毕业论文-----全站仪在工程中的应用及其精度分析

附件 1 xxxxxxx 学院 毕毕毕毕业业业业设设设设计计计计 论论论论文文文文 届届届届 题 目 全站仪在工程中的应用及其精度分析 系 部 专业班级 姓 名 指导老师 年 月 日 学院 系 毕业设计任务书 设计题目全站仪在工程中的应用及其精度分析 学生姓名专业班级联系电话电子信箱 QQ 指导教师教研室联系电话电子信箱 QQ 设计内容 和目标 本文主要对全站仪相关的基本概况做了简单的介绍 重点分析了 全站仪的测量功能及其原理 并结合工程实际分析全站仪在工程施工 工程检测等相关领域的应用 同时分析了全站仪在使用过程中的误差 来源 并通过相关的测量实验 分析了全站仪测角与测距的精度以及 温度 气压对测距的影响 全站仪是随着现代科学技术的迅速发展而诞生的 它的出现极 大地改变了传统的测量方式 促进了测量技术的发展 它可以减少劳 动强度 提高工作效率 避免了人为的测量错误和误差的传递 提高 测量精度 基于全站仪各方面的优点 它被认为是实现高精度 高 效率的最佳选择 所以全站仪已经被广泛地应用于工程建设项目中 而且应用比例也越来越大 为了更好地利用全站仪的特点 使其在 测绘工作中发挥出更大的作用 因此有必要对全站仪有一个比较全面 的了解 设计要求 进度安排 2011 11 24 2012 2 10 文献检索 数据整理 资料搜集 确定论文 题目 2012 2 26 2012 3 5 研究资料文献 整理思路 撰写开题报告 2012 3 28 2012 5 10 撰写论文初稿 2012 5 20 2012 6 根据导师意见 进行修改 教研室审核 室主任签名 年 月 日 说明 此表一式两份 指导教师和学生各留存一份 附件 3 学院 系 毕业论文开题报告 论文题目全站仪在工程中的应用及其精度分析 学生姓 名 专业班级联系电话电子信箱 QQ 指导教 师 教研室联系电话电子信箱 QQ 选题背景 意义 目前 随着水利水电事业 农业灌溉防洪 大型建筑 地下隧 道等工程项目日益增多 技术标准要求越来越高 加上全部采 用机械化施工 因此测量工作再采用传统的测量仪器及测量方 法难以满足在精度 时间 速度上的要求 随着现代高新技术的发展与运用 测绘技术也在不断地发展 它正在从传统的测绘技术手段向现代数字测绘过渡 而全站仪 的诞生 它从根本上改变了传统测量技术体系 极大地促进了 测量技术的发展 它可以减少劳动强度 提高工作效率 避 免了人为的测量错误和误差的传递 提高测量精度 因此全站 仪被广泛地应用于工程测量 工业测量 建筑测量和地形测量 等诸多领域中 而且应用比例也会越来越大 所以我们有必要 了解全站仪的基本功能以及在实际的工程项目中的应用 同时 还应该分析全站仪在使用过程中的误差产生及大小 以此来判 断全站仪所能达到的测量精度 研 究 内 容 和方法 目前全站仪被越来越广泛地应用 为了更好地利用全站仪 的特点 使其在测绘工作中发挥出更大的作用 本文主要对全 站仪相关的基本概况做了简单的介绍 重点分析了全站仪的测 量功能及其原理 并结合工程实际分析全站仪在工程施工 工 程检测等相关领域的应用 同时分析了全站仪在使用过程中的 误差来源 并通过相关的测量实验 分析了全站仪测角与测距 的精度以及温度 气压对测距的影响 通过自身对全站仪的操 作 在实际的运用来了解全站仪 计 划 进 度 2011 11 24 2012 2 8 经过搜集阅读文献资料 确定论文题 目 2012 2 26 2012 3 10 在收集大量全站仪文献资料后 并对 资料进行系统分析 归纳整理拟定提纲 研究资料文献 整理 思路 撰写开题报告 2012 3 20 2012 5 10 整理已获取的资料 完成论文初稿 2012 5 20 2012 6 根据导师意见 进行修改 指导老师 意见 指导教师签名 年 月 日 教研室 意见 室主任签名 年 月 日 说明 此表一式两份 指导教师和学生各留存一份 附件 4 毕业设计 论文 进度检查表 系 专业班级 学生姓名 题 目全站仪在工程中的应用及其精度分析 时 间阶段工作内容导师签名检查日期 2011 11 24 2012 2 10 资料搜集 确定论文题目 2012 2 26 2012 3 5 撰写开题报告 2012 3 20 2012 5 10 完成论文初稿 2012 5 20 2012 6 根据导师意见 进行修改 注 1 各阶段工作内容包括 查阅文献 调研 文献综述 开题报告 设计方案 过程计算 上 机 绘图 实验 撰写毕业设计 论文 等 2 指导教师在检查阶段工作进度完成情况后签名 本表由指导教师保存 附表 1 学院 系 学生顶岗实习单位考核表 学生姓名专业班级 实习单位实习时间 校内指导教师兼职指导教师 实习岗位名称 学 生 顶 岗 实 习 工 作 内 容 摘 要 成绩评定优秀良好合格不合格 实 习 单 位 鉴 定 单位负责人签名 年 月 日 单位盖章 附注 学生顶岗实习结束后将本表交给校内指导教师 附表 2 学院 系 学生顶岗实习综合成绩评定表 姓名专业班级 实习单位名称成绩评定 优秀良好合格不合格 优秀良好合格不合格 优秀良好合格不合格 优秀良好合格不合格 实 习单 位评 价 