全站仪的结构和工作原理

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及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（ElectronicTotalStation）。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及光学视距来确定，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米以内）、低精度（1/200(1/500）的测量中，如碎部点测定中，有其优势，得到了广泛的应用。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”（ElectronicTachymeter）。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。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，还内置有微处理器和存储器，以及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、光栅盘测角系统及动态（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（具有内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，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范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、地质灾害监测及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内容，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，形成内外一体的测绘系统，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，形成内外业一体化的高效率测量系统。五、全站仪的基本组成及结构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、及显示屏、键盘等组成。它本身就是一个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及进行计算、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)组合式全站仪组合式全站仪由测距头、光学经纬仪及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、电子经纬仪及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及制紧螺旋，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，可调节微动螺旋使测距仪在竖直面内俯仰转动。测距仪发射接收镜的目镜内有十字丝分划板，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内含有电子测距、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及微动手轮，瞄准操作只需单手进行，更适合移动目标的跟踪测量及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，大容量的内存或磁卡与电子记录簿两种记录方式以及丰富的机内软件，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.大容量的内存一般内存在1M以上，其中主内存有640K、数据内存320K、程序内存512K、扩展内存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，提高测角精度。6.测距时间快，耗电量少。第二节全站仪的发展现状及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，极大地提高了生产的效率。虽然GPS技术在大地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及隐蔽地区，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，全站仪的发展现状及前景正朝着全自动、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及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，出现了带内存、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，有些是仪器加工制造及传统理论的进化，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