3.8　電子經緯儀

光學經緯儀是利用光學的放大和折射依靠人工來進行度盤讀數的，而電子經緯儀則是利用光電轉換原理和微處理器自動對度盤進行讀數并顯示于讀數屏幕，使觀測操作簡單，避免產生讀數誤差。電子經緯儀能自動記錄、儲存測量數據和完成某些計算，還可以通過數據通信接口直接將數據輸入計算機。

3.8.1　電子經緯儀構造

電子經緯儀是集光、機、電為一體的新型測角儀器，與光學經緯儀相比，電子經緯儀將光學度盤換為光電掃描度盤，將人工光學測微讀數代之以自動記錄和顯示讀數，使測角操作簡單化，且可避免讀數誤差的產生。電子經緯儀的自動記錄、儲存、計算功能，以及數據通信功能，進一步提高了測量作業的自動化程度。電子經緯儀采用了光電掃描測角系統，其類型主要有：編碼測角系統、光柵盤測角系統及動態（光柵盤）測角系統等三種。

電子經緯儀同光學經緯儀最大的不同就是其讀數系統：光學經緯儀直接從度盤分劃讀數；而電子經緯儀從度盤上取得電信號，將電信號轉換成角度，自動顯示在顯示器上或記錄在電子手簿中，因此它比光學經緯儀多了電子顯示器，少了讀數顯微鏡管。

電子經緯儀的基本構造及性能基本相同，圖3-35為蘇州一光生產的DT302C型電子經緯儀。不同廠家生產的電子經緯儀在功能上都大同小異。一般在開始作業前，要對儀器進行相應設置。

①角度測量單位。儀器通常有幾種不同的角度計量單位，360°、400gon（1gon=0.9°）、640mil（640mil=360°）。

②豎直角零方向的位置。可選擇天頂為零方向或水平為零方向，分別測得天頂距和豎直角。

③豎盤指標自動補償?？梢赃x擇自動補償或不補償。

④測量次數?？梢赃x擇單次測量，也可以選擇連續測量。

3.8.2　電子經緯儀測角原理

電子經緯儀機械部分的基本構造與光學經緯儀相似，測角方法也類同。它們最重要的不同點在于讀數系統，電子經緯儀是利用光電轉換原理將通過度盤的光信號轉變為電信號，再將電信號轉變為角度值，并可以將結果存儲在微處理器內，根據需要進行顯示和換算以實現記錄的自動化。電子經緯儀按取得信號的方式不同可分為編碼度盤測角、光柵度盤測角和動態測角三種?，F將其基本原理介紹如下。

（1）編碼度盤測角

圖3-36是一個二進制編碼度盤圖。整個度盤圓周被均勻地分成16個區間，從里到外有四道環（稱為道碼），黑色部分為透光區（或稱導電區），白色部分為不透光區（或非導電區）。設透光（或導電）為1，不透光（或不導電）為0，根據各區間的狀態可列出表3-5。根據兩區間的不同狀態，便可測出該兩區間的夾角。

識別望遠鏡照準方向落在哪一個區間是編碼度盤測角的關鍵設備?，F以圖3-37來說明這一設備的原理。

圖3-37為度盤半徑的某一方向。在半徑方向的直線上，對每一碼道設置兩個接觸片，一個為電源，另一個為輸出。測角時設接觸片為固定的，當度盤隨照準部旋轉到某目標不動之后，接觸片就和某一區間相接觸，由于黑、白區的導電或不導電，在輸出端可得到該區間的電信號狀態。圖3-37的狀態為1001，它代表圖3-36的第9區間。如果照準部轉到第二個目標，輸出端的狀態為1110，即表示第14區間的狀態。那么兩目標間的角值就是由1001與1110反映出為第9至14區間的角度。

實際上在電子經緯儀中，是通過度盤的光信號來帶頭上述接觸片的。在度盤的上部為發光二極管，度盤下面的相應位置是光電二極管。對于碼道的透光區，發光二極管的光信號能夠通過而使光電二極管接收到這個信號，使輸出為1。對于碼道的不透光區，光電二極管接收不到信號，則輸出為0。

編碼度盤所得角度的分辨率與區間數s有關，即=360°/s，而s與碼道數n的關系為s=2的n次方。于是，如圖3-37碼盤的角分辨率為22.5°。如果碼道數增至9，角度分辨率也只有42.19'。如果要求分辨率為20'，則碼道數為16。在度盤半徑為80mm，碼道寬度為1mm的條件下，最里面一圈的碼道在一個區間的弧長將是0.006mm。要制作這樣小的接收元件是很困難的，因此，直接利用編碼度盤不容易達到較高的測角精度。

