電子經(jīng)緯儀的檢定與誤差解析

曹潔

摘要：電子經(jīng)緯儀不僅能作為測角儀器單獨(dú)完成測量工作，還能與電子手簿、激光測距儀等組成全站儀，或與激光測距機(jī)、衛(wèi)星定位儀、陀螺儀等組成測地系統(tǒng)。本文詳細(xì)分析了電子經(jīng)緯儀的誤差成因，旨在提高電子經(jīng)緯儀的測量精度。

關(guān)鍵詞：電子經(jīng)緯儀;鑒定范圍;誤差解析

計(jì)算機(jī)技術(shù)與微電子技術(shù)的快速發(fā)展，為傳統(tǒng)測繪儀器帶來了革命性的變化，電子經(jīng)緯儀正是在這種科技的沖擊下而誕生的一種測量儀器，被廣泛應(yīng)用在建筑、軍事等行業(yè)，極大提高了現(xiàn)代測繪技術(shù)水平。

1.電子經(jīng)緯儀

電子經(jīng)緯儀是一款集光學(xué)、電子、機(jī)械、計(jì)算為一體的高精度光學(xué)測量儀器，其在光學(xué)經(jīng)緯儀的基礎(chǔ)上增加了自動(dòng)化智能技術(shù)、濾波技術(shù)以及電子細(xì)分控制技術(shù)等，能夠?qū)y量數(shù)據(jù)進(jìn)行智能讀取，除被廣泛應(yīng)用在公路、鐵路、水利等工程的測量中，還可以用于大型建筑、設(shè)備的實(shí)地安裝地形測量。常見的電子經(jīng)緯儀主要由：照準(zhǔn)部、望遠(yuǎn)鏡、測微器系統(tǒng)、水準(zhǔn)器、基座及腳螺旋、光柵盤或光學(xué)碼盤、讀數(shù)面板、光學(xué)對點(diǎn)器，九大部分組成，具有較高的抗振能力、穩(wěn)定性、可靠性，以及耗電小、壽命長、溫度影響小等優(yōu)點(diǎn)，適用于各種地形測量、地籍測量、工程測量。

2.進(jìn)行電子經(jīng)緯儀檢定的主要內(nèi)容

電子經(jīng)緯儀是在光學(xué)經(jīng)緯儀基礎(chǔ)發(fā)展而來，為進(jìn)一步提升其精確度，我們應(yīng)熟悉并掌握電子經(jīng)緯儀的檢定工作內(nèi)容。1）水準(zhǔn)器軸與豎軸的垂直度;2）望遠(yuǎn)鏡豎絲鉛垂度;3）望遠(yuǎn)鏡視軸對橫軸的垂直度;4）橫軸誤差;5）照準(zhǔn)差;6）豎軸誤差;7）光學(xué)對中器視軸與豎軸重合度;8）望遠(yuǎn)鏡調(diào)焦視軸變動(dòng)誤差;9）一測回水平方向標(biāo)準(zhǔn)偏差。

3.電子經(jīng)緯儀的誤差分析

電子經(jīng)緯儀主要用于邊角的角度測量，測量誤差是比照國家標(biāo)準(zhǔn)儀器精度來判斷的，而國家標(biāo)準(zhǔn)儀器精度指的是一測回水平方向的標(biāo)準(zhǔn)誤差。在對電子經(jīng)緯儀進(jìn)行誤差測量時(shí)，需要首先將電子經(jīng)緯儀的望遠(yuǎn)鏡對準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)選取的目標(biāo)點(diǎn)A，獲得對應(yīng)角度的測量數(shù)值，然后對轉(zhuǎn)目標(biāo)點(diǎn)B，繼續(xù)獲得相應(yīng)角度的測量數(shù)值，A、B兩點(diǎn)測量數(shù)值間的誤差為目標(biāo)點(diǎn)間的夾角。在這一測量過程中，需要用到的測量部位有：水準(zhǔn)器、望遠(yuǎn)鏡、度盤、讀數(shù)面板、豎軸和橫軸軸系等，這些部位也是影響電子經(jīng)緯儀測量精度的主要因素。

