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

1 測量時的注意事項

1）開工前應檢查儀器箱背帶及提手是否牢固；

2）開箱后提取儀器前，要看準儀器在箱內放置的方式和位置，裝卸儀器時，必須握住提手，切不可拿儀器的鏡筒，否則會影響內部固定部件，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。裝箱時各部位要放置妥帖；

3）在陽光照射下觀測，應給儀器打傘，并帶上遮陽罩。在陰雨天氣進行作業時，也應打傘遮雨，以免影響觀測精度；

4）架設儀器盡可能用木制三腳架，因金屬三腳架會產生振動，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，以避免發生意外事故；

5）當測站之間距離較遠，搬站時應將儀器電源關閉后卸下，再裝箱背著走。當測站之間距離較近，搬站時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）儀器任何部分發生故障不能勉強使用，應立即檢修，否則會加劇儀器的損壞程度；

7）禁止用手撫摸儀器的光學元件表面。清潔儀器透鏡表面時，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）儀器應保持干燥，遇雨后應將儀器擦干，放在通風處，待儀器完全晾干后才能裝箱。儀器箱應保持清潔、干燥；

9）冬天室內室外溫差較大，儀器搬出室外或搬人室內，應隔一段時間后才能開箱；

10）電池充電時間不能超過規定的時間。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）測相系統本身的誤差

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

2）照準誤差

照準誤差是由發光管發射的光束相位不均勻產生的。砷化鎵發光管發射的光束，在與發光管等距離的圓弧面上的相位應該相同，光束不同位置測出的距離也應相同。實際上，相位相同的點并不在同一圓弧上，導致相位相同的點，距離都不一樣。這樣，在測距時用了光束的不同位置，結果也會不同。這就是相位不均勻所造成的誤差。這項誤差主要取決于發光管的質量，可采用一些光學措施，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，加設自動增益控制電路，以控制電流的輸出幅度。也叮設置控制孑L徑光欄或減光板，以調節信號強度。

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

4）噪聲引起的誤差

由于大氣溫度變化而產生的抖動及一些光、電信號的干擾而產生的噪聲，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，可采取增大信號強度的方法來減少噪聲的影響。另外，這項誤差是隨機的，儀器采用增多檢相次數取平均值，可以減弱其影響。

2.2 儀器加常數誤差

儀器的加常數是儀器常數和棱鏡常數之和。儀器常數是儀器的豎軸中心線至機內距離起算參考面的距離。棱鏡常數是棱鏡基座中心軸線至等效反射面的距離。加常數是與所測距離大小無關的一個常數，通常將它測定出來，預置在儀器中，自動進行改正。

由于儀器經過長途運輸和使用，加常數值會發生變化。因此，要求定期測定加常數，然后將測得的新值預置在儀器中，以取代原先設置的加常數。

2.3 儀器和棱鏡的對中誤差

用光學對中，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，要求測前對光學對中進行嚴格校正，觀測時應仔細對中，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）為周期重復出現的誤差。周期誤差是由儀器內部電信號的申擾產牛的。測相信號同頻率的干涉信號，會使接收信號的相位發生變化，

相位計測出的相位已不是測距信號的相位，而是測距信號與串擾信號的合成信號的相位，使洲距產生誤差。為了減少儀器的周期誤差，主要是采取加強屏蔽、合理隔離。日前的全站儀都采用了大規模集成電路，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高，所以此項誤差對測距的影響可以忽略不計。

3.2 頻率誤差

調制頻率足由石英晶體振蕩器產生的。調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，頻率誤差屬于系統誤差，它與所測距離的長度成正比。頻率誤差產生的原因，一是振蕩器設鼢的訓制頻率有誤差，即頻率的準確度問題；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，振蕩器的頻率發生漂移，即頻率的穩定度問題。前者產生的頻率誤差可用高精度的頻率計（相對精度一般應高于10-8）校準，后者可選擇高質量的石英晶體，采用恒溫裝置及穩定的電源，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，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，空氣的密度又與氣溫和氣壓有關。據測定·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。當氣壓誤差為1mbar時對測距的影響為0，27×10-6D。濕度的影響最小，一般情況下可不考慮。觀測時，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間。

4 棱鏡參數及其改正

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間會使所測距離增大某一數值，通常我們稱作棱鏡常數。棱鏡常數的大小與棱鏡直角玻璃錐體的尺寸和玻璃的類型有關。實際上，棱鏡常數已在廠家所附的說明書或在棱鏡上標出（通常為“0mm”或“-30mm”），供測距時使用。在精密測量中，為減少誤差，應使用儀器檢定時使用的棱鏡類型。

[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.應用全站儀進行三角高程測量的新方法.會議論文，2006.