细节：激光定位仪器在施工测量中的应用
随着建筑业的发展，工程规模日益扩大，施工技术和工程精度要求日益提高，施工机械化和自动化的程度愈来愈高。在土建工程的施工测量中，采用原有的光学经纬仪和水准仪进行定位，已不能完全满足生产的需要。近年来，随着激光技术的应用，各种激光定位仪器得到了迅速发展，在建筑施工中得到越来越广泛的应用，并取得了良好的效果。
激光是基于物质受激辐射原理所产生的一种新型光源，由于它具有方向性强、亮度高、单色性好和相干性好等特殊性质的可见光线，已广泛应用于测量等许多领域。在施工测量中采用氦（He）氖（Ne）气体激光器作为发射激光的光源，它可发射波长为0.6328μm的橙红色单色光，其发散角约为1～3mrad（毫弧度），经望远镜发射后又可减少数10倍，从而形成一条白天在100m、夜间在350m距离处，光斑清晰、连续可见的红色激光束，可用作高精度的定向基准线。如果配以光电接收靶装置，还可以大大提高定位精度。
利用激光进行定位，当精度要求不高时，一般采用简单的目估接收靶。目估接收靶一般采用白色有机玻璃制作，上面绘有坐标方格网或若干同心圆，可直接标出光斑中心偏离靶心位置。
为了提高定位精度，可采用光电接收靶。光电接收靶是用一块四象限的硅光电池制成的。当激光束照射到硅光电池上时，光电转换器件把接收到的激光信号转变为电信号，通过运算放大输出偏离信号，由指示电表显示光斑中心相对于靶心偏差的大小与方向。
下面是几种在建筑工程施工测量中常见的激光定位仪器。
1.激光经纬仪
如图1-25所示的是J2-JD型激光经纬仪。它是在J2型光学经纬仪望远镜筒上安装激光装置制成的，激光器在望远镜筒上随望远镜一起转动。激光装置是由氦氖激光器与棱镜导光系统所组成。激光器的功率为1.2mW，光束发散角3mrad（毫弧度）（100m处光斑5mm），照准有效射程白天是500m、夜间2600m，激光照准中误差±0.3″。激光装置可以在望远镜上进行装卸，装好后二者连成一体，能同时绕水平轴旋转。在支架一侧备有正、负极插孔，用电缆与电源箱连通后，则将氦氖激光器发出的激光导入经纬仪的望远镜内并与视准轴重合，而沿视准轴方向射出一束可见的红色激光，以代替视准轴。
图1-25 J2-JD型激光经纬仪
如图1-26所示是激光经纬仪的光路原理图，激光光束由激光器8发出，经反射棱镜7转向下方的聚光镜组6，再通过针孔光栏11，到达分光棱镜组3，再由分光镜折向前方，通过与望远镜共同的调焦镜组2，沿视准轴方向经物镜组1射向目标。物镜组1、调焦镜组2、十字丝分划板4和目镜组5都是望远镜的组成部分。为改善光束的质量，在物镜前方加装一块波带片10，使之产生衍射干涉，以提高光束亮度和照准精度。如果用望远镜直接照准目标，应将波带片取下。转换开关9是控制光源的，打开开关让激光光束通过，进入望远镜的光路系统；关闭开关可遮住光束，使望远镜不能发射激光。
使用激光经纬仪时，首先按经纬仪基本操作安置、整平仪器，并照准目标。然后操作激光装置。接好电源（开启电源前，先接高压输出端。必须注意激光电源高压输出线与仪器部分连接处的极性，正负极不得接反，后接输入端）。顺时针方向转动电位器旋钮至最大位置，开启电源开关，待激光器正常起辉后，再逆时针方向转动电位器旋钮，将工作电流调到5mA，稳定后即可正常使用。
图1-26 激光经纬仪光路原理图
1—物镜组 2—调焦镜组 3—分光棱镜组 4—十字丝分划板 5—目镜组 6—聚光镜组 7—反射棱镜 8—氦氖气体激光器 9—转换开关 10—波带片 11—针孔光栏
