第二章 全站仪的测量原理
Chapter5-全站仪的测量原理
两个间隔相同的光栅（主光栅+
指标光栅）叠放在一起并错开很 小的夹角，当它们相对移动时， 产生的明暗相间的干涉条纹称为 莫尔干涉条。
W＝ dcotθ
莫尔干涉条纹
W
光栅距离从d变成了w，起到了放大的作用，提 高了分辨率
全站仪的测距原理
测距仪的测距精度
测距仪的测距精度是仪器的重要技术指标之一。
测距仪的测距精度为：
脉冲式测距仪：直接测定仪器发出的脉冲信号往
返于被测距离的传播时间，进而按上式求得距离值 的一类测距仪
相位式测距仪：它是测定仪器发射的测距信号往
返于被测距离的滞后相位来间接推算信号的传播时
间，从而求得所测距离的一类测距仪
全站仪的测距原理
无棱镜测距原理
概念：无棱镜测距又称为无接触测距，是指全站仪发射的
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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，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。
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。
主要特点：工艺复杂、制作成本高。
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全站仪的测角原理
光栅度盘测角原理
第二章 全站仪的测量原理
全站仪的测角原理
电子测角：
仍然采用度盘，从度盘上取得电信号，再将电信号转换为
数字并显示角度值
电子测角的度盘主要有编码度盘、光栅度盘、动态度盘三
种形式。因此，电子测角也就有编码测角、光栅测角、动态 测角等形式。
全站仪的测角原理
编码度盘测角原理
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0
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全站仪 工作原理
全站仪工作原理
全站仪的工作原理是利用光电定位、自动跟踪和角度测量技术，通过测量目标点到仪器的仰角、方位角和斜距，从而确定目标点的坐标位置。
具体工作过程如下：
1. 仰角测量：全站仪通过内置的重力水平仪或气泡仪，自动测量仪器的垂直仰角。
仪器通过光学传感器接收到被测目标点的光线，然后将光线转换为电信号，经过处理后，得到目标点相对于仪器水平面的仰角。
2. 方位角测量：全站仪通过内置的电子后方位仪或者罗盘，自动测量仪器的水平方位角。
仪器通过旋转测向器或者转台，找到被测目标点，并记录下此时仪器的方位角。
3. 斜距测量：全站仪通过内置的测距仪，测量目标点与仪器的距离。
测距仪可采用激光或者电磁波测距原理，通过发射出的光束或电磁波，测量光线或波束从仪器到目标点的时间，然后通过光速或电磁波速度计算出目标点与仪器的斜距。
4. 数据处理：全站仪将仰角、方位角和斜距数据进行处理，根据测量原理和算法，计算出目标点的空间坐标，并在显示屏上实时显示出来。
综上所述，全站仪利用光电定位、自动跟踪和角度测量等技术，
通过测量仰角、方位角和斜距，确定目标点的空间坐标，实现精确的测量和定位。
全站仪工作原理 操作介绍
• 开放性环境，用户可二次开发功能(开放性具有足够的包容性和 灵活性，在不同的场合中能够适应不同的要求。随着科学技术的 进步，开放环境的要求已经遍及整个开发和应用领域。过去用户 只能被动地接收全站仪所提供的功能，若遇到一些特殊要求的工 作，用户只能采用一些变通的方法，不能主动地去指挥仪器工作 。而在开放环境的条件下，用户就可以参与到仪器功能的二次开 发中，从而使用户真正地成为仪器的“头脑”，使仪器按照人的 意愿去进行工作。
