电子经纬仪的组成
出处：按学科分类—工业技术 中国建材工业出版社《工程测量实用技术手册》第456页（9681字）
电子经纬仪最初出现于20世纪80年代初期，其使用光电测角系统替代原光学经纬仪的光学度盘与读数系统，将光学读数方式变为数字显示方式。虽然早期的电子经纬仪需要人工读数和记录，但这一变革为实现自动读数和自动记录创造了条件。
此后，能够进行全自动读数、记录和测站数据处理的电子经纬仪出现。近几年来，电子经纬仪与光学经纬仪在光机性能方面不相上下，在数据获取、处理及记录功能方面更具先进性，价格也在逐年降低，因而获得广泛的应用。
与光学经纬仪相比，电子经纬仪的最大的特点是：一是采用了光电角度传感装置；二是增加了电子数据处理与存储系统。
电子经纬仪的光机系统与光学经纬仪类似，可以分为照准部、水平度盘和基座三大部分。其主要区别是去掉了光学读数系统，增加了实现数据的记录、处理和存储的电子系统。
1．电子系统
最初的光栅电信号为模拟信号，经过放大、模数转换、整形等处理后，变为规则的数字信号。包括计数电路、显示电路、存储电路等，实现电子经纬仪的数据管理功能。图18－69是电子经纬仪的工作方框图。电子经纬仪若用单片机控制则要比全站仪差一些，程序指令也要简单一些。
图18－69 电子经纬仪整体方框图
2．电子经纬仪的光学系统
由于免除了光学经纬仪复杂的光学测微和读数系统，电子经纬仪的光学系统大为简化。但在照准光学系统(望远镜等)方面，两者差别不大。
在读数光学系统上，电子经纬仪只剩下包括光栅度盘、光源(发光二管)、测微光栅、光电接收器等极少量的光电子元件，因此只保留了一些较简单的光学系统。
3．电子经纬仪的机械系统
电子经纬仪的机械系统与光学经纬仪基本相同，即主要由安置系统、整平系统、制动与微动系统、轴系、支撑和防护系统等多种功能的200余个独立的机械元件组成。电子经纬仪的主要创新并非机械系统，其相应结构可参阅光学经纬仪的有关书籍。这里主要介绍电子经纬仪中普遍使用的竖盘指标自动归零装置。
4．电子经纬仪的倾斜补偿器
在测量工作中，有许多方面的因素影响着测量精度，其中竖直轴、水平轴和水准管轴的不正确安装或整置是最重要的因素。为了减少测量误差，人们常采用盘左、盘右取平均值的测量方法。有不少工程有时只需一个盘位测量就能满足精度要求，另外有些工程放线等工作并非由专业测量人员进行，这就要求仪器能自动减少轴系误差的影响。现代电子经纬仪一般都设置了补偿器，竖轴剩余倾斜对观测结果的影响能进行自动补偿。
在光学经纬仪中为了克服竖轴剩余倾斜对竖直角的影响，通常采用竖盘指标水准管指标自动归零补偿器使指标处于正确位置。在过去的电子经纬仪中，一般都设置了一个倾斜传感器(或称整平传感系统)，以代替竖盘指标水准管或竖盘指标自动归零装置，即为单轴补偿。而现代电子经纬仪，由于传感器可做两个方向的补偿，即双轴补偿，仪器作业时，只要用圆水准粗略整平，其竖轴剩余倾斜可通过倾斜传感器以信号形式输入机内微处理机，对所测的竖直角和水平角进行自动改正。
补偿器的作用就是通过寻找仪器在垂直和水平方向的倾斜信息，自动地对测量值进行改正，从而提高采集数据的精度。
(1)补偿器的分类
按补偿范围一般可分为：
1)单轴补偿。只能补偿由于垂直轴倾斜而引起的竖盘读数误差。
2)双轴补偿。可同时补偿由于垂直轴倾斜而引起的竖盘和水平盘的读数误差。
3)三轴补偿。不仅补偿由于垂直轴倾斜引起竖盘和水平盘读数误差，还能补偿由于水平轴倾斜误差和视准轴误差引起的水平盘读数误差。
(2)补偿器类型
