，因此，当补偿器工作时，转动望远镜，水平读数就随之变化；当补偿器关闭以后，无论如何转动望远镜，水平读数也不会变化。四、仪器的设置为了使全站仪方便地用于不同的测量用途，经常要对仪器工作的方式、条件等进行选择确认，这项工作称为仪器设置。全站仪本身就是一台专用计算机，在它的系统软

43、件里，预置了许多测量中可能会用到的功能、参数等，用户可以随心所欲地选择适合自己需要的设置。一般来说，全站仪的设置分为以下几种。1.功能设置 全站仪提供了许多功能，根据用户的不同要求，这些功能有的使用频繁，有的则可能永远也不会使用。例如，所有的全站仪都设计有轴系补偿的功能，用户可以通过设置选择单轴补偿，也可以选择双轴补偿，也可以选择不要补偿。一般关于功能的设置有：关机设置、音响设置、照明设置、补偿器开关、菜单项增减、ppm参数项的增减等。2.模板设置 模板设置主要确定外业测量所采集的数据以什么样的形式通过显示屏或数据文件等媒介表现出来。例如，全站仪采集的基本量为角度和斜距，而通过这两个量又可派生

44、出许多量，如平距、坐标等。由于屏幕的大小有限，只能将测量员最关心的几项数据直接显示出来，其他数据通过箭头的移动再逐项显示。这就需要进行模板设置。一方面，系统提供标准模板，即将最常用的量组成几个不同的模板，供用户选择；另一方面，也允许由用户自己就感兴趣的重组成用户模板。以TPS1000为例，一般常用的模板设置有： (1)显示模板（Display Mask），即如何安排屏幕上实时显示的项目容；(2)记录模板（Record Mask），即如何安排记录卡上数据记录的顺序和容。3.单位设置 为了面向不同用户，适应不同用途的要求，全站仪提供了多种计量单位供选择。一般常用的单位设置如下： (1)长度单位与小

45、数位置； (2)角度单位与小数位置； (3)温度单位； (4)气压单位。4.参数设置 参数设置是全站仪与计算机通信中的一个重要容。在联机状态下，全站仪的通信参数与计算机的通信参数应该一致。一般常用的参数设置项如下： (1)波特率； (2)数据位； (3)停止位； (4)校验方式； (5)接口协议。第四节 电磁波测距仪一、电磁波测距仪概述1.电磁波测距仪的概念 电磁波测距仪，也称为电子测距仪，是利用电磁波（微波、激光或红外光等）运载测距信号，通过直接或间接测定电磁波在两点间往返一次的传播时间，从而根据已知的电磁波传播速度求得两点间的距离的一类仪器的统称。它既可以设计成一台完整的仪器，也可以设计成

46、一个独立的单元附加到经纬仪上，形成半站仪或全站仪，还可以设计成与电子经纬仪有机结合在一起，构成不可分割的整体式全站仪。2.电磁波测距仪的分类 电磁波测距仪按所用测距方式的不同分为脉冲式测距仪、相位式测距仪等；按所采用载波的不同分为微波测距仪和光电测距仪，光电测距仪又因光源和电子部件的改进发展成为激光测距仪和红外测距仪。所谓微波测距仪，是指利用微波作为载波的光电测距仪。所谓红外测距仪，是指采用红外光作为光源的光电测距仪。通常利用砷化镓发光二极管发射中心波长为0.720.94m的近红外光作为光源。具有功耗低、体积小、质量轻等优点。测程一般在110km，测距精度一般在520mm。所谓激光测距仪，是以

47、激光为光源的测距仪器的统称。其分为脉冲式激光测距仪（激光工作于脉冲状态）、相位式激光测距仪（以连续波激光为载波）。广义上，还包括以砷化镓发光二极管（属于非相干态激光光源）作为光源的红外测距仪。但一般理解，激光测距仪特指相位式激光测距仪，通常采用氦氖激光器，测程可达4Okm，测距精度可达±(5mm+10ppm)。3.电磁波测距仪的测程 电磁波测距仪的测程，即电磁波测距仪所能测得的最远距离。一般称小于3km为短程，315km为中程，大于15km为远程。仪器制造厂家所标称的最大测程的确认，一般首先要经过严格试验，得出仪器达到某一测程所需要的发射功率，然后通过专用的功率计检测发射光的功率，确