• 内置程序增多和标准化 （内置程序能够实时提供观测过程并计算出最 终结果。观测者只要能够按仪器中设定的功能，操作步骤正确就能完 成测量工作，而不含程序的全站仪则只能提供观测值和观测值的计算 值。通过程序将内业计算的工作直接在外业中完成，程序的执行过程 实际上也就是仪器操作的执行过程。目前，各厂家仪器都具备有内置 程序2020的/3/21功能，比较实用的程序有度盘定向、放样测量、坐标测量等。
表3-2 测距仪的精度分级
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2、全站仪的等级
表3-4 全站仪的准确度等级
• I、Ⅱ级仪器为精密型全站仪，主要用于 高等级控制测量及变形观测等；
• Ⅲ、Ⅳ级仪器主要用于道路和建筑场地 的施工测量、电子平板数据采集、地籍 测量和房地产测量等
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五、电脑全站仪的主要特点 (一）电脑全站仪（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。
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。
全站仪测量原理
全站仪测量原理全站仪是一种高精度、全方位的测量仪器，广泛应用于土木工程、建筑工程、道路工程等领域。
它具有测角、测距、测高等功能，能够快速、精准地获取地面各点的空间坐标信息。
全站仪测量原理是基于光学测量原理和三角测量原理的基础上，利用电子技术和计算机技术进行数据处理和分析，实现对地面各点的测量和定位。
在全站仪测量中，首先需要进行基准点的设置和校准。
基准点是测量的起点，通过设置基准点可以确定测量的参考坐标系，保证测量的准确性和可靠性。
校准是指对全站仪进行内部参数的调整和校验，以确保测量结果的准确性。
只有进行了正确的基准点设置和校准，才能保证后续测量的精度和可靠性。
全站仪测量的核心原理是三角测量原理。
通过测量两个不相邻的点到第三个点的水平距离和垂直高差，利用三角形的几何关系计算出目标点的空间坐标。
全站仪通过发射和接收可见光信号，测量目标点到全站仪的水平角和垂直角，再结合测量到的斜距和垂直高差，利用三角函数计算出目标点的空间坐标。
这种基于三角测量原理的测量方法，能够实现对地面各点的快速、精准测量。
此外，全站仪测量还涉及到光学测量原理。
全站仪通过发射和接收可见光信号，实现对目标点的测量。
光学测量原理是利用光的传播和反射规律，测量目标点到全站仪的距离和角度。
全站仪发射的光束照射到目标点上，然后被目标点反射回来，全站仪接收到反射光信号后，通过光电转换器将光信号转换为电信号，再经过数据处理和分析，计算出目标点的空间坐标。
光学测量原理的应用，使得全站仪能够在复杂的环境中进行测量，实现对不同地形和地物的精准测量。
综上所述，全站仪测量原理是基于光学测量原理和三角测量原理的基础上，利用电子技术和计算机技术进行数据处理和分析，实现对地面各点的测量和定位。
通过正确的基准点设置和校准，以及光学测量原理和三角测量原理的应用，全站仪能够实现对地面各点的快速、精准测量，为工程测量提供了强大的技术支持。
第二章全站仪的测量原理
二）测距方法 光电测距仪按照t2D的不同测量方式，
可分为：
脉冲式（直接测定时间） 相位式（间接测定时间）
1、脉冲式
脉冲式光电测距仪是将发射光波的光强调制成 一定频率的尖脉冲，通过测量发射的尖脉冲在待测 距离上往返传播的时间来计算距离。
t2 D q qT0 f0
2N
由于 2 f t2D ，所以 则：D 式中
2N t 2f
c (N )＝ （N＋N） 2f 2 2
2
N ＝
， 0 N 1
取 C 3 108 m ，则不同的调制频率ƒ对应的 测尺长见下表：
调制频率ƒ 测尺长
静态度盘测角 全站 仪的 测角 原理 动态度盘测角
编码度盘测角
光栅度盘测角
4
一、编码度盘测角原理
扇区型码盘
条码型码盘
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光栅度盘测角系统测角原理
w
d
二、编码度盘与光栅度盘测角特点比较
