经纬仪全站仪工业测量系统精度分析Word下载.docx

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毕业设计（论文）报告

二○一○年五月

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盖章年月日

摘要

随着电子技术的发展，测量学从光学手段进入了电子时代，随后，又是电子经纬仪和全站型电子测速仪生产相对稳定和探索的时候，八十年代是电子经纬仪高速发展的时期，也是工业测量系统不断成熟的时期，这便为工业检验与装配的高精度，自动化提供了切实有效的手段。

本文指出了该学科的地位和研究应用领域；

阐述了工业测量学领域通用和专用仪器的发展；

扼要地叙述了大型特种精密工程测量在国内外的发展情况。

关键词：

工业测量系统，电子经纬仪，全站仪，精度分析

Abstract

Industrialmeasurementsystemsistheuseofprecisionmeasuringinstrumentsandmethodsofconstructionandthecombinationofmeasuringinstruments,constitutetheprecisethree-dimensionalcoordinatemeasurementandanalysissystem,thegeometricdimensionsofindustrialcomponentsforprecisioninstallation,location,detectionanddeformationmeasurement.Withthedevelopmentofelectronictechnology,surveyinginstrumentsfromtheopticalintotheelectronicage,thenitistheelectronictheodoliteandtotalstationelectronicgunisrelativelystableproductionandexplorationoftime,80yearsistheperiodofrapiddevelopmentofelectronictheodolite,ofindustrialmeasurementsystemsmaturingperiod,whichwillbeforindustrialinspectionandassemblyofhighprecision,automationprovidesapracticalandeffectivemeans.Industrialmeasurementsystembasedonspacerendezvous,bymeansoftwooptionalonthebaselineendpointstheodoliteintersectionpointwithanunknownthree-dimensionalcoordinatesgenerated,computingandelectronictechnology,fortheapplicationofsuchasystemoftriangulation,resection,anteriortraditionalprinciplesofFairprovidedanewimpetus,andmakesallthepartsconnectedwiththehost,allowingreal-timeacquisition,display,processingandevaluationofthree-dimensionalcoordinatesofthedata,butalsoontheaccuracyofshort-millionthoftheabove.Thisarticlepointsoutthestatusofthesubjectandresearchapplications;

describedthefieldofindustrialCeliangXueTongYongandspecialinstrument;

intheoreticalmethoddevelopment,stressrightadjustmenttheory,engineeringdesignofnetworkoptimization,Bianxingobserveddataprocessingmethodsaresummarizedandsummarized.Brieflydescribesthemeasurementoflarge-scalePrecisionEngineeringdevelopmentsathomeandabroad.

　　Keywords:

industrialmeasuringsystems,electronictheodolite,totalstation,precisionanalysis

第一章绪论

1.1工业测量系统的简介

在现代工业生产中，为了保证产品质量，都需要进行必要的有关测试。

包括对零部件的质量检验、装配架的控制以及整机安装后的总体测试，以检验各项指标是否达到设计的要求。

以往都是通过用三维坐标测量机、气动测量法、激光干涉仪，全息术等进行质量检验。

这些方法的缺点是测量范围有限。

而且只能在室内进行测试，无法顾及装配后的变形及环境影响的真实情况。

而对产品的装配，主要是用光学经纬仪、水准仪、测距仪和钢卷尺等按设计图纸的要求进行放样、指挥安装。

其速度和精度都受到了较大的限制。

至于整机装配后总体外形的检测通常是用近景摄影测量的方法进行，缺乏实时性。

经纬仪工业测量系统也叫遥测系统，电子坐标测算系统，是指用于工业产品的质量检验及装配的经纬仪交会系统。

它利用电子经纬仪空间前方交会原理，通过连接到计算机或电子数据记录器实时的获取被测物上各点的空间坐标，然后经过数据处理求得被测物体的有关参数，完成工业产品的质量检验以及指导装配工作。