优秀良好合格不合格 指导 教师 评价 成绩 评定 优 秀良 好合 格不合格 综合综合 成绩成绩 优 秀良 好合 格不合格 指导教师签名 年 月 日 注 综合成绩由指导教师根据实习单位评定 70 指导教师评定 30 两项综合评定 目目 录录 中文摘 要 1 ABSTRACT 2 1 全站仪的介绍 3 1 1 全站仪的应用现状 3 1 2 全站仪的发展前景 3 1 2 1 全站仪的小型化 系列化发展趋势 3 1 2 2 全站仪的自动化发展趋势 3 1 2 3 全站仪的本地化发展趋势 4 1 2 4 全站仪的功能集成化发展趋势 4 2 全站仪的应用 5 2 1 全站仪概述 5 2 1 1 全站仪的基本概念 5 2 1 2 全站仪的基本原理 6 2 1 3 全站仪的基本功能 8 2 2 全站仪在实际工程中的应用 9 2 2 1 全站仪在工程施工中的应用 10 2 2 2 全站仪在工程检测中的应用 12 3 全站仪的精度分析 14 3 1 全站仪的误差分析 14 3 1 1 全站仪测角系统的误差分析 14 3 1 2 全站仪测距系统的误差分析 17 3 2 全站仪测量实验及其精度分析 19 3 2 1 水平角观测精度分析 19 3 2 2 竖直角观测精度分析 22 3 2 3 距离观测精度分析 24 参考文献 26 致 谢 27 附 录 28 0 中文摘中文摘 要要 全站仪作为一种具有小型 便捷 高精度 多功能和数字化等特点的综合性测绘 仪器 它极大地改变了传统的测量方法 使外业工作简便易行 使繁杂的内业计算通 过仪器的测量程序处理直接得到成果 因此 全站仪被广泛应用于测量技术领域 而 且应用比例也越来越大 为了更好地利用全站仪的特点 使其在测绘工作中发挥出更 大的作用 因此有必要对全站仪有一个比较全面的了解 本文主要对全站仪的基本情况进行了介绍 重点分析了全站仪的测量功能及其原 理 并结合实际分析了全站仪在工程施工 工程检测等相关领域中的应用 同时通过 测量实验 分析了全站仪测角与测距的精度以及温度 气压对测距的影响 关键词 全站仪 应用 精度分析 1 ABSTRACT Total Station as a small convenient high precision multi functional characteristics and digital mapping of the integrated equipment it has greatly changed the traditional measurement method so easy to work outside the industry so that complicated calculation in the industry through the measurement equipment directly from the results of procedures Therefore the total station has been widely used in the field of measuring technology and increasing the proportion of applications In order to make better use of Total Station features of its work in mapping out a greater role to play it is essential to have a total station a more comprehensive understanding In this paper the basic situation of the total station is described focusing on analysis of the Total Station and its principle of functional measurement combined with the actual analysis of the total station in the construction engineering testing landscape construction and other related applications in the field At the same time by measuring the experiments analyzed the total station angle measurement accuracy and range as well as temperature air pressure on the impact of location And on this basis a total station mapping plane precision error analysis total station accuracy of trigonometric leveling with three or four standard