全站仪测量误差分析

刘 海

保定长城汽车股份有限公司，河北保定 071000

测距误差是由光速、测相、频率、大气折射率和仪器常数等误差引起的。测距误差可为两类：一类是与距离远近无关的误差，即测相误差和仪器加常数误差，称为固定误差；另一类是与距离远近成比例的误差，即光速误差、频率误差和大气折射率误差，称为比例误差。

1 测量时的注意事项

1）开工前应检查仪器箱背带及提手是否牢固；

2）开箱后提取仪器前，要看准仪器在箱内放置的方式和位置，装卸仪器时，必须握住提手，切不可拿仪器的镜筒，否则会影响内部固定部件，降低仪器的精度。仪器用毕，先盖上物镜罩，并擦去表面的灰尘。装箱时各部位要放置妥帖；

3）在阳光照射下观测，应给仪器打伞，并带上遮阳罩。在阴雨天气进行作业时，也应打伞遮雨，以免影响观测精度；

4）架设仪器尽可能用木制三脚架，因金属三脚架会产生振动，影响测量精度。用连接螺旋将仪器固定在三脚架上之后才能放开仪器。在整个操作过程中，观测者不能离开仪器，以避免发生意外事故；

5）当测站之间距离较远，搬站时应将仪器电源关闭后卸下，再装箱背着走。当测站之间距离较近，搬站时可将仪器连同三脚架一起靠在肩上，仪器要尽量保持直立；

6）仪器任何部分发生故障不能勉强使用，应立即检修，否则会加剧仪器的损坏程度；

7）禁止用手抚摸仪器的光学元件表面。清洁仪器透镜表面时，请先用干净的毛刷扫去灰尘，再用干净的无线棉布蘸酒精由透镜中心向外一圈圈地轻轻擦拭；

8）仪器应保持干燥，遇雨后应将仪器擦干，放在通风处，待仪器完全晾干后才能装箱。仪器箱应保持清洁、干燥；

9）冬天室内室外温差较大，仪器搬出室外或搬人室内，应隔一段时间后才能开箱；

10）电池充电时间不能超过规定的时间。电池长期不用，要每月充电一次。存放温度以0℃～40℃为宜。

2 固定误差分析

2.1 测相误差

测相误差就是测定相位差的误差。测相精度是影响测距精度的主要因素之一，因而提高测相精度对测距十分有利。但测相误差的来源很多，有仪器本身的原因，也有外界条件变化的影响。

1）测相系统本身的误差

目前红外测距均采用脉冲数字式自动测相装置。它主要受时钟脉冲频率稳定性、检相电路的时间分辨率以及平均检相次数的影响。要减弱测相系统本身误差的影响，主要是提高电路和测相装置的质量。

2）照准误差

照准误差是由发光管发射的光束相位不均匀产生的。砷化镓发光管发射的光束，在与发光管等距离的圆弧面上的相位应该相同，光束不同位置测出的距离也应相同。实际上，相位相同的点并不在同一圆弧上，导致相位相同的点，距离都不一样。这样，在测距时用了光束的不同位置，结果也会不同。这就是相位不均匀所造成的误差。这项误差主要取决于发光管的质量，可采用一些光学措施，如混相透镜等减小误差。

3）幅相误差

幅相误差是由于接收信号的强弱变化，对测量相位差所造成的影响。为了减小幅相误差，可改善电路系统，加设自动增益控制电路，以控制电流的输出幅度。也叮设置控制孑L径光栏或减光板，以调节信号强度。

全站仪一般均设有幅度自动控制系统，虽然测量的距离远近不同-但接收信号的幅度能保持在一定范围内，这就避免了幅相误差的产生。

4）噪声引起的误差

由于大气温度变化而产生的抖动及一些光、电信号的干扰而产生的噪声，降低了仪器对测距信号的分辨能力，给测距带来误差。影响测距信号分辨能力的是信噪比，即信号功率与噪声功率的比值。因此，可采取增大信号强度的方法来减少噪声的影响。另外，这项误差是随机的，仪器采用增多检相次数取平均值，可以减弱其影响。

2.2 仪器加常数误差

仪器的加常数是仪器常数和棱镜常数之和。仪器常数是仪器的竖轴中心线至机内距离起算参考面的距离。棱镜常数是棱镜基座中心轴线至等效反射面的距离。加常数是与所测距离大小无关的一个常数，通常将它测定出来，预置在仪器中，自动进行改正。

由于仪器经过长途运输和使用，加常数值会发生变化。因此，要求定期测定加常数，然后将测得的新值预置在仪器中，以取代原先设置的加常数。

2.3 仪器和棱镜的对中误差

用光学对中，对中误差一般小于1mm；用对中杆对中，一般可小于2mm。对于精密测距，要求测前对光学对中进行严格校正，观测时应仔细对中，不要使用对中杆。

2.4 周期误差

周期误差是以一定距离（一般是精测光尺长度）为周期重复出现的误差。周期误差是由仪器内部电信号的申扰产牛的。测相信号同频率的干涉信号，会使接收信号的相位发生变化，

相位计测出的相位已不是测距信号的相位，而是测距信号与串扰信号的合成信号的相位，使洲距产生误差。为了减少仪器的周期误差，主要是采取加强屏蔽、合理隔离。日前的全站仪都采用了大规模集成电路，并有良好的屏蔽能力-因此周期误差很小。

3 比例误差分析

3.1 真空光速值的测定误差

目前真空光速值的测定精度已相当高，所以此项误差对测距的影响可以忽略不计。

3.2 频率误差

调制频率足由石英晶体振荡器产生的。调制频率决定光测尺的长度。它的误差直接影响测距精度。与钢尺量距中尺长误差对测距的影响一样，频率误差属于系统误差，它与所测距离的长度成正比。频率误差产生的原因，一是振荡器设鼢的训制频率有误差，即频率的准确度问题；二是在使用过程中。由于晶体老化、温度变化、电源及电子电路的影响，振荡器的频率发生漂移，即频率的稳定度问题。前者产生的频率误差可用高精度的频率计（相对精度一般应高于10-8）校准，后者可选择高质量的石英晶体，采用恒温装置及稳定的电源，以减小频率误差。

3.3 大气折射率的误差

大气中的光速与大气折射率有关，大气折射率的误差会：亩接影响到光速，也会影响光测尺的长度。大气折射率与空气的密度和湿度有关，空气的密度又与气温和气压有关。据测定·温度误差对折射率的影响最大，温度误差为1℃，对折射率的影响为0，93×10-6。由于折射率误差与测距误差成正比，因此对测距的影响亦为0，93×10-6D。当气压误差为1mbar时对测距的影响为0，27×10-6D。湿度的影响最小，一般情况下可不考虑。观测时，一是在测线两端分别量取温度和气压取平均值；二是选择有利的观测时间。

4 棱镜参数及其改正

由于光在玻璃中的传播速度比空气中慢，因此光在反射棱镜中传播所用的超量时间会使所测距离增大某一数值，通常我们称作棱镜常数。棱镜常数的大小与棱镜直角玻璃锥体的尺寸和玻璃的类型有关。实际上，棱镜常数已在厂家所附的说明书或在棱镜上标出（通常为“0mm”或“-30mm”），供测距时使用。在精密测量中，为减少误差，应使用仪器检定时使用的棱镜类型。

[1]李秀芬.提高全站仪测高差精度的方法[J].交通科技，2002(5).

[2]裴志，贺鹏，韩彦伟.应用全站仪进行三角高程测量的新方法.会议论文，2006.