全站儀在計量檢定中的研究與應用

魏 峻

（上海市寶山區(qū)計量質量檢測所，上海 200940）

全站儀，全稱為全站型電子測距儀器，是一種集光、機、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)誤差的產生。在計量檢定領域，利用全站儀的電子測角、測距和數(shù)據(jù)自動處理等功能，可依照相關規(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。全站儀一般需要應用全站儀測量被測現(xiàn)場的距離、角度和坐標值[1,2]。

圖1 全站儀硬件結構圖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 調試準備

1.1 調平對中

在三腳架的三角基座上安置全站儀之后進行制動控制桿鎖緊，水平調平在3個方向保證長水準器居中。采用激光對點器對中，按動激光對點器開關，使激光對點器發(fā)射激光。松開三腳架上的中心手把，輕移儀器，使激光對點器發(fā)射之激光點對準測站點，激光對點器延遲時間為5min，5min后自動關閉。確認儀器已精確整平并對中。

按下電源開關鍵，儀器發(fā)出一聲鳴響，電源接通，屏幕首先顯示儀器型號信息、版本號及本機編號，并進行自檢。當自檢正常后，屏幕顯示出“轉動全站儀望遠鏡，并進行垂直角零位設置”的液晶提示。旋轉望遠鏡，儀器發(fā)出一聲鳴響，垂直角零位設置完畢，則可以進入全站儀基本測量模式（需要在激光點對準測站點操作之后）[3,4]。

1.2 調焦照準目標

取下望遠鏡的蓋子，將望遠鏡對準遠處的天空，調焦環(huán)并旋轉目鏡，動作至目鏡中的十字絲最清晰圖像為止，完成目鏡調焦。松開垂直和水平制動手輪，轉動儀器，使粗瞄準器內的三角形標志的頂尖照準目標，然后固緊動手輪，操作照準目標調整。物鏡調焦需要旋轉望遠鏡調焦環(huán)，這時目標圖像最為清晰準確，用垂直微動手輪和水平微動手輪使十字絲精確照準到測量目標。再次調焦至無視差狀態(tài)為止，上下或左右移動眼睛，看目標圖像是否相對于十字絲移動，如有移動，說明有視差，應當再次進行調焦，直至不存在視差。開機后，應注意屏幕右上角的電池電量指示，確認電池有足夠的電量，否則應及時更換電池或對電池進行充電。當電池電量不足，儀器無法正常工作時，按下電源開關，屏幕顯示“電池電壓低”，并自動關機。如需關機，開機后按下電源開關鍵，不松開保持2s，即可切斷電源關機。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行補償改正。在受強風或振動影響的環(huán)境下觀測而儀器無法保持穩(wěn)定時，垂直角顯示值可能發(fā)生不穩(wěn)定現(xiàn)象，應關閉傾斜補償器。查看儀器傾斜值及開啟傾斜補償功能，按【測角】進入角度測量模式，按【>>】進入第二頁，按【傾斜】。屏幕顯示儀器豎軸在儀器視準軸方向的傾斜角。要設置儀器一接通電源就實施自動傾斜補償，一旦設置儀器的參數(shù)，將被保存到再次改變?yōu)橹埂ｉ_機后，按下面板功能鍵【菜單】，進入儀器功能主菜單，在儀器功能主菜單第二頁選取“F2-參數(shù)設置”進入儀器參數(shù)設置菜單。傾斜補償—選擇是否開啟傾斜補償功能[6]。

2 基本測量

基本測量包括：角度測量、距離測量及坐標測量。儀器開機后，即進入基本測量模式。

2.1 角度測量

測量之前請再次檢查確認：儀器已精確整平并對中。儀器開機后，按下【測角】鍵，進入角度測量模式，在此模式下可進行有關角度測量的相關操作。角度測量模式功能菜單分兩頁排列，按【>>】可以在兩頁間進行切換。兩點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間的水平角。照準第一個目標，在測角模式第一頁下按【置零】。

