東英測繪——全站儀的電子測角原理

全站儀電子測角是利用光電轉(zhuǎn)換原理和微處理器自動測量照準(zhǔn)方向在度盤上的讀數(shù)，并將測量結(jié)果顯示在儀器的顯示屏上，也可以自動儲存測量結(jié)果。

全站儀電子測角系統(tǒng)有三種：光柵度盤測角系統(tǒng)、編碼度盤測角系統(tǒng)和動態(tài)測角系統(tǒng)。

光柵度盤測角系統(tǒng)屬于增量式電子測角系統(tǒng)，早期的全站儀，大多采用光柵度盤測角系統(tǒng)。主光柵與指示光柵的線條寬度和柵距d相同。

一、光柵度盤測角系統(tǒng)

在徑向均勻地刻有許多等間隔線條的玻璃圓盤稱為光柵度盤。光柵度盤測角系統(tǒng)通常要由兩個光柵度盤組成，其中一個稱為主光柵，另一個稱為指示光柵。但兩度盤的光柵方向形成一個很小的角度θ，如圖1.3所示。當(dāng)兩個間隔相同的光柵成很小的交角相重疊，在它們相對移動時可以看到明暗相間的干涉條紋，稱為莫爾干涉條紋，簡稱莫爾條紋。

設(shè)ω為條紋寬度，d為柵距,θ為兩光柵的交角，則近似可得

由于θ很小，因此K值很大，也就是說，莫爾條紋起著放大作用，這樣大大提高了分辨率。而且θ越小，K值越大。由此可見，要知道光柵相對移動的數(shù)目，只須測出莫爾條紋的移動數(shù)目。當(dāng)光柵相對移動一個柵距d時，莫爾條紋就沿垂直于光柵相對移動的方向移動一個條紋寬度ω。

光柵度盤的讀數(shù)系統(tǒng)采用發(fā)光二極管和光電二極管進(jìn)行光電探測，如圖1.4所示。在光柵度盤的一側(cè)安置發(fā)光二極管，另一端正對位置安裝光電接收二極管。指示光柵、發(fā)光二極管、光電二極管固定，而主光棚度盤隨照準(zhǔn)部一起旋轉(zhuǎn)。當(dāng)望遠(yuǎn)鏡從一個方向轉(zhuǎn)到另一個方向時，兩光柵度盤相對移動，就會出現(xiàn)莫爾條紋的移動。莫爾條紋的光信號被光電二極管接收，經(jīng)整形電路轉(zhuǎn)換成矩形信號，經(jīng)計數(shù)器記錄信號周期數(shù)，通過總線系統(tǒng)輸入到存儲器，再經(jīng)計算由顯示屏以度、分、秒的格式顯示出來。

利用光柵度盤測角就是要測定從起始方向兩個光柵度盤相對移動的光柵數(shù)，因此這種測角方式稱為增量式測角。增量式測角易于制造，早期的全站儀大多采用這種方式測角，其缺點(diǎn)是每次開機(jī)需要進(jìn)行角度初始化、且關(guān)機(jī)后不能保持關(guān)機(jī)時的測角狀態(tài)。

二、編碼度盤測角系統(tǒng)

光學(xué)編碼度盤是在度盤上刻數(shù)道同心圓，構(gòu)成若干碼道，同時將度盤等間隔地劃分為若干扇區(qū)，在各扇區(qū)內(nèi)不同的碼道上按規(guī)律設(shè)置導(dǎo)電區(qū)和絕緣區(qū)，用導(dǎo)電和不導(dǎo)電分別代表二進(jìn)制中的“1”和“0”。圖1.5為四碼道16扇區(qū)四位編碼度盤，在碼盤下方安置電信號輸出電路。測角時度盤隨照準(zhǔn)部旋轉(zhuǎn)到某目標(biāo)不動后，由該扇區(qū)的導(dǎo)電區(qū)與不導(dǎo)電區(qū)得到其組合電信號。

圖1.6的編碼度盤信號輸出為1001。輸出的組合電信號通過譯碼器將其轉(zhuǎn)換為角度值，并在顯示屏上顯示。

圖1.5的四位編碼度盤，有16個扇區(qū)，即可以讀取16個讀數(shù)，分辨率為360°/16=22.5°。顯然，這個分辨率是不能滿足測角要求的。提高編碼度盤的測角分辨率，除了適當(dāng)增加扇區(qū)數(shù)和碼道數(shù)外，主要是采用電子測微技術(shù)，角度電子測微技術(shù)是利用電子技術(shù)對交變的電信號進(jìn)行內(nèi)插，從而提高計數(shù)脈沖的頻率，達(dá)到細(xì)分效果，提高測角分辨率。

由于編碼度盤可以在任意位置上直接讀取度、分、秒值，故編碼測角又稱為絕對式測角。絕對式測角系統(tǒng)，不僅具有開機(jī)無需角度初始化、關(guān)機(jī)后保留角度信息的特點(diǎn)，而且可以使儀器獲得更穩(wěn)定、更精確的測量值。現(xiàn)在生產(chǎn)的普通全站儀，無論進(jìn)口的或國產(chǎn)的，基本都是采用絕對式電子測角系統(tǒng)。

三、動態(tài)測角原理

動態(tài)測角系統(tǒng)的度盤為環(huán)狀度盤，如圖1.7所示，度盤上刻劃等間隔的明暗分劃線，明的透光，暗的不透光，相當(dāng)于柵線和縫隙，一對明暗分劃線為一個柵格，其柵距(間隔角)為Φ。度盤內(nèi)外邊緣裝有兩個光欄(光電傳感器)S和R。S為固定光欄，位于度盤外側(cè)；R為可動光欄，隨照準(zhǔn)部一起轉(zhuǎn)動，位于度盤內(nèi)側(cè)。同時，度盤上還有兩個標(biāo)志點(diǎn)a和b，S只接收α的信號，R只接收b的信號。測角時S代表任一原方向，R隨著照準(zhǔn)部旋轉(zhuǎn)，當(dāng)照準(zhǔn)目標(biāo)后，R位置已定，此時啟動測角系統(tǒng)，使度盤在馬達(dá)的驅(qū)動下，始終以一定的速度逆時針旋轉(zhuǎn)，b點(diǎn)先通過R，然后開始計數(shù)。接著ɑ通過S，計數(shù)停止，此時記下了R、S之間的柵距(Ф0)的整倍數(shù)n和不足一個刪距的小數(shù)部分△Ф，則水平角為：β=nФ0+△Ф

實(shí)際上，一個柵格為一個脈沖信號，水平角的柵距(Ф0)整倍數(shù)n由R、S的粗測功能計數(shù)測得；不足一個柵格的小數(shù)部分△Ф由R、S的精測功能測得。粗測和精測的信號經(jīng)計算送到中央處理器，然后由顯示屏顯示或記錄于數(shù)據(jù)終端。

由于測角時，儀器的度盤分別繞垂直軸和水平軸恒速旋轉(zhuǎn)，故這種測角技術(shù)稱為動態(tài)式測角。

動態(tài)測角的精度取決于△Ф的測量精度，而△Ф的測量精度取決于將Ф0劃分成多少個相位差脈沖，劃分的相位差脈沖數(shù)越多，測角精度就越高。

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