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全站儀基本知識及使用方法
發布時間:2017-07-25 訪問量:431

全站儀,即全站型電子速測儀(Electronic TotalStation)。是一種集光、機、電為一體的高技術測量儀器,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。因其一次安置儀器就可完成該測站上全部測量工作,所以稱之為全站儀。廣泛用于地上大型建筑和地下隧道施工等精密工程測量或變形監測領域。
【原理】全站儀是一種集光、機、電為一體的新型測角儀器,與光學經緯儀比較電子經緯儀將光學度盤換為光電掃描度盤,將人工光學測微讀數代之以自動記錄和顯示讀數,使測角操作簡單化,且可避免讀數誤差的產生。電子經緯儀的自動記錄、儲存、計算功能,以及數據通訊功能,進一步提高了測量作業的自動化程度。
  全站儀與光學經緯儀區別在于度盤讀數及顯示系統,電子經緯儀的水平度盤和豎直度盤及其讀數裝置是分別采用兩個相同的光柵度盤(或編碼盤)和讀數傳感器進行角度測量的。根據測角精度可分為0.5″,1″,2″,3″,5″,10″等幾個等級,
【簡史】
全站儀是人們在角度測量自動化的過程中應用而生的,各類電子經緯儀在各種測繪作業中起著巨大的作用。
  全站儀的發展經歷了從組合式即光電測距儀與光學經緯儀組合,或光電測距儀與電子經緯儀組合,到整體式即將光電測距儀的光波發射接收系統的光軸和經緯儀的視準軸組合為同軸的整體式全站儀等幾個階段。
  最初速測儀的距離測量是通過光學方法來實現的,我們稱這種速測儀為“光學速測儀”。實際上,“光學速測儀”就是指帶有視距絲的經緯儀,被測點的平面位置由方向測量及光學視距來確定,而高程則是用三角測量方法來確定的。
  帶有“視距絲”的光學速測儀,由于其快速、簡易,而在短距離(100米以內)、低精度(1/200(1/500)的測量中,如碎部點測定中,有其優勢,得到了廣泛的應用。
  隨著電子測距技術的出現,大大地推動了速測儀的發展。用電磁波測距儀代替光學視距經緯儀,使得測程更大、測量時間更短、精度更高。人們將距離由電磁波測距儀測定的速測儀籠統地稱之為“電子速測儀”(ElectronicTachymeter)。
  然而,隨著電子測角技術的出現。這一“電子速測儀”的概念又相應地發生了變化,根據測角方法的不同分為半站型電子速測儀和全站型電子速測儀。半站型電子速測儀是指用光學方法測角的電子速測儀,也有稱之為“測距經緯儀”。這種速測儀出現較早,并且進行了不斷的改進,可將光學角度讀數通過鍵盤輸入到測距儀,對斜距進行化算,最后得出平距、高差、方向角和坐標差,這些結果都可自動地傳輸到外部存儲器中。全站型電子速測儀則是由電子測角、電子測距、電子計算和數據存儲單元等組成的三維坐標測量系統,測量結果能自動顯示,并能與外圍設備交換信息的多功能測量儀器。由于全站型電子速測儀較完善地實現了測量和處理過程的電子化和一體化,所以人們也通常稱之為全站型電子速測儀或簡稱全站儀。
  20世紀八十年代末,人們根據電子測角系統和電子測距系統的發展不平衡,將全站儀分成兩大類,即積木式和整體式。
  20世紀九十年代以來,基本上都發展為整體式全站儀。
【分類】
全站儀采用了光電掃描測角系統,其類型主要有:編碼盤測角系統、光柵盤測角系統及動態(光柵盤)測角系統等三種。
  全站儀按其外觀結構可分為兩類:
  (1)積木型(Modular,又稱組合型)
  早期的全站儀,大都是積木型結構,即電子速測儀、電子經緯儀、電子記錄器各是一個整體,可以分離使用,也可以通過電纜或接口把它們組合起來,形成完整的全站儀。
  (2)整體性(Integral)
  隨著電子測距儀進一步的輕巧化,現代的全站儀大都把測距,測角和記錄單元在光學、機械等方面設計成一個不可分割的整體,其中測距儀的發射軸、接收軸和望遠鏡的視準軸為同軸結構。這對保證較大垂直角條件下的距離測量精度非常有利。

全站儀按測量功能分類,可分成四類:
  全站儀按測量功能分類,可分成四類:
  (1)經典型全站儀(Classical total station)
  
TCRP全站儀
 經典型全站儀也稱為常規全站儀,它具備全站儀電子測角、電子測距和數據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的機載測量程序。其經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)
  在經典全站儀的基礎上安裝軸系步進電機,可自動驅動全站儀照準部和望遠鏡的旋轉。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勢。如徠卡TCR系列全站儀,無合作目標距離測程可達200m,可廣泛用于地籍測量,房產測量和施工測量等。
  (4)智能型全站儀(Robotic total station)
  在機動化全站儀的基礎上,儀器安裝自動目標識別與照準的新功能,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,實現了全站儀的智能化。在相關軟件的控制下,智能型全站儀在無人干預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。