48、认相应的最大测程。国家法定计量检定单位对全站仪最大测程的确认，往往是在野外测量基线上进行的。在保证测距精度的前提下，充分考虑气象条件、实测最远距离和仪器显示信号的强度，从而估算出仪器标称的最大测程是否能够得到满足。电磁波测距仪所标称的最大测程，在实际作业中一般是很难达到的。二、电磁波测距原理（一）电磁波的基本知识根据电磁场的理论，电和磁是紧密联系着的两种运动形式，变化的电场能够在它的周围激起磁场的变化，同样，变化的磁场也能够在它的周围激起电场的变化。所谓电磁波，就是交互变化的电磁场在空间传播的过程，它本质上是一种客观存在的物质和能量传输形式。射线、X射线三紫外线、可见光、红外线、微波、无线电波

49、都是电磁波，它们的本质完全相同，只是频率和波长不同而已。1.正弦波 电磁波的振动方式是多种多样的，其中最简单、最基本的是正弦波。表达正弦波的要素主要有周期、频率、波长等。可以这样来理解正弦波：设有一矢量OA以角速度逆时针方向旋转，若以横轴表示时间，将各个时刻矢量OA在纵轴方向的分量以连续曲线的形式表示出来，就形成一条正弦曲线。显然，矢量OA的旋转每经过(360º）旋转一周，即正弦波每经过(360º)重复一次。（1）周期、频率。正弦波的波形重复出现一次所用的时间称为周期，单位为秒()，用T表示；单位时间(1)旋转的周数称为频率，单位为赫兹（Hz），用表示。周期和频率互为倒数，

50、即： 或 （8-3）（2）波长。电磁波在一个周期（在真空中）所传播的距离称为波长，用表示；波长与频率、周期有以下关系： 或 （8-4）（3）相位。正弦波在某一时刻的状态（即矢量OA的瞬间位置），称为相位。一般用某一时刻矢量。A与时间轴的夹角为表示（称为相位角），单位为弧度（rad）。相位与角速度、频率有以下关系： （8-5）设以某一时刻为初始时刻，则该时刻的相位角称为初相角，用表示；则正弦波的数学表达式为： （8-6）2.载波与调制波 所谓调制，就是使某一电磁波信号的某种参数（如振幅、频率、相位等）随着另一电磁波信号的变化规律而变化的过程。前者称为载波，它就像运载工具；后者称为调制信号，是需要

51、传送“货物”。在电磁波测距中，作为光源的光波是波长很短、频率非常高的电磁波，直接用来测距非常困难，所以需要采用一个具有较低频率的测距信号，但较低频率的信号又不便于定向传送。为了传送测距信号，通常用其作为调制信号，对等幅高频振荡的载波（如微波、激光、红外线等）进行调制（即改变其振幅、频率或相位），经过调制后的信号就载有需要传送的测距信号。调制的方式有两种：一种是调幅，即调制对象是振幅，另一种是调频，即调制的对象是频率。在电磁波测距中常用调幅或调频两种方式，当载波为光波时，这一调制过程称为“光调制”，如激光测距仪中对激光的调幅，就是对激光的亮度进行调制；当载波为高频电振荡时，这一调制过程称为“电调

52、制”，如微波测距仪中对微波的调制。（二）电磁波测距基本原理电磁波测距的基本原理，是利用电磁波在空气中传播的速度为已知这一特性，通过测定电磁波在待测距离上往返传播的时间，来间接求得待测距离。只要测出电磁波在待测距离上往返传播的时间，即可计算出待测距离。电磁波在待测距离上传播所经历的时间既可以直接测定，也可以间接测定。但是，通过直接测定时间来求取距离的方法实现起来非常困难。例如，要想获得±3mm的测距精度，就需要达到±2×l0-11s的测时精度，这样高的测时精度在实践上往往是达不到的。因而，人们又根据上述测距原理提出了许多改进的测距方法。在实际的电磁波测距仪中，主要利