补偿器的类型一般有两种，即摆式补偿器和液体补偿器。前者为老式补偿器，多见于早期电子经纬仪，如T1000、T1600等；当今所有的电子经纬仪和全站仪几乎都采用液体补偿器。
(3)补偿范围
补偿范围是指仪器允许偏离水平面的程度，在此范围内补偿器测量横向的倾斜量，进而对仪器的竖盘和水平盘读数进行修正。
(4)补偿精度
仪器使用手册上给出的通常是仪器的设置精度，是指仪器对倾斜量的测量精度。
5．电子经纬仪的倾斜传感器
各种电子经纬仪中倾斜传感器的结构形式各异，但工作原理基本相同。
(1)液体式
液体式倾斜传感器的典型结构之一如图18－70所示，静态液面的法线方向即为铅垂直方向，T1T1为平行于仪器横轴的轴线，T2T2为垂直于横轴、平行于竖盘面的轴线，并假设横轴垂直于竖轴。当竖轴处于铅垂状态时，竖轴即与液面正交。此时从位于T2T2轴线上的发光二极管(简称为LED)射出的光束经液面反射后，会聚于光电二极管阵列上。入射角为θ的光束(图中以中心光线表示)经液面反射后，投射到阵列中间第三个光电二极管上，从而产生光致电流信号。该信号输入到机内控制微处理器中，这就表明该轴线处于水平位置。类似布置于T1T1轴线上的另一组光电二极管阵列，光线亦投射到阵列中的第三个光电二极管上，产生光致电流信号。这两个信号同时输入到微处理器中，这就表明仪器竖轴是铅垂的，由水平和竖直度盘读得的角度值是正确的。
图18－70 液体式倾斜传感器典型结构之一
若竖轴相对液面法线方向倾斜了一小角度i，并将它分解为经纬仪横轴方向的分量τ0及望远镜视准轴方向(即平等于竖盘盘面的方向)的分量τp0，假设从轴线T2T2上发光二极管射出的光束与液面法线成τ1入射角，若经液面反射至第5个光电二极管，产生电流信号，经精心设计后，可使第5个光电二极管输出的电信号与τp角值对应。由机内微处理器的预存程序对竖盘读数进行自动改正，相当于竖盘指标自动归零。同理，由平行于横轴轴线T1T1上的光电二级管可得到对应的角值，亦可由微处理器程序对水平读数进行改正。由此可知，具有双轴线倾斜传感装置的电子经纬仪，一般只配置圆水准器即可，而只具有单轴线倾斜传感器的仪器，除配置圆水准器外，还须配置照准部水准管，以保证水平盘和竖盘读数的正确性。
图18－71为倾斜传感器的光学系统。底部有水银槽，水银上表面的法线方向即是铅垂方向，水银层上面有硅油阻尼层，以防止水银氧化并起阻尼作用。其上嵌装了一块镀有增透膜的平板玻璃。照明透镜由一片正透镜和一片负透镜组成，其光学系统的等效焦距为163mm。
图18－71 倾斜传感器光路
竖盘上的刻划线通过转向棱镜及液体盒后，由成像透镜成像于水平度盘刻划面A处，然后两个度盘的刻划线同时成像于指标平面上。当仪器倾斜角时，竖盘倾斜变化的弧度值为r·α，而光线通过液体产生的偏折角为β，考虑到补偿条件，则得：
r·α=β·g
式中 r——竖盘刻划；
g——补偿器液面至竖盘刻划面的距离。
因为β=(n－1)α，取n=1．5，则β=0．5α，所以补偿摆的角放大系数为：
所以
g=2r
倾斜传感装置检测倾斜量的范围(即工作范围)因仪器实际尺寸的不同而不同，一般若仪器斜置超出了范围，它就会自动发出音响或显示光信号，以警示操作者。
HP3820A型电子速测仪的测量即是双轴线倾斜传感器的应用实例之一。
