全站儀在計(jì)量檢定中的研究與應(yīng)用

魏 峻

（上海市寶山區(qū)計(jì)量質(zhì)量檢測所，上海 200940）

全站儀，全稱為全站型電子測距儀器，是一種集光、機(jī)、電為一體的高精度長度測量儀器，是集水平角、垂直角、距離、高差長度測量功能于一體的測繪儀器系統(tǒng)。智能全站儀使測角操作簡單化，且可避免示值讀數(shù)誤差的產(chǎn)生。在計(jì)量檢定領(lǐng)域，利用全站儀的電子測角、測距和數(shù)據(jù)自動(dòng)處理等功能，可依照相關(guān)規(guī)程的要求測量罐體外半徑，中心距離可用全站儀的平均測距功能直接測量。全站儀一般需要應(yīng)用全站儀測量被測現(xiàn)場的距離、角度和坐標(biāo)值[1,2]。

圖1 全站儀硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Hardware structure diagram of the total station

圖2 全站儀角度測量界面圖Fig.2 Interface diagram of total station angle measurement

1 調(diào)試準(zhǔn)備

1.1 調(diào)平對中

在三腳架的三角基座上安置全站儀之后進(jìn)行制動(dòng)控制桿鎖緊，水平調(diào)平在3個(gè)方向保證長水準(zhǔn)器居中。采用激光對點(diǎn)器對中，按動(dòng)激光對點(diǎn)器開關(guān)，使激光對點(diǎn)器發(fā)射激光。松開三腳架上的中心手把，輕移儀器，使激光對點(diǎn)器發(fā)射之激光點(diǎn)對準(zhǔn)測站點(diǎn)，激光對點(diǎn)器延遲時(shí)間為5min，5min后自動(dòng)關(guān)閉。確認(rèn)儀器已精確整平并對中。

按下電源開關(guān)鍵，儀器發(fā)出一聲鳴響，電源接通，屏幕首先顯示儀器型號(hào)信息、版本號(hào)及本機(jī)編號(hào)，并進(jìn)行自檢。當(dāng)自檢正常后，屏幕顯示出“轉(zhuǎn)動(dòng)全站儀望遠(yuǎn)鏡，并進(jìn)行垂直角零位設(shè)置”的液晶提示。旋轉(zhuǎn)望遠(yuǎn)鏡，儀器發(fā)出一聲鳴響，垂直角零位設(shè)置完畢，則可以進(jìn)入全站儀基本測量模式（需要在激光點(diǎn)對準(zhǔn)測站點(diǎn)操作之后）[3,4]。

1.2 調(diào)焦照準(zhǔn)目標(biāo)

取下望遠(yuǎn)鏡的蓋子，將望遠(yuǎn)鏡對準(zhǔn)遠(yuǎn)處的天空，調(diào)焦環(huán)并旋轉(zhuǎn)目鏡，動(dòng)作至目鏡中的十字絲最清晰圖像為止，完成目鏡調(diào)焦。松開垂直和水平制動(dòng)手輪，轉(zhuǎn)動(dòng)儀器，使粗瞄準(zhǔn)器內(nèi)的三角形標(biāo)志的頂尖照準(zhǔn)目標(biāo)，然后固緊動(dòng)手輪，操作照準(zhǔn)目標(biāo)調(diào)整。物鏡調(diào)焦需要旋轉(zhuǎn)望遠(yuǎn)鏡調(diào)焦環(huán)，這時(shí)目標(biāo)圖像最為清晰準(zhǔn)確，用垂直微動(dòng)手輪和水平微動(dòng)手輪使十字絲精確照準(zhǔn)到測量目標(biāo)。再次調(diào)焦至無視差狀態(tài)為止，上下或左右移動(dòng)眼睛，看目標(biāo)圖像是否相對于十字絲移動(dòng)，如有移動(dòng)，說明有視差，應(yīng)當(dāng)再次進(jìn)行調(diào)焦，直至不存在視差。開機(jī)后，應(yīng)注意屏幕右上角的電池電量指示，確認(rèn)電池有足夠的電量，否則應(yīng)及時(shí)更換電池或?qū)﹄姵剡M(jìn)行充電。當(dāng)電池電量不足，儀器無法正常工作時(shí)，按下電源開關(guān)，屏幕顯示“電池電壓低”，并自動(dòng)關(guān)機(jī)。如需關(guān)機(jī)，開機(jī)后按下電源開關(guān)鍵，不松開保持2s，即可切斷電源關(guān)機(jī)。如果屏幕顯示“傾斜超差”提示，說明儀器尚未整平，需重新整平儀器[5]。