3.1望遠(yuǎn)鏡的瞄準(zhǔn)誤差

在使用電子經(jīng)緯儀對觀測目標(biāo)進(jìn)行測量時(shí)，望遠(yuǎn)鏡的作用主要是對觀測目標(biāo)進(jìn)行一定倍數(shù)的放大，便于測量人員對觀測目標(biāo)進(jìn)行觀測，然而觀測主體是人，人的肉眼對觀測目標(biāo)的瞄準(zhǔn)度是有極限的，無法對目標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行精準(zhǔn)定位存在視覺上的誤差，也就是人們常說的瞄準(zhǔn)誤差。瞄準(zhǔn)誤差是一種隨機(jī)性誤差，主要取決于望遠(yuǎn)鏡的實(shí)際放大倍數(shù)和肉眼瞄準(zhǔn)極限偏差，根據(jù)不同檢測人員的不同視力情況，瞄準(zhǔn)誤差還存在一定的個(gè)體差異。基于此，人們在對瞄準(zhǔn)誤差按照或然率計(jì)算，選取瞄準(zhǔn)中誤差為瞄準(zhǔn)誤差值。

3.2度盤的誤差

度盤指的是在圓形零件刻劃面根據(jù)原件設(shè)計(jì)要求，使用不等分或等分刻劃線來表示測量角度的一種角度標(biāo)準(zhǔn)器元件。常見的電子經(jīng)緯儀使用的度盤有絕對編碼盤和光柵盤，其中電子經(jīng)緯儀使用的光柵度盤的刻劃線是呈輻射狀的直線，這些輻射狀的直線中心一般都與圓度盤的圓心是相互重合的，也被稱作中心輻射光柵度盤，其根據(jù)使用特征，可以分為振幅光柵和相位光柵，根據(jù)光學(xué)原理，又可以分為反射光柵和透射光柵。然而無論是哪種光柵度盤其在使用的過程中都會(huì)出現(xiàn)誤差，根據(jù)誤差成因的不同，又可以將度盤誤差分為刻劃誤差、偏心誤差、度盤變形誤差、度盤傾斜誤差、直徑誤差等種類的誤差。

其中，刻劃誤差指的是度盤刻劃面刻劃線的實(shí)際位置與理想位置存在偏差而導(dǎo)致的角度量誤差。度盤的安裝誤差、刻劃機(jī)調(diào)整不良、刻劃機(jī)刻劃誤差、溫度、濕度等因素都會(huì)造成刻劃誤差的出現(xiàn)，在實(shí)際的誤差測量中，刻劃誤差可以用角量、線量（切向誤差）來表示。受制于技術(shù)條件的限制，即使是當(dāng)前最精密的刻劃機(jī)，在最佳的工作狀態(tài)下，仍舊會(huì)產(chǎn)生0.5um作用的線量（切向誤差）。

刻劃直徑大小不會(huì)對刻劃誤差產(chǎn)生影響，真正影響刻劃誤差的度盤刻劃面直徑，度盤刻劃面直徑越大，刻劃線誤差角度越小;偏心誤差主要是度盤安裝位置不正確或度盤零件安裝不正確造成的，不正確的安裝方式會(huì)讓度盤的旋轉(zhuǎn)中心與刻劃面劃中心產(chǎn)生偏離，從而導(dǎo)致讀書誤差，這種誤差也被稱作偏心誤差。

度盤變形誤差主要是由于不同材料具有不同的膨脹系數(shù)，當(dāng)它們遇到溫度變化時(shí)，會(huì)產(chǎn)生不同程度的形變，并在裝配過程中產(chǎn)生一定的形變壓力，引起度盤變形，出現(xiàn)刻線位移現(xiàn)象，進(jìn)而產(chǎn)生的測量誤差。度盤傾斜誤差主要是因?yàn)樽x數(shù)系統(tǒng)光軸或豎軸不與度盤相互垂直而造成的，當(dāng)豎軸不與度盤垂直時(shí)，且度盤傾斜角度較小時(shí)，對測量結(jié)果影響較小，在某些情況下可以忽略不計(jì)，當(dāng)讀數(shù)系統(tǒng)光軸與度盤不垂直時(shí)，如果其誤差數(shù)值符合對徑讀數(shù)而相互抵消，也可以忽略不計(jì)。

