浅析全站仪误差与检验相关问题

2023-02-28

全站仪原理误差是指仪器基于自身原理和制造工艺的限制而存在的天然的误差, 是仪器误差形成的根源。具有理论上的不可根除性, 只有通过提高工艺条件以将其限制在一定的范围内。 (1) 对于利用测量时对实现测距的原理来说, 时间基准偏差造成的测距误差就是绝对存在的, 而钢尺测距则不存在这一原理误差。 (2) 误差具有一定程度的不稳定性, 虽然仪器经过检验和校正, 误差被控制在一定限差内, 由于时间, 空间等环境条件的变化, 部分技术参数的漂移, 自身的磨损等因素, 都可能造成仪器超出限差, 这也是计量仪器定期要检定的原因。 (3) 误差对不同的测量成果影响程度不尽相同, 因为每种误差存在的规律不同。即使某种原理误差已经不限制在一定范围内, 但仍可能对某些测量成果产生极大的影响。在实际测量作业中, 系统误差对测绘成果的质量的影响很大, 三角高程测量就是该道理, 系统误差本身固有的积累效应又使其破坏力进一步放大, 因此关注系统误差意义更大[1]。

1 全站仪测距系统误差的来源

全站仪是集光学、电子学、计算机技术等学科为一体的高科技测绘产品。测距系统误差主要有[2]: (1) 周期误差; (2) 加、乘常数误差; (3) 幅相误差。周期误差是指由于测距仪光学和电子线路的光电信号窜扰而使待测距离以精测尺长LS=λ/2为周期重复出现的误差·在一台测距仪内部, 虽然在电路设计中使用了多种滤波, 抗干扰手段, 尽管光学与电子的发射系统和接收系统之间采取了严格的隔离措施, 但是往往还会有微弱的同频光窜扰和电窜扰存在。周期误差就是主要来源于仪器内部的这些同频率窜扰信号。

按照周期误差的规律, 我们不难得出其数学模型:σ=Asin (2kπ×D/Ls+θ) 。其中, A为周期误差的振幅, θ为初相Ls=λ/2, (λ为波长) 。

其解决方法是根据周期误差的成因, 我们就会明白要想彻底根除周期误差是不可能的, 只有想办法减小这种误差, 防止光电信号窜扰。这就要求在仪器的设计生产过程中, 尽可能地提高整机的屏蔽抗干扰特性。另外, 根据周期误差的特性, 求出周期误差的振幅和初相角, 即检定部门给出的周期误差参数, 进行改正计算。

2 测距仪加乘常数误差

2.1 加常数误差

加常数误差是由仪器的测距部光学零点和仪器对点器不一致造成的, 其现象是对所有测量值都加入了一个固定偏差。它由两部分构成即仪器常数误差和棱镜常数误差。此外, 幅相误差也常常影响加常数的检测效果, 因为仪器幅相特性不好时若内外光路不平衡, 则内光路的测量结果不能完全抵消外光路测量的延迟, 也能产生加常数类似的效果。

2.2 乘常数误差

乘常数误差是由仪器的时间基准偏差造成的, 其现象是给观测值加入了一个与距离成比例的偏差。而石英晶体震荡器是测距系统产生时间基准的主要元件, 石英晶体震荡器的好坏直接决定了测距精度。所以下面讨论一下石英晶体震荡器的特性。

目前, 全站仪中广泛采用石英晶体震荡器作为仪器测距的时间标准, 因为石英晶体的固有频率具有良好的稳定性。晶体震荡器的作用是产生高频测距信号, 且它所产生的高频测距信号须具有频率稳定的特点, 这是保证测距精度的一个重要条件。调制频率决定测尺度, 它的误差直接影响测距精度。石英晶体调制频率误差的产生是由于安置频率不准确以及晶体老化等原因造成的频率漂移。一般安置频率的准确性较高, 其对测距的影响较小, 而频率漂移所产生的误差是产生误差的主要根源。石英晶体震荡器的频率稳定性与石英晶体的温度特性有着密切的关系, 而这种关系是非线性的。解决石英晶体震荡器温度补偿的方式主要有两种: (1) 随着硬件方面的技术进行误差的改正, 就是把晶体放入恒温槽中, 改变晶体的环境温度; (2) 用微处理器中的存储和运算功能, 根据频率和温度的关系, 对测距仪的示值进行精度修正, 后者不仅降低了成本, 而且提高了精度, 所以被广大仪器生产厂家广泛运用。

2.3 加、常数误差的检验及处理方法

我们在已经标定的六段基线场上按照全组合在强制归心的条件下, 观测获得21个边长观测值, 经气象改正后跟已知边长值比较后获得一组差值, 列出误差方程式, 求出加、乘常数误差。

在检测过程中, 偶尔会遇到一些仪器的检测结果加乘常数比较大, 对此我们就应该从多方面分析原因, 以判断仪器合格与否。虽然理论上乘常数误差是由仪器的时标偏差造成的, 但是实际上还有诸多因素对乘常数的检测结果产生影响, 如仪器内部的比例改正常数、气象参数误差、幅相误差等。当检验得到的乘常数较大时, 首先进行仪器频率测试验证当频率测试结果与基线检测结果一致时, 对时标频率进行校正即可。否则, 还要查找其他原因。一般有以下四个方面的原因: (1) 仪器内部人工比例改正常数丢失; (2) 仪器的幅相误差严重; (3) 气象参数错误; (4) 仪器气象单位设置与应用单位不一致。若是原因 (1) , 可以使用乘常数结果对仪器内部的比例常数进行改正;若是 (3) , (4) 原因, 应改正设置后重测;若是原因 (2) , 应送维修部门修理。虽然理论上加常数误差是由仪器常数和棱镜常数构成, 但是实际上还有诸多因素对加常数的检测结果产生影响。主要有仪器内部设置错误, 仪器内外光路信号不平衡。对于前者应改正设置重新测量, 对于后者则应修理。