measurements such as a comparative analysis of tolerance total station measuring the accuracy of the analysis area total station to edge measurement to achieve the accuracy of location analysis KEY WORDS Total Station application precision analysis 2 1 全站仪的介绍 全站仪的介绍 1 1 全站仪的应用现状全站仪的应用现状 基于全站仪的功能与特性 全站仪将是实现高效率 高精度的最佳选择 这都促 使其被广泛地应用于各个领域 全站仪在工程建设中的应用 如道路中线测设与纵断 面测量 桥梁施工控制测量及桥梁墩 台中心位置的测设 道路立交匝道的测设 隧 道施工测量等 在地质水文方面 全站仪可以用作地面沉降 滑坡 崩塌等地质灾害 的变形监测 水文条件的监测等 在管线测量方面 全站仪可以应用于管线勘察设计 管线验收测量 管线普查测量中 除此之外 全站仪在工业测量 交通 钻探 地籍 房地产 航空航海 矿业 设备安装调试 考古等方面也广泛地被应用 1 2 全站仪的发展前景全站仪的发展前景 全站仪是当今地面测量工作走向自动化 数字化的核心测量仪器 纵观全站仪的 发展过程 可归纳为工具阶段 数据自动处理阶段 智能化阶段 开放性阶段 其将 来的发展趋势将体现在以下几个方面 1 1 2 11 2 1 全站仪的小型化 系列化发展趋势全站仪的小型化 系列化发展趋势 自从全站仪诞生以来 全站仪的小型化工作就从未间断过 从最初的 20 多千克 到现在的几千克 全站仪的小型化工作已经取得重大成果 但作为外业测量设备 全 站仪在保证精度的前提下 进一步实现小型 轻型化 对减轻外业测量的劳动强度仍 具有十分重要的意义 由于全站仪的功能不断增加 每一品牌全站仪的 家族 也不断加大 新功能 新系列全站仪的不断推出 可以满足各个部门测量人员的 追新 需求 同时推动测 绘技术的向前发展 1 2 21 2 2 全站仪的自动化发展趋势全站仪的自动化发展趋势 在电磁波测距的基础上 全站仪的发展首先在度盘角度读数上实现了自动化 随 着微电子和微处理技术的不断发展 全站仪的自动化程度不断提高 目前轴系误差等 内容的补偿与改正实现了自动化 并出现了目标自动识别与照准的全站仪 将来全站 仪在自动安平 自动对中 自动量取仪器高等方面会有新的突破 3 1 2 31 2 3 全站仪的本地化发展趋势全站仪的本地化发展趋势 世界民族繁多 各民族各国家不仅有独特的语言 也具有独特的思维和行为方式 为了让一个世界性品牌的全站仪更具有民族化 地区化 许多具有远见的全站仪生产 厂家在不断加强其产品的本地化工作 以进一步提高在世界范围内的应用水平 全站 仪的本地化不仅体现在语言上 同时要让全站仪的操作使用更加接近当地用户的作业 规范 1 2 41 2 4 全站仪的功能集成化发展趋势全站仪的功能集成化发展趋势 全站仪的开放性发展的目的是要实现全站仪与非全站仪测量设备之间的数据共享 形成不间断的 数据流 如 超站仪 的概念 即在全站仪的基础上 上面添加 GPS 接收机实现空间定位 下挂自动定向的螺旋仪 实现真北定向 4 2 全站仪的应用 全站仪的应用 2 1 全站仪概述全站仪概述 2 1 1 全站仪的基本概念全站仪的基本概念 全站仪 即全站型电子速测仪 Electronic Total Station 是一种集光 机 电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 2 2 1 1 1 全站仪的系统结构全站仪的系统结构 从总体上看 全站仪由两大部分组成 1 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 还有自动补偿设备等 2 程控制机 主要用于有续地实现上述每一专用设备的功能 过程控制机包括 与数据相连结的外围设备及进行计算 产生指令的微处理机 2 1 1 2 全站仪的分类全站仪的分类 全站仪按其外观结构可分为两类 1 积木型 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 整体型 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 5 3 无合作目标型全站仪 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 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 全站仪按测距仪测距分类 还可以分为三类 1 短距离测距全站仪 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 2 1 2 全站仪的基本原理全站仪的基本原理 2 1 2 1 电子测距原理电子测距原理 电子测距的原理就是利用电磁波的直线传播特性来测出两点之间的直线距离 测 