1.2工业测量系统的特点

（1）实时性。

由于数据采集和处理的设备都是高技术的电子产品，数据传输都实现了自动化，且采集和处理的速度极快。

这样可以实时的获得现场结果，对于真实的反映被测物的现状和控制装配有显著的意义。

（2）非接触性。

是指测量过程中对被测物的“无损性”，即避免了接触而引起的物体变形、干扰、工作中断等不良影响，并允许对难以接近的目标进行测量。

（3）机动性。

它不受固定观测站的制约，而且可对任何形状的物体进行测量，另外，也可以在仪器无法整平的情况下对被测物体进行测量。

这表明用工业测量系统进行测量是有较优越的解算能力，所以有时也称之为“三维测量与解算系统”。

1.3工业测量系统的发展历程

七十年代是电子经纬仪和全站型电子速测仪生产相对稳定和探索的时候。

典型产品为1977年美国HewlettParckard生产的HP3820A。

1979年该公司用一台计算机将两台电子经纬仪连接起来，第一次组成了

“实时三角测量系统”，这就是工业测量系统的雏形。

八十年代是电子经纬仪高速发展的时期，也是工业测量系统不断成熟的时期。

1982年瑞典GeotronicsAB生产的全站仪Geodimeter140和1983年瑞士Wild厂生产的T2000电子经纬仪，都采用了对径扫描的动态测角原理，消除了角度测量中的偏心差和分划误差的影响，同时轴系补偿技术的不断完善，使电子测角获得了很高的精度（

0.5″）。

这也给工业测量系统真正在工业方面的应用提供了有力的手段。

另外，整个测量过程都有完善的软件来支持，大大地减轻了计算的工作量。

八十年代末期，瑞士的Kern和Wild生产的伺服电子经纬仪E2-SE和TM3000是工业测量系统的全自动化成为可能。

由此构成的工业测量系统，如KernSPACE和WildATMS，既解决了人工照准目标的误差，又提高了观测速度。

另外，工测量系统的软件不断完善，可以自动检测粗差，实时控制测量并计算被测点的坐标、拟合计算被测物的有关参数的任何几何元素，以及其它辅助功能软件包。

这给工业测量系统的广泛应用提供了有利的条件。

目前，工业测量系统已广泛地应用于制造业、工程建筑业等领域。

如飞机、轮船、汽车制造中的质量检验和安装都用工业测量系统来完成。

我们坚信，工业测量系统作为工业产品质量保证的有效途径之一，将会在我国各行业得到广泛应用。

第二章经纬仪工业测量系统

2.1系统的配置

经纬仪（如下图2-1）是测量任务中用于测量角度的精密测量仪器，可以用于测量角度、工程放样以及粗略的距离测取。

它由望远镜、水平度盘、竖直度盘、水准器、基座等组成。

测量时，将经纬仪安置在三脚架上，用垂球或光学对点器将仪器中心对准地面测站点上，用水准器将仪器定平，用望远镜瞄准测量目标，用水平度盘和竖直度盘测定水平角和竖直角。

图2-1dt-200系列电子经纬仪

2.2经纬仪的分类

　经纬仪根据度盘刻度和读数方式的不同，分为游标经纬仪，光学经纬仪和电子经纬仪。

目前我国主要使用电子经纬仪（如下图2-2）和光学经纬仪（如下图2-3），游标经纬仪早已淘汰。

图2-2电子经纬仪图2-3光学经纬仪

　　光学经纬的水平度盘和竖直度盘用玻璃制成，在度盘平面的周诶边缘刻有等间隔的分划线，两相邻分划线间距所对的圆心角称为度盘的格值，又称度盘的最小分格值。

一般以格值的大小确定精度，分为：

　　DJ6度盘格值为1°

DJ2度盘格值为20＇DJ1（T3）度盘格值为4＇按精度从高精度到低精度分：

DJ07,DJ1,DJ2,DJ6,DJ30等（D,J分别为大地和经纬仪的首字母）

　　经纬仪是测量任务中用于测量角度的精密测量仪器，可以用于测量角度、工程放样以及粗略的距离测取。

整套仪器由仪器、脚架部两部分组成。

　　应用举列（已知A、B两点的坐标，求取C点坐标）：

　　是在已知坐标的A、B两点中一点架设仪器（以仪器架设在A点为列），完成安置对中的基础操作以后对准另一个已知点（B点），然后根据自己的需要配置一个读数1并记录，然后照准C点（未知点）再次读取读数2。

