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测绘毕业定稿范文 自从进入经纬仪双度盘（水平度盘和垂直度盘）角度测量时代以来，已经历了以金属度盘为标志的机械经纬仪和以玻璃度盘为标志的光学经纬仪发展阶段。 但是其操作任然限于人工操作，效率较低，工作量较大。 20世纪60年代以来，电子度盘的出现，使角度读数实现了电子化、自动化。 电子经纬仪，全站仪开始逐渐替代光学经纬仪，成为当今地面角度测量的主要设备。 尤其是20世纪90年代中叶，自动目标识别与照准技术的出现，突破了角度测量需要人工照准目标的重大缺陷，又使全站仪的自动化角度测量发生了质的飞跃。 以高度自动化与智能化为标志的测量机器人的出现，实现了角度测量的自动照准与测量读数，是角度测量进入了一个崭新的时代。 关键词测角原理；光栅度盘；编码度盘；动态度盘；测量机器人商丘师范学院xx届本科毕业论文（设计）III AComparative Studyof DifferentElectronic ScaleMeasurement PrincipleAbstract Fromancient timesto thepresent angle measurement hasbeen themain measuringcontent ofengineering surveying,modern mainangle measuringinstrument ismainly theodolite.Since enteringthe theodolitedouble circle(horizontal scaleand vertical)angle measurementtimes since,has experiencedmechanical theodolitewith metaldial asthe symboland glassdisk as a symbol of the optical theodolitedevelopment stage.But itsoperation isstill limitedto manualoperation,low efficiency,larger workload.Since thenieen sixties,the electronicscale,the angleto realizethe electronic,automation.Electronic theodolite,total stationbegan togradually replacetheopticaltheodolite,bee themain equipmentin groundof anglemeasurement.Especially themid nieenninties,recognition andsighting thetechnology ofautomatic targetappears,break themajor defectsof anglemeasurement needartificial sightingtarget andmake theautomatic angletotal stationmeasurement hasundergone aqualitative leap.Measuring robotwith ahigh degreeof automationand intelligenceasasymbolofthe emergence,realize automatiollimation andmeasurement of anglemeasurementofanglemeasurement,is enteringa newera.Keywords Anglemeasuring principle;Grating degreedisk;Grating degreedisk;Coded dial;Dynamic disk;Measuring robot商丘师范学院xx届本科毕业论文（设计）1不同电子度盘测角原理的比较研究引言自从进入经纬仪双度盘（水平度盘和垂直度盘）角度测量时代以来，已经历了以金属度盘为标志的机械经纬仪和以玻璃度盘为标志的光学经纬仪发展阶段。 