全站仪新型自发光棱镜的设计

全站仪新型自发光棱镜的设计

董旭明 1 吴学文 1 许文婧 2 王露露 1 杨锟 1

1. 陕西测绘仪器计量监督检定中心

2. 2.自然资源部陕西基础地理信息中心

摘　要:全站仪发光棱镜是一种经过全新设计的全站仪反射棱镜，其在保持原始全站仪反射棱镜功能的前题下，又为棱镜增加了照明装置，进化了全站仪棱镜的整体结构。全站仪发光棱镜主要可以在各种隧道测量工程中得到使用，为确保工程顺利俊工提供精确的服务。

关键词:发光棱镜、全站仪、测量工程、矿山测量

引言：随着现代测量技术的发展，使用全站仪开展测量工作已经十分普遍。测绘实践中，利用全站仪实施测量工作无论在效率或者精度方面都相当有优势。然而，在某些较特殊的环境下，使用全站仪也并不方便。例如：在地形图测量过程中，天黑前由于光线太暗一图根点碎步测量未完，必须次日补测，费时费力；在各类隧道中应用全站仪实施测量工作时，必须有测量跑镜人员将全站仪棱镜照亮才能完成测量，增加了测量的难度，同时也会对测量人员的安全造成影响。为解决实际存在的各种问题，可以设计一种自带照明系统的新型全站仪棱镜，这样便可以更大地发挥全站仪的实用性，使测量工作可以高效安全地完成。

目前，普通的棱镜结构就是以一块透明的正方体玻璃体为基础，以此玻璃体的一个顶点为基点裁剪出一个正三棱锥透明体，可知裁得的三棱锥透明体的三个侧面两两垂直，再经过特殊的反射镜面加工，便形成了全站仪的反射棱镜。这种棱镜的特点就是：无论从哪个方向发射的测量信号，只要照射到棱镜表面都会被等距沿原方向返回。正因如此，其适用于测量领域。在原始棱镜基础上，对全站仪反射棱镜进行重新设计，合理加设照明装置，能进一步完善棱镜的功能。

一、新型棱镜外观设计

新型棱镜的外观几乎是保持了原始棱镜的外观，只有在某些细小的地方发生了物理性的变化，在此只以外观图作为对比，不再详细介绍，如图1所示。

图1 新型棱镜外观图

二、新型棱镜原理设计

从结构上讲，照明棱镜就是在原始棱镜上设计了三处照明设备，使棱镜有一定的亮度便于观测。照明设备棱镜外观设计在反射棱镜前檐部位，并正对棱镜的三条侧棱，照明灯选用亮度强且耐用的高效LED灯泡，灯泡发出的光线与反射棱镜表面朝向棱镜边沿的方向成略大于45°的夹角，如图2所示：

图2 新型棱镜光路夹角示意图

以便灯光可以将棱镜内的三条侧棱（即：棱镜丝）照射的更加清晰，这样就更有利于观测时照准棱镜中心。

三个LED的电源设计为两节1.5伏的（防爆）锂电池。电池置于棱镜的后壳部位，为不影响日后测量使用，电池槽内嵌于棱镜后壳内部，而棱镜后壳表面几乎保持原始的平面形状。由于所使用的LED灯额定电压为3.0伏，且灯泡之间以并联形式连接，所以两节锂电池为串联连接，如图3所示：

图3 新型棱镜电路图

所有连接导线也内嵌于棱镜体表面使棱镜外观保持整洁。为了方便日后拆卸灯泡之需，灯泡与导线并没有焊死，而是设计了一种专用接口连接，电源控制开关同样以内嵌的方式设计在棱镜后壳。开关共有两个，其一是拨码开关，另一个是四腿按钮开关。拨码开关可以使LED灯保持明亮，故称为照明开关；四腿按钮开关则能使LED灯呈现模拟闪烁状态，故称为闪烁开关，以便实现预期功能。