一般情況下，度盤直徑的全中誤差不得大于1.5″。屬于系統(tǒng)及偶然中誤差，如果在測量的過程中，如果按照規(guī)定數(shù)量進(jìn)行測回，雖然可以抵消掉大部分的偶然誤差，但系統(tǒng)誤差的存在仍然會(huì)影響到最終的測量結(jié)果。

3.3讀數(shù)系統(tǒng)的誤差

讀書系統(tǒng)誤差包含了細(xì)分量化誤差、光柵不完全正交誤差、以及偏心誤差。其中，細(xì)分量化誤差指的是檢測人員在量化時(shí)產(chǎn)生的細(xì)分誤差，檢測人員在對cos、sin脈沖的不同狀態(tài)來進(jìn)行檢測時(shí)，可以對角度測量進(jìn)行進(jìn)一步的細(xì)分化，由于電壓與角度間的聯(lián)系近似線性關(guān)系，因此角度細(xì)分范圍也未直線，可以對A/D進(jìn)行轉(zhuǎn)換，然后通過測量得到測量目標(biāo)的角度數(shù)據(jù)。

需要注意的是，A/D數(shù)模在轉(zhuǎn)換時(shí)，會(huì)出現(xiàn)一個(gè)量化誤差。此外，光柵信號電壓不穩(wěn)及外界干擾都會(huì)產(chǎn)生誤差。而光柵不完全正交誤差是因?yàn)楣鈻哦缺P在使用時(shí)，光源光線經(jīng)系統(tǒng)產(chǎn)生的莫爾條紋信號屬于非正弦周期函數(shù)，兩信號的相位既沒有正交，也不垂直。在這種情況下，如果一個(gè)信號是正弦波，另一個(gè)不是標(biāo)準(zhǔn)余弦波的話，就會(huì)出現(xiàn)誤差。

3.4軸系和度盤偏心的誤差

電子經(jīng)緯儀在進(jìn)行測量前，必須保障豎軸安置鉛垂且三軸正交，這里的三軸指的是橫軸、豎軸、視準(zhǔn)軸。通常情況下，如果豎軸與橫軸不垂直、或橫軸與視準(zhǔn)軸不垂直，豎軸安置也是不垂直的，造成垂直測角和水平測角的測量誤差。其次，測角儀器的度盤會(huì)與其相接的軸系產(chǎn)生偏心，這種偏心差也是造成測量誤差的主要因素之一，特別是多個(gè)偏心誤差同時(shí)存在時(shí)，會(huì)讓測量誤差成因變得復(fù)雜。另外，如果使用的電子經(jīng)緯儀屬于雙面讀數(shù)經(jīng)緯儀，偏心因素對測量結(jié)果的誤差影響可忽略不計(jì)。反之，如果使用的不是雙面讀數(shù)經(jīng)緯儀，必須在測量的過程中，預(yù)先消除偏心因素誤差，將偏心誤差對測量結(jié)果的影響降到最低。

3.5水準(zhǔn)器的誤差

在運(yùn)用電子經(jīng)緯儀進(jìn)行觀測目標(biāo)測量時(shí)，必須先對經(jīng)緯儀豎軸進(jìn)行調(diào)整，確保其旋轉(zhuǎn)中心和觀測目標(biāo)點(diǎn)處于同一鉛垂線上，然后沿著垂直方向，調(diào)整儀器的水平度，讓儀器保持水平平衡?？梢酝ㄟ^觀察平衡儀的氣泡位置來判定儀器是否處于水平狀態(tài)，當(dāng)水準(zhǔn)器氣泡移到刻度中心位置時(shí)，即代表儀器處于水平平衡，由于人的肉眼存在視覺偏差，觀察到的氣泡位置可能與理想中的中心位置存在偏差，這種情況下會(huì)產(chǎn)生整平誤差，影響觀測結(jié)果。

4.結(jié)語

綜上所述，在對電子經(jīng)緯儀誤差成因進(jìn)行分析時(shí)，要結(jié)合實(shí)際，具體問題具體分析，只有這樣才能保障測量結(jié)果的準(zhǔn)確性，提高電子經(jīng)緯儀的測量精度。

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