激光经纬仪在施工测量、构件装配的划线放样和大型机械设备安装、船体放样等方面应用广泛。在施工测量中，借助仪器的水平度盘和竖直度盘可在测站上按设计方向和坡度进行定线、定位、已知角度和坡度的测设，由于仪器在目镜一端可绕水平轴向下翻转，因此在读数显微镜目镜一端装配直角棱镜后，按竖直度盘读数，可对天顶任意角度进行测量，如将望远镜视准轴调到铅垂方向，则可以代替激光铅垂仪进行烟囱、竖井和高层建筑施工中的竖向投点。
激光经纬仪向天顶方向作垂线的做法是：先将仪器精细对中、整平，然后将激光束射向天顶，如图1-27所示，调焦至目标处激光光斑最小；旋转照准部，利用望远镜微动螺旋，用渐近法使光斑在目标处晃动最小即可。
激光经纬仪配有专用激光电源，可接一般220V交流电源。如在野外测量无交流电源时，也可用配套的直流电源：银锌电池组，可供15V电压直流电源。
2.激光水准仪
图1-27 向天顶方向作垂线
图1-28 YJS3型激光水准仪
1—S3微倾式水准仪 2—激光器 3—棱镜座 4—激光电源线 5—压紧螺钉
激光水准仪是将激光装置安装在水准仪的望远镜上方，将氦氖气体激光器发出的激光束导入望远镜筒内，使之能沿视准轴方向射出一条可见红光的特殊水准仪。如图1-28所示为YJS3型激光水准仪。激光器的功率为1.5～3mW，光束发散角小于2mrad（毫弧度），有效射程白天为150～500m，夜间为2000～3000m，电源亦可用交、直流两种，故也附带有12～30V的蓄电池作为直流电源。激光光路如图1-29所示，从氦氖气体激光器1发射的激光束，经四只反射棱镜2、3、4、5转向目镜，经望远镜系统的目镜组6、十字丝分划板7、调焦镜组8和物镜9射出激光束。
图1-29 激光水准仪光路图
1—氦氖激光器 2、3、4、5—反射棱镜 6—目镜组 7—十字丝分划板 8—调焦镜组 9—物镜 10—波带片
3.激光铅垂仪
由于民用建筑层数的增加，尤其是工业设备发展的需要，建筑物的高度和对铅垂精度的要求都愈来愈高，用大垂球和经纬仪测定铅垂线的传统方法，已愈来愈不适应工程的需要，激光铅垂仪的应用，在这方面取得了良好效果。
激光铅垂仪是将激光束导至铅垂方向，用以进行竖向准直的一种仪器。如图1-30所示为一种国产激光铅垂仪的示意图。仪器的竖轴是一个空心筒轴，两端有螺纹连接望远镜和激光器的套筒，将激光器安在筒轴下端，望远镜安在上端，构成向上发射的激光铅垂仪。通常在仪器中装置高灵敏度水准管，借以将仪器发射的激光束导至铅垂方向。
将仪器对中、整平后，接通激光电源起辉激光器，便可铅直发射激光。
图1-30 激光铅垂仪
在高层建筑、高烟囱和竖井施工中，以及电梯和高塔架的安装中，将铅垂仪安置在建筑物的角点或中心线上，进行严格对中、整平，接收靶装在楼板顶的预留孔工作平台上，如图1-27所示。接通激光电源，起辉激光器，当铅垂仪水平旋转光斑总是照准接收靶中心时，则激光束处于垂直位置。
4.全站仪的基本构造和操作
（1）全站仪的发展简况与基本构造
1）全站仪的发展简况。1963年德国芬奈厂研制出世界上第一台编码电子经纬仪，加上1947年已经出现的光电测距技术，逐步形成了电子半站仪。1968年德国蔡司厂生产出世界上第一台全站仪——集电子测角、光电测距、电子记录计算于一体的全能仪器，从此测量工作的自动化、电子化、数字化和内业、外业一体化的作业方式由理想变成现实。自从全站仪问世以来，大体上走过了三代。大约前一半多的时间是第一代的逐步完善的阶段，主要表现为望远镜的同轴照准、测距与电子经纬仪测角的一体化，当时的测距精度在10mm左右；第二代全站仪主要表现为由于计算机软件的进入，全站仪和测距精度提高到5mm左右；第三代全站仪主要表现为自动化程度与测距测角精度的进一步提高。