距仪的安装其仪器竖轴线的中心点为 A 被测地点安装及射器的位置为 B 要测 AB 两 点之间的距离 D 开启测距仪发射一系列电磁波 电磁波分别在 A B 两点之间 传播 到达 B 点后 被反射器原方向反射回来 图 2 1 电磁波测距原理示意图 6 反射回的电磁波又被测距仪接收 如果电磁波测距仪能测出电磁波从发射到接收 这一段时间间隔 也即是电磁在被测距离 D 上往返传播所用的时间 t 2d 那么 A B 之间的距离就可以利用路程 速度 时间的关系计算出来 用于测距的电磁波一般多为微波 激光和红外线 目前全站仪中广泛使用的是红 外线 根据不同的测时方法 电子测距的基本方法可以分为脉冲法测距 相位法测距 干涉法测距 1 脉冲法测距 脉冲法测距就是直接测定间断电磁脉冲信号在被测距离上往返 传播所需的时间 t2d 利用公式计算距离 D 其测时方法为 当测距仪向反射器发射一个脉冲信号的同时 还给触发器发出一 个触发脉冲 经过触发器去打开电子门 电子门一打开 记时用的时标脉冲就通过电 子门进入计数器 当发向反射器的脉冲信号被反射器反射回测距仪 经过测距仪接收 后 也送入触发器 通过触发器去关闭电子门 电子门被闭合后 时标脉冲就不能通 过电子门 那么计数器上记录下的时标脉冲个数 m 将对应于测距脉冲信号在被测 D 上往返传播所需的时间 t2d 时间越长 通过脉冲信号越多 反之就越少 根据时标脉 冲的个数就可以计算出时间 t2d 从而获得距离 2 相位法测距 鉴于简单脉冲法原理的弱点 人们发明了相位法测距 又叫间 接法测距 它不需直接测定电磁波往返传播的时间 而是直接测定由仪器发出的连续 正弦电磁被信号在被测距离上往返传播而产生的相位交化 即相位差 根据相位差求 得传播时间 从而求得距离 D 3 干涉法测距 干涉法测距是利用波的干涉原理通过发射波和接收波的干涉实 现距离测量 分两种测量原理 通过记录被测目标移动时光波移动的周期数来推算 距离 测量原理也是将发射波和接收波叠加形成驻波 干涉 通过调整调制频率搜 索驻波的波节点的变化来推算被测距离 2 1 2 2 电子测角原理电子测角原理 1 编码度盘测角的基本原理和方法 利用编码度盘进行测角是电子经纬仪中采 用最早 也较为普遍的电子测角方法 它是以二进制为基础 将光学度盘分为若干区 域 每一区域可以用某一二进制码来表示 这样 当照准方向确定后 方向的投影落 在度盘的某一区域上 即该方向与某一二进制码相对应 通过发光二极管和接收二极 管 将度盘上的二进制码信息传换成电信号 再通过模数转换 得到一可读角值 由 于每一个都单值对应一个编码输出 不会由于停电或其它原因而改变这种对应关系 另外 利用编码度盘不需要基准数据 也没有基准读数方向值的影响 就可以得出绝 7 对方向值 因此有时人们把这种方法称为绝对式测角法 2 光栅度盘测角的基本原理和方法 在电子经纬仪中 另一种广泛使用的测角 方法是用光栅度盘测角 光栅是指均匀有间隔很小栅线的光学玻璃 若栅线刻在度盘 上就构成了光栅度盘 光栅度盘的栅线可以是直线 也可以是曲线 在电子经纬仪闪 光栅度盘上刻的都是辐射状的直线 辐射中心通常与度盘的圆心重合 故也叫中心辐 射光栅度盘 另外 如按光栅的使用特性 可分为相位光栅和振幅光栅 按光栅度 盘读数的光学原理 可分为透射光栅和反射光栅 在电子经纬仪中要实现测角 通常是由两个光栅度盘构成 其中一个称为主光栅 另一个称为指示光栅 利用光栅度盘测角就是要测定从起始方向两光栅度盘相对移动 的光栅数 故这种测角方法也叫增量式测角方法 3 动态度盘测角的基本原理和方法 动态度盘测角系统主要由光栅度盘及其驱 动系统 与仪器底座连接在一起的固定光栅探测器和与照准部连接在一起的活动光栅 探测器 以及数字测微系统等组成 当执行测量指令时 度盘在驱动系统马达的带动 下 以一定的速度旋转 当度盘透光条文通过光电探测器时 输出高电平 不透光条 文通过光电探测器时 则输出低电平 随着度盘的连续旋转 两个探测器分别都输出 方波信号 动态度盘测角的最大特点就是度盘全周分划都参与扫描测角 有效地消除了度盘 分划误差的影响 另外通过对径设置两个探测器 可进一步消除度盘偏心差的影响 2 1 3 全站仪的基本功能全站仪的基本功能 全站仪的基础测量功能主要是测量水平角 竖直角以及距离 但它还配备有微处 理系统 并且有一定的内存运行空间和可移动存储设备 如 PCMCIA 卡 具有典型的 PC 微机结构 因此全站仪像计算机一样 可以运行较为复杂的应用测量程序 对获 取的角度和距离等数据作进一步处理 这就形成了相应的专项测量功能 全站仪的专项测量功能大大减轻了野外测量的劳动强度 极大地提高了测量工作 效益 正成为全站仪不可或缺的重要组成部分 目前 常见的专项测量功能主要有以 下几种 3 2 1 3 1 坐坐标标测测定定 坐标测定 是通过 在已知点上架设仪器 根据测站点和定向点的坐标或定向 方位角 对任一目标点进行观测 获得目标点的坐标值 2 1 3 2 坐坐标标放放样样 坐标放样 是 已知仪器点坐标和后视点坐标或已知仪器点坐标和后视方位角 8 即可进行坐标放样 需要时也可进行坐标变换 2 1 3 3 偏偏心心测测量量 偏心测量 