比较项目 测角方式 关机后角度信息 误差与躁声 制造工艺 编码度盘 绝对式 保留 不积累 复杂 光栅度盘 增量式 不保留 积累 简单
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15MHZ 7.5MHZ 1.5MHZ 150KHZ 75KHZ
10m 20m 100m 1km 2km
调制频率越大，测尺长度越短。
相位式测距仪的基本工作原理图：
1、由发射系统发射一个调制光波，同时至检相器； 2、调制光波在待测距离上传播，反射镜反射后，经接 收系统进入检相器； 3、检相器将发射信号与接收信号进行相位比较，测出 相位差 ； 4、每改变频率f 后的调制光波，测出一个 ，组合后经 微处理器计算显示结果。
全站仪测量技术2、3
电子测微的方法 角度的电子测微器技术是运用电子技术 对交变的电信号进行内插，从而提高计数 脉冲的频率，以达到细分的效果。 几种常用的电子测微方法: 1.四倍频直接测微法 2.正弦比内插测微法 3.光学测微电子重合读数法 4.分散细分小因子内插法
二、全站仪的测距原理
光电测距是用光波作为载波传输测距信号以 测量两点间距离的一种方法。 光电测距仪的载波： 可见光、红外光、激光 光电测距仪的优点： 1、测程远、精度高。 2、作业快、工作强度低。 3、受地形限制少等优点。 工程测量中应用较多的是短程 红外光电测距仪。
= ω t 2 D = 2π f t 2 D
t2D
ϕ = 2π f
将返程的正弦波以棱镜站为中心对称展开 后的图形：
ϕ = 2πN + ∆ϕ
所以传播时间为：
t2 D
则：
2πN + ∆ϕ = 2πf
c ∆ϕ λ D= (N + )＝ （N＋∆N） 2f 2π 2
∆ N ＝ ∆ ϕ 2π
式中
，0 < ∆N < 1
相位式测距相当于使用一把长度 λ 的尺子 2 丈量距离，由N个整尺长加上不足整尺的余 长就是被测距离。
由于检相器只能测出不足整周期的相位移尾数 ∆ϕ ； 而不能测出整相位2π的个数,所以只能求出不足整尺 的距离。 为了求得完整距离，在测距仪上，采用多把测尺， 即多个调制频率的方法来解决。 不同的调制频率ƒ对应的测尺长见下表：
ϕ = nϕ0 + ∆ϕ
1、粗测
粗测 只能够测定角度值中的大数。为此在 T2000的度盘上每隔90°设有一个特殊的标识符。 每个标识符通过改变原来分划线的不透光部分宽 度有仪器自动识别。对应的角度值分别为0°、 90°、180°和２７０°。 设标识符A中仅有一个不透光的部分变窄，当 动态度盘转动时，第一个光电传感器接收到该标 识符时就开始计数，直至另一个光电传感器接收 到该标识符信息时停止计数，这样就可获得相位 差大 nϕ 0 数。其它几个标识符用于检验，以保证 大数的正确性。
全站仪 原理
全站仪原理
全站仪是一种测量仪器，用于测量地面上和建筑物上点的位置坐标、高差和方位角等信息。
它具有全自动测量功能，可以高效地完成测量任务。
全站仪的原理是基于测距仪、角度仪和水平仪的原理，通过测量目标点与仪器的距离和角度，可以确定目标点在三维空间中的坐标。
在测量过程中，全站仪发射一束红外或激光光束，并通过接收无线信号来测量目标点到仪器的距离。
同时，全站仪内部的角度仪可以测量目标点与仪器之间的水平角度和垂直角度。
通过将距离和角度数据进行计算和处理，可以获得目标点的坐标和方位角。
全站仪的测量原理可以分为两个步骤：测量目标点与仪器的水平角度和垂直角度，以及测量目标点与仪器的距离。
在水平角度测量中，全站仪使用内部的角度仪来测量仪器与目标点之间的水平角度。
角度仪通过测量仪器和目标点之间的水平方向以及水平旋转角度来确定水平角度。
在垂直角度测量中，全站仪使用内部的水平仪来测量仪器和目标点之间的垂直角度。
水平仪通过测量仪器和目标点之间的垂直方向以及垂直旋转角度来确定垂直角度。
在距离测量中，全站仪使用测距仪来测量仪器和目标点之间的距离。
测距仪通过测量光束的传播时间或频率差来计算距离，从而确定目标点到仪器的距离。
全站仪利用以上原理可以准确测量目标点的位置坐标、高差和方位角等信息。