双轴线排列的正弦形透明缝隙(也称透明光迹)和4只光电二极管，安置在准直系统的焦平面处，如图18－72所示。设置两组正弦透明缝隙和光电二级管陈列的目的，是为了分别检测竖轴在平行横轴方向与平行竖盘方向时的倾斜分量。将图18－71和图18－72结合起来可以看出，当仪器倾斜时，活动的水银面仍保持水平，水银面的反射使正弦光迹的投影相对于光电二极管阵列发生位移，因而产生电信号的相移。利用前章所述电子测相细分的方法，可分别求出两轴线方向的倾斜改正值。该仪器的测定精度可达±0．3″(即±1cc)。
图18－72 双轴线倾斜传感器
为了防止倾斜传感器超出极限工作范围，另外设置了极限传感器。当竖轴倾斜量在工作范围以内时，经方形图样射出的光束将投射到极限传感器上。若竖轴倾斜超出了工作范围，经方形图样射出的光束就投射到极限传感器上，这时仪器便自动发出警告信号给操作者。这类仪器的极限工作范围为±150″。
(2)电容式
电容式倾斜传感器属单轴线倾斜传感器，其结构如图18－73所示，水准管内壁下部全长镀银层，上部对称镀两段银层，管内充电容量与电介系数ε成正比，而与平板间距d成反比，可用下式表示：
图18－73 电容式倾斜传感器
由电子技术可知，RC振荡器及LC振荡器(包括晶体振荡器)的谐振频率f0分别可由电容量C决定。由图18－73可知，电容器极板面积S随气泡位置的变化而变化，从而改变电容量C，由式(I2－I4)=2Icosφsinωt知，亦可改变振荡器的输出频率f0。
设计制造时使气泡居中，即电容量C1或C2相等，故振荡器输出频率f1与f2也相等。气泡不居中时，由于S1≠S2，则C1≠C2，故振荡器输出的频率f1与f2也不相等。设计时使f1与f2一定量的差值△f1对应一定的气泡偏移量。
测量竖直角时，电子开关使电容C1和C2依次分别接入振荡回路中，振荡器相应地输出振荡频率f1和f2至微处理机，微处理机依频率差值△f=f1－f2的大小，对所测竖直角进行修正，以消除竖轴剩余倾斜对竖直角观测值的影响。
为了消除温度变化对电容式倾斜传感器气泡灵敏度的影响，仪器内设置了电子温度传感器。它将测得的环境温度参数输入微处理机，以修正温度对C1、C2及f1、f2的影响。
6．竖盘指标自动归零装置
电子经纬仪上一般使用竖盘指标自动归零补偿器，不但加快了作业速度，简化了仪器结构，也扩大了仪器使用范围，其基本原理与光学经纬仪的竖盘指标自动归零补偿器相似。下面介绍光学经纬仪竖盘指标自动归零装置的原理。
(1)基本原理
在图18－74中，
表示视准轴，与标有注记的竖盘一同旋转。指标线A(通过反射棱镜展开与90°成一直线)，通过透镜O成像于竖盘分划线位置。图18－74(a)表示为理想关系，即望远镜水平，竖轴铅垂，指标A成像于90°分划处。如图18－74(b)所示，当仪器倾斜一角度α(此角值在照准部水准器安平精度范围以内，一般不大于±1′)，由于是整个仪器倾斜，指标水准器气泡未居中，此时竖盘读数仍为90°未变。虽然指标线位置由A移至A′，但A′、O、90°三者的相对位置未变。图18－74(c)表示将倾斜视准轴重新安平后的情况，此时指标线仍处于原位置，则读数不等于90°，而为K。此时可将指标水准管居中读数变为90°，此时仪器虽倾斜了α角，但竖盘读数仍为90°，视准轴水平，即不受仪器倾斜的影响。
图18－74 竖盘指标自动归零基本原理
现在，不再用指标水准器微动螺旋使气泡居中(即不使A′→A)，而是通过某种方法使A′能自动地摆到A，或者使A′能永远在90°处成像。例如，OA为一悬挂垂球的线，不管仪器倾斜与否，它永远处在铅垂位置，即实现了自动归零的目的。