但是其操作任然限于人工操作，效率较低，工作量较大。 20世纪60年代以来，随着电子元器件、集成电路、显示器、微型计算机的发展以及电子度盘的出现，使得采用电子度盘的电子经纬仪采用电子测角技术，并结合微机，实现了测角操作程序的自动化，测量结果自动显示，自动存储，还可以完成多种功能的测量工作。 电子经纬仪不仅可以大大减轻外业人员的劳动强度，提高工作效率，更主要的是数据的可靠度和准确性(减小人为误差)，功能明显优于光学经纬仪。 很明显，在未来的一段时间内，电子度盘和以电子度盘为平台的电子经纬仪是角度测量的主要方向，我们通过系统的分析和掌握电子度盘的一些基本信息，对于测绘事业的发展将是十分有利的，对于测绘工作者来说更是受益匪浅。 1角度测量概述1.1角度测量角度测量是各项工程中确定地面点位时的基本测量工作之一，可以分为水平角测量和垂直角测量。 前者主要用于测定平面点位，后者则用于测定高程或将倾斜距离化为水平距离。 角度测量的仪器是经纬仪，它可以用于测量水平角和垂直角。 电子经纬仪是目前常用的测量水平角和垂直角的工具，我们要研究电子经纬仪的电子度盘测角原理，毋庸置疑应该从经纬仪的结构说起，而它的结构必然要根据测量水平角和垂直角的要求进行设计。 因此，为了更好地研究电子经纬仪的电子度盘测角原理，首先应当明确水平角和垂直角的定义，从而明确电子经纬仪的基本结构及其相互关系。 （1）水平角如图1-1所示，A为仪器测站点，P 1、P2为目标照准点。 过测站点A做铅垂线AV，并作过A点的水平切面M，显然铅垂线AV和水平切面M垂直，在A点照准P1点的视准线AP1与铅垂线AV构成的垂直照准面与水平切面M的交线为Aq1，即视准线AP1在水平切面上的投影习惯上称为AP1的水平视线，对于目标P2，同样有视准线AP2的水平视线Aq2。 水平视线Aq1和Aq2之间的夹角（图1-1中的角）称为A点对P1,P2两个目标方向的水平角。 由此可见，水平角实际上是两垂直照准面与测站水平切面交线之间的夹角，而不能理解为两视线直接构成的斜面角1。 水平角一般按照顺时针方向量取，它的测量范围为水平面上的0360。 V Q1P1水平切面M q1Q2P2q2AZ1Z212图1-1水平角和垂直角示意图商丘师范学院xx届本科毕业论文（设计）2 （2）垂直角在图1-1中，视准线AP1与水平视线Aq1之间的夹角称为A点照准P1点的垂直角，以符号1表示，同样，视准线AP2与其水平视线Aq2之间的夹角2为A点照准P2点的垂直角。 概括地讲，垂直角是目标视准线与其相应水平视线之间的夹角。 垂直角又常称为竖直角或高度角。 垂直角在铅垂面上由0?90?范围内量取，在水平视线之上为正（如图中的1角），称为仰角，在水平视线之下为负（如图中的1角），称为俯角。 垂直角也称为竖直角，俯仰角或高度角。 在实际测量中，常用天顶距表示目标方向的垂直角。 天顶距是目标实现与铅垂视线（天顶方向）之间的夹角，如图1-1中A点照准P1点的天顶距为Z1，照准P2点的天顶距为Z2。 由此可见，某一找准点的垂直角与天顶距之和为90?，即+Z=90?（1-1）根据这个关系式，垂直角和天顶距之间很容易相互换算。 1.2电子经纬仪的基本结构及其相互关系明确了水平角和垂直角的定义之后，就可以清楚的认识到要获得水平角和垂直角，必须正确的确定水平面，铅垂线和垂直照准面等。 因此，经纬仪的结构必须能构成这些基准面和线，并使之保持正确关系。 经纬仪可以分为光学经纬仪和电子经纬仪（本文主要涉及的是电子经纬仪），电子经纬仪的结构与光学经纬仪的结构基本相同，只是在读数系统上有差异在光学经纬仪的照准部中，读数系统是一个非常精密和复杂的光学系统，但是人工读数很麻烦，而在电子经纬仪中则用电子度盘替代光学模拟度盘实现度盘读数的自动化，但是在角度观测的操作上基本上沿用光学经纬仪的一般要求。 