三、新型棱镜参数说明

作为测量仪器的一部分，发光棱镜的参数直接关系到其应用在测量工作中准确与否的问题。由于发光棱镜的设计本身对原始棱镜的结构有一定的影响，这将导致原始棱镜的某些参数也会发生变化，直接使用必定产生系统误差。因此，发光棱镜的参数必须重新设定，其主要包括：棱镜常数的重新设定以及棱镜改正数的重新设定。对原始棱镜加设照明装置后，可能产生新的误差源，综合分析可归纳为以下两种：照明光源发热的影响和照明光源光波的影响。

（1）关于光源发热的影响：由于自发光棱镜使用了照明光源，原棱镜结构也有所改变。那么，照明设备工作时是否影响棱镜的稳定性呢？从设计的角度分析，可将自发光棱镜视为一个整体，但其照明部件并非直接设计在棱镜的镜体上，也不与镜面接触，这样可以有效避免硬件发热等带来的影响。从光源器件的角度分析，照明光源选用高效LED灯，这种灯泡不仅省电、耐用、不易爆出火花，而且属于典型的冷光源。这类光源工作时不发热，其本身温度不会比使用环境的温度高。因此，由LED灯产生的热几乎不会使自发光棱镜产生变形，我们完全可以忽略这方面的误差源。

（2）关于光源光波的影响：全站仪发射的信号是激光信号或者红外信号，而LED光源发出的几乎全部是可见光。这几种光波之间是否存在相互干扰的现象呢？光波之间存在干扰现象，但是干涉需要特定的条件，即：a.振动频率相同；b.相位差恒定；c.相遇处的振动方向大致相同或相反。由于全站仪的信号发射器与棱镜的LED照明部件属于不同的光源，其各自发出的光波就具有不同的振动频率，亦不会有恒定的相位差（两个同频率正弦信号的相位之差叫做相位差）。而自发光棱镜LED灯的照射方向与棱镜面成45°角上下，同样避免了光波之间的相互干涉。

因此，自发光棱镜在使用前只需按规程测定出棱镜常数即可，无需考虑其他方面的改正参数。

四、新型棱镜使用说明

由以上各项分析可知，这种所谓的发光棱镜就是为光线不好的环境下仍能顺利应用全站仪完成测量工程而设计的，其操作方便且实用。而对于投资动辄就上千万甚至破亿的隧道工程来说，为加快工程的进度、提高工程的贯通质量、确保测量人员安全减少施工总成本，使用发光棱镜辅助施工测量是完全有必要的。

在光线较好的环境下，测量人员完全可以将发光棱镜的电池取出，此时发光棱镜与原始棱镜没有任何区别，使用方法也与原始棱镜保持一致；相反，当测量人员需要使用发光棱镜时，其只需将电池按正负极装入棱镜，启动开关便可。值得注意的是，发光棱镜有两个开关，分别用来使灯泡闪烁或保持明亮，方便测量时寻找和照准目标。实践中，最好在对中整平等准备工作就绪后，再使用棱镜开关。这样不仅可以节省电池电量，而且有助于测量跑镜人员顺利架设棱镜。如果是精度要求较低的测量工作，跑镜员可以在棱镜对中整平后适当使用闪烁开关的模拟闪烁功能，待全站仪观测人员观察到闪光而发现目标（棱镜）后再开启照明开关使棱镜保持明亮便于观测员瞄准。但是，在较高或高精度测量（比如：控制导线的测量）过程中不建议使用闪烁开关，因为这种开关必须按压才起作用，虽然使力无需很大，但仍然可能使已对中整平的棱镜底座发生偏移，产生测量误差影响测量工程精度。

五、结论

应用这种重新设计过的全站仪棱镜，便可以在较为黑暗的环境中方便地应用全站仪设备进行测量工作。尤其是在井下或隧道这一类完全黑暗的环境中，这种改进后的棱镜不仅可以帮助测量人员顺利完成工作，而且还能在工作时增加测量人员的安全系数。这样，整套全站仪设备的功能就得到了更充分的发挥，同时也使其更加人性化，达到了我们重新设计全站仪棱镜的目的。

参考文献

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