就是反射棱镜不是放置在待测点的铅垂线上而是安置在与待测点相关的 某处间接地测定出待测点的位置 目前全站仪偏心测量的应用主要有下列 4 种常用方 式 4 角度偏心测量 单距偏心测量 圆柱偏心测量 双距偏心测量 2 1 3 4 对对边边测测量量 对边测量也称为间接测距 当两点之间不能直接测距时 可将全站仪安置在能够 观测到两点的任意位置 利用全站仪能同时观测仪器与镜站间的斜距 竖直角 水平 角 间接计算两镜站点问的水平距离 该方法设站灵活 操作简单 能 快速的测量 出两个不可通视点之间的水平距离 2 1 3 5 三三角角高高程程测测量量 三角高程测量 是将全站仪安置在已知高程的测点上 在待测点上安置棱镜 量取 仪器高和棱镜高 采用单项或对向观测法测定两点间的距离和竖直角 按三角原理计算 高差 它在实际的应用中主要有三种方式 全站仪单向三角高程测量 全站仪对 向三角高程测量 全站仪中点法高程测量 2 1 3 6 悬悬高高测测量量 所谓悬高测量 就是测定空中某点距离某个水平面 通常为下面的地面 的高度 首先把反射棱镜设立在欲测目标点的天底点 即过目标点的铅垂线与地面的交点 输入 反射棱镜高 然后照准反射棱镜进行距离测量 再转动望远镜照准目标点 便能实时显 示出目标点至地面的高度 2 1 3 7 自自由由设设站站 自由设站即在未知点上安置仪器来确定其坐标 这时要求至少有两个已知点作为 后视点 观测水平角 竖直角 距离 仪器高和目标高全部要素 通过计算求得该测 站点的坐标 2 1 3 8 面面积积计计算算 面积计算 5 即测定某一多边形地块的面积 常常用于地籍调查 城市规划 土方 量测算以及资产评估等领域 是一项经常性的工作 首先将全站仪安置于适当位置 并将地块界址点依序按顺时针方向排列编号为 1 2 3 n 等 然后将反射棱镜依 次置于 1 2 3 n 点 当观测完 n 个点后 仪器自动显示由此 n 个点组成的一个 面积 9 2 2 全站仪在实际工程中的应用全站仪在实际工程中的应用 全站仪的普及和使用 给工程测量带来了深刻的变革 基于全站仪的功能与特性 全站仪将是实现高效率 高精度的最佳选择 这都促使其被广泛地应用于各个领域 2 2 1 全站仪在工程施工中的应用全站仪在工程施工中的应用 2 2 1 1 全站仪在导线测量中的应用全站仪在导线测量中的应用 如图 2 2 为某村测图时采用的图 根闭合导线 6 7 共设了 30 多个点 A B 为已知点 其坐标和高程分别为 XA YA HA XB YB HB Si为待测 导线点 在导线点坐标测量前 先依控 制网等级及大致边长在全站仪上设置平 距 方位角 高差的误差限以供测站检 核 在已知坐标点 A 对中 整平后进入 坐标测量程序进 行测站数据的输入 后视 点 B 的设置有两种方式 输入已知方 位角 若为独立 坐标系统 初始方位可设置磁北方向 输入已知点 B 的坐标 设置距离测量 各参数如气温 气压及测量模式 输入测站点仪器高ih 反射镜 目标高th 在所有设置完成后 全站仪精确照准后视点B 点 进行后视点测量 检核 至此建站 完成 在坐标测量程序提示下 全站仪精确照准S1点 仪器对 S1点进行观测 显示该点坐标值 然后将仪器搬至S1点 调用 S1点的初测坐 标作为测站数据 调用后视点 A 点坐标进行方位角设置 输入距离测量各参数仪 器高ih及目标高th 按上述方法设置完成后 即可对下一导线点S2点进行坐 标测量 就这样依 次采用已知点设站方式依次搬站至S2 S3 Sn 3点分别 以 S1 S2 Sn 4点为已知后视点测得 S3 S4 Sn 2的坐标值 2 2 1 2 对边测量在测制横断面中的应用对边测量在测制横断面中的应用 绘制横断面图所需的量为两个 8 水平距离和高差 也就是在横断面方向上 中 桩点到最近变坡点之间 相邻变坡点之间的水平距离和高差 或者 中桩点到各个变 坡点的水平距离和高差 而全站仪对边测量刚好可以很方便地获得这两个量 首先在 图 2 2 闭合导线 10 任意合适位置摆设全站仪 选择对边测量连续式 输入中桩上棱镜高并照准棱镜进行 测量 然后 再按离中桩由近到远的顺序测量横断面左部分的各个变坡点 则可获得 横断面左部分的中桩点到最近变坡点之间 相邻变坡点之间的水平距离和高差 同样 操作 可以获得横断面右部分的中桩点到最近变坡点之间 相邻变坡点之间的水平距 离和高差 最后 根据获得的数据 选择合适的比例尺后就可以绘制横断面图 绘图 既可以在现场边测边绘 也可以在室内绘制 既可以手工绘制 也可以计算机绘制 如果刚才设站的位置合适 还可以测制其它位置的横断面图 当然 也可以选择对边 测量放射式测制横断面图 操作方法大同小异 2 2 1 3 全站仪在建筑工程放样中的应用全站仪在建筑工程放样中的应用 9 1 全站仪放样已知方向的长度 由于全站仪一般都具有斜距换算平距功能 因此 使用全站仪放样长度的方法很简单 具体步骤可如下 如图2 3 所示安 图 2 3 全站仪放样已知方向的长度示意图 置全站仪于 A 点 照准放样方向 B 将温度湿度 气压及各种参数输入全站仪中 在目标方向线 A 上移动反光镜 当全站仪平距显示为待放样距离S 时 固定反光 镜 整平后 松开制动螺旋 在三角架上平移反光镜到目标方向 