1.2.1经纬仪的基本结构如图1-2所示，经纬仪的基本结构主要包括 （1）垂直轴SA代表过测站的铅垂线，是仪器左右旋转的轴，使仪器能够面对不同方位的目标。 （2）水平轴KA望远镜俯仰旋转的轴，使仪器能够照准不同高度的目标。 （3）视准轴ZA由望远镜的十字丝和物镜中心的连线构成，代表仪器的视准线照准方向。 （4）水平度盘HK量取水平角的度盘。 图中的Hz为某照准方向相对于水平度盘零刻划的水平度盘读数。 图1-2电子经纬仪三轴及其相互关系商丘师范学院xx届本科毕业论文（设计）3 （5）垂直度盘VK量取垂直角的度盘。 图中的V为某照准方向相对于铅垂线的垂直度盘读 （6）水准器BU在仪器操作面板上方（两支架之间）一般设置有水准器，现代电子经纬仪还可以从仪器面板中调出电子水准器。 水准器是测站水平面或铅垂线的指示器，用来引导仪器安置，使仪器垂直轴和测站铅垂线一致。 在经纬仪总体结构中，通常把能绕垂直轴旋转的上部分称为照准部，而下部分则称为基座。 仪器基座一般通过中心螺丝与三脚架或仪器墩连接在一起。 综上就是经纬仪的主要的轴线，他们之间应该满足一定的关系，才能保证测量的正常进行2。 1.2.2主要部件的相互关系为了正确的测定水平角和垂直角，我们必须在使用经纬仪的过程中保证仪器可以提供正确的水平面，铅垂线和垂直照准面等，为了达到这一要求仪器的各部件必须满足一定的要求，现总结如下 （1）垂直轴与照准部的水准器轴垂直。 即当水准器气泡（或电子气泡）居中时，垂直轴应与铅垂线一致。 （2）水平轴与垂直轴正交，视准轴与水平轴正交，只有这样当垂直轴铅垂和望远镜上下俯仰时，视准轴所形成的面才是铅垂照准面。 （3）垂直轴与水平度盘正交，且通过其中心。 当垂直轴铅垂时，水平度盘应和过测站的水平面平行，水平度盘量取的角度才是水平角。 （4）水平轴与垂直度盘正交，且通过其中心。 当垂直轴铅垂，水平轴水平时，垂直度盘与过测站的铅垂照准面平行，在它上面量取的角度才是正确垂直角。 理论上讲，经纬仪的主要部件应满足上述相互关系，即要求三轴（垂直轴、水平轴、视准轴）相互关系正确；两盘（水平度盘、垂直度盘）与三轴关系正确。 但是在仪器的制造和使用的过程中，实际上很难严格保证上述正确关系，从而导致角度测量误差2。 经纬仪的测角精度主要取决于轴系误差和读数系统误差，我国光学经纬仪系列分为J 07、J 1、J 2、J6等型号，J为经纬仪汉语拼音的第一个字母，下标表示仪器的精度指标。 1.3角度测量的发展历史简单了解角度测量的的发展历史，有助于深入理解和掌握度盘角度测量原理的内容，角度测量的发展基本上可以分为以下几个历史阶段古代的测角类工具和仪器，近代角度测量仪器和工具，现当代测角仪器等。 古代的测角类工具和仪器主要有古代的测角类工具例如公元前21世纪，中国大禹就开始用规、矩测定方向和高低；公元前3世纪，中国利用磁石指级性制成了指南仪器司南，用来测定方向；亚历山大的埃拉托色尼用“立杆测影”的方法测定太阳的高度角公元724年，中国唐朝僧一行用“覆矩”测定天体的高度角，用“立杆测影”的方法测定纬度。 古代的测角类仪器公元1276年，中国元朝郭守敬创制立运仪，与近代的地平经纬仪相似，被用于测定天体的高度角和方位；公元1730年，美国哥德弗莱和英国哈德利创制六分仪，用于进行海上天文定位测量。 经纬仪的雏形公元15世纪，测角仪器才逐渐发展成为具有两个度盘、并有瞄准装置、以及将水平度盘旋转轴安置成竖直状态的仪器；公元1608年，荷兰眼镜匠汉斯发明了望远镜后，1667年法国人首次将望远镜安置在全圆分划器上进行测角；公元1680年，意大利人制成附有视距丝的望远镜，并被用在测角仪器上，为制成完善的经纬仪奠定基础。 罗盘仪公元1075年，宋朝沈括就将罗盘用于地形测量；袖珍罗盘仪主要用于粗略定向作业；测量专用罗盘仪用于标定直线的磁方位角。 近代角度测量仪器和工具主要有游标经纬仪公元1714年，由康熙亲自监制了一台铜质经纬仪公元1730年，英国机械师西森研制成功较为完善的经纬仪，故文献多称经纬仪是西森发明的；公元1783年，英国制成了度盘直径90cm、重91kg的经纬仪，用四轮弹簧马车运输，至此，金属度盘的游标经纬仪的基本结构已经定型。 