1、第2章 数字测图的硬件设备2.1 全站仪的结构及其测量原理主要内容：一、全站仪概述二、全站仪基本功能及部件名称三、全站仪的基本结构四、全站仪的发展五、全站仪测角原理六、全站仪测距原理 定义：定义：全站型电子速测仪（Electronic Theometer Total Station），它由电子经纬仪、光电（主要为红外线）测距、电子微处理器及数据自动记录装置等部分构成。全站型电子速测仪的特性 1.自检与改正功能 2.大容量内存 3.双向传输功能 4.程序化 5.智能化：单人测量系统速测仪：它是指一种从仪器站同时测定某一点的平面位置和高程的方法。有时，这种方法也称作“速测术”。一、一、全站仪概述全
2、站仪概述 组合式：将电子经纬仪、红外测距仪、微处理器和电子记录装置（电子手簿）通过一定的连接器构成一个组合体 整体式：将电子经纬仪、红外测距和电子微处理器以及储存设备集于一体。全站仪的分类提手望远镜调焦螺旋望远镜扶手目镜垂直制动螺旋垂直微动螺旋管水准器显示窗瞄准器电池锁紧杆电池仪器中心标志水平制动螺旋水平微动螺旋接口整平脚螺旋二、全站仪的基本功能及部件名称二、全站仪的基本功能及部件名称功能：测角测距数据处理数据存储接口微处理器显示器键 盘数据程序存储器光电测角系统双轴液体补偿装置自动瞄准与跟踪I/O总线光电测距系统 全站仪基本结构全站仪基本结构光电测量系统双轴液体补偿装置微处理器（测量计算系统
3、）。三、全站仪的基本结构三、全站仪的基本结构度盘的电子化读数1.光电测量系统包括光电测角系统和光电测距系统；电子测角采用电子度盘而非光学度盘；光电测距机构与普通电磁波测距仪相同；有的还具有无（免）棱镜激光测距技术（如拓普康GPT系列）。2.双轴液体补偿装置双轴液体补偿器补偿范围一般在3以内；单轴补偿竖轴倾斜对竖直角的影响双轴补偿竖轴倾斜对竖直角和水平方向值的影响三轴补偿除双轴补偿外，采用内置软件来改正横轴误差及视准轴误差对水平方向值的影响。液体补偿器液体补偿器目标的自动识别与照准3.自动瞄准与跟踪系统 全站仪自动跟踪是以CCD摄像技术和自动寻找瞄准技术为基础，自动进行图像判断，指挥自身照准部和
4、望远镜的转动、寻找、瞄准、测量的全自动的跟踪测量过程。4.测量计算系统全站仪微处理系统是全站仪的核心部件；控制和处理电子测角、测距的信号；控制各项固定参数，如温度、气压等信息的输入、输出；还由它进行设置观测误差的改正、有关数据的实时处理；自动记录数据或控制电子手簿等。超站仪n 全站仪（激光测距）n 陀螺仪n GPS-测量机器人的来临！1 1、度盘读数自动化！、度盘读数自动化！2 2、目标照准自动化！、目标照准自动化！3 3、基座安平自动化！、基座安平自动化！4 4、仪器对中自动化？、仪器对中自动化？5 5、仪高量取自动化？、仪高量取自动化？四、全站仪的发展四、全站仪的发展五、全站仪的测角五、全
5、站仪的测角测角是由仪器内集成的电子经纬仪完成的。电子经纬仪的测角与光学经纬仪主要不同点：在于电子经纬仪采用光电扫描度盘自动计数、自动数据处理、自动显示及储存、输出数据。电子经纬仪的测角系统主要有三类：即绝对式编码度盘测角、增量式光栅度盘测角以及动态式（编码、光栅度盘）测角。1、编码度盘测角原理 纯二进制码盘测角出现粗差的主要原因是相邻两个区域的码道状态同时有几个发生变化。葛莱码使整个码盘的相邻码道只有一个码道发生变化，所以也称为循环码。0123456789101112131415编码度盘测角原理 由于度盘刻制工艺上存在公差或光电接收管安装不严格，有时会使测量出现大的粗差。主要特点：工艺复杂、制
6、作成本高。徕卡静态绝对读盘扫描系统 条码度盘测角条码是一组按一定编码规则排列的条、空符号，用以表示一定的字符、数字及符号组成的信息。电子度盘读数系统条码编码条码编码CCD传感器传感器二极管二极管棱镜棱镜 2、光栅度盘测角原理 光栅是用玻璃、树脂或含属制成的表面具有密集等宽、等距线条的光学元件。移动量移动量W W（纹距）为：（纹距）为：W Wd d/2020，约可放大，约可放大172 172 倍倍Wd莫尔干涉条纹莫尔干涉条纹主要特点：制作工艺相对简单。光栅度盘测角原理 度盘每转动一条光栅，流过接收管的电流变化一周。在电流波形的每一周期内再均匀内插n个脉冲，计算器对脉冲进行计数。使用增量式光栅度盘