上述二進制編碼度盤還有一個缺點，當光電二極管位置緊靠碼區邊緣時，可能會誤讀為鄰區的代碼，使讀數發生大錯，后來發明了一種循環碼（又稱葛萊碼），使相鄰碼區間只有一個碼不同，減少了誤碼的可能性。美國HP公司生產的HP3820A型電子經緯儀即為8位碼道數的循環碼，將圓周分為2⁸=256格，每分格為1.4°。為了精確測角，必須設置角度的細分裝置，該儀器是采用了兩個獨立的電子測角內插系統，分辨率分別為10'和0.3'，這樣，就構成了電子測角的三級控制，三者綜合給出所測角度。

（2）光柵度盤測角原理

如圖3-38（a）所示，在玻璃圓盤的徑向，均勻地按一定的密度刻劃有交替的透明與不透明的輻射狀條紋，條紋與間隙的寬度均為a，這就構成了光柵度盤。

如圖3-38（b）所示，將兩塊密度相同的光柵重疊，并使它們的刻劃線相互傾斜一個很小的角度，此時會出現明暗相間的條紋，該條紋為莫爾條紋。莫爾條紋的特點是：兩個光柵的傾角θ越小，相鄰明、暗條紋間的間距ω（簡稱紋距）就越大，其關系為

　?。?-18）

式中，θ的單位為“分”；ρ'=3438'。例如，當θ=20'時，紋距=172d，即紋距ω將柵距d放大了172倍，這樣就可以對紋距進一步細分，以達到提高測角精度的目的。

當在兩光柵刻劃線的垂直方向作相對移動時，莫爾條紋在刻線方向移動。當光柵度盤相對移動一條刻線距離時，莫爾條紋上下移動一個周期，即明條紋正好移動到原來鄰近的一條明條紋的位置上。

如圖3-38（a）所示，為了在轉動度盤時形成莫爾條紋，在光柵度盤上安裝有固定的指標光柵。指示光柵與度盤下面的發光管和上面的光敏二極管固連在一起，不隨照準部轉動。光柵度盤與經緯儀的照準部固連在一起，當光柵度盤與經緯儀照準部一起轉動時，即形成莫爾條紋，隨著莫爾條紋的移動，光敏二極管將產生按正弦規律變化的電信號，將此電信號整形，可變為矩形脈沖信號，對矩形脈沖信號計算，即可求得度盤旋轉的角值。測角時，在望遠鏡瞄準起始方向后，可使儀器中心的計數器為0°（度盤置零）。在度盤隨望遠鏡瞄準第二個目標的過程中，對產生的脈沖進行計數，并通過譯碼器換算為度、分、秒送顯示窗口顯示出來。

（3）動態測角法

按動態測角法生產的儀器，主要為WildT2000系列。這種方法的特點是每測定一方向值均利用度盤的全部分劃，這樣可以消除刻劃誤差及度盤偏心差對其測量值的影響。度盤由等間隔的明暗分劃線構成，其分劃線的間隔為角度。在度盤的內側和外側分別有一組光信號發射和接收系統L_S，L_R，其中L_S安裝在儀器固定不動部分，為度盤的“零方向線”，另一個L_R則安裝在儀器的可旋轉部分，隨儀器的照準部或望遠鏡一起旋轉。

L_S和L_R均由一發光管和一接收二級管構成。當度盤在馬達的帶動下以一定的速度旋轉時，接收二級管接收穿過度盤的此線；當接收到光信號時，它送出高電平電信號；當未收到光信號時，它送出低電平電信號。L_S和L_R間的夾角用式（3-19）表示

　　（3-19）

式（3-19）與光電測距儀中的相位測量公式相似。儀器所帶的微處理器控制粗測和精測的測量過程。下面概述精測和粗測的測定方法。

的測定：由圖3-39可以看出，由于的存在，使得L_S和L_R的信號之間存在相位延遲。的變化范圍為0～，的變化范圍為0～T₀。由于馬達的旋轉速度一定，則有

　?。?-20）

式（3-20）中N為度盤刻劃線總數=1024，為度盤旋轉一個刻劃線的時間，可以用填脈沖的方法精確確定。在T2000度盤的對徑位置裝有另一對L_S和L_R讀數系統，度盤每旋轉一圈，進行512次測量。按照這種測量方法，可以使其角度分辨率達到0.1″，其方向測量的中誤差可達到±0.3″。的測定：為測定n值，在度盤上設有參考標志。當參考標志通過L_S時，計數器開始對度盤的分劃計數，通過L₁時，停止計數，從而獲得n值。