并使显示器为待 放样值 S 为止 固定反光镜 将反光镜中心投影到地面上定一点P 此点即为 持定点 其 AP 距离为近似的放样值 S 若要求放样长度精度较高时 在上述放样 后 用归化法进行改正 在 P 点精确安置反光镜 用全站仪测量该距离 其值为 S 差值为 S S S 在 AB 方向线上 按 S 的符号 向前 后 量取 S 定 点 P 则 P 点为最终点位 AP S 2 全站仪放样已知角度 在一些 建筑工程建设过程中 经常需根据已知 方向放样出一个 直角或任意角度 其 具体步骤可如下 如图 2 4 所示安置全 站仪于 A 点 将温度 湿度 气压及各 种参数输入全站仪中 在 B 点 已知方向点 安置 图 2 4 全站仪放样已知角度示意 图 反光镜 照准反光镜 B 并使仪器显示角值为 0 00 00 顺时针转动照准部瞄准 另一反光镜 移动这面反光镜 直到全站仪显示器显示角值为放样的角值 固定 11 反光镜 将反光镜中心投影到地面上定一点 P 则 AP 方向即为要放样的方向 3 全站仪放样高程点 假设建筑工程场地附近有一 已知高程点 A 其高程为 HA 放样的高程点高程为 Hp 则放样步骤如下 如图 2 5 所示安置全站仪于 A 点 量仪器高 将温度 湿度 气压及各种参数输入全站仪中 在放样的 图 2 5 全站仪放样高程点示意图 地方安置反光镜 测出反光镜的镜上中心高程 Hi 并计算 h Hi Hp 从反光镜的镜 上中心向上 下 量取 h 定出一点 P 则此点即为要放样的高程点 2 2 2 全站仪在工程检测中的应用全站仪在工程检测中的应用 2 2 2 1 悬高测量在高度检测中的应用悬高测量在高度检测中的应用 10 某炼油厂架设油罐的承重立柱 立柱之间用 钢筋以焊接方式联接 起到稳定立柱的作用 本 实例的情况是在已经装配好的立柱上 有部分钢 筋预埋件的高度不正确 造成钢筋不能按要求位 置焊接 是装配立柱过程中产生的问题 还是立 柱预制时预埋件位置有错误 经了解 立柱的高 度是正确的 并且利用附近的可靠高程点和已有 资料检查 B 点高度也符合要求 设计的两根钢筋的长度和角度关系应该在图 2 6 中 的 A D 和 B C 时位置才正确 但在立柱上相应的 A C 位置却没有钢筋预埋件 而设在 A 和 A C 和 C 各点的预埋件却用不上 这一问题可以利用全站仪的悬 高测量功能来进行检核 得到 A B A B C D 和 C D 的铅锤距离 以此来判断 钢筋预埋件的高度是否正确 2 2 2 2 全站仪在高层建筑物垂直度检测中的应用全站仪在高层建筑物垂直度检测中的应用 11 如图 2 7 所示 为测量高层建筑物某一墙体上两个柱体 12 和 34 的垂直度误差 可建立如图中所示的 XOY 坐标系 该坐标系以该墙体的一个角点为坐标原点 O 本图 中 O 点与 2 号点共点 平行于墙体的方向为 X 轴 过 O 点且垂直墙面的方向为 Y 轴 若 12 和 34 柱体没有垂直度误差 则同一柱体的上部点 1 或 3 应该与其对应的下部点 图 2 6 立柱钢筋预埋件高度示意图 12 2 或 4 的平面坐标一致 若该柱体存在垂直度误差 则 1 或 3 与其对应的下部点 2 或 4 的平面坐标就不一致 此时可根据其 X Y 方向坐标的差值和建筑物高度 H H 为 测量时上下监测点三维坐标中的高程值之差 求出该柱体在坐标轴 X Y 方向的垂直 度误差和综合的垂直度误差 这些反映柱体垂直度误差的计算模型可按以下方法推导 设 1 2 点在 XOY 坐标系中的坐标分别为 1 X1 Y1 和 2 X2 Y2 则高 点 1 与低点 2 的 X Y 方向坐标差值分别为 通过式 2 1 可进一步计算出柱体 12 在 X Y 方向的垂直度误差分别为 这样柱体 12 的综合垂直度误差可按下式计算 据上面介绍的全站仪垂直度监测的原理 欲求出柱体 12 的垂直度误差 最重要 的是需知道点 1 和点 2 在坐标系 XOY 中的坐标 但在实际监测工作中 全站仪能够直 接测出的是在自由坐标系 X O Y 中的坐标 而想用全站仪直接测出点 1 和 2 在 X0Y 中的坐标是不可能的 因此还需要监测点在自由坐标系 X O Y 中的坐标转换 图 2 7 全站仪垂直度检测示意图 12 1 2 X Y XX YY 2 1 XX YY KH KH 2 2 2 3 22 12 YX KH 13 到特定坐标系 XOY 中的坐标 3 全站仪的精度分析 全站仪的精度分析 3 1 全站仪的误差分析全站仪的误差分析 3 1 1 全站仪测角系统的误差分析全站仪测角系统的误差分析 全站仪角度观测的主要误差来源主要有三个方面 一是观测人员的误差 通常称之为人差 如人照准习惯不同引起的目标照准差等 二是外界条件引起的误差 如大气折光等 三是仪器误差 这里结合全站仪的特点对仪器误差的相关内容作简要分析 3 1 1 1 度盘分划误差度盘分划误差 在全站仪中 无论是编码度盘还是光栅废盘 都要在度盘上按一定的规律均匀地 刻制许多区间或光栅刻线 编码区间或光栅刻线之间的标淮值与实际值之差就是度盘 分划误差 1 度盘分划误差的性质 周期性 因刻度机或被刻制的区盘安置不正确 使度 盘各部分分划不准确而产生误差 