全站儀測量誤差分析

劉 海

保定長城汽車股份有限公司，河北保定 071000

測距誤差是由光速、測相、頻率、大氣折射率和儀器常數(shù)等誤差引起的。測距誤差可為兩類：一類是與距離遠(yuǎn)近無關(guān)的誤差，即測相誤差和儀器加常數(shù)誤差，稱為固定誤差；另一類是與距離遠(yuǎn)近成比例的誤差，即光速誤差、頻率誤差和大氣折射率誤差，稱為比例誤差。

1 測量時(shí)的注意事項(xiàng)

1）開工前應(yīng)檢查儀器箱背帶及提手是否牢固；

2）開箱后提取儀器前，要看準(zhǔn)儀器在箱內(nèi)放置的方式和位置，裝卸儀器時(shí)，必須握住提手，切不可拿儀器的鏡筒，否則會影響內(nèi)部固定部件，降低儀器的精度。儀器用畢，先蓋上物鏡罩，并擦去表面的灰塵。裝箱時(shí)各部位要放置妥帖；

3）在陽光照射下觀測，應(yīng)給儀器打傘，并帶上遮陽罩。在陰雨天氣進(jìn)行作業(yè)時(shí)，也應(yīng)打傘遮雨，以免影響觀測精度；

4）架設(shè)儀器盡可能用木制三腳架，因金屬三腳架會產(chǎn)生振動，影響測量精度。用連接螺旋將儀器固定在三腳架上之后才能放開儀器。在整個操作過程中，觀測者不能離開儀器，以避免發(fā)生意外事故；

5）當(dāng)測站之間距離較遠(yuǎn)，搬站時(shí)應(yīng)將儀器電源關(guān)閉后卸下，再裝箱背著走。當(dāng)測站之間距離較近，搬站時(shí)可將儀器連同三腳架一起靠在肩上，儀器要盡量保持直立；

6）儀器任何部分發(fā)生故障不能勉強(qiáng)使用，應(yīng)立即檢修，否則會加劇儀器的損壞程度；

7）禁止用手撫摸儀器的光學(xué)元件表面。清潔儀器透鏡表面時(shí)，請先用干凈的毛刷掃去灰塵，再用干凈的無線棉布蘸酒精由透鏡中心向外一圈圈地輕輕擦拭；

8）儀器應(yīng)保持干燥，遇雨后應(yīng)將儀器擦干，放在通風(fēng)處，待儀器完全晾干后才能裝箱。儀器箱應(yīng)保持清潔、干燥；

9）冬天室內(nèi)室外溫差較大，儀器搬出室外或搬人室內(nèi)，應(yīng)隔一段時(shí)間后才能開箱；

10）電池充電時(shí)間不能超過規(guī)定的時(shí)間。電池長期不用，要每月充電一次。存放溫度以0℃～40℃為宜。

2 固定誤差分析

2.1 測相誤差

測相誤差就是測定相位差的誤差。測相精度是影響測距精度的主要因素之一，因而提高測相精度對測距十分有利。但測相誤差的來源很多，有儀器本身的原因，也有外界條件變化的影響。

1）測相系統(tǒng)本身的誤差

目前紅外測距均采用脈沖數(shù)字式自動測相裝置。它主要受時(shí)鐘脈沖頻率穩(wěn)定性、檢相電路的時(shí)間分辨率以及平均檢相次數(shù)的影響。要減弱測相系統(tǒng)本身誤差的影響，主要是提高電路和測相裝置的質(zhì)量。

2）照準(zhǔn)誤差

照準(zhǔn)誤差是由發(fā)光管發(fā)射的光束相位不均勻產(chǎn)生的。砷化鎵發(fā)光管發(fā)射的光束，在與發(fā)光管等距離的圓弧面上的相位應(yīng)該相同，光束不同位置測出的距離也應(yīng)相同。實(shí)際上，相位相同的點(diǎn)并不在同一圓弧上，導(dǎo)致相位相同的點(diǎn)，距離都不一樣。這樣，在測距時(shí)用了光束的不同位置，結(jié)果也會不同。這就是相位不均勻所造成的誤差。這項(xiàng)誤差主要取決于發(fā)光管的質(zhì)量，可采用一些光學(xué)措施，如混相透鏡等減小誤差。

3）幅相誤差

幅相誤差是由于接收信號的強(qiáng)弱變化，對測量相位差所造成的影響。為了減小幅相誤差，可改善電路系統(tǒng)，加設(shè)自動增益控制電路，以控制電流的輸出幅度。也叮設(shè)置控制孑L徑光欄或減光板，以調(diào)節(jié)信號強(qiáng)度。

全站儀一般均設(shè)有幅度自動控制系統(tǒng)，雖然測量的距離遠(yuǎn)近不同-但接收信號的幅度能保持在一定范圍內(nèi)，這就避免了幅相誤差的產(chǎn)生。

