監測型全自動全站儀在線校準規范實驗報告《監測型全自動全站儀在線校準規范》編寫組2022年7月監測型全自動全站儀在線校準規范實驗報告監測型全自動全站儀，是一種具有自動目標識別、照準、測角與測距、目標跟蹤、記錄等功能的全站儀，廣泛應用于隧道施工變形監測、地鐵運營安全監測、滑坡監測、大壩安全監測等眾多工程領域。規范制定小組在參考相關生產廠家的技術說明、相關規程規范的基礎上，為使得本規范的計量性能指標和校準方法更加合理，針對校準規范上確定的計量特性及校準項目，利用監測型全自動全站儀、長度標尺、球棱鏡、小棱鏡、分辨率檢驗臺、精測尺頻率測量裝置等開展了多項實驗：ATR測量重復性及微小位移探測能力實驗、不同距離對持續位移的探測能力、全站儀不同測量過程對結果的影響實驗、不同距離全站儀測量穩定性實驗、空間距離測量實驗及對規范中測量方法的驗證實驗。ATR測量重復性及微小位移測量能力實驗實驗目的在不同距離處進行全站儀ATR測角及測距重復性實驗，及對微小位移量的測量能力實驗，以確定校準規范中進行ATR測量重復性校準的最佳距離。實驗方法分別在3m、30m、40m、50m、60m、70m左右距離位置，兩端分別安置升降臺，其中一端架設全站儀，一端安置固定有球棱鏡的水平垂直雙軸位移平臺。全站儀開機靜置10min，輸入實時的溫度氣壓，進行測量設站，使假定坐標系的坐標軸與儀器和棱鏡的連線大致平行或者重合。測量方式：用電腦通過RS232線纜控制全站儀進行自動測量。測量過程：測量中，水平與垂直方向分開測量。首先進行垂直方向測量，將水平垂直雙軸位移平臺置于初始0mm位置，全站儀通過ATR測量10次，然后升高1mm，全站儀通過ATR測量10次，再將垂直位移平臺置于初始0mm位置，全站儀通過ATR測量10次，依次0-1-0的方式重復測量10次。水平方向測量過程類似。圖1-1重復性測量圖說明：樓道在50m-60m實驗距離時，有一處樓梯間。實驗數據與結果分析ATR測量重復性圖2-1不同距離時水平角重復性圖2-2不同距離時天頂距重復性圖2-3不同距離時測距重復性表1-1重復性統計表（自由度378）水平角重復性/秒天頂距重復性/秒測距重復性/mm3m0.060.120.0230m0.120.110.0240m0.090.100.0250m0.120.130.0260m0.460.580.0370m0.440.760.02根據表1-1的數據分析可知，在3m-70m范圍內，測距重復性隨距離增大沒有太大變化，均優于0.1mm；在3m-50m范圍內，水平角重復性、天頂距重復性隨距離增大沒有太大變化，均在0.1秒左右，當距離增大至60m、70m時，水平角重復性、天頂距重復性明顯增大。根據實驗環境判斷，在高精度測量時，空氣均勻性對測量重復性有一定影響。此外，水平角和天頂距重復性沒有太大差別。因此，校準規范中可以選擇在3m-50m范圍內進行全站儀ATR重復性校準。微小位移測量能力圖3-1棱鏡水平位移1mm不同距離時距離殘差圖3-2棱鏡垂直位移1mm不同距離時距離殘差表2-1不同距離棱鏡位移1mm的距離殘差水平移動距離殘差RMS/mm垂直移動距離殘差RMS/mm水平角測量精度/秒天頂距角測量精度/秒3m0.0090.0050.580.2930m0.0200.0430.130.2940m0.0510.1090.260.5550m0.1490.2490.611.0360m0.4340.8211.472.7970m0.6730.6071.971.78根據表2-1的數據分析可知，在3m-70m范圍內，當棱鏡位移1mm時，全站儀對微小位移量的測量殘差隨距離的增大而增大。在近距離（3m）時，全站儀對微小位移量的測量殘差較小。在30m-60m區間，全站儀對水平方向的微小位移的測量準確度要高于垂直方向的微小位移的測量準確度。不同距離對持續位移的探測能力實驗目的在不同距離處，采用球棱鏡與小棱鏡進行全站儀對持續位移量探測能力的實驗，以確定校準規范中宜采用的棱鏡類型。實驗方法分別30m、40m、50m左右距離位置，兩端分別安置升降臺，其中一端架設全站儀，一端安置固定有球（或小棱鏡）的水平垂直雙軸位移平臺。