该误差以度盘全周为周期 长周期 或以度盘上一小 弧段为周期 短周期 在度盘全周内误差总和为零 偶然性 度盘在刻制过程中受外 界条件 如温度 的变化等偶然因素的影响 使刻划线或偏左或偏右 具有随机特性 2 减弱度盘分划误差的措施 对于静态度盘测角 把各测回均匀分配在度盘多 个位置上进行观测 取其中数能减弱度盘分划误差的影响 对于动态度盘测角 因其在读数过程中度盘全局分划都参与积分扫描测角 在原 理上能有效地消除度盘分划误差的影响 故在多测回测角的过程中 均匀分配度盘的 工作已无意义 3 1 1 23 1 1 2 照准部旋转正确性误差照准部旋转正确性误差 1 对照准部旋转的要求 全站仪的照准部是有竖轴及其轴承支撑的 竖轴轴承 质量的好坏直接影响仪器的照准部的运转性能 因此照准部旋转正确与否与竖轴密切 相关 旋转时稳定性要高 竖轴在轴套内旋转时必须平稳而无晃动 轴与轴套中心的几 何轴线 致 14 旋转时灵活性要好 旋转时必须轻松圆滑 没有涩滞 扎紧和跳动的现象 2 照准部旋转不正确产生的原因 竖轴与轴套间的间隙大小不当 间隙过大 转动发生摇晃 间隙过小 转动就涩滞甚至扎紧 竖轴与轴套间隙的润滑油粘度太大 或分布不均匀 可能一边积聚厚 一边薄 从而引起照准部旋转时歪斜或平移 照准部旋转的正确性主要由仪器的制造工艺来保证 目前 全站仪的竖轴系大都 采用半运动式圆柱型结构 竖轴由轴套上部 45 斜面上的滚珠所支撑 滚珠对照准部 起支撑和定向的双重作用 全站仪在使用过程中应按规程定期检定照准部旋转的正确性 对超出限差的仪器 应进行维修 3 1 1 3 基座位移误差基座位移误差 在水平角观测中 当照准部旋转时要求固定在基座上的水平度盘稳定不动 作业 时由于基座加工质量等因素的影响 基座可能有微小的变动 水平度盘也随之发生方 位变化 使观测方向受到误差影响 1 基座位移误差产生的原因 由于支撑仪器的基座脚螺旋和螺孔之间有空隙存 在 当照淮部旋转时 轻微的轴对摩擦可能使脚螺旋在螺孔内移动 从而使基座连同 水平度盘产生微小的方位变动 故此误差也称为基座空隙带动误差 2 减弱基座位移误差的措施 基座位移误差只有在照准部顺转或逆转开始时才 会发生 且这种误差在变换旋转方向后 开始时最大 以后逐渐减小 当脚螺旋已经 压向孔壁的一侧时 基座就不在变动 由此可见 当观测某一组方向时 首先将仪器沿着要旋转的方向转动 1 至 2 周 然后照准第一方向 在以后照准各方向时 保持同一方向旋转 就可以避免或减弱这 项误差的影响 3 1 1 4 望远镜调焦时视准轴变动引起的测角误差望远镜调焦时视准轴变动引起的测角误差 全站仪望远镜的作用有二 一是将远方的目标通过成像加以放大 放大视场角 以便看清目标 二是提供精确照准目标的视准轴 以确定目标的视线方向 为了保证观测结果的精度 要求望远镜的机械轴 光轴 视准轴三者重合 但由 于望远镜调焦筒的螺纹间存在空隙或由于磨损及有杂物的影响 调焦筒在作轴向来回 移动时 也引起调焦筒沿径向产生运动 使调焦镜的光心偏离视准轴 引起本来已照 准的目标偏离原来的位置 从而产测角误差 15 为了减弱望远镜调焦误差的影响 当观测某一组方向时 目标距离应比较接近 避免在方向之间重新凋焦 如果在实际作业中 各被测目标到测站的距离长短相差较 大 不可避免地需要调焦来照准目标时 应选择望远镜调焦误差较小的全站仪进行观 测 并在测量方案制定中充分考虑这项误差的影响 3 1 1 53 1 1 5 三轴系统性误差三轴系统性误差 1 竖轴误差 全站仪竖轴铅垂是通过照准部的倾斜传感器设置的 竖轴倾斜对 水平方向的影响不能通过盘左 盘右取平均值得方法予以消除 而且竖直角越大 对 水平方向的影响就越大 2 横轴误差 横轴误差是指横轴不与竖轴垂直面产生的误差 由于横轴误差的 存在 当望远静上下转动时 视准轴划过的平面就不是铅垂面 而是一个倾斜面 竖 轴不严格铅垂 也造成横轴的倾斜 这用于竖轴误差 横轴误差对水平方向的影响随 竖直角的增大而增大 在视线水平时无影响 与视准轴误差相同 横轴误差的影响在 盘左 盘右平均值中可得到消除 3 视准轴误差 望远镜的十字丝交点与物镜光心的连线称为视准袖 视准铀与 横轴不正交就产生视准差 当望远镜上下转动时 视准轴划过的面就不能保持平面 而是一圆锥面 它对水平方向的影响随竖直角的增大面增大 但可在盘左 盘右的平 均值中消除 3 1 1 6 补偿器倾斜量测量误差补偿器倾斜量测量误差 在全站仪中 倾斜补偿器和电子度盘 样 也是角度测量中主要的光电传感器之 一 全站仪角度测量结果包含补偿器测定的倾斜补偿量 因此补偿器倾斜测量误差必 然成为角度测量误差的一部分 补偿器相对铅垂线的零位安置误差为系统误差 通过补偿器的指标差修正可以消 除或减弱 除此之外 山于光敏元件的灵敏度 液面晃动等因素影响 致使补偿器所 测量出的倾斜量存在偶然误差 为了减弱此项误差 在仪器旋转照准新的目标后 应 稍等片刻 待液体补偿器液面稳定 反映在角度显示的稳定 之后再读数 在震动较大 仪器不易稳定的场合 全站仪测角时应关闭补偿器 3 1 1 7 度盘偏心差度盘偏心差 度盘的偏心包括水平度盘和竖直度盘的偏心 由于安装不可避免的会存在误差 使得水平度盘 