在精度更高的光学经纬仪上，竖盘以及水平盘的读数指标线相对仪器是固定的，在使指标水准器气泡居中的过程中，指标线是不动的，与指标水准器一起偏转的是指标与度盘之间的成像光具组。如图18－74中的O，用成像光具组的位移造成指标线影像的移动，也可以视为改变竖盘分划线影像与指标线之间的相对位置。以下介绍几种自动安平补偿器的结构与基本原理。
1)悬吊透镜补偿器
实现悬吊透镜补偿的方法是，将指标线与竖盘之间的某一个(或组)光学零件进行悬吊，如将成像透镜O进行悬吊[图18－74(c)]。
当仪器倾斜了α角，指标线位移至A′点，望远镜视准轴水平后，只要A′的像能位于90°处，如图18－75(a)，则实现了自动归零。仪器倾斜后透镜若是固定于仪器上，则随仪器倾斜至O(图上虚线所示)，A′通过透镜中心成像于K处。但由于透镜用柔丝进行悬吊，在重力作用下由O摆至Q′。指标线A′通过摆动以后的透镜的边部，则产生折射，成像于度盘的90°处(图上粗虚线所示)。这种悬吊透镜补偿器结构简单，只是将原有的成像透镜进行悬吊，在未增加任何光学零件下，既起成像作用又起补偿作用。
图18－75 几种竖盘指标自动补偿器的原理
(a)悬吊透镜补偿器；(b)“液体盒”补偿器；(c)悬吊平板玻璃补偿器
2)“液体盒”补偿器
图18－75(b)所示为“液体盒”式补偿器原理图。当仪器倾斜后，由于“液体盒”是固定在仪器上的，将随仪器一同倾斜，但在重力作用下液面恒保持水平，则“液体盒”变成一光楔，A′通过它产生折射仍成像于竖盘90°处。
3)悬吊平板玻璃补偿器
图18－75(c)所示为悬吊平板玻璃补偿器原理图。在仪器竖盘成像光路上加挂一块厚的平板玻璃，采用V型悬吊，以扩大平板玻璃转动的角度。当仪器顺时针方向倾斜α角后，平板玻璃若是固定在仪器上，它将随仪器倾斜至虚线位置，A′垂直地通过它成像于K。但平板玻璃是用柔丝进行V型悬吊，由于重力作用摆至实线位置时，相对于固定位置转动了β角，β与α为同一方向，指标线A′通过转动后的平板玻璃产生一段平移，使成像仍位于竖盘的90°处。
设d为悬吊平板玻璃的厚度，n为悬吊平板玻璃的折射率，β为平板玻璃旋转角，则光线平移量△可按折射条件求得：
设R为竖盘分划半径，v⊥上为竖盘成像透镜组的放大率。由于仪器倾斜α角后，竖盘分划线的影像位置变化量△′为：
△′=α·R·v⊥
补偿条件是：△=△′
即
移项后得关系：
如R=38mm，d=9．6mm，v⊥=3．15倍，n=1．7172时，计算出β／α=30倍，即要求补偿器吊架的放大系数为30倍。此种放大系数必须采用V型悬吊。
4)悬吊反射棱镜补偿器
有的仪器采用悬吊反射棱镜，即在竖盘成像光路中，把其中一转向棱镜进行悬吊，从而起到自动补偿作用。这种装置也不需增加专起补偿作用的光学零件。
(2)几种典型的竖盘指标补偿器
1)簧片悬吊式透镜补偿器
簧片式悬吊透镜补偿器在经纬仪上广泛采用，它属于中等精度的补偿器，工作范围为±4′，补偿精度为±1．5″～±2．0″。
仪器竖盘光路如图18－76(a)所示，竖盘2的分划线经转向棱镜4、成像透镜0和棱镜3，成像于指标面A上。图18－76(b)为结构图，竖盘整个成像系统3、0、4均用簧片1进行悬吊。整个吊架用螺丝8(两个)固定在框架上，框架用螺丝10(4个)固定在仪器左支架内，5为限程装置，点接触部位采用玛瑙材料，黏附力几乎为零。轻轻地抖动照准部，可听到限程装置相互碰撞的清脆响声。松紧调节螺丝5个，可控制补偿器的工作范围，一般为±4′～±5′。7为活塞式空气阻尼器的活塞，对称布置两个，活塞套固定在框架上，它与活塞的相对位置可以从框架两侧进行调整。9为螺母。
图18－76 簧片悬吊式透镜补偿器
