实现电子经纬仪的无度盘测角方法

摘要

本发明涉及一种采用位置传感器在电子经纬仪上实现无度盘测量的测角方法。采用本发明设计的电子经纬仪可去掉现有电子经纬仪上的编码度盘和光栅度盘，制造时无需技术复杂的大型专用生产设备，一般光学经纬仪厂家使用常规加工设备和工艺即可生产，比现有电子经纬仪的成本降低50％～80％。

说明书

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本发明属于大地和工程测量仪器领域。

目前，随着微电子技术的发展，经纬仪也由光学时代走向了电子时代。电子经纬仪的特点是采用电子测角方法，即将角度的电信号直接记入存贮器，以便送入电子计算机中进行处理。与光学经纬仪相比，电子经纬仪在精度上和效率上都有很大提高，特别是电子经纬仪能和计算机相联，在数据处理上较光学经纬仪是一大突破。但是，电子经纬仪的测角方法仍象光学经纬仪的测角方法一样采用度盘来进行。所不同的是，电子测角的度盘不是在度盘上按某一个角度单位刻上刻线，然后根据刻线来读取角度值，而是从度盘上取得电信号，根据电信号再换成角度值。目前的电子经纬仪根据取得电信号的不同方式，可分别采用编码度盘和光栅度盘两种。也有的电子经纬仪将上述两种度盘结合起来使用。不管采用编码度盘还是光栅度盘，现有的电子经纬仪都离不开度盘。度盘是决定测角精度的关键部件，也是电子经纬仪的加工和生产中的难点。而且，随着仪器精度等级的提高，度盘的加工难度和成本以几倍至十几倍的速度上升。加工度盘需要大型专用精密设备，这种设备的制造技术复杂，价格十分昂贵。所以，由于度盘的生产工艺复杂，成品率低，而使电子经纬仪的价格较一般光学经纬仪高出许多倍，甚至数十倍。

本发明的目的在于，去掉电子经纬仪中加工难度大、制造成本高的编码度盘和光栅度盘，而提供一种不用度盘的电子测角方法。按照本发明提供的测角方法能使现有光学经纬仪厂家不更新生产设备，采用常规制造方法就可生产与光学经纬仪成本相当功能又优于电子经纬仪的无度盘电子测角仪器。

本发明去掉了电子经纬仪中的度盘，突破了传统的度盘测角方法，而采用光敏或磁敏元件作定位传感器，通过微处理器控制的步进电机驱动的跟踪测角机构带动光敏传感器的光源或磁敏传感器的磁场元件去寻找电子经纬仪照准部上的通过距离放大装置带动的光敏或磁敏传感器。也可用跟踪测角机构带动磁敏传感器或光敏传感器去寻找照准部上的通过距离放大装置带动的磁场元件或光源。在寻找过程中，微处理器对步进电机的步时距离进行脉冲记数，并通过程序处理将该记数值转换成被测角度值。按本发明所设计的无度盘电子测角试验装置经过长时间的测量试验，精度指标完全达到设计要求。

对照图1进一步说明测角原理。中心0是电子经纬仪照准部的旋转中心，磁敏或光敏传感器装在与照准部同步运行且绕中心0转动的距离放大装置上，磁敏传感器用磁场元件或光敏传感器用的光源装在由微处理器控制，由步进电机驱动、且也绕中心0转动的跟踪测角机构上。设测角前磁场元件或光源H的自由位置在F点，当进行测角时，操作员转动电子经纬仪的照准部瞄准被测角的起始点目标S′，此时，磁敏或光敏传感器C与照准部同步运行到S点，然后，操作员通过键盘（键盘、显示器电气原理图见图4）启动由微处理器控制的跟踪测角机构带动着磁场元件或光源H从F点开始向S点运行，当H逐步接近磁敏或光敏传感器C直到对C发生作用时，传感器C输出一脉冲信号，微处理器接收到这一脉冲信号后，首先发出控制信号使跟踪测角机构停止运行并定位在S点上，然后将被测角起始边找到的信息提示符送显示器（见图4）显示，操作员见此提示符后，转动照准部瞄准被测角的终点目标E，此时磁敏或光敏传感器由S点同步转动到E点。通过键盘启动跟踪测角机构从S点开始向E点转动，在微处理器控制步进电机驱动跟踪测角机构转动的同时，微处理器对步进电机每进一步的脉冲开始计数，直到H随跟踪测角机构运动到E点并对C发生作用，传感器C发出一脉冲信号，微处理器接收到这一脉冲信号后，一方面发出控制信号，使跟踪测角机构停止转动并定位在E点，同时停止对步进电机步进脉冲的计数，并按编制的程序将计数值转换成所测角α的角度值送显示器，以提示操作员测角结束。