圖3 水平角度重復測量示意圖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

利用水平角重復測量可以獲得更高精度的水平角測量結果。在角度測量模式第二頁按【復測】進入水平角重復測量操作，照準目標1（后視），按【確定】。照準目標2（前視），按【確定】，顯示出兩目標點間的夾角。如取消測量結果，重新進行測量，按【取消】。第二次照準目標1，按【確定】。第二次照準目標2，按【確定】，屏幕顯示出兩次測量水平角的累計值和平均值，并顯示測量次數(shù)。重復上述步，繼續(xù)測量。測量完成后，按【退出】鍵結束。最大重復次數(shù)10次，可以將角度測量數(shù)據(jù)輸出到計算機等外部設備內。在進行此操作之前，應先用隨機配備的串行通訊電纜將儀器與外部設備相連，并正確設置通訊參數(shù)。默認通訊設置：8位數(shù)據(jù)位、1位停止位、無奇偶校驗、波特率9600照準目標點，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)被輸出到外部設備，如PC或PLC[7]。

2.2 距離測量

在進行距離測量之前，應設置大氣壓值、棱鏡常數(shù)參數(shù)。在通常環(huán)境的溫度和大氣壓下，當氣壓值保持不變，溫度值變化1℃；或者當環(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算出相應的大氣改正系數(shù)并存儲在儀器中，補償公式如下：

開機后，進入距離測量模式按【EDM】，進入測距參數(shù)設置，可以看到當前設置的大氣改正值。輸入當前溫度與大氣氣壓值，按【確定】，儀器自動計算出大氣改正值，并返回至測距參數(shù)設置屏。如選擇不進行大氣改正，按【0PPM】，將大氣改正值設為0ppm，同時自動將溫度置為15°C，氣壓置為1013Pa。直接輸入大氣改正值，此時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，測量前應將所用棱鏡的常數(shù)改正值設置好。儀器出廠前棱鏡常數(shù)設置為“0”，不同的棱鏡安裝方式，需要設置不同的棱鏡常數(shù)改正值。全站儀提供5種測距模式：單次精測、重復快測、跟蹤測量、重復精測、平均精測。其中，重復快測（0.9秒/次）及跟蹤測量（0.4秒/次）主要適用于對運動目標的測量，欲獲得較高精度的測量結果，應選用精測模式（儀器出廠默認為單次精測模式）[8]。

3 對邊測量

對邊測量是在儀器并不移動的情況下，直接測量多個目標點與某一起始點之間的斜距、平距和計算高差值。而最后測量的點可以設置為后面測量的起始點，在測量兩點間高差時，將棱鏡安置在測桿上，并使所有各點的目標高相同。在應用程序菜單中按【F3】選擇“對邊測量”，程序提示測量對邊起點。按【模式】選取測距模式，按【EDM】檢測回光信號，設置大氣改正、棱鏡常數(shù)，精確照準目標，按【測量】。儀器即開始測量對邊起點，測量完成后，顯示測量結果。按【確定】確認測量結果。程序提示測量對邊終點，對邊終點測量完成后，程序計算出對邊起點至終點的斜距、平距、高差。按【坡度】，屏幕第一行顯示兩點間的坡度。照準起始點后，按【起點】可對起始點重新進行測量。按【斜距】，恢復斜距顯示。瞄準其他目標點，按【終點】測量該點，程序將計算并更新顯示對邊測量數(shù)據(jù)。

4 結論

本文闡述了應用全站儀進行長度計量的詳細操作過程，包括調試準備、基本測量和對邊測量。測量前需進行調試準備，并根據(jù)計量現(xiàn)場環(huán)境參數(shù)設置大氣壓力值、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與目標點之間的斜距、平距和高差，減少后續(xù)計算，滿足長度計量的測試要求，減少了現(xiàn)場計量的勞動強度，同時保證了測試的準確性。