读数2与读书1的差值既为角BAC的角度值，再精确量取AC、BC的距离，就可以用数学方法计算出C点的精确坐标。

2.3经纬仪的原理

经纬仪是望远镜的机械部分，使望远镜能指向不同方向。

经纬仪具有两条互相垂直的转轴，以调校望远镜的方位角及水平高度。

此类架台结构简单，成本较低，主要配合地面望远镜（大地测量、观鸟等用途）使用，若用来观察天体，由于天体的日周运动方向通常不与地平线垂直或平行，因此需要同时转动两轴并随时间变换转速才能追踪天体，不过视场中其它天体会相对于目标天体旋转，除非加上抵消视场旋转的机构，否则不适合用於长时间曝光的天文摄影。

但由于电子科技的发展，上述问题已获得解决，而且经纬仪使望远镜指向不同方向时的空间姿态改变最小，因此不少专业天文台的大口径望远镜均使用经纬仪，以减轻由机械变形所引起的精度下降。

甚至一些天文爱好者自制的专门用于低倍率目视观测的天文望远镜。

2.4空间前方交会

类似于测量学中的前方交会原理（如下图2-4），在两个已知点A和B上架设仪器，来观测未知点N上的目标，在两个测站上分别得到水平角和垂直角的观测值，再由基线长b来求得未知点N的三维坐标。

图2-4前方交会原理

2.4.1坐标系的定义

在工业测量系统中一般只关心被测物体内部各部件的相对位置关系，不要求与外部基准之间的坐标关系或方位相连，因此常采用局部坐标系。

如（图2-5）所示，一般定义为：

A经纬仪的中心为坐标系原点，A与B的连线在水平面上的投影为X轴，过A的铅垂线方向为Z轴，以右手坐标系法则确定Y轴，形成局部坐标系A-XYZ。

因此，在该局部坐标系中，A经纬仪的坐标为（0,0,0）,B经纬仪的坐标为（b,0,h），b为A、B两经纬仪中心间的水平距离，h为两经纬仪中心的高度差。

2.4.2系统定向

图2-6系统定向

要完成上述坐标系的建立，是通过系统定向（如右图2-6）来完成的。

系统定向分为相对定向和绝对定向。

相对定向即是通过两台经纬仪相互瞄准对方的仪器中心，以确定两经纬仪间的相对方位。

由于仪器中心是不可见的，在实际测量中，可通过互瞄经纬仪中安装的内觇标后外觇标来完成。

绝对定向是为了获取两经纬仪中心之间准确的水平距离。

同样由于仪器中心不可见，因此通过两台经纬仪分别测量一根高精度的基准尺L（基准尺长度已知）来反算两仪器中心间的水平距离

b，在依据两仪器互瞄时的垂直角计算出高差h。

因此通过相对定向和绝对定向，可获得两台仪器的中心在所定义的局部坐标系中的空间三维坐标。

第三章全站仪工业测量系统

3.1系统的配置

全站仪（如下图3-1）是一种集光、机、电为一体的新型测角仪器，与光学经纬仪比较电子经纬仪将光学度盘换为光电扫描度盘，将人工光学测微读数代之以自动记录和显示读数，使测角操作简单化，且可避免读数误差的产生。

