全站儀的歷史及原理

1、全站儀，即全站型電子速測儀（Electronic Total Station）。是一種集光、機、電為一體的高技術(shù)測量儀器，是集水平角、垂直角、距離(斜距、平距)、高差測量功能于一體的測繪儀器系統(tǒng)。其類型主要有：編碼盤測角系統(tǒng)、光柵盤測角系統(tǒng)及動態(tài)（光柵盤）測角系統(tǒng)等三種。幾乎可以用在所有的測量領(lǐng)域。工作原理折疊全站儀是一種集光、機、電為一體的新型測角儀器，與光學經(jīng)緯儀比較電子經(jīng)緯儀將光學度盤換為光電掃描度盤，將人工光學測微讀數(shù)代之以自動記錄和顯示讀數(shù)，使測角操作簡單化，且可避免讀數(shù)誤差的產(chǎn)生。電子經(jīng)緯儀的自動記錄、儲存、計算功能，以及數(shù)據(jù)通訊功能，進一步提高了測量作業(yè)的自動化程度。全站儀與光學

2、經(jīng)緯儀區(qū)別在于度盤讀數(shù)及顯示系統(tǒng)，電子經(jīng)緯儀的水平度盤和豎直度盤及其讀數(shù)裝置是分別采用兩個相同的光柵度盤（或編碼盤）和讀數(shù)傳感器進行角度測量的。根據(jù)測角精度可分為0.5，1，2，3，5，10等幾個等級，全站儀按測量功能分類，可分成四類：（1）經(jīng)典型全站儀（Classical total station）經(jīng)典型全站儀也稱為常規(guī)全站儀，它具備全站儀電子測角、電子測距和數(shù)據(jù)自動記錄等基本功能，有的還可以運行廠家或用戶自主開發(fā)的機載測量程序。其經(jīng)典代表為徠卡公司的TC系列全站儀。（2）機動型全站儀（Motorized total station）在經(jīng)典全站儀的基礎(chǔ)上安裝軸系步進電機，可自動驅(qū)動全站儀照

3、準部和望遠鏡的旋轉(zhuǎn)。在計算機的在線控制下，機動型系列全站儀可按計算機給定的方向值自動照準目標，并可實現(xiàn)自動正、倒鏡測量。徠卡TCM系列全站儀就是典型的機動型全站儀。（3）無合作目標性全站儀（Reflectorless total station）無合作目標型全站儀是指在無反射棱鏡的條件下，可對一般的目標直接測距的全站儀。因此，對不便安置反射棱鏡的目標進行測量，無合作目標型全站儀具有明顯優(yōu)勢。如徠卡TCR系列全站儀，無合作目標距離測程可達1000m，可廣泛用于地籍測量，房產(chǎn)測量和施工測量等。（4）智能型全站儀（Robotic total station）在機動化全站儀的基礎(chǔ)上，儀器安裝自動目標識

4、別與照準的新功能，因此在自動化的進程中，全站儀進一步克服了需要人工照準目標的重大缺陷，實現(xiàn)了全站儀的智能化。在相關(guān)軟件的控制下，智能型全站儀在無人干預(yù)的條件下可自動完成多個目標的識別、照準與測量，因此，智能型全站儀又稱為“測量機器人”典型的代表有徠卡的TCA型全站儀等。全站儀按測距儀測距分類，還可以分為三類：（1）短距離測距全站儀測程小于3KM，一般精度為±（5mm+5ppm），主要用于普通測量和城市測量。（2）中測程全站儀測程為3-15km，一般精度為±（5mm+2ppm），±（2mm+2ppm）通常用于一般等級的控制測量。（3）長測程全站儀測程大于15km，一

5、般精度為±（5mm+1ppm），通常用于國家三角網(wǎng)及特級導(dǎo)線的測量自動陀螺折疊由陀螺儀GTA1000與無合作目標全站儀RTS812R5組成的自動陀螺全站儀能夠在20分鐘內(nèi)，最高以±5的精度測出真北方向。GTA1800R這款儀器實現(xiàn)了陀螺儀和全站儀的有機整合，GTA1000陀螺儀上架于RTS812R5系列全站儀。GTA1800R在全站儀的操作軟件里實現(xiàn)和陀螺儀的通訊輕松完成待測邊的定向。GTA1800R可以實現(xiàn)北方向的自動觀測，免去了人工觀測的勞動量和不確定性。全站儀幾乎可以用在所有的測量領(lǐng)域。電子全站儀由電源部分、測角系統(tǒng)、測距系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理部分、通訊接口、及顯示屏、鍵盤等