1.3 傾斜補(bǔ)償

全站儀配有傾斜傳感器，可對儀器豎軸傾斜引起的角度觀測誤差進(jìn)行補(bǔ)償改正。在受強(qiáng)風(fēng)或振動(dòng)影響的環(huán)境下觀測而儀器無法保持穩(wěn)定時(shí)，垂直角顯示值可能發(fā)生不穩(wěn)定現(xiàn)象，應(yīng)關(guān)閉傾斜補(bǔ)償器。查看儀器傾斜值及開啟傾斜補(bǔ)償功能，按【測角】進(jìn)入角度測量模式，按【>>】進(jìn)入第二頁，按【傾斜】。屏幕顯示儀器豎軸在儀器視準(zhǔn)軸方向的傾斜角。要設(shè)置儀器一接通電源就實(shí)施自動(dòng)傾斜補(bǔ)償，一旦設(shè)置儀器的參數(shù)，將被保存到再次改變?yōu)橹?。開機(jī)后，按下面板功能鍵【菜單】，進(jìn)入儀器功能主菜單，在儀器功能主菜單第二頁選取“F2-參數(shù)設(shè)置”進(jìn)入儀器參數(shù)設(shè)置菜單。傾斜補(bǔ)償—選擇是否開啟傾斜補(bǔ)償功能[6]。

2 基本測量

基本測量包括：角度測量、距離測量及坐標(biāo)測量。儀器開機(jī)后，即進(jìn)入基本測量模式。

2.1 角度測量

測量之前請?jiān)俅螜z查確認(rèn)：儀器已精確整平并對中。儀器開機(jī)后，按下【測角】鍵，進(jìn)入角度測量模式，在此模式下可進(jìn)行有關(guān)角度測量的相關(guān)操作。角度測量模式功能菜單分兩頁排列，按【>>】可以在兩頁間進(jìn)行切換。兩點(diǎn)間水平角的測量是利用水平角置零功能可以方便地測量出兩點(diǎn)間的水平角。照準(zhǔn)第一個(gè)目標(biāo)，在測角模式第一頁下按【置零】。

圖3 水平角度重復(fù)測量示意圖Fig.3 Schematic diagram of repeated horizontal angle measurement

圖4 全站儀測量距離幾何示意圖Fig.4 Schematic diagram of the total station measuring distance geometry

利用水平角重復(fù)測量可以獲得更高精度的水平角測量結(jié)果。在角度測量模式第二頁按【復(fù)測】進(jìn)入水平角重復(fù)測量操作，照準(zhǔn)目標(biāo)1（后視），按【確定】。照準(zhǔn)目標(biāo)2（前視），按【確定】，顯示出兩目標(biāo)點(diǎn)間的夾角。如取消測量結(jié)果，重新進(jìn)行測量，按【取消】。第二次照準(zhǔn)目標(biāo)1，按【確定】。第二次照準(zhǔn)目標(biāo)2，按【確定】，屏幕顯示出兩次測量水平角的累計(jì)值和平均值，并顯示測量次數(shù)。重復(fù)上述步，繼續(xù)測量。測量完成后，按【退出】鍵結(jié)束。最大重復(fù)次數(shù)10次，可以將角度測量數(shù)據(jù)輸出到計(jì)算機(jī)等外部設(shè)備內(nèi)。在進(jìn)行此操作之前，應(yīng)先用隨機(jī)配備的串行通訊電纜將儀器與外部設(shè)備相連，并正確設(shè)置通訊參數(shù)。默認(rèn)通訊設(shè)置：8位數(shù)據(jù)位、1位停止位、無奇偶校驗(yàn)、波特率9600照準(zhǔn)目標(biāo)點(diǎn)，在角度測量模式第二頁按【輸出】，屏幕顯示的水平角及垂直角數(shù)據(jù)被輸出到外部設(shè)備，如PC或PLC[7]。

