東英測(cè)繪——全站儀的電子測(cè)角原理

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

全站儀電子測(cè)角系統(tǒng)有三種：光柵度盤(pán)測(cè)角系統(tǒng)、編碼度盤(pán)測(cè)角系統(tǒng)和動(dòng)態(tài)測(cè)角系統(tǒng)。

光柵度盤(pán)測(cè)角系統(tǒng)屬于增量式電子測(cè)角系統(tǒng)，早期的全站儀，大多采用光柵度盤(pán)測(cè)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(pán)測(cè)角系統(tǒng)

在徑向均勻地刻有許多等間隔線條的玻璃圓盤(pán)稱為光柵度盤(pán)。光柵度盤(pán)測(cè)角系統(tǒng)通常要由兩個(gè)光柵度盤(pán)組成，其中一個(gè)稱為主光柵，另一個(gè)稱為指示光柵。但兩度盤(pán)的光柵方向形成一個(gè)很小的角度θ，如圖1.3所示。當(dāng)兩個(gè)間隔相同的光柵成很小的交角相重疊，在它們相對(duì)移動(dòng)時(shí)可以看到明暗相間的干涉條紋，稱為莫爾干涉條紋，簡(jiǎn)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(shuō)，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(jiàn)，要知道光柵相對(duì)移動(dòng)的數(shù)目，只須測(cè)出莫爾條紋的移動(dòng)數(shù)目。當(dāng)光柵相對(duì)移動(dòng)一個(gè)柵距d時(shí)，莫爾條紋就沿垂直于光柵相對(duì)移動(dòng)的方向移動(dòng)一個(gè)條紋寬度ω。

光柵度盤(pán)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(cè)，如圖1.4所示。在光柵度盤(pán)的一側(cè)安置發(fā)光二極管，另一端正對(duì)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(pán)隨照準(zhǔn)部一起旋轉(zhuǎn)。當(dāng)望遠(yuǎn)鏡從一個(gè)方向轉(zhuǎn)到另一個(gè)方向時(shí)，兩光柵度盤(pán)相對(duì)移動(dòng)，就會(huì)出現(xiàn)莫爾條紋的移動(dòng)。莫爾條紋的光信號(hào)被光電二極管接收，經(jīng)整形電路轉(zhuǎn)換成矩形信號(hào)，經(jīng)計(jì)數(shù)器記錄信號(hào)周期數(shù)，通過(guò)總線系統(tǒng)輸入到存儲(chǔ)器，再經(jīng)計(jì)算由顯示屏以度、分、秒的格式顯示出來(lái)。

利用光柵度盤(pán)測(cè)角就是要測(cè)定從起始方向兩個(gè)光柵度盤(pán)相對(duì)移動(dòng)的光柵數(shù)，因此這種測(cè)角方式稱為增量式測(cè)角。增量式測(cè)角易于制造，早期的全站儀大多采用這種方式測(cè)角，其缺點(diǎn)是每次開(kāi)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(shí)的測(cè)角狀態(tài)。

二、編碼度盤(pán)測(cè)角系統(tǒng)

光學(xué)編碼度盤(pán)是在度盤(pán)上刻數(shù)道同心圓，構(gòu)成若干碼道，同時(shí)將度盤(pán)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(pán)，在碼盤(pán)下方安置電信號(hào)輸出電路。測(cè)角時(shí)度盤(pán)隨照準(zhǔn)部旋轉(zhuǎn)到某目標(biāo)不動(dòng)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(hào)。

圖1.6的編碼度盤(pán)信號(hào)輸出為1001。輸出的組合電信號(hào)通過(guò)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(pán)，有16個(gè)扇區(qū)，即可以讀取16個(gè)讀數(shù)，分辨率為360°/16=22.5°。顯然，這個(gè)分辨率是不能滿足測(cè)角要求的。提高編碼度盤(pán)的測(cè)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(cè)微技術(shù)，角度電子測(cè)微技術(shù)是利用電子技術(shù)對(duì)交變的電信號(hào)進(jìn)行內(nèi)插，從而提高計(jì)數(shù)脈沖的頻率，達(dá)到細(xì)分效果，提高測(cè)角分辨率。

由于編碼度盤(pán)可以在任意位置上直接讀取度、分、秒值，故編碼測(cè)角又稱為絕對(duì)式測(cè)角。絕對(duì)式測(cè)角系統(tǒng)，不僅具有開(kāi)機(jī)無(wú)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(cè)量值?，F(xiàn)在生產(chǎn)的普通全站儀，無(wú)論進(jìn)口的或國(guó)產(chǎn)的，基本都是采用絕對(duì)式電子測(cè)角系統(tǒng)。

三、動(dòng)態(tài)測(cè)角原理

動(dòng)態(tài)測(cè)角系統(tǒng)的度盤(pán)為環(huán)狀度盤(pán)，如圖1.7所示，度盤(pán)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(duì)明暗分劃線為一個(gè)柵格，其柵距(間隔角)為Φ。度盤(pán)內(nèi)外邊緣裝有兩個(gè)光欄(光電傳感器)S和R。S為固定光欄，位于度盤(pán)外側(cè)；R為可動(dòng)光欄，隨照準(zhǔn)部一起轉(zhuǎn)動(dòng)，位于度盤(pán)內(nèi)側(cè)。同時(shí)，度盤(pán)上還有兩個(gè)標(biāo)志點(diǎn)a和b，S只接收α的信號(hào)，R只接收b的信號(hào)。測(cè)角時(shí)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(shí)啟動(dòng)測(cè)角系統(tǒng)，使度盤(pán)在馬達(dá)的驅(qū)動(dòng)下，始終以一定的速度逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，b點(diǎn)先通過(guò)R，然后開(kāi)始計(jì)數(shù)。接著ɑ通過(guò)S，計(jì)數(shù)停止，此時(shí)記下了R、S之間的柵距(Ф0)的整倍數(shù)n和不足一個(gè)刪距的小數(shù)部分△Ф，則水平角為：β=nФ0+△Ф

實(shí)際上，一個(gè)柵格為一個(gè)脈沖信號(hào)，水平角的柵距(Ф0)整倍數(shù)n由R、S的粗測(cè)功能計(jì)數(shù)測(cè)得；不足一個(gè)柵格的小數(shù)部分△Ф由R、S的精測(cè)功能測(cè)得。粗測(cè)和精測(cè)的信號(hào)經(jīng)計(jì)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(cè)角時(shí)，儀器的度盤(pán)分別繞垂直軸和水平軸恒速旋轉(zhuǎn)，故這種測(cè)角技術(shù)稱為動(dòng)態(tài)式測(cè)角。

動(dòng)態(tài)測(cè)角的精度取決于△Ф的測(cè)量精度，而△Ф的測(cè)量精度取決于將Ф0劃分成多少個(gè)相位差脈沖，劃分的相位差脈沖數(shù)越多，測(cè)角精度就越高。

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