6、組成。同電子經(jīng)緯儀、光學經(jīng)緯儀相比，全站儀增加了許多特殊部件，因此而使得全站儀具有比其它測角、測距儀器更多的功能，使用也更方便。這些特殊部件構(gòu)成了全站儀在結(jié)構(gòu)方面獨樹一幟的特點。雙軸自動補償折疊在儀器的檢驗校正中已介紹了雙軸自動補償原理，作業(yè)時若全站儀縱軸傾斜，會引起角度觀測的誤差，盤左、盤右觀測值取中不能使之抵消。而全站儀特有的雙軸（或單軸）傾斜自動補償系統(tǒng)，可對縱軸的傾斜進行監(jiān)測，并在度盤讀數(shù)中對因縱軸傾斜造成的測角誤差自動加以改正(某些全站儀縱軸最大傾斜可允許至±6）。，也可通過將由豎軸傾斜引起的角度誤差，由微處理器自動按豎軸傾斜改正計算式計算，并加入度盤讀數(shù)中加以改正，使度盤

7、顯示讀數(shù)為正確值，即所謂縱軸傾斜自動補償。雙軸自動補償?shù)乃捎玫臉?gòu)造（現(xiàn)有水平，包括Topcon,Trimble）：使用一水泡（該水泡不是從外部可以看到的，與檢驗校正中所描述的不是一個水泡）來標定絕對水平面，該水泡是中間填充液體，兩端是氣體。在水泡的上部兩側(cè)各放置一發(fā)光二極管，而在水泡的下部兩側(cè)各放置一光電管，用一接收發(fā)光二極管透過水泡發(fā)出的光。而后，通過運算電路比較兩二極管獲得的光的強度。當在初始位置，即絕對水平時，將運算值置零。當作業(yè)中全站儀器傾斜時，運算電路實時計算出光強的差值，從而換算成傾斜的位移，將此信息傳達給控制系統(tǒng)，以決定自動補償?shù)闹?。自動補償?shù)姆绞匠跤晌⑻幚砥饔嬎愫笮拚敵鐾猓?/p>

8、還有一種方式即通過步進馬達驅(qū)動微型絲桿，把此軸方向上的偏移進行補正，從而使軸時刻保證絕對水平。鍵盤折疊鍵盤是全站儀在測量時輸入操作指令或數(shù)據(jù)的硬件，全站型儀器的鍵盤和顯示屏均為雙面式，便于正、倒鏡作業(yè)時操作。存儲器折疊全站儀存儲器的作用是將實時采集的測量數(shù)據(jù)存儲起來，再根據(jù)需要傳送到其它設(shè)備如計算機等中，供進一步的處理或利用，全站儀的存儲器有內(nèi)存儲器和存儲卡兩種。全站儀內(nèi)存儲器相當于計算機的內(nèi)存（RAM），存儲卡是一種外存儲媒體，又稱PC卡，作用相當于計算機的磁盤。通訊接口折疊全站儀可以通過RS-232C通訊接口和通訊電纜將內(nèi)存中存儲的數(shù)據(jù)輸入計算機，或?qū)⒂嬎銠C中的數(shù)據(jù)和信息經(jīng)通訊電纜傳輸給全

9、站儀，實現(xiàn)雙向信息傳輸。使用方法折疊編輯本段全站儀具有角度測量、距離（斜距、平距、高差）測量、三維坐標測量、導(dǎo)線測量、交會定點測量和放樣測量等多種用途。內(nèi)置專用軟件后，功能還可進一步拓展。全站儀的基本操作與使用方法 ：水平角測量折疊（1）按角度測量鍵，使全站儀處于角度測量模式，照準第一個目標A。（2）設(shè)置A方向的水平度盤讀數(shù)為0°0000。（3）照準第二個目標B，此時顯示的水平度盤讀數(shù)即為兩方向間的水平夾角。距離測量折疊（1）設(shè)置棱鏡常數(shù)測距前須將棱鏡常數(shù)輸入儀器中，儀器會自動對所測距離進行改正。（2）設(shè)置大氣改正值或氣溫、氣壓值光在大氣中的傳播速度會隨大氣的溫度和氣壓而變化，15和