光学经纬仪公元17世纪，丹麦天文学家奥拉夫鲁默尔将测微器和显微镜安置在经纬仪上，大大提高了读数精度；公元1858年，意大利工程师波尔勒发明内对光望远镜，但未能马上被推广应用。 直至1892年减发射涂层的发明才使内对光望远镜逐步得到广泛应商丘师范学院xx届本科毕业论文（设计）4用；测微读数装置和内对光望远镜在经纬仪上的应用，为光学经纬仪的诞生奠定了基础；公元1846年，德国蔡司光学仪器厂创建，并于1904年开始生产玻璃度盘经纬仪。 现当代测角仪器主要有光学经纬仪公元1920年，德国蔡司光学仪器厂当时的总工程师威特等人研制成功第一台光学经纬仪，并定名为T1型；公元1923年，德国蔡司光学仪器厂生产出双线刻划度盘光学经纬仪，并定名为T2型；公元1956年，德国的阿斯卡尼亚厂首次根据自动安平原理制成自动归零补偿器。 至此，廓定了现代光学经纬仪的基本结构；近年来，光学经纬仪在整体上正向序列化、通用化和标准化的方向发展。 正像望远镜、竖盘指标自动归零装置已在中低等精度经纬仪上使用；在J6级经纬仪中，带尺读数已逐步取代测微器读数；J2级经纬仪则将传统的符合读数与测微读数相结合，改进为部分数字化读数；快慢调焦机构、精粗配置度盘机构、以及双色视场等，均使操作更加方便。 电子经纬仪公元60年代开始出现电子经纬仪；开始出现的电子经纬仪是采用编码度盘和机械测微制成的。 其精度低，体积大。 后来，将电子测微技术应用于电子经纬仪，使精度获得很大提高，体积明显缩小；公元70年代出现了采用栅格度盘和电子测微的电子经纬仪；公元80年代将动态测角技术应用到电子经纬仪上，克服了度盘刻划误差影响的困扰，使测角精度进一步提高。 其它形式和用途的经纬仪主要有一下几种视距经纬仪附加有专用光学测距装置的经纬仪，如普通双像视距经纬仪、对数双像视距经纬仪、自动归算双像速测仪等；罗盘经纬仪设置有安置磁针的装置，利用磁针直线的磁方位角；陀螺经纬仪专门用于测定直线的真方位角；激光经纬仪利用激光形成的可见视准轴，能进行导向、定位、准直测量；摄影经纬仪带有地面摄影装置，能进行地面摄影工作。 1.4电子度盘测角由角度测量的发展历史可见传统经纬仪(Classical theodolite，或称transit)起初是将一个完整的垂直度盘以同样的方法固定在望远镜的一边构成的测角仪器用于天文观测。 这种仪器的出现展示了重复的角度测量最初能容易地达到2030角分量级的精度。 这一精度是通过对有刻划的铜盘进行直接的读数即可达到。 显而易见，假设度盘的直径为10cm，每度的间隔在度盘的周周上要小于1mm。 这样，要达到更高的精度就必须探索新的测角系统。 大约在1631年，Peter Vernier发明了以其名字命名的机械读数装置。 这一简单而天才的设计大大地提高了铡角精度，特别是使用一个很小的放大镜时更有意义。 当时，对孤的测量完全可以达到20-30的精度。 随着放大倍数的增大，通过移动显微镜映像平面上的十字丝可以精确地读得分和秒值。 然而，“测微显微镜”系统有一个缺点，这就是必须从观测员站在用望远镜照准的地方进行读数。 精密的光学系统与带有刻划的玻璃度盘相结合解决了这一问题。 直到90年代，这样的装置在当时经纬仪中还是被采用的标准方法。 但是随着电子元器件，集成电路，显示器，微型计算机的发展，产品开展异常迅速，采用电子度盘的电子经纬仪采用电子测角技术，并结合微机，实现了测角操作程序的自动化，测量结果自动显示，自动存储，还可以完成多种功能的测量工作。 电子经纬仪不仅可以大大减轻外业人员的劳动强度，提高工作效率，更主要的是数据的可靠度和准确性(减小人为误差)，功能明显优于光学经纬仪。 因此，电子经纬仪成为目前经纬仪发展的方向。 我们可以看到经纬仪的发展是伴随着读数精度的提高而发展的，每一次的发展都是读数精度的一次飞跃。 自从进入经纬仪双度盘（水平度盘和垂直度盘）角度测量时代以来，已经历了以金属度盘为标志的机械经纬仪和以玻璃度盘为标志的光学经纬仪发展阶段。 