2）国产全站仪的发展简况。自20世纪80年代以后，国内几大仪器厂家从引进技术开始，生产光电测距仪和电子经纬仪。90年代逐步走上自主开发全站仪的道路，现在已能生产第一代2″、5″全站仪。国产全站仪的测距精度已达到±（5mm+3×10-6×D）～±（3mm+2×10-6×D），测角精度±5″～±2″。国产全站仪性能指标见表1-1。
表1-1 国产全站仪性能指标
3）全站仪的基本构造。
①主机。全站仪主机是一种光、机、电、算、储存一体化的高科技全能测量仪器。测距部分由发射、接收与照准成共轴系统的望远镜完成，测角部分由电子测角系统完成，机中微机编有各种应用程序，可完成各种计算和数据贮存功能。直接测出水平角、竖直角及斜距离是全站仪的基本功能。
②反射棱镜。有基座上安置的棱镜与对中杆上安置的棱镜两种。分别用于精度要求较高的测点上或一般的测点上，反射镜均可水平转动与俯仰转动，以使镜面对准全站仪的视线方向。
近几年来，有的厂家生产出360°反射棱镜与反射贴片，分别用于不便于转动或某固定的目标上，但反射贴片的测距精度要略低一些。有的厂家已生产出不用反射棱镜的测距仪，但测程为100m左右，精度也略低，在目标处无法安置反射棱镜的情况下，使用效果很好。
③电源。分机载电池与外接电池两种。
（2）国产第二代全站仪的构造特点
1）同轴望远镜。全站仪的望远镜，瞄准目标的视准轴和光电测距的红外光发射接收光轴是同轴的，其光路如图1-31所示。在望远镜与调焦透镜中间设置分光棱镜系统，使它一方面可以接收目标发出的光线，在十字线分划板上成像，进行测角时的瞄准；又可使光电测距部分的发光二极管射出的调制红外光经物镜射向目标棱镜，并经同一路径反射回来，由光敏二极管接收（称为外光路），同时还接收在仪器内部通过光导纤维由发光二极管传来的调制红外光（称为内光路），由内、外光路调制光的相位差计算所测距离。
图1-31 全站仪望远镜的光路
因为全站仪望远镜是测角瞄准与测距光路同轴的，因此，一次瞄准目标棱镜（反光棱镜置于觇牌中心），即能同时测定水平角、竖直角和斜距。望远镜也能作360°纵转，通过直角目镜，可以瞄准天顶目标（施工测量中常有此需要），并可测得其铅垂距离（高差）。
2）竖盘指标自动补偿。和电子经纬仪的竖盘指标自动补偿原理相同。
3）键盘。全站仪的键盘为测量时的操作指令和数据输入的部件，键盘上的键分为硬键和软件键（称为软键）两种。每个硬键有固定的功能，或兼有第二、第三功能；软键与屏幕最下一行显示的菜单相配合，使软键在不同的功能菜单下有多种功能。
4）存储器。把测量数据先在仪器内存储起来，然后传送到外围设备（电子记录手簿和计算机），全站仪的存储器有机内存储器和存储卡两种。
①机内存储器。机内存储器相当于计算机中的内存（RAM），利用它来暂时存储或读出（存/取）测量数据，其容量的大小随仪器的类型而异，较大的内存可以存储3000个点的观测数据。现场测量所必需的已知数据也可以放入内存。经过接口线将内存数据传到计算机以后，可以将其消除。
②存储卡。存储卡的作用相当于计算机的磁盘，用作全站仪的数据存储装置，卡内有集成电路，能进行大容量存储的元件和运算处理的微处理器。一台全站仪可以使用多张存储卡。通常，一张卡能存储数千个点的距离、角度和坐标数据。在与计算机进行数据传送时，通常使用称为卡片读出打印机（读卡器）的专用设备。
将测量数据存储在存储卡上后，把存储卡送往办公室处理测量数据。同样，在办公室将坐标数据等存储在存储卡上后，送到野外测量现场，就能使用存储卡中的数据。