10、760mmHg是儀器設(shè)置的一個標準值，此時的大氣改正為0ppm。實測時，可輸入溫度和氣壓值，全站儀會自動計算大氣改正值（也可直接輸入大氣改正值），并對測距結(jié)果進行改正。（3）量儀器高、棱鏡高并輸入全站儀。（4）距離測量照準目標棱鏡中心，按測距鍵，距離測量開始，測距完成時顯示斜距、平距、高差。全站儀的測距模式有精測模式、跟蹤模式、粗測模式三種。精測模式是最常用的測距模式，測量時間約2.5S，最小顯示單位1mm；跟蹤模式，常用于跟蹤移動目標或放樣時連續(xù)測距，最小顯示一般為1cm，每次測距時間約0.3S；粗測模式，測量時間約0.7S，最小顯示單位1cm或1mm。在距離測量或坐標測量時，可按測距模式（

11、MODE）鍵選擇不同全站儀儀器的盤左和盤右，實際上沿用老式光學經(jīng)緯儀的稱謂。是根據(jù)豎盤相對觀測人員所處的位置而言的，觀測時當豎盤在觀測人員的左側(cè)時稱為盤左，反之稱為盤右。相對盤左和盤右而言也有稱為正鏡和倒鏡，以及F1(FACE1）面和F2(FACE2）面的。對于測量來講，若正、反（盤左、盤右）測量后，通過測量方法有可消除某些人為誤差以及固定誤差的作用。對于可定義盤左和盤右稱謂的儀器而言，給用戶增加了應(yīng)用儀器的可選操作界面，對測量作業(yè)和測量結(jié)果沒有影響。另外，對于靠角度確認盤左和盤右可能存在某些錯覺，例如某些連接陀螺儀的全站儀或者經(jīng)緯儀，在確定盤左和盤右時顯示的不一定是對應(yīng)。就是說相對180度角

12、度數(shù)值而已往小向轉(zhuǎn)不一定是盤左。反正，用戶記住兩者的差值即可。儀器也是自動求算的，對工程測量結(jié)果沒有影響。全站儀整平以及氣泡校正折疊正旋緊中心螺旋。(2）粗平：看圓氣泡（精度相對較低，一般為1分），分別旋轉(zhuǎn)儀器的3個腳螺旋將儀器大致整平。(3）精平同時進行檢驗：使儀器照準部上的管狀水準器（或者稱長氣泡管）平行于住意一對腳螺旋，旋轉(zhuǎn)兩腳螺旋使氣泡居中；然后，將照準部旋轉(zhuǎn)180°，此時若氣泡仍然居中，則管狀水準器軸垂直于豎軸（長氣泡管沒有問題）。如氣泡不居中，就需要校正。校正方法：(A）按照檢驗的步驟進行到第（3）步，確定偏差量即氣泡偏離中間的差量。(B）用改針調(diào)整長氣泡管的校正螺釘，使

13、氣泡返回偏差量的1/4。若前面的差量無法精確知道，這里可大概改正；然后重復(fù)檢驗步驟的第（3）步驟。如何檢驗折疊編輯本段（1）照準部水準軸應(yīng)垂直于豎軸的檢驗和校正檢驗時先將儀器大致整平，轉(zhuǎn)動照準部使其水準管與任意兩個腳螺旋的連線平行，調(diào)整腳螺旋使氣泡居中，然后將照準部旋轉(zhuǎn)180度，若氣泡仍然居中則說明條件滿足，否則應(yīng)進行校正。校正的目的是使水準管軸垂直于豎軸即用校正針撥動水準管一端的校正螺釘，使氣泡向正中間位置退回一半為使豎軸豎直，再用腳螺旋使氣泡居中即可此項檢驗與校正必須反復(fù)進行，直到滿足條件為止。（2）十字絲豎絲應(yīng)垂直于橫軸的檢驗和校正檢驗時用十字絲豎絲瞄準一清晰小點，使望遠鏡繞橫軸上下轉(zhuǎn)動

14、，如果小點始終在豎絲上移動則條件滿足否則需要進行校正校正時松開四個壓環(huán)螺釘（裝有十字絲環(huán)的目鏡用壓環(huán)和四個壓環(huán)螺釘與望遠鏡筒相連接。轉(zhuǎn)動目鏡筒使小點始終在十字絲豎絲上移動，校好后將壓環(huán)螺釘旋緊。（3）視準軸應(yīng)垂直于橫軸的檢驗和校正選擇一水平位置的目標，盤左盤右觀測之，取它們的讀數(shù)（顧及常數(shù)180度）即得兩倍的c（c=1/2（左右）（4）橫軸應(yīng)垂直于豎軸的檢驗和校正選擇較高墻壁近處安置儀器。以盤左位置瞄準墻壁高處一點p（仰角最好大于30度），放平望遠鏡在墻上定出一點m1。倒轉(zhuǎn)望遠鏡，盤右再瞄準p點，又放平望遠鏡在墻上定出另一點m2。如果m1與m2重合，則條件滿足，否則需要校正。校正時，瞄準m1、