该发明的优点是：用位置传感器跟踪测角机构取代现有电子经纬仪中的编码度盘和光栅度盘后，使电子经纬仪的制造工艺大大简化，生产成本大大降低。由于去掉了度盘，现有电子经纬仪中存在的度盘偏心误差也被克服，从而进一步改善了电子经纬仪的性能。克服偏心误差的原理如图2所示。现有经纬仪的偏心误差是由度盘分划线的中心与照准部旋转中心不重合所致。设0′为水平度盘的中心，0为照准部的旋部的旋转中心，如果不存在度盘偏心，0′与0重合，当照准目标时，正确读数为M。由于存在着度盘偏心，实际的度盘读数为M′，比正确读数小于δ。

δ＝e/R·ρsin（m+θ）

其中：R-水平度盘分划的半径。

e-偏心距。

θ两中心联线至0°刻划的角度。

而按照本发明所设计的经纬仪，用传感器跟踪测角机构代替度盘，传感器跟踪测角机构的旋转中心与照准部的旋转中心为同一中心故消除了度盘偏心误差。

现根据图3图4说明本发明的一个实施例。

图3和图4分别是本发明实施例的控制检测电气原理图和键盘显示器电气原理图。图3的J₁接线端与图4的J₁接线端相连接就构成了本发明实施例的完整电气原理图。

该实施例是以8031单片微处理器为核心的控制与测量系统，用以实现本发明给出的无度盘测角方法。

图3中的C₁、C₂、C₃为三个高精度位置传感器，与之相作用的磁场元件分别固定在水平角测量距离放大装置和竖直角距离放大装置及照准机架上（也可将传感器与磁场元件的位置交换）。C₁用于水平角测量;C₂用于竖直角测量;C₃瞄准视轴线水平原点，与C₂配合测竖直角。

27128芯片为16K程序存贮器，内装系统监控程序、位置传感器跟踪测角控制程序和数据处理程序等。

6264芯片为8K的数据存贮器，现场采集的数据可以通过8255接口芯片送打印机输出硬拷贝，也可靠6264芯片外接的不停电电源长期保存，需要时，通过专用接口直接送室内计算机系统进行数据或图形处理。

L₁、L₂和L₃是跟踪测角机构的驱动步进电机电枢绕组。8031单片微处理器通过8255接口芯片驱动步进电机进行控制。步进电机的步进距离根据所设计的经纬仪的精度等级和距离放大装置的放大比例而定。在步进电机的每步距内，由8031微处理器内部的定时计数器按程序设定的频率再进行细分，可使角度等级达到秒以下。

图4是键盘、显示器电气原现图。通过键盘，可将各种命令（如正反启动、停止、调用显示某一测点数据、打印、与室内数据或图形处理系统通讯等）和数据（如距离等）送入微处理器或存贮器。通过显示器可随机显示各种提示符（如水平角、竖直角、座标、高程、数据正确、错误、目前是正镜测量或倒镜测量等）和所得数据或中间处理结果等，以使操作员避免误操作，及时修正测量过程中出现的问题。