5）具有程序功能。全站仪除了能测定地面点之间的水平角、竖直角、斜距、平距与高差等直接观测值以及进行有关这些观测值的改正（例如竖直角的指标差改正、距离测量的气象改正）外，一般还设置一些简单的计算程序（软件），能在测量现场实时计算出待定点的三维坐标（平面坐标yi、xi和高程Hi）、点与点之间的平距、高差和方位角，或根据已知的设计坐标计算出放样数据。这些软件的内容有：
①三维坐标测量。将全站仪安置在已知坐标点上，后视已知点方向并求出仪器的视线高，这样在未知点上立反射棱镜即可求出该测点的三维坐标（yi、xi、Hi）。
②对边测量。将全站仪安置在能同时看到两欲测点测站上，测出两边长及夹角，通过软件即可算出两欲测点的间距及高差。
③后方交会。在一待定点上，通过观测两个已知点后，即可通过两边一夹角的软件算出待定点坐标，称为后方交会。若观测两个以上的已知点，则有了多余观测的校核，又可通过软件的平差而提高精度。
④悬高测量。观测某些不能安置反射棱镜的目标（如高空桁架、高压电线等）的高度时，可在目标下面或上面安置棱镜来测定称为悬高测量或遥测高程。
⑤偏心测量。如欲测出某烟囱的中心坐标，而在其中线两侧安置棱镜，观测后通过软件即可算出不可到达的中心坐标。
⑥放样测量。通过实测边长或点位与设计边长或设计点位的比较，对实测点进行改正，以达到放样的目的。
（3）全站仪的精度等级与检定项目
1）全站仪的精度等级。根据2004年3月23日实施的《全站型电子速测仪检定规程》（JJG 100—2003）规定，按1km的测距标准偏差mD计算，精度分为四级，见表1-2。
表1-2 全站仪精度等级
2）全站仪的检定。根据《全站型电子速测仪检定规程》（JJG 100—2003）规定，全站仪的检定周期为最长不超过1年，全站仪的检定项目分为三部分：光电测距系统的检定，按照《光电测距仪检定规程》（JJG 703—2003）执行；电子测角系统的检定项目，按表1-3执行；存储卡检定，按表1-4执行。
表1-3 电子测角系统的检定项目
（续）
注：检定类别中“+”号为应检项目；“-”号为不检项目；“±”号为可检可不检定项目，根据需要确定。
表1-4 存储卡检定项目
注：检定类别中，“+”号为应检项目；“±”号为按存储卡的产品类别性能及送检单位的需要，由检定单位确定是否检定的项目。
全站仪的数据采集有存储卡式记录器、电子记录手簿式记录器，以及便携式微机记录终端三种方式。后两种属于配套的外围设备，存储卡是许多全站仪的一个附件，对存储卡应检定的项目列于表1-4。
（4）全站仪的基本操作方法 全站仪是光、电、机、算、储等功能综合、构造精密的自动化仪器。仪器要专人使用，按期检定、定期检查主机与附件是否运转正常、齐全。在现场观测中，仪器与反射棱镜均必须有专人看守，以防摔、砸。在测站上的操作步骤如下：
1）安置仪器。对中、定平后，测出仪器的视线高H已。
2）开机自检。打开电源，仪器自动进入自检后，纵转望远镜进行初始化即显示水平度盘读数与竖直度盘读数（初始化这一操作，近几年来生产的仪器已经取消）。
3）输入参数。主要是棱镜常数，温度、气压及湿度等气象参数（后三项有的仪器已可自动完成）。
4）选定模式。主要是测距单位、小数位数及测距模式、角度单位及测角模式。
5）后视已知方位。输入测站已知坐标（y已、x已、H已）及后视边已知方位（ψ已）。
6）观测前视欲求点位。一般有四种模式：①测角度——同时显示水平角与竖直角；②测距——同时显示斜距离、水平距离与高差；③测点的极坐标——同时显示水平角与水平距离；④测点位——同时显示yi，xi，Hi。