它广泛应用于土地测量、建筑测量、公路工程和施工等各个领域，为工程测量提供了高效、精确的测量解决方案。
全站仪测量原理
全站仪测量原理
全站仪是一种常用的高精度测量仪器，它主要由望远镜、自动跟踪仪、角度测量系统、距离测量系统和数据处理系统等组成。
全站仪的测量原理如下：
1. 角度测量原理：全站仪通过望远镜上的水平和垂直角度码盘来测量水平和垂直方向上的角度。
当测量目标在望远镜准星上时，记录下水平和垂直角度码盘的读数，即可测量出目标点相对于全站仪位置的水平和垂直角度。
2. 距离测量原理：全站仪通过红外线或激光束来实现距离测量。
其中，红外线测距原理是利用红外线的反射原理，通过测量发射和接收红外线光束之间的时间差来计算出目标点到全站仪的距离；而激光测距原理则是利用激光束发射和接收的时间差以及光速来计算距离。
3. 自动跟踪原理：全站仪通过自动跟踪仪来实现测量目标的自动追踪。
自动跟踪仪可以根据望远镜上的测量角度信息和从全站仪发出的红外线或激光束信号来定位和追踪目标，确保望远镜准星一直对准目标。
4. 数据处理原理：全站仪通过内置的数据处理系统来处理和存储测量数据。
数据处理系统可以将测量的角度和距离数据进行计算和分析，并输出测量结果。
同时，全站仪还可以通过无线通信将数据传输到计算机上进行进一步处理和分析。
总的来说，全站仪通过测量角度和距离来确定目标点在空间中
的位置，并通过自动跟踪仪实现目标的自动追踪，最终通过数据处理系统提取并处理测量结果。
这样可以实现高精度的地形测量、建筑测量、道路测量等各种工程测量任务。
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2 N Fra bibliotek f t2D ，所以 由于 2
2
t
2N 2f
c 则：D ( N ) ＝ （ N ＋ N ） 2 f 2
式中
N＝
2
， 0 N 1
8 取C ，则不同的调制频率ƒ对应的 3 10 m 测尺长见下表：
静态度盘测角 全站 仪的 测角 原理 动态度盘测角
编码度盘测角
光栅度盘测角
4
一、编码度盘测角原理
扇区型码盘
条码型码盘
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光栅度盘测角系统测角原理
d w
二、编码度盘与光栅度盘测角特点比较
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三、电子测角中的轴系补偿与改正
新型液态双轴自动补偿系统
补偿：（1） 垂直轴倾斜对垂直度盘读数的影响 （2） 垂直轴倾斜对水平度盘读数的影响
式中：c — 光波在空气中的传播速度
二）测距方法 光电测距仪按照t2D的不同测量方式，
可分为：
脉冲式（直接测定时间） 相位式（间接测定时间）
1、脉冲式
脉冲式光电测距仪是将发射光波的光强调制成 一定频率的尖脉冲，通过测量发射的尖脉冲在待测 距离上往返传播的时间来计算距离。
q t2D qT 0 f0
f0
：脉冲的振荡频率
q：计数器计得的时钟 脉冲个数 计数器只能记忆整数个时钟脉冲，不
足一周期的时间被丢掉了。测距精度较
低，一般在“米”级，最好的达“分米”级。
脉冲测距原理图
2、相位式
相位式光电测距仪是将发射光强调制成 正弦波的形式，通过测量正弦光波在待测距 离上往、返传播的相位移来解算时间。 将返程的正弦波以棱镜站为中心对称 展开后的图形：
（可见光、红外光、激光）
2、微波测距
（无线电波、微波）
电磁波测距的优点：
1、测程远、精度高。
2、受地形限制少。
3、作业快、工作强度低等优点。 公路工程测量中应用较多的是中短程红外 光电测距仪。
一）测距原理
光电测距仪是通过测量光波在待测距离D上往、 返传播的时间t2D，计算待测距离D：
1 D ct2D 2
调制频率ƒ 测尺长
2
1.5M H 75KH 15 MH .5MH KH Z 150 Z Z 7 Z Z
10m 20m 100m 1km 2km
调制频率越大，测尺长度越短。