15、 m2 的中點m，固定照準部，向上轉(zhuǎn)動望遠鏡，此時十字絲交點將不對準p點。抬高或降低橫軸的一端，使十字絲的交點對準p點。此項檢驗也要反復(fù)進行，直到條件滿足為止。以上四項檢驗校正，以一、三、四項最為重要，在觀測期間最好經(jīng)常進行。每項檢驗完畢后必須旋緊有關(guān)的校正螺釘。未來前景折疊隨著計算機技術(shù)的不斷發(fā)展與應(yīng)用以及用戶的特殊要求與其它工業(yè)技術(shù)的應(yīng)用，全站儀出現(xiàn)了一個新的發(fā)展時期，出現(xiàn)了帶內(nèi)存、防水型、防爆型、電腦型等等的全站儀。目前，世界上最高精度的全站儀：測角精度（一測回方向標準偏差）0.52，測距精度 1mm+1ppm。利用ATR（Auto Targets Recognition，自動目標識別）

16、功能，白天和黑夜（無需照明）都可以工作。全站儀已經(jīng)達到令人不可致信的角度和距離測量精度，既可人工操作也可自動操作，既可遠距離遙控運行也可在機載應(yīng)用程序控制下使用，可使用在精密工程測量、變形監(jiān)測、幾乎是無容許限差的機械引導(dǎo)控制等應(yīng)用領(lǐng)域。全站儀這一最常規(guī)的測量儀器將越來越滿足各項測繪工作的需求，發(fā)揮更大的作用。全站儀的測角系統(tǒng)與傳統(tǒng)光學經(jīng)緯儀測角系統(tǒng)不同點全站儀的測角系統(tǒng)與傳統(tǒng)光學經(jīng)緯儀測角系統(tǒng)相比較，主要有兩個方面的不同：（1）傳統(tǒng)的光學度盤被絕對編碼度盤或光電增量編碼器所代替，用電子細分系統(tǒng)代替了傳統(tǒng)的光學測微器；（2）由傳統(tǒng)的觀測者判讀觀測值及手工記錄變?yōu)橛^測者直接讀數(shù)并自動記錄。全站儀的

17、測距系統(tǒng)與一般測距儀基本一致，只是體積更小，通常采用半導(dǎo)體砷化鎵發(fā)光二極管作為光源。不同廠家生產(chǎn)的不同類型及系列的全站儀，其最大測程和距離測量誤差均有較大變化。全站儀的記錄系統(tǒng)又稱為電子數(shù)據(jù)記錄器，它是一種存儲測量資料的具有特定軟件的硬件設(shè)備。數(shù)據(jù)記錄器也有許多類型，但基本功能都一樣，起著全站儀與電子計算機之間的橋梁作用，它使野外記錄工作實現(xiàn)了自動化，減少了記錄計算的差錯，大大提高了野外作業(yè)的效率。目前，全站儀記錄系統(tǒng)主要有三種形式：接口式、磁卡式和內(nèi)存式。垂直度盤安裝過程中的誤差分析及其校正折疊垂直度盤由主光柵、指示光柵、指示光柵座、軸和軸套組成，在垂直度盤安裝過程中會產(chǎn)生豎盤指標差和水平軸

18、傾斜誤差。豎盤指標差是由于固定指示光柵安裝不正確引起的，是指當視準軸水平時，垂直度盤讀數(shù)不為90度。安裝好垂直度盤后，將儀器放在儀器墩上，照準與儀器大致同高的平行光管無窮遠處的目標，用盤左、盤右觀測目標的天頂距。則盤左：=90°-L+I；盤右：=R-270°-I 得I=1/2（L+R-360°）若指標差I(lǐng)超過規(guī)定的限差，則進行校正，校正分為兩種：一種是機械校正，一種是通過軟件校正。機械校正，松開指示光柵座與支架連接的4個螺釘，旋轉(zhuǎn)調(diào)整指示光柵座，再次進行盤左盤右測量計算指標差，直到滿足需要為止。軟件校正：啟動儀器的指標差校正程序，按顯示屏提示，盤左、盤右照準平行光管，提取指標差差值并存儲，經(jīng)上述校正后，儀器顯示的角度為校正指標差后的值，即指標處于正確安裝位置時的值。水平軸傾斜誤差是由于支撐水平軸二支架的高度不等高造成的，當水平軸傾斜時會對水平角的測量有很大影響、在豎軸鉛直，視準軸與水平軸垂直的前提下：1.以水平軸中心O為圓心，任意長為半徑作球，HH1代表水平軸水平位