7）应用程序测量。近代的全站仪均可用内存的专用程序来进行多种测量，如：按已知数据进行点位测设；对边测量——观测两个目标点，即可测得其斜距离、水平距离、高差及方位角；面积测量——观测几点坐标后，即测算出各点连线所围起的面积；后方交会——在需要的地方安置仪器，观测2～5个已知点的距离与夹角，即可以后方交会的原理测定仪器所在的位置；其他特定的测量，如导线测量等。
（5）第三代全站仪的构造特点
1）光学对中改为激光对中。当打开激光对中器后，立即出现一条1mm的鲜红色的激光束，在地上形成一个小红点，用以对中，既方便又准确。
2）用相互垂直的电子水准器代替长水准管。只需定平水准盒，打开电子显示的电子水准器进行精密定平，精度比水准管高两倍。
3）打开开关后，直接显示水平盘与竖直盘的读数。取消了纵转远镜进行初始化的操作。
4）在不便人眼观测的情况下，打开望远镜激光束用以照准目标。鲜红色的激光视准轴可左右、上下进行照准、投测，甚至可铅垂地指向天顶方向，进行铅垂方向的竖向投测。
5）光电测距有三种方式：
①视准轴可直接照准目标反射棱镜，进行测距。
②视准轴可直接照准目标处的反射贴片，进行测距。
③视准轴可直接照准目标处的无反射目标，进行测距——一般视线长60～100m，但测距精度略低一些。这对观测不可到达的目标是非常方便的。
6）仪器内部装有温度、气压、湿度测定设备。对测距进行自动改正。
7）仪器内部装有双轴倾斜传感器。当仪器竖轴（VV）未严格铅直时，会引起角度观测的误差，而且该误差不能从盘左、盘右观测中抵消。双轴倾斜传感器则可将竖轴倾斜造成的误差，通过微处理器在度盘读数中得到自动改正。
8）仪器内部的存储容量、程序软件更加丰富。有的仪器自编程序以适应不同的需要。
9）仪器精度进一步提高。一般测角精度为±2″，测距精度为±（2mm+2×10-6×D）。
10）有的仪器内部装有驱动电动机。可自动追踪目标，使观测自动化。
（6）全站仪的选购与选用 在硬件快速发展、软件不断改进，使全站仪的功能日新月异的当代，在工作中如何选购？如何选用全站仪呢？
1）选购、选用全站仪的基本原则。应以满足工程测量的需要为主，尽量节约投资。当前国产全站仪的精度、性能与稳定性等方面都达到设计要求，但比起从先进国家进口的全站仪在先进性与工艺水平上存在一定差距，但同等精度的仪器，国产仪器要便宜一半，而且在国内便于维修，因此，建议在选购中、低档仪器时应以国产仪器为好。
2）在精度方面。在一般工程中，使用±（5mm+3×10-6×D）或±（3mm+2×10-6×D）的仪器应当说是能够保证工程要求的。对于大型、重点工程可选用±（2mm+2×10-6×D）的全站仪，一般不轻易选购±（1mm+1×10-6×D）的高精度全站仪，因其价格是一般仪器的2～3倍，且多不能用反射贴片。监理单位使用±（2mm+2×10-6×D）的仪器一般均能满足工作需要。
3）在测程方面。在一般建筑工程测量或施工测量中，使用1.4～2.0km测程的中、短程仪器即可。在市政工程中，使用2.0～3.5km测程的中、远程仪器即可。
4）三脚架棱镜与棱镜杆的选用。在控制测量中，一定要使用三脚架棱镜。在碎部测量中，可选用棱镜杆，但要经常校对圆水准盒气泡的正确性。
为保证观测精度，全站仪每年一定要送正规计量检定部门进行检定。使用中，一定进行温度和气压的改正。在阳光下，一定要打伞。使用棱镜杆时，一定保证圆水准盒的正确性。
在现场观测中，观测者绝不能离开仪器与棱镜架，以防摔损。收工后，一定将仪器存放在铁皮保险柜中，以防盗、防潮。