(a)光路图；(b)结构图；(c)原理图
如图18－76(c)说明补偿原理，当仪器倾斜α角后(逆时针)，由于悬吊簧片的弹性回力，补偿器仅摆动了β角(顺时针)，若是采用柔丝悬吊，补偿器将摆至铅垂位置。由于簧片的固定点在竖盘分划中心C以上，当补偿器摆动β角后，成像透镜O的中心仍处在通过C的铅垂线上，即指标线A经透镜O仍成像于竖盘90°分划线位置，实现了自动归零的目的。
从图18－76可看出，在此：β／α＜1。
要保证这一比例关系不变，在这种簧片式补偿器上是很难做到的。从分析中我们可知，仅湿度对簧片材料的弹性模量E的影响这一项，在温度变化±30℃时，补偿误差就达到2″～3″。因此在簧片的材料和工艺方面都有专门的要求，在仪器的装调过程中可适当地改变摆体质量平衡调节螺丝图18－76(a)中6的质量、簧片的工作长度等，来满足放大系数的要求。同时在使用过程中经常注意零位误差的变化，对“指标差”应经常进行检验和校正。这种补偿器经实际作业中考核，精度比较低且欠稳定，振动特别是抗高频振动性能不佳，所以在闹市区、多风地区、高标上均出现竖盘读数不准，严重时则无法读数。但由于它比吊丝式加工和整调容易，机械强度较好，抗冲击能也比吊丝强，故在低精度仪器上还有较大的用途。如为了提高补偿器的抗高频振动性能和灵敏度，可将悬吊的簧片由吊架仅将成像透镜O悬吊，转向棱镜3、4均改为固定的，吊摆的质量由原54g减至33g左右，性能稍有提高。
2)“液体盒”式补偿器
“液体盒”补偿器属于高精度的补偿器，其工作范围为±2′，补偿精度优于为±1．0″。
威特T1－A经纬仪竖盘自动归零补偿器的结构如图18－77所示。液体盒下端的内螺纹旋在透镜管座上，用校正针插在拨孔内可旋转液体盒，使之上下移动。改变补偿器液面至竖盘刻划面的距离g可以调节补偿器的放大系数N。调整好后，旋好紧定螺母7，然后用胶封闭。
该经纬仪竖盘光路如图18－77(a)所示，在竖盘成像光路上加装了“液体盒”1，“液体盒”1为一金属的圆锥形壳体，两端透光玻璃用特种胶压封，对胶的牢固性、化学稳定性均有高要求。竖盘2上的分划线通过转向棱镜3和P1，通过“液体盒”1后，由成像透镜O成像于水平度盘分划面4处。而后两个度盘的分划线，同时成像于指标面上(俗称读数窗)。
由图18－77(a)可知，光线通过“液体盒”产生偏转角β=α(n－1)。其中，α为仪器倾斜角，n为液体的折射率(1．3～1．6)。
图18－77 一种“液体盒”式补偿器
(a)光路图；(b)器件结构图
若选用n=1．5，则β=0．5α。当仪器倾斜α角时，竖盘倾斜变化的弧值为R·α。补偿条件为：
R·α=β·g
式中 R——竖盘分划半径；
g——补偿器液面至竖盘分划面的距离。
上式用放大系数表示，可得：
当β=0．5α，则得
g≈2R
上式说明，补偿器液面至竖盘分划面之间的距离相当长，因此，只有特定仪器竖盘光路的布置方案才能采用。
图18－77(b)为仪器支架左侧盖板拆下后的情况：1为竖盘护盖，2为竖盘转向棱镜套固定螺丝，3为竖盘转向棱镜固定螺丝，4为棱镜3的固定座，5为指标差校正螺旋，6为照明棱镜座固定螺旋。“液体盒”7用下端的内螺纹旋在成像透镜O管座10上，用校正针插在拨孔8内，旋转“液体盒”，使之能上下移动，用以调节补偿器的放大系数，即调节求v式中的g值，调好后拨紧并紧螺母9，然后用胶封固。指标差的校正螺丝5露在仪器外部，松紧对应的两个校正螺丝，可使固定着棱镜3[图18－77(a)]的圆板作微量转动，圆板上部的小转轴是插在横轴套内旋转。11为棱镜P2的固定螺丝。