竖直度盘的中心没有严格位于竖袖 检轴的轴线上 产生偏心 使度 盘读数产生误差 全站仪一般都在度盘相对 180 的位置上装有两个读数装置 在显 16 示窗上显示的数值 即两位置读数的平均值 度盘偏心差的影响已得到消除 3 1 1 8 竖盘指标差竖盘指标差 由于指标从正确的位置偏移了的缘故 使视线水平时的读数大了或小了一个数值 引起的 所以称这个偏移值为竖盘指标差 竖盘指标差可在盘左 盘右的平均值中予 以消除 3 1 2 全站仪测距系统的误差分析全站仪测距系统的误差分析 测距误差可分为两类 一类是与距离远近无关的误差称为固定误差 另一类是与 距离远近成比例的误差称为比例误差 15 3 1 2 1 固定误差固定误差 1 测相误差 测相误差就是测定相位差的误差 测相精度是影响测距精度的主 要因素之一 因而提高测相精度对测距会十分有利 但测相误差的来源很多 有仪器 本身的原因 也有外界条件变化的影响 测相系统本身的误差 目前红外测距均采用脉冲数字式自动测相装置 它主要受 时钟脉冲频率稳定性 检相电路的时间分辨率以及平均检相次数的影响 要减弱测相 系统本身误差的影响 主要是提高电路和测相装置的质量 照准误差 照准误差是由于发光二极管所发射的光束相位不均匀性而产生的 理 想的情况是 砷化镓发光管发射的光束 在与发光管等距离的圆弧面上的相位均相同 这样 利用光束的不同位置测出的距离也就相同 而实际情况是 相位相同的点并不 仅于与发光管等距离的同一圆弧上 就是使得相位相同的点 距离都不一样 这样在 测距时 用了光束的不同位置 结果也会不同 这就是相位不均匀所造成的误差 这 项误差主要取决于发光管的质量 其次可采用一些光学措施 如混相透镜等 以减小 此项误差的影响 幅相误差 幅相误差是由于接收信号的强弱变化 而对测量相位差所造成的影响 为了减小幅相误差的影响 可改善电路系统 加设自动增益控制电路 以控制电流的 输出幅度 也可设置控制孔径光栏或减光板 以调节信号强度 全站仪一般均设有幅 度自动控制系统 虽然测量的距离远近不同 但接收信号的幅度能保持在一定范围内 这就避免了幅相误差的产生 由噪音引起的误差 由于大气因气温变化而产生的抖动及一些光 电信号的干扰 而产生的噪音 降低了仪器对测距信号的分辨能力 给测距带来误差 影响测距信号 分辨能力的是信噪比 即信号功率与噪声功率的比值 因此可采取增大信号强度的方 17 法来减少噪音的影响 另外这项误差是随机的 仪器多采用增多捡相次数而取平均值 以减弱其影响 2 仪器加常数误差 加常数误差是由仪器的测距部光学零点和仪器对点器不一 致造成的 其现象是对所有测量值都加入了一个固定偏差 它由两部分构成即仪器常 数误差和棱镜常数误差 此外 幅相误差也常常影响加常数的检测效果 因为仪器幅 相特性不好时若内外光路不平衡 则内光路的测量结果不能完全抵消外光路测量的延 迟 也能产生加常数类似的效果 3 仪器和棱镜的对中误差 用光学对中器对中 对中误差一般小于 1mm 对中杆 相垂球对中 一般可小于 2mm 对于精密测距 要求测前对光学对中器进行严格校正 观测时应仔细对中 不要使用对中杆 4 周期误差 周期误差是以一定距离为周期重复出现的误差 它的周期一般是 精测光尺长度 即精测波长的二分之一 但也有例外 周期误差主要是由于仪器内部电信号的串扰而产生的 尤其是与测相信号同频率 的干涉信号 这种同频信号可以通过电子开关 电源线等通道或空间渠道的耦合串到 接收部分 形成固定不变的串扰信号 使接收信号的相位发生变化 这时相位计测出 的相位已不是测距信号的相位 而是测距信号与串扰信号的合成信号的相位 这就便 测距产生误差 为了减少仪器的周期误差 主要是采取加强屏蔽 合理隔离 目前的全站仅都采 用了大规模集成电路 并有良好的屏蔽 因此周期误差很小 3 1 2 2 比例误差比例误差 1 真空光速值的测定误差 目前真空光速值得测定精度已经相当高 所以此项 误差对测距影响可以忽略不计 2 仪器乘常数误差 乘常数误差是由仪器的时间基准偏差造成的 现象是给观 测值加入了一个与距离成比例的偏差 而石英晶体振荡器是测距系统产生时间基准的 主要元件 调制频率也是由石英晶体振荡器产生的 调制频率决定光测尺的长度 它 的误差直接影响测距精度 因此石英晶体震荡器的好坏直接决定了测距的精度 乘常数误差的产生主要有两方面的原因 一是振荡器设置的调制频率有误差 即 频率的准确度问题 二是在使用过程中 由于晶体老化 温度变化 电源及电子电路 的影响 振荡器的频率发生漂移 即频率的稳定度问题 前者产生的频率误差可用高 精度的频串计校准 后者可选择高质量的石英晶体 采用恒温装置或温补装置以及稳 18 定的电源 以减小乘常数误差 3 大气折射率的误差 大气折射率主要受气温和气压的影响比较大 而湿度影 响最小 一般情况下可以不考虑 所以大气折射率误差的来源主要是测定气温和气压 的误差 而大气折射率误差与测距误差成正比 这就要求选用好的温度计和气压表 对于精密的测量 在测前应对所用气象仪表进行检验 另外 所测定的气温 气压应 能准确的代表测线的气象条件 3 2 全站仪测量实验及其精度分析全站仪测量实验及其精度分析 全站仪的基础测量功能是对水平角 竖直角以及距离进行的观