53、用脉冲法测距和相位法测距，其中最常用的为相位法测距。三、测距的标称精度测距仪或全站仪的测距部分的标称精度指标，一般均表达为±（A+B·D）的形式，显然，该精度表达形式由以下两部分组成： A代表固定误差，单位符号为mm，一般在15mm之间。它主要由仪器加常数的测定误差、对中误差、测相误差等引起。固定误差与所测距离的长短无关，即无论所测距离的长短，仪器总是存在着一个不大于该值的固定误差。B、D，代表比例误差（B为比例误差系数，D为所测距离）。它主要由仪器乘常数的测定误差、仪器频率误差、大气折射率误差引起。其中B的单位符号为ppm（Part Per Million），是百万分之一

54、（即10 -6）的意思，它不是我国法定计量单位，而是人们对这一数学现象的习惯叫法，它广泛地出现在国外有关技术资料上。B的数值由生产厂家在用户手册里给定，一般在15ppm之间。D的单位符号为km，即1×106mm，它的数值是一个变数，即用户实际测量的距离；比例误差中真正体现精度指标的是比例误差系数“ppm”。固定误差与比例误差绝对值之和，再冠以“±”，即构成全站仪测距部分的精度指标。如某全站仪测距标称精度为±（2mm+2ppm×D）。当被测距离为lkm时，仪器测距标称精度为±（2mm +2mm），即最大测距误差不大于3mm；当被测距离为2km时，

55、仪器测距精度则为（2mm+4mm），即最大测距误差将不大于4.5mm。特别需要指出的是，不能把仪器的标称精度当作仪器的实际精度。全站仪的标称精度指标是一种误差限差的概念，也就是说，全站仪的实际测距误差不得超过生产厂家提供的标称精度指标。有的仪器实际误差接近于这个限差，有的仪器实际误差远小于这个限差。四、测距的气象改正 在电磁波测距原理中，我们将电磁波在空气中传播的速度当作常数，而实际上，电磁波在空气中传播的速度与电磁波频率和大气密度等密切相关，因此，在利用测距仪和全站仪进行测距时，必须进行气象改正，即通过测量作业现场的温度T（Temperature）、气压P（Pressure）以与湿度H（Hu

56、midity，该项仅在高精度测量中），按照一定的气象改正公式，求出气象改正比例系数（ppm）以与距离改正数。气象改正一般是在标准气象条件的基础上进行的。为了便于用户的使用，生产厂家一般都是选定与仪器作业现场的气象条件比较接近的参数作为标准气象条件。在标准气象条件下，仪器的气象改正ppm值为零。如徕卡全站仪选定T=12，p=101.325MPa（700mmHg），H=60%作为标准气象条件，此时的气象改正值ppm=0。也有的厂家标准温度T选定为15（如托普康）或20（如捷创力），但气压P一般都选定为101.325kPa。在实际作业时，现场的气象条件一般会与标准气象条件有所不同，通常所说的气象改正

57、就是指对相对于标准气象条件变化而进行的改正。可以证明，在标准气象条件的基础上，当温度每变化1或气压每变化0.34kPa时，将会产生约1ppm的改正值。例如，当环境温度为10时，徕卡全站仪气象改正值为-2ppm。在全站仪的使用手册中，一般都提供了进行气象改正的方法，主要有以下三种： 1.根据气象改正图表，由用户查取； 2.提供气象改正公式，由用户自己算出（每个厂家提供的公式可能会略有不同）； 3.用户直接输入温度T、气压P，由全站仪自动算出（新型全站仪一般都有此功能）。五、测距仪的加、乘常数（一）加常数全站仪或红外测距仪的机械对中点与光路棱镜等效反射面不一致所引起的距离改正数，称为仪器常数，通常用表示。另外，反射棱镜的机械对中点与光路棱镜等效反射面不一致所引起的距离改正数，称为棱镜常数，通常用表示。习惯上，往往将仪器常数和棱镜常数综合在一起，统称为加常数。加常数的作用是用于改正由此引起的测距系统误差。每台仪器和棱镜均存在着加常数，只是大小不同而已。一般大的有十几个毫米，小的则有零点几毫米，甚至可以忽略不计。用户可根据测量任务对精度的要求，来决定是否在数据处理