  
全世界精度最高的全站儀TCA2003
 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,一般精度為±(5mm+1ppm),通常用于國家三角網及特級導線的測量。
【結構】
全站儀幾乎可以用在所有的測量領域。電子全站儀由電源部分、測角系統、測距系統、數據處理部分、通訊接口、及顯示屏、鍵盤等組成。
  同電子經緯儀、光學經緯儀相比,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。這些特殊部件構成了全站儀在結構方面獨樹一幟的特點。
  1.同軸望遠鏡
  全站儀的望遠鏡實現了視準軸、測距光波的發射、接收光軸同軸化。同軸化的基本原理是:在望遠物鏡與調焦透鏡間設置分光棱鏡系統,通過該系統實現望遠鏡的多功能,即既可瞄準目標,使之成像于十字絲分劃板,進行角度測量。同時其測距部分的外光路系統又能使測距部分的光敏二極管發射的調制紅外光在經物鏡射向反光棱鏡后,經同一路徑反射回來,再經分光棱鏡作用使回光被光電二極管接收;為測距需要在儀器內部另設一內光路系統,通過分光棱鏡系統中的光導纖維將由光敏二極管發射的調制紅外光傳也送給光電二極管接收,進行而由內、外光路調制光的相位差間接計算光的傳播時間,計算實測距離。
  同軸性使得望遠鏡一次瞄準即可實現同時測定水平角、垂直角和斜距等全部基本測量要素的測定功能。加之全站儀強大、便捷的數據處理功能,使全站儀使用極其方便。
  
全站儀剖視圖
2.雙軸自動補償
  在儀器的檢驗校正中已介紹了雙軸自動補償原理,作業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,可對縱軸的傾斜進行監測,并在度盤讀數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,并加入度盤讀數中加以改正,使度盤顯示讀數為正確值,即所謂縱軸傾斜自動補償。

雙軸自動補償的所采用的構造(現有水平,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。在水泡的上部兩側各放置一發光二極管,而在水泡的下部兩側各放置一光電管,用一接收發光二極管透過水泡發出的光。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,以決定自動補償的值。自動補償的方式初由微處理器計算后修正輸出外,還有一種方式即通過步進馬達驅動微型絲桿,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。
  3.鍵盤
  鍵盤是全站儀在測量時輸入操作指令或數據的硬件,全站型儀器的鍵盤和顯示屏均為雙面式,便于正、倒鏡作業時操作。
  4.存儲器
  全站儀存儲器的作用是將實時采集的測量數據存儲起來,再根據需要傳送到其它設備如計算機等中,供進一步的處理或利用,全站儀的存儲器有內存儲器和存儲卡兩種。
  全站儀內存儲器相當于計算機的內存(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。
  5.通訊接口
  全站儀可以通過BS—232C通訊接口和通訊電纜將內存中存儲的數據輸入計算機,或將計算機中的數據和信息經通訊電纜傳輸給全站儀,實現雙向信息傳輸。
【使用】
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、導線測量、交會定點測量和放樣測量等多種用途。內置專用軟件后,功能還可進一步拓展。
  全站儀的基本操作與使用方法 :
  1)水平角測量
  (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)設置A方向的水平度盤讀數為0°00′00〃。
  (3)照準第二個目標B,此時顯示的水平度盤讀數即為兩方向間的水平夾角。
  2)距離測量
  (1)設置棱鏡常數
  測距前須將棱鏡常數輸入儀器中,儀器會自動對所測距離進行改正。
  (2)設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760mmHg是儀器設置的一個標準值,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(MODE)鍵選擇不同的測距模式。
  應注意,有些型號的全站儀在距離測量時不能設定儀器高和棱鏡高,顯示的高差值是全站儀橫軸中心與棱鏡中心的高差。
  3)坐標測量
  (1)設定測站點的三維坐標。
  (2)設定后視點的坐標或設定后視方向的水平度盤讀數為其方位角。當設定后視點的坐標時,全站儀會自動計算后視方向的方位角,并設定后視方向的水平度盤讀數為其方位角。
  (3)設置棱鏡常數。
  (4)設置大氣改正值或氣溫、氣壓值。
  (5)量儀器高、棱鏡高并輸入全站儀。
  (6)照準目標棱鏡,按坐標測量鍵,全站儀開始測距并計算顯示測點的三維坐標。

全站儀的數據通訊
  全站儀的的數據通訊是指全站儀與電子計算機之間進行的雙向數據交換。全站儀與計算機之間的數據通訊的方式主要有兩種,一種是利用全站儀配置的PCMCIA(personalcomputer memory card internationassociation,個人計算機存儲卡國際協會,簡稱PC卡,也稱存儲卡)卡進行數字通訊,特點是通用性強,各種電子產品間均可互換使用;另一種是利用全站儀的通訊接口,通過電纜進行數據傳輸。
【檢驗】
 (1)照準部水準軸應垂直于豎軸的檢驗和校正檢驗時先將儀器大致整平,轉動照準部使其水準管與任意兩個腳螺旋的連線平行,調整腳螺旋使氣泡居中,然后將照準部旋轉180度,若氣泡仍然居中則說明條件滿足,否則應進行校正。
  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進行,直到滿足條件為止。
  (2)十字絲豎絲應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動,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螺釘(裝有十字絲環的目鏡用壓環和四個壓環螺釘與望遠鏡筒相連接。轉動目鏡筒使小點始終在十字絲豎絲上移動,校好后將壓環螺釘旋緊。
  (3)視準軸應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(顧及常數180度)即得兩倍的c(c=1/2(ɑ左-ɑ右)
  (4)橫軸應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、m2的中點m,固定照準部,向上轉動望遠鏡,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,在觀測期間最好經常進行。每項檢驗完畢后必須旋緊有關的校正螺釘。
【前景】
隨著計算機技術的不斷發展與應用以及用戶的特殊要求與其它工業技術的應用,全站儀出現了一個新的發展時期,出現了帶內存、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功能,白天和黑夜(無需照明)都可以工作。全站儀已經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用程序控制下使用,可使用在精密工程測量、變形監測、幾乎是無容許限差的機械引導控制等應用領域。
  全站儀這一最常規的測量儀器將越來越滿足各項測繪工作的需求,發揮更大的作用。



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