20世纪60年代以来，电子度盘的出现，使角度读数实现了电子化，自动化。 电子经纬仪，全站仪开始逐渐替代光学经纬仪，成为当今地面角度测量的主要设备。 从而可以认为经纬仪的发展是度盘发展的结果，现代是电子度盘测角的时代。 一般来说，我们将电子度盘测角原理分为增量式和绝对式两种。 增量式基于光栅莫尔条纹原理，其最终读数在仪器回转过程中形成，往往有一个最大回转速度的限制。 绝对式基于码盘原理，其读数与回转过程无关，在瞄准目标以后读取。 而电子测角的度盘主要有编码度盘、光栅度盘、动态度商丘师范学院xx届本科毕业论文（设计）5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。 2光栅度盘测角原理2.1光栅与莫尔条纹远在几个世纪之前，法国丝绸工人发现，用两块薄绸布叠在一起，能产生绚丽的水波样花纹，当薄绸相对运动时，花纹也随之变化。 当时把这种有趣的花纹称为“莫尔”，即水波纹，这边是初期的光栅衍射现象。 100多年前人们已将光栅的衍射现象用于光谱分析和光波波长测量，20世纪50年代以来，光栅已广泛用于计量和测量领域。 光栅是用玻璃，树脂或金属制成的表面具有密集等宽，等距线条的光学元件。 光栅分为衍射光栅和计量光栅两种。 衍射光栅主要用于光谱分析，计量光栅用于长度和角度测量。 光栅的线条是用金刚石刀或光刻法制在玻璃或者金属面上的，也常将已刻好的光栅复制在树脂或玻璃上，或采用全息照相法制造光栅3。 光栅有两个基本参数:一是单位毫米长度范围内的线条数，称为线条密度；二是相邻线条之间的距离，称为光栅距。 计量光栅一般为每毫米有25-125条线的玻璃或金属制的光栅尺（如图2-1）光栅盘（如图2-2）玻璃光栅用于透射式光栅测量系统；金属光栅用于反射式光栅测量系统。 如果将两张参数相同的光栅沿线条方向小角度相重叠，就会出现如图所示的明暗相间的条纹，即莫尔条纹。 莫尔条纹具有以下特点 (1)莫尔条纹移动与光栅移动相对应当两小角度相垂直的光栅沿垂直于刻线方向相对移动时，莫尔条纹就沿着近似于垂直于光栅移动方向运动。 当光栅移动一个光栅距，莫尔条纹就移动一个条纹宽度B，或在某点上莫尔条纹亮暗变化一周期。 当光栅移动方向改变时，莫尔条纹的移动方向也随之变化。 因此，通过测量莫尔条纹移动的数目，即可知道光栅相对移动的光栅数。 (2)莫尔条纹的位移放大作用如图2-3所示，设条纹宽度为B，光栅距为，两光栅的小交角为，则有2tan2=B（2-1）一般角很小，故以上公式可以近似简化为=B（2-2）则莫尔条纹宽度B对光栅距的放大倍数k为1=BK（2-3）因角很小，故k值很大。 例如，当=10时，344K。 由此可见，莫尔条纹宽度随角的减小可以调的很大，这有利于在一个条纹宽度内设置多个光电探测装置。 （3）莫尔条纹对光栅误差的平均作用由图2-3可知，莫尔条纹是由一系列刻线的交点组成。 图2-1光栅尺图2-2光栅盘商丘师范学院xx届本科毕业论文（设计）6如果光栅的栅距有误差，则各交点的连线将不是直线。 因光电器件接收的光信号是探测视场内所有的刻线数N的综合平均结果，该结果对各栅距误差起到平均的作用。 假定单个栅距误差为，形成莫尔条纹视场内有N条线条纹，则栅距平均误差为N=（2-4）设某光栅每毫米刻线为100条，如果单个栅距误差为=1m，用5mm5mm的光电器件接收莫尔条纹，则N=5100=500（条纹），由公式可得m04.0=。 根据莫尔条纹的这一特点，一方面有利于减弱栅距误差对测量结果的影响，提高测量的精度；另一方面还可以利用光栅来控制光栅的制造过程，使后一代复制的光栅比前一代光栅的质量更高，这就是所谓的光学优生法的原理。 2.2光栅度盘测角装置及其测量原理莫尔条纹现象是光栅测量技术的基础，而光栅信号（即莫尔条纹信号）的光电计数技术的发展和日益完善，则推动了光栅测量技术的广泛应用。 下面简述光栅测角装置及其测量原理。 （1）光栅读数头光栅度盘测角装置实质上是一个光栅读数头，主要包括光源、照明光学系统、主光轴（光轴度盘）、指示光栅、接收光学系统及光电探测器等部分，如图2-4所示发光管 （1）发出的光经聚光镜1发光管2照明光学系统3光栅度盘4指示光栅5接收光学系统6光学接收管图2-4光栅读数头B?图2-3莫尔条纹商丘师范学院xx届本科毕业论文（设计）7 （2）后变成一束均匀的平行光，照亮光栅度盘 （3）和指示光栅 （4），由于光栅度盘和指示光栅之间的相对运动而输出亮暗变化的莫尔条纹信号，此信号光束经过接收物镜（5)后到达光电接收管 (6)，光电管把亮暗变化的光信号转换成电信号，实现脉冲技术角度测量。 （2）角度测量原理如图2-4所示，设指示光栅、接收管、发光管位置固定，当光栅度盘随照准部转动时，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就移动一个条纹宽度，光电接收管中的光电流就变化一周期（如图2-5所示）。 如果仪器照准零方向时让仪器中的计时器置零，然后度盘随照准部转动照准某目标，这时流过接收管电流的周期数就是二方向之间所夹的光栅数。 由于光栅之间的夹角是已知的，因此计数器所记的电流周期经过处理就可以显示出角度值。 设光栅度盘全周的划线总数为m，则相邻两光栅之间的夹角0为m?360=（2-5）如果接收管光电技术测得光栅度盘转动的光栅数为n，则其转动的角度为?=n（2-6）由此可见，光栅度盘测角实质上是测定光栅转动的增加量，故常称之为增量式测角。 （3）光栅度盘转动方向判别仪器在实际操作中必然会顺时针或者逆时针转动，而这两种转动都可以使光栅度盘和指示光栅形成莫尔条纹产生移动，因此光电接收管就有交变电流输出，使光电计数器做代数增加计数。 在角度测量时一般要求仪器顺时针旋转时角度增加，逆时针旋转时角度减少，因此要求光栅度盘测角具有转动方向判别能力，即当仪器照准部顺时针旋转时，计数系统做加法计数，而逆时针旋转时做减法计数。 为了具备方向判断能力，一般在图2-4所示的测角装置中，再增加一个光电接收二极管，它与原来的二极管间隔为莫尔条纹间距的四分之一。 如图2-6所示，a、b分别为两个光电接收管，它们的间距为莫尔条纹宽度B的四分之一。 设当读盘顺时针转动时，莫尔条纹从左向右移动，a光电接收管上电流信号超前b光电接收管上电流信号90?；当读盘顺时针转动时，莫尔条纹从右向左移动，a光电接收管上电流信号滞后b光电接收管上电流信号90?。 由于不同方向的转动使a、b上的电流相位差发生变化，在电路上就可以利用这种变化来控制脉冲计数，使度盘顺时针转动时可逆计数器进行加法计算，使度盘逆时针转动时可逆计数器做减法计算。 (4)光栅度盘测角中的电子测微技术全站仪中的光栅度盘直径一般都在10cm以内，如直径为7cm的光栅度盘，圆周长约为22cm，如果每毫米的光栅刻度为100条，则全周的光栅条数为22000，由(2-5)式可得，两光栅刻线对应的光电流光栅读盘图2-5光栅度盘转动与接收管电流的关系转动一个光栅商丘师范学院xx届本科毕业论文（设计）8夹角0为9.5822000360=?。 由此可见，直接用光栅度盘测角，其角度分辨率较低，要达到秒级的测角精度，还需要利用角度测微技术。 如图2-6所示，为了实现光栅度盘转动方向的判别，设置两个间距为四分之一条纹宽度的光电接收管，产生两个相位差为/2的电流信号，如图2-7所示，这两个信号有4个过零点 1、 2、 3、4。 如果使每个过零点形成一个脉冲，则每通过一个条纹就产生四个脉冲，是脉冲周期缩短为原周期的四分之一，即相当于四倍频。 在该频法中，光电信号整形后直接产生记数脉冲，中间不会提取测微信息，故称之为四倍频直接测微法。 在实际装置中，为了获得4个相位差90?的输出信号，常采用四相取样的方法，用4块硅光电池，或四相指示光栅获取交变信号。 经四相取样电路获得以下4个包含直流分量的电信号为?=?=+=+=t A A Ut A A Ut A A Ut AAUcossincossin04030201利用差分放大电路消除信号中的直流分量A0，于是可得以下4个信号a b光电流光栅移动方向1234图2-7光电接收管光电流波形图图2-6度盘转动方向的判别B/4a b（2-7）商丘师范学院xx届本科毕业论文（设计）9?