4）噪聲引起的誤差

由于大氣溫度變化而產(chǎn)生的抖動及一些光、電信號的干擾而產(chǎn)生的噪聲，降低了儀器對測距信號的分辨能力，給測距帶來誤差。影響測距信號分辨能力的是信噪比，即信號功率與噪聲功率的比值。因此，可采取增大信號強(qiáng)度的方法來減少噪聲的影響。另外，這項(xiàng)誤差是隨機(jī)的，儀器采用增多檢相次數(shù)取平均值，可以減弱其影響。

2.2 儀器加常數(shù)誤差

儀器的加常數(shù)是儀器常數(shù)和棱鏡常數(shù)之和。儀器常數(shù)是儀器的豎軸中心線至機(jī)內(nèi)距離起算參考面的距離。棱鏡常數(shù)是棱鏡基座中心軸線至等效反射面的距離。加常數(shù)是與所測距離大小無關(guān)的一個常數(shù)，通常將它測定出來，預(yù)置在儀器中，自動進(jìn)行改正。

由于儀器經(jīng)過長途運(yùn)輸和使用，加常數(shù)值會發(fā)生變化。因此，要求定期測定加常數(shù)，然后將測得的新值預(yù)置在儀器中，以取代原先設(shè)置的加常數(shù)。

2.3 儀器和棱鏡的對中誤差

用光學(xué)對中，對中誤差一般小于1mm；用對中桿對中，一般可小于2mm。對于精密測距，要求測前對光學(xué)對中進(jìn)行嚴(yán)格校正，觀測時(shí)應(yīng)仔細(xì)對中，不要使用對中桿。

2.4 周期誤差

周期誤差是以一定距離（一般是精測光尺長度）為周期重復(fù)出現(xiàn)的誤差。周期誤差是由儀器內(nèi)部電信號的申擾產(chǎn)牛的。測相信號同頻率的干涉信號，會使接收信號的相位發(fā)生變化，

相位計(jì)測出的相位已不是測距信號的相位，而是測距信號與串?dāng)_信號的合成信號的相位，使洲距產(chǎn)生誤差。為了減少儀器的周期誤差，主要是采取加強(qiáng)屏蔽、合理隔離。日前的全站儀都采用了大規(guī)模集成電路，并有良好的屏蔽能力-因此周期誤差很小。

3 比例誤差分析

3.1 真空光速值的測定誤差

目前真空光速值的測定精度已相當(dāng)高，所以此項(xiàng)誤差對測距的影響可以忽略不計(jì)。

3.2 頻率誤差

調(diào)制頻率足由石英晶體振蕩器產(chǎn)生的。調(diào)制頻率決定光測尺的長度。它的誤差直接影響測距精度。與鋼尺量距中尺長誤差對測距的影響一樣，頻率誤差屬于系統(tǒng)誤差，它與所測距離的長度成正比。頻率誤差產(chǎn)生的原因，一是振蕩器設(shè)鼢的訓(xùn)制頻率有誤差，即頻率的準(zhǔn)確度問題；二是在使用過程中。由于晶體老化、溫度變化、電源及電子電路的影響，振蕩器的頻率發(fā)生漂移，即頻率的穩(wěn)定度問題。前者產(chǎn)生的頻率誤差可用高精度的頻率計(jì)（相對精度一般應(yīng)高于10-8）校準(zhǔn)，后者可選擇高質(zhì)量的石英晶體，采用恒溫裝置及穩(wěn)定的電源，以減小頻率誤差。

3.3 大氣折射率的誤差

大氣中的光速與大氣折射率有關(guān)，大氣折射率的誤差會：畝接影響到光速，也會影響光測尺的長度。大氣折射率與空氣的密度和濕度有關(guān)，空氣的密度又與氣溫和氣壓有關(guān)。據(jù)測定·溫度誤差對折射率的影響最大，溫度誤差為1℃，對折射率的影響為0，93×10-6。由于折射率誤差與測距誤差成正比，因此對測距的影響亦為0，93×10-6D。當(dāng)氣壓誤差為1mbar時(shí)對測距的影響為0，27×10-6D。濕度的影響最小，一般情況下可不考慮。觀測時(shí)，一是在測線兩端分別量取溫度和氣壓取平均值；二是選擇有利的觀測時(shí)間。

4 棱鏡參數(shù)及其改正

由于光在玻璃中的傳播速度比空氣中慢，因此光在反射棱鏡中傳播所用的超量時(shí)間會使所測距離增大某一數(shù)值，通常我們稱作棱鏡常數(shù)。棱鏡常數(shù)的大小與棱鏡直角玻璃錐體的尺寸和玻璃的類型有關(guān)。實(shí)際上，棱鏡常數(shù)已在廠家所附的說明書或在棱鏡上標(biāo)出（通常為“0mm”或“-30mm”），供測距時(shí)使用。在精密測量中，為減少誤差，應(yīng)使用儀器檢定時(shí)使用的棱鏡類型。

[1]李秀芬.提高全站儀測高差精度的方法[J].交通科技，2002(5).

[2]裴志，賀鵬，韓彥偉.應(yīng)用全站儀進(jìn)行三角高程測量的新方法.會議論文，2006.