7、测角时，照准部转动的速度要均匀，不可突快或太快，以保证计数的正确性。3动态光栅度盘测角原理00 n00TT(1).粗测(2).精测 其中T可用脉冲填充法精确测定。固定光栅 可动光栅 主要有四部分组成：光栅度盘 驱动系统 固定光栅 移动光栅DCtD221ABD出射光入射光六、全站仪测距六、全站仪测距 电磁波测距仪（电磁波测距仪（EDMEDM）就是电磁波作为载波和调制波进行距离）就是电磁波作为载波和调制波进行距离测量的一门技术。测量的一门技术。测定测定t t方法有方法有直接测时：脉冲式测距仪直接测时：脉冲式测距仪 间接测时：相位式测距仪间接测时：相位式测距仪tDcmm21smc81033Dmmm
8、要求smt11102DCtD221810一般只能达到1、脉冲式测距原理、脉冲式测距原理 计数显示电子门时标脉冲触发器脉冲发射脉冲接收反射器DBA特点：特点：直接测时一类测距仪称为脉冲式测距仪，该仪器因其直接测时一类测距仪称为脉冲式测距仪，该仪器因其精度较低，通常只用于精度较低的远距离测量、地形测量和精度较低，通常只用于精度较低的远距离测量、地形测量和炮瞄雷达测距。炮瞄雷达测距。Wild DI 3000Wild DI 3000红外测距仪红外测距仪 一般大气条件下用单棱镜测距可达一般大气条件下用单棱镜测距可达6km6km，在特别好的大气条件下，使用在特别好的大气条件下，使用1111块棱镜测块棱镜测
9、距可测至距可测至14km14km。标称精度为标称精度为(3mm+1ppm(3mm+1ppmD)D)。拓普康拓普康GPT-9001AGPT-9001A测量机器人测量机器人1,1,(2mm+2ppm(2mm+2ppmD)D)主机报价主机报价288,000288,000元元采用最安全的1级激光，无棱镜测距达2000m，2、相位式测距原理公式、相位式测距原理公式 它是用一种连续波作为“运输工具”（称为载波），通过一个调制器使载波的振幅或频率按照调制波的变化做周期性变化。测距时，通过测量调制波在待测距离上往返传播所产生的相位变化，间接地确定传播时间t，进而求得待测距离D。设调制波在距离设调制波在距离D
10、D往返一次产生往返一次产生的相位变化为的相位变化为 调制信号调制信号一个周期相位变化为一个周期相位变化为22，则调，则调制波的传播时间制波的传播时间t t为：为：fcD4Dtf22DctD221设调制信号为正弦信号，设调制信号为正弦信号，包含包含22的整倍数的整倍数N2N2，和不足，和不足22的尾数部分的尾数部分，即：，即：)(2)2(22NNNN2N)(2)(2NNNNfcD22fcufcD4单位长，单位长，“测尺测尺”，“电子尺电子尺”相位式测距仪是相位式测距仪是用长度为用长度为u u的的“测尺测尺”去量测去量测距离，量了距离，量了N N个个整尺段加上不足整尺段加上不足一个一个u u的长度
11、就的长度就是所测距离。是所测距离。()Du NNN值解算的一般原理：值解算的一般原理：在上式中在上式中u=/2u=/2是已知的，是已知的，NN可测出（测相器只能测定可测出（测相器只能测定余长余长uNuN，而不能测出，而不能测出整周数整周数N N）由于测相精度只能达到由于测相精度只能达到 ，所以想要用单一频率的测，所以想要用单一频率的测量来获得距离的单值解，则量来获得距离的单值解，则精度精度和和测程测程就不可能兼顾。就不可能兼顾。要使测距具有高精度和远测程，相位式测距仪一般采用要使测距具有高精度和远测程，相位式测距仪一般采用一组一组“测尺测尺”共同测距，即用精测频率测定余长以保证精度，共同测距，
12、即用精测频率测定余长以保证精度，设置多级频率（粗测频率）来解算设置多级频率（粗测频率）来解算N N而保证测程，从而解决而保证测程，从而解决“多值性多值性”问题。问题。1010-3-3)(111NNuD22222)(NuNNuD（限制所测距离（限制所测距离D D小于小于u u2 2）设仪器采用了两把测尺配合测距，若用两者测定同一距离，则有：设仪器采用了两把测尺配合测距，若用两者测定同一距离，则有：211NkNNN N1 1为正整数，为正整数，NN1 1为小于为小于1 1的小数，该式的小数，该式两边的整数部份和小数部份应分别相等两边的整数部份和小数部份应分别相等12Nk N的整数部份12Nk N的小数部份例：例：u1=10m,u2=1000m,k=100,698.01N387.02N3821的整数部份NkNmNNuD98.386)(11121uku测尺放大系数测尺放大系数本节小结 本节主要讲述了全站仪基本功能、基本结构、测角原理、测距原理。通过学习要求同学们：1.对比普通光学仪器掌握全站仪的特点；2.理解测角原理，掌握三种测角方式的特点；3.掌握两种测距方法，并会计算两把测尺配合测距的方法。
