全站仪的结构和工作原理

全站仪的结构和工作原理

寸录

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( Electronic Total Station

)。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， 际上，“光学速测仪” 就是指带有视距丝的经纬仪， 距来确定，而高程则是用三角测量方法来确定的。 快速、简易，而在短距离( 100 米以内)、低精度 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”( Electronic Tachymeter )。

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。

我们称这种速测仪为 “光学速测 仪” 。实 被测点的平面位置由方向测量及光学视 带有“视距丝”的光学速测仪，由于其

( 1/200(1/500 )的测量中，如碎部点测

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；

⑷ 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 0.8km。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。

I' ?支柴廉；2—交架;3—主机皿一嗟直制动螺施：5—竖直微动媒艇：血一发射接收镜的i I锻;7—发射接收盅的物

镜用一显示曲；

9—电源电缆播臺10—电源开艾键(FCWER);】1--測肚键｛MR AS)

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 ）。

（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，

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。

瞄准操作只需单手

1—娠瘵;2—光学村中器Htli；

3—照准觇牌2—LZ站擁镜

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。 P 宁建分刘板 调焦透擁

分光棱潘

i 电光跆

光敏二极囊

发光二按世