=?=?=?=?=t AU U Ut AU U Ut AUUUtAUUUcos2sin2cos2sin22442133142243113将这4个信号输入过零鉴别器（整形电路）获得方波信号。 该方波信号一方面用于光栅度盘转动方向判别；另一方面经微分电路输出尖脉冲作为可逆计数器的计数信号，实现4倍频角度测微。 从四倍频电子测微的原理可以看出，如果在一个莫尔条纹宽度内均匀分布多个光电接收原件，可以做到高于四倍频的直接电子测微，但由于元器件参数的差异和调整上的困难，很少采用。 实际上，大多以四倍频为基础，在（2-8）式所有的4个正弦波信号的基础上经过附加电子线路处理，获得更高的所需倍频数。 图2-8为更早期瑞士威特厂生产的TC1型全站仪光栅度盘测角原理图。 反射式光栅度盘直径为8cm，共有12500个线条，角度分划值104。 为了达到3的最小分辨率，需要测微因子32。 由于采用反射度盘和相位指示光栅（具有特殊功能的光栅分析器），可得测微因子2；在度盘对径位置上安置有两套如图所示的测微装置，又得测微因子2；加上前面所述的四倍频测微技术，在接收管位置安置4枚硅光电池，得到4个相位为90?的正弦信号，通过这些信号的综合作用可得测微因子8，共计32个测微因子。 在近代全站仪中，由于微处理能力的加强，又出现新的电子测微方法。 如果光栅度盘全周有10800个刻划，角度分划值为2。 为了使角度最小显示达到1，首先通过光电接收装置分别采用一个正弦和余弦信号，如在四倍频测微中获得以下两个正交信号。 ?+=+=tAAUtAAUcossin0201发光管接收管透镜指示光栅光栅度盘式中A0为直流分量。 设相位角t=，由上式可得信号相位角为?=0201arctanA UAU（2-10）通过微处理软件计算的方法可得一个周期内（02）的相位角，再经过比例运算得到小于2的角图2-8TC1型全站仪光栅度盘测角原理图（2-8）（2-9）商丘师范学院xx届本科毕业论文（设计）10度小数，实现光栅度盘的角度测微。 3编码度盘测角原理利用编码度盘进行测角是电子经纬仪中采用最早、较为普遍的电子测角方法。 它是以二进制为基础，将光学度盘分成若干区域，每一区域用一个二进制编码来表示。 根据在度盘上区分和注记角度信息方式的不同，目前编码度盘主要可分为两大类一是码区度盘；二是条码度盘。 下面分别介绍其测角原理。 3.1码区度盘测角原理 (1)二进制编码度盘测角图3-1二进制码度盘普通光学度盘测角中，通常用刻划和注记来区分角度信息。 为了便于角度读数的电子化，电子编码度盘的角度分划则常用二进制码来表示。 如图3-1所示，在编码度盘上分成若干宽度相同的同心圆环，这种圆环称为编码度盘的“码道”；在码道数目一定的条件下，整个编码度盘又可以分成数目一定，面积相等的扇形区，称为编码度盘的“码区”。 从图2-9中可以看出，每条码道实际上代表一个二进制位。 设码道数为n，则相应的码区数S为S=2在同一码区中的各码道从外到内按二进制码的方式处理成透光 （1），不透光 （0），或导电 （1），不导电 （0），即可形成二进制编码度盘。 因每一个码区一一对应度盘分划中的某一角度值（参见表3-1），通过光电读数装置（如图3-2）获得相应码区的二进制读数，经译码器转换成十进制值，就可以实现编码度盘角度读数的自动读取与显示。 因二进制码度盘的角度信息是刻制在玻璃度盘上的，仪器一开机即可读取和显示角度信息，并且关机后角度信息不丢失，因此常称编码的硬盘测角为绝对式测角。 表3-14道码编码度盘角度对照表区间编码角度区间编码角度000000?0081000180?001000122?3091001202?30xx045?00101010225?003001167?30111011247?304010090?00121100270?0050101112?30131101292?3060110135?00141110315?0070111157?30151111337?30商丘师范学院xx届本科毕业论文（设计）11 (2)葛莱码度盘测角因加工工艺公差等因素的影响，图3-1中的二进制码盘有一个很大的缺陷就是容易出现测量粗差。 