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【干货】电子测角原理,带你深入了解全站仪!

发布时间:2021/03/05文章作者:admin浏览次数: 83

全站仪电子测角是利用光电转换原理和微处理器自动测量照准方向在度盘上的读数,并将测量结果显示在仪器的显示屏上,也可以自动储存测量结果。

全站仪电子测角系统有三种:光栅度盘测角系统、编码度盘测角系统和动态测角系统。光栅度盘测角系统属于增量式电子测角系统,早期的全站仪,大多采用光栅度盘测角系统。主光栅与指示光栅的线条宽度和栅距d相同。

一、全站仪——光栅度盘测角系统


在径向均匀地刻有许多等间隔线条的玻璃圆盘称为光栅度盘。光栅度盘测角系统通常要由两个光栅度盘组成,其中一个称为主光栅,另一个称为指示光栅。但两度盘的光栅方向形成一个很小的角度θ,如图1.3所示。当两个间隔相同的光栅成很小的交角相重叠,在它们相对移动时可以看到明暗相间的干涉条纹,称为莫尔干涉条纹,简称莫尔条纹。

设ω为条纹宽度,d为栅距,θ为两光栅的交角,则近似可得

由于θ很小,因此K值很大,也就是说,莫尔条纹起着放大作用,这样大大提高了分辨率。而且θ越小,K值越大。由此可见,要知道光栅相对移动的数目,只须测出莫尔条纹的移动数目。当光栅相对移动一个栅距d时,莫尔条纹就沿垂直于光栅相对移动的方向移动一个条纹宽度ω。

光栅度盘的读数系统采用发光二极管和光电二极管进行光电探测,如图1.4所示。在光栅度盘的一侧安置发光二极管,另一端正对位置安装光电接收二极管。指示光栅、发光二极管、光电二极管固定,而主光棚度盘随照准部一起旋转。当望远镜从一个方向转到另一个方向时,两光栅度盘相对移动,就会出现莫尔条纹的移动。莫尔条纹的光信号被光电二极管接收,经整形电路转换成矩形信号,经计数器记录信号周期数,通过总线系统输入到存储器,再经计算由显示屏以度、分、秒的格式显示出来。

利用光栅度盘测角就是要测定从起始方向两个光栅度盘相对移动的光栅数,因此这种测角方式称为增量式测角。增量式测角易于制造,早期的全站仪大多采用这种方式测角,其缺点是每次开机需要进行角度初始化、且关机后不能保持关机时的测角状态。

二、全站仪——编码度盘测角系统

光学编码度盘是在度盘上刻数道同心圆,构成若干码道,同时将度盘等间隔地划分为若干扇区,在各扇区内不同的码道上按规律设置导电区和绝缘区,用导电和不导电分别代表二进制中的“1”和“0”。图1.5为四码道16扇区四位编码度盘,在码盘下方安置电信号输出电路。测角时度盘随照准部旋转到某目标不动后,由该扇区的导电区与不导电区得到其组合电信号。

图1.6的编码度盘信号输出为1001。输出的组合电信号通过译码器将其转换为角度值,并在显示屏上显示。

图1.5的四位编码度盘,有16个扇区,即可以读取16个读数,分辨率为360°/16=22.5°。显然,这个分辨率是不能满足测角要求的。提高编码度盘的测角分辨率,除了适当增加扇区数和码道数外,主要是采用电子测微技术,角度电子测微技术是利用电子技术对交变的电信号进行内插,从而提高计数脉冲的频率,达到细分效果,提高测角分辨率。

由于编码度盘可以在任意位置上直接读取度、分、秒值,故编码测角又称为绝对式测角。绝对式测角系统,不仅具有开机无需角度初始化、关机后保留角度信息的特点,而且可以使仪器获得更稳定、更精确的测量值。现在生产的普通全站仪,无论进口的或国产的,基本都是采用绝对式电子测角系统。

三、全站仪——动态测角原理


动态测角系统的度盘为环状度盘,如图1.7所示,度盘上刻划等间隔的明暗分划线,明的透光,暗的不透光,相当于栅线和缝隙,一对明暗分划线为一个栅格,其栅距(间隔角)为Φ。度盘内外边缘装有两个光栏(光电传感器)S和R。S为固定光栏,位于度盘外侧;R为可动光栏,随照准部一起转动,位于度盘内侧。同时,度盘上还有两个标志点a和b,S只接收α的信号,R只接收b的信号。测角时S代表任一原方向,R随着照准部旋转,当照准目标后,R位置已定,此时启动测角系统,使度盘在马达的驱动下,始终以一定的速度逆时针旋转,b点先通过R,然后开始计数。接着ɑ通过S,计数停止,此时记下了R、S之间的栅距(Ф0)的整倍数n和不足一个删距的小数部分△Ф,则水平角为:β=nФ0+△Ф

实际上,一个栅格为一个脉冲信号,水平角的栅距(Ф0)整倍数n由R、S的粗测功能计数测得;不足一个栅格的小数部分△Ф由R、S的精测功能测得。粗测和精测的信号经计算送到中央处理器,然后由显示屏显示或记录于数据终端。

由于测角时,仪器的度盘分别绕垂直轴和水平轴恒速旋转,故这种测角技术称为动态式测角。

动态测角的精度取决于△Ф的测量精度,而△Ф的测量精度取决于将Ф0划分成多少个相位差脉冲,划分的相位差脉冲数越多,测角精度就越高。

动态测角能消除度盘栅格的刻划误差,测角精度高,目前主要用于高精度(0.5″级)全站仪。但动态测角需要马达带动度盘,因此在结构上比较复杂,耗电量也大一些。

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