2.2 距離測量

在進(jìn)行距離測量之前，應(yīng)設(shè)置大氣壓值、棱鏡常數(shù)參數(shù)。在通常環(huán)境的溫度和大氣壓下，當(dāng)氣壓值保持不變，溫度值變化1℃；或者當(dāng)環(huán)境溫度值保持不變，氣壓發(fā)生3.6ha變化，將引起測量距離1mm的誤差變化，即每公里變化1mm。因此，為了精確計(jì)算出氣象改正數(shù)，需要求取光束傳播路徑上的氣溫和氣壓平均值計(jì)算出相應(yīng)的大氣改正系數(shù)并存儲(chǔ)在儀器中，補(bǔ)償公式如下：

開機(jī)后，進(jìn)入距離測量模式按【EDM】，進(jìn)入測距參數(shù)設(shè)置，可以看到當(dāng)前設(shè)置的大氣改正值。輸入當(dāng)前溫度與大氣氣壓值，按【確定】，儀器自動(dòng)計(jì)算出大氣改正值，并返回至測距參數(shù)設(shè)置屏。如選擇不進(jìn)行大氣改正，按【0PPM】，將大氣改正值設(shè)為0ppm，同時(shí)自動(dòng)將溫度置為15°C，氣壓置為1013Pa。直接輸入大氣改正值，此時(shí)顯示的溫度氣壓值將被清除。不同的棱鏡具有不同的棱鏡常數(shù)改正值，測量前應(yīng)將所用棱鏡的常數(shù)改正值設(shè)置好。儀器出廠前棱鏡常數(shù)設(shè)置為“0”，不同的棱鏡安裝方式，需要設(shè)置不同的棱鏡常數(shù)改正值。全站儀提供5種測距模式：單次精測、重復(fù)快測、跟蹤測量、重復(fù)精測、平均精測。其中，重復(fù)快測（0.9秒/次）及跟蹤測量（0.4秒/次）主要適用于對運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的測量，欲獲得較高精度的測量結(jié)果，應(yīng)選用精測模式（儀器出廠默認(rèn)為單次精測模式）[8]。

3 對邊測量

對邊測量是在儀器并不移動(dòng)的情況下，直接測量多個(gè)目標(biāo)點(diǎn)與某一起始點(diǎn)之間的斜距、平距和計(jì)算高差值。而最后測量的點(diǎn)可以設(shè)置為后面測量的起始點(diǎn)，在測量兩點(diǎn)間高差時(shí)，將棱鏡安置在測桿上，并使所有各點(diǎn)的目標(biāo)高相同。在應(yīng)用程序菜單中按【F3】選擇“對邊測量”，程序提示測量對邊起點(diǎn)。按【模式】選取測距模式，按【EDM】檢測回光信號(hào)，設(shè)置大氣改正、棱鏡常數(shù)，精確照準(zhǔn)目標(biāo)，按【測量】。儀器即開始測量對邊起點(diǎn)，測量完成后，顯示測量結(jié)果。按【確定】確認(rèn)測量結(jié)果。程序提示測量對邊終點(diǎn)，對邊終點(diǎn)測量完成后，程序計(jì)算出對邊起點(diǎn)至終點(diǎn)的斜距、平距、高差。按【坡度】，屏幕第一行顯示兩點(diǎn)間的坡度。照準(zhǔn)起始點(diǎn)后，按【起點(diǎn)】可對起始點(diǎn)重新進(jìn)行測量。按【斜距】，恢復(fù)斜距顯示。瞄準(zhǔn)其他目標(biāo)點(diǎn)，按【終點(diǎn)】測量該點(diǎn)，程序?qū)⒂?jì)算并更新顯示對邊測量數(shù)據(jù)。

4 結(jié)論

本文闡述了應(yīng)用全站儀進(jìn)行長度計(jì)量的詳細(xì)操作過程，包括調(diào)試準(zhǔn)備、基本測量和對邊測量。測量前需進(jìn)行調(diào)試準(zhǔn)備，并根據(jù)計(jì)量現(xiàn)場環(huán)境參數(shù)設(shè)置大氣壓力值、環(huán)境溫度值和棱鏡參數(shù)值，從而更好地完成角度測量和距離測量。智能對邊測量可以快捷地測量出起始點(diǎn)與目標(biāo)點(diǎn)之間的斜距、平距和高差，減少后續(xù)計(jì)算，滿足長度計(jì)量的測試要求，減少了現(xiàn)場計(jì)量的勞動(dòng)強(qiáng)度，同時(shí)保證了測試的準(zhǔn)確性。