相位式测距仪的基本工作原理图：
1、由发射系统发射一个调制光波，同时至检相器； 2、调制光波在待测距离上传播，反射镜反射后，经接 收系统进入检相器； 3、检相器将发射信号与接收信号进行相位比较，测出 相位差 ； 4、每改变频率f 后的调制光波，测出一个 ，组合后经 微处理器计算显示结果。
b — 比例误差；
D — 以km为单位的距离。
某短程红外测距仪的精度为
6 m ( 5 mm 5 10 D ) D
当距离D为0.6km时，测距精度是mD=±8mm。
( 10 6 通常写作ppm)
3、全站仪的等级
国家计量检定规程（JJG100－94）将全站仪准 确度等级分划为四个等级。
式中：Δ Lt——气象改正值，单位为mm； P——测站气压，单位为mmHg， 1 mmHg=133.322Pa； t——测站温度，单位为°C； L——距离，单位为km 。
3） 倾斜改正
D L cos
L——经过常数改正和气象改正后的斜距； α——经纬仪测定的测线竖直角。
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四、自动目标识别与照准
自动目标识别的类型： 1）配合式目标识别；
2）自主式目标识别。
徕卡ATR自动目标照准：
1）搜索过程；
2）目标照准过程；
3）测量过程。
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2.2 全站仪的测距原理
电磁波测距是用电磁波（光波或微波）作为载波 传输测距信号以测量两点间距离的一种方法。 根据载波的不同可分为： 1、光电测距
4、距离计算：
1）仪器常数改正（测距仪的乘常数R和加常数K）
加常数K=L– L´（mm） 乘常数R的单位是mm/km
对于观测值为L´的距离，其常数改正值为：
L K R L k
2）气象改正
某测距仪的气象改正公式为：
0 . 3872 P L 278 . 96 L t 1 0 . 003661 t
第二章 全站仪的测量原理
§2.1 全站仪的测角原理
普通光学经纬仪难以满足测角自动显示、自动记录 和自动传输数据的要求。 •世界上第一台电子经纬仪 (electronic theodolite) 于 1968 年研制成功， 80 年代初生产出商品化的电子经 纬仪。 • 采用光电扫描度盘，利用光电转换原理和微处理 器将角度方向值变为电信号，从而完成自动化测角 的全过程，实现角度测量的自动显示、自动记录和 自动传输数据。
三）测程及测距仪的精度：
1、测程：测距仪一次所能测的最远距离。 短程测距仪 — 测程小于5km； 中程测距仪 — 测程在5km-30km； 远程测距仪 — 测程在30km以上。
6 ( a b 10 D ) 2、测距仪的精度：m D
式中：mD — 测距中误差，单位为mm； a — 固定误差，单位为mm；
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三、电子测角中的轴系补偿与改正
轴系改正： （1） 视准轴误差（C）的改正 （2） 垂直度盘指标差（I）的改正 （3） 水平轴倾斜误差（i）的改正
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三、电子测角中的轴系补偿与改正
轴系补偿与改正开关的不同设置对测角的影响
i — 垂直度盘指标差， L — 补偿器零点指标差， C — 视准差
k — 水平轴倾斜对水平角的影响，T — 垂直轴倾斜对水平角的影响
总述
• 电子经纬仪与光学经纬仪外形结构相似，但其测 角读数系统采用的是光电扫描度盘和自动显示系统。 根据光电扫描度盘获取电信号的原理不同，电子经 纬仪电子测角系统也不同，主要有以下三种： 1.编码度盘测角系统——即采用编码度盘及编码测微 器的绝对式测角系统； 2.光栅度盘测角系统——即采用光栅度盘及莫尔干涉条 纹技术的增量式测角系统； 3.动态测角系统——即采用计时测角度盘并实现光电 动态扫描的绝对式测角系统。