图3-1索佳set10k系列全站仪

同电子经纬仪、光学经纬仪相比，全站仪增加了许多特殊部件，因此而使得全站仪具有比其它测角、测距仪器更多的功能，使用也更方便。

这些特殊部件构成了全站仪在结构方面独树一帜的特点。

1．同轴望远镜

　　全站仪的望远镜实现了视准轴、测距光波的发射、接收光轴同轴化。

同轴化的基本原理是：

在望远物镜与调焦透镜间设置分光棱镜系统，通过该系统实现望远镜的多功能，即既可瞄准目标，使之成像于十字丝分划板，进行角度测量。

同时其测距部分的外光路系统又能使测距部分的光敏二极管发射的调制红外光在经物镜射向反光棱镜后，经同一路径反射回来，再经分光棱镜作用使回光被光电二极管接收；

为测距需要在仪器内部另设一内光路系统，通过分光棱镜系统中的光导纤维将由光敏二极管发射的调制红外光传也送给光电二极管接收，进行而由内、外光路调制光的相位差间接计算光的传播时间，计算实测距离。

　　同轴性使得望远镜一次瞄准即可实现同时测定水平角、垂直角和斜距等全部基本测量要素的测定功能。

加之全站仪强大、便捷的数据处理功能，使全站仪使用极其方便。

2．双轴自动补偿

在仪器的检验校正中已介绍了双轴自动补偿原理，作业时若全站仪纵轴倾斜，会引起角度观测的误差，盘左、盘右观测值取中不能使之抵消。

而全站仪特有的双轴（或单轴）倾斜自动补偿系统，可对纵轴的倾斜进行监测，并在度盘读数中对因纵轴倾斜造成的测角误差自动加以改正（某些全站仪纵轴最大倾斜可允许至

±

6′）。

，也可通过将由竖轴倾斜引起的角度误差，由微处理器自动按竖轴倾斜改正计算式计算，并加入度盘读数中加以改正，使度盘显示读数为正确值，即所谓纵轴倾斜自动补偿。

3．键盘

　　键盘是全站仪在测量时输入操作指令或数据的硬件，全站型仪器的键盘和显示屏均为双面式，便于正、倒镜作业时操作。

4．存储器

　　全站仪存储器的作用是将实时采集的测量数据存储起来，再根据需要传送到其它设备如计算机等中，供进一步的处理或利用，全站仪的存储器有内存储器和存储卡两种。

　　全站仪内存储器相当于计算机的内存（RAM），存储卡是一种外存储媒体，又称PC卡，作用相当于计算机的磁盘。

5．通讯接口

全站仪可以通过BS—232C通讯接口和通讯电缆将内存中存储的数据输入计算机，或将计算机中的数据和信息经通讯电缆传输给全站仪，实现双向信息传输。

全站仪具有角度测量、距离（斜距、平距、高差）测量、三维坐标测量、导线测量、交会定点测量和放样测量等多种用途。

内置专用软件后，功能还可进一步拓展。

3.2全站仪的分类

全站仪按其外观结构可分为两类：

1.积木型（Modular，又称组合型）

早期的全站仪，大都是积木型结构，即电子速测仪、电子经纬仪、电子记录器各是一个整体，可以分离使用，也可以通过电缆或接口把它们组合起来，形成完整的全站仪。

2.整体性（Integral）

　　随着电子测距仪进一步的轻巧化，现代的全站仪大都把测距，测角和记录单元在光学、机械等方面设计成一个不可分割的整体,其中测距仪的发射轴、接收轴和望远镜的视准轴为同轴结构。

这对保证较大垂直角条件下的距离测量精度非常有利。

全站仪按测量功能分类，可分成四类：

1.经典型全站仪

经典型全站仪也称为常规全站仪，它具备全站仪电子测角、电子测距和数据自动记录等基本功能，有的还可以运行厂家或用户自主开发的机载测量程序。

2．机动型全站仪

　在经典全站仪的基础上安装轴系步进电机，可自动驱动全站仪照准部和望远镜的旋转。

在计算机的在线控制下，机动型系列全站仪可按计算机给定的方向值自动照准目标，并可实现自动正、倒镜测量。

徕卡TCM系列全站仪就是典型的机动型全站仪。

3.无合作目标性全站仪

无合作目标型全站仪是指在无反射棱镜的条件下，可对一般的目标直接测距的全站仪。

因此，对不便安置反射棱镜的目标进行测量，无合作目标型全站仪具有明显优势。

如徕卡TCR系列全站仪，无合作目标距离测程可达200m，可广泛用于地籍测量，房产测量和施工测量等。

4.智能型全站仪

在机动化全站仪的基础上，仪器安装自动目标识别与照准的新功能，因此在自动化的进程中，全站仪进一步克服了需要人工照准目标的重大缺陷，实现了全站仪的智能化。

在相关软件的控制下，智能型全站仪在无人干预的条件下可自动完成多个目标的识别、照准与测量，因此，智能型全站仪又称为“测量机器人”典型的代表有徕卡的TCA型全站仪等。