以4码道二进制码盘为例，如图3-3所示，在度盘处理过程中 0、15两码区的透光，不透光之间的交界线之间不完全在一条直线上，存在锯齿误差，当光电读数装置处在虚线位置时，正确的二进制读数应为0000（相当0度读数），但是实际读数为1000（相当于180?读数），两者竟差8个区间，在实际测量仪器中这是不允许的。 即使各码道的区间交界线为一条直线，但读数装置中的光电二极管没有严格位于一条直线上，同样会出现类似的粗差。 分析上述粗差产生的根本原因是二进制码盘在相邻区间的交界处码道状态会有几个同时发生变化。 为了解决此问题，H?T葛莱于1953年发明了一种实用的编码方式葛莱码（Gray code），亦称循环码。 4位二进制码，葛莱码和对应的十进制数之间的关系如表所示。 从2-2表中可以看出，当二进制图3-34码道二进制码盘发光二极管商丘师范学院xx届本科毕业论文（设计）12的位数为n时循环码数也有n位，并且两者之间有以下逻辑关系i i i iiiiin nGB GB BB BBB GBG?+?=?+=+1111（3-1）以上各式中B表示二进制码,G表示葛莱码，i为1至n-1之间的整数。 表3-1二进制码与葛莱码对照表利用葛莱码刻制的编码度盘的明显特点是即任何相邻码区之间只有一个码道发生变化，因此，即使有图3-4所示的度盘刻线加工公差或光电二极管位置有偏差，由此产生的误差只影响到相邻码区，不大于一个码区对应的角度值。 （3）码区度盘的电子测微技术从码区度盘测角原理可知，要提高角度分辨率，需要增加码区数量。 而码区数的增加，显然要减小码区弧长和面积。 例如要是角度最小分辨率达到1，则需码区数为3606060=1296000，因仪器尺寸的限制，度盘直径一般在80mm以内，则每码区最外沿的最大弧长?S约为0.0002mm，要制作这样小的接收元器件显然是困难的。 因此像光栅度盘测角一样，需要在码区度盘测角的基础上，采用测微技术提高角度测量的精度。 码区度盘的电子测微方法较多，下面重点介绍正弦刻缝实现角度内插的原理。 图3-5为某仪器的码区编码度盘，其中外侧为八码道葛莱码刻划，内侧为全圆128个周期的正状态二进制码Grey码状态二进制码Grey码000000000810001100100010001910011101xx00011101010111130011001011101111104010001101211001010501010111131101101160110010114111010017011101001511111000正弦刻缝八码道码区图3-5带正弦刻缝的葛莱码盘图3-4葛莱码盘商丘师范学院xx届本科毕业论文（设计）13弦刻缝。 在角度测量过程中，八码道的角度分划为823601.4?，决定角度大数中的度，分值；然后，这就相当于把全圆分为128000个分划，每一分划约为10，每一周期约为2.8?，决定角度的分秒值。 码区盘的正弦刻缝，即缝宽按正弦变化，为了实现角度内插，在度盘下方安置了四个传感器，相邻间隔为四分之一刻线周期，相位差为90?。 每个传感器上流过的电流大小由光照在传感器上的面积来决定的，而被照面积又取决于传感器与正弦刻缝的相对位置。 度盘转动固定后正弦刻缝与四个传感器的关系，以及传感器上流过的电流值。 光电流与传感器的位置的关系00000000000000cos)270sin(sin)180sin(cos)90sin(sin?I I I I II I I III IIIII IIdcba?=+=?=+=+=+=+=（3-2）式中I0直流分量0传感器a位置的初相位；I最大光照时输出的光电流，当光强不变是，I外围恒量。 对上式进行变量，有00cos2sin2?IIII IId bea=?=?（3-3）实际上，照亮正弦刻缝的发光管发光强度被某一正弦信号所调制，故I是时间的正弦函数，即t I t Isin)(=（3-4）因此有00c