全站仪按测距仪测距分类，还可以分为三类：

1.短测程全站仪

测程小于3KM，一般精度为±

（5mm+5ppm），主要用于普通测量和城市测量。

2.中测程全站仪

测程为3-15km,一般精度为±

（5mm+2ppm）-，±

（2mm+2ppm）通常用于一般等级的控制测量。

3.长测程全站仪

测程大于15km，一般精度为±

（5mm+1ppm），通常用于国家三角网及特级导线的测量。

全站仪几乎可以用在所有的测量领域。

3.3全站仪的测角原理

光电度盘一般分为两大类：

一类是由一组排列在圆形玻璃上具有相邻的透明区域或不透明区的同心圆上刻得编码所形成编码度盘进行测角；

另一类是在度盘表面上一个圆环内刻有许多均匀分布的透明和不透明等宽度间隔的辐射状栅线的光栅度盘进行测角。

也有将上述二者结合起来，采用“编码与光栅相结合”的度盘进行测角。

1、编码度盘测角原理

　　在玻璃圆盘上刻划几个同心圆带，每一个环带表示一位二进制编码，称为码道（如下图3-1）。

如果再将全圆划成若干扇区，则每个扇形区有几个梯形，如果每个梯形分别以“亮”和“黑”表示“0”和“1”的信号，则该扇形可用几个二进数表示其角值。

例如，用四位二进制表示角值，则全圆只能刻成24＝16个扇形，则度盘刻划值为360o/16=22.5o，如图所示，这显然是没有什么实际意义的。

如果最小值为20”，则需刻成（360×

60×

60）/20=64800个扇形区，而64800≈216个码道。

因为度盘直径有限，码道愈多，靠近度盘中心的扇形间隔愈小，又缺乏使用意义，故一般将度盘刻成适当的码道，再利用测微装置来达到细分角值的目的。

图3-1码道

2、增量式光栅度盘测角原理

　　均匀地刻有许多一定间隔细线的直尺或圆盘称为光栅尺或光栅盘。

刻在直尺上用于直线测量的为直线光栅（如下图3-2），刻在圆盘上的等角距的光栅称为径向光栅。

设光栅的栅线（不透光区）宽度为a，缝隙宽度为b，栅距d＝a＋b，通常a＝b，它们都对应一角度值。

在光栅度盘的上下对应位置上装上光源、计数器等，使其随照准部相对于光栅度盘转动，可由计数器累计所转动的栅距数，从而求得所转动的角度值。

因为光栅度盘上没有绝对度数，只是累计移动光栅的条数计数，故称为增量式光栅度盘，其读数系统为增量式读数系统。

图3-2增量式光栅度盘测角原理

（如下图3-3）所示。

指示光栅、接收管、发光管位置固定在照准部上。

当度盘随照准部移动时，莫尔条纹落在接收管上。

度盘每转动一条光栅，莫尔条纹在接收管上移动一周，流过接收管的电流变化一周。

当仪器照准零方向时，让仪器的计数器处于零位，而当度盘随照准部转动照准某目标时，流过接收管电流的周期数就是两方向之间所夹的光栅数。

由于光栅之间的夹角是已知，计数器所计的电流周期数经过处理就刻有显示处角度值。

如果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，所得的脉冲数就等于两个方向所夹光栅数的n倍，就相当于把光栅刻划线增加了n倍，角度分辨率也就提高了n倍。

使用增量式光栅度盘测角时，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。

图3-3增量式光栅度盘测角原理