全站儀開機靜置10min，輸入實時的溫度氣壓，進行測量設站，使假定坐標系的坐標軸與儀器和棱鏡的連線大致平行或者重合。測量方式：用電腦通過RS232線纜控制全站儀進行自動測量。測量過程：測量中，水平與垂直方向分開測量。垂直方向：將垂直位移平臺置于初始0mm位置，全站儀通過ATR測量10次，然后依次升高1mm，直至升高至10mm，每升高一次，全站儀通過ATR測量10次。然后接著依次降低1mm，直至垂直位移平臺回到初始位置，每降低一次，全站儀通過ATR測量10次。水平方向：將水平位移平臺置于初始0mm位置，全站儀通過ATR測量10次，然后依次向一個方向移動1mm，直至移動10mm，每移動一次，全站儀通過ATR測量10次。然后接著依次向相反方向移動1mm，直至水平位移平臺回到初始位置，每移動一次，全站儀通過ATR測量10次。實驗數據與實驗結果圖4-1不同距離時小棱鏡水平位移量測量殘差圖4-2不同距離時球棱鏡水平位移量測量殘差圖4-3不同距離時小棱鏡垂直位移量測量殘差圖4-4不同距離時球棱鏡垂直位移量測量殘差圖4-530m距離時球棱鏡水平垂直位移量測量殘差對比圖4-640m距離時球棱鏡水平垂直位移量測量殘差對比圖4-750m距離時球棱鏡水平垂直位移量測量殘差對比實驗結論通過圖4-1至4-4，本實驗中測量結果，小棱鏡和球棱鏡的存在一定差異，球棱鏡更穩定。因此，校準規范中建議采用球棱鏡進行相關項目的校準工作。圖4-6中，40m距離垂直位移測量時，存在一定系統誤差。在不考慮40m距離垂直位移測量結果時，在30m—50m距離范圍內，隨距離增大，全站儀對1cm以內的持續位移量的測量誤差會增大，但不明顯，均可控制在0.25mm以內。全站儀不同測量過程對結果的影響實驗目的通過實驗確定全站儀不同測量過程（單次測量與重復測量）對結果的影響，以確定校準規范中進行相關項目校準時宜采用的最佳測量方式。實驗方法在相距約25m的兩觀測墩上，分別架設全站儀與球棱鏡，其中用磁力吸盤固定。全站儀開機靜置10分鐘左右，記錄溫度氣壓，開始測量。連續測量：電腦控制全站儀進行測量，遮擋2號球棱鏡，測量1號棱鏡，測量10次；遮擋1號球棱鏡，測量2號棱鏡，測量10次。依次重復10次操作，共采集200組數，自由度198。單次測量：電腦控制全站儀進行測量，遮擋2號球棱鏡，測量1號棱鏡，測量1次；遮擋1號球棱鏡，測量2號棱鏡，測量1次。依次重復10次操作，共采集20組數據，自由度18。實驗數據及實驗結果圖5-1連續測量和單次測量方式測得兩棱鏡之間距離值比較（左:連續測量，右：單次測量）實驗結論從圖5-1中可知，在25m距離時，連續測量方式采集200組數據（自由度198）與單次測量方式采集20組（自由度18）計算的兩棱鏡距離平均值相當，單次測量方式的重復性略大于連續測量方式的重復性，但考慮到自由度以及重復測量方式可能會出現偏離平均值的情況（上圖第5組數據），故采用單次測量重復多次的方式更佳。不同距離全站儀測量穩定性實驗實驗目的通過實驗確定全站儀在不同距離的測量穩定性，便于校準規范中選擇合適距離進行相關項目的校準。實驗方法在相距約24m的兩觀測墩上，分別架設全站儀與球棱鏡，其中用磁力吸盤固定。全站儀開機靜置10分鐘左右，記錄溫度氣壓采用上述單次測量方式開始測量。24m距離完成測量后，在30m、40m、50m、60m、70m距離測量重復24m操作。實驗數據及實驗結果圖6-1不同距離時的測量穩定性圖中標簽前面的數值為測量距離的均方根誤差，后面的數值為根據距離均方根以及斜距反算的測角精度，單位為秒。實驗結論從圖6-1以及圖中的均方根誤差以及測角精度標簽數值，可以看出，在30m-70m范圍內，隨距離增大，全站儀測量坐標反算的距離的均方根誤差也變大，測角精度也變大。但在70m范圍內，通過測量坐標反算距離的均方根誤差均可控制在0.3mm以內，測角精度控制在1秒以內。當距離大于40m時，測角精度很難控制在0.5秒以內。因此，在30m距離處進行全站儀相應項目的校準最佳。空間距離測量實驗實驗目的通過實驗確定全站儀的空間距離測量誤差的測量方式。實驗方法在相距約24m的兩觀測墩上，分別架設全站儀與球棱鏡，其中用磁力吸盤固定。全站儀開機靜置10分鐘左右，記錄溫度氣壓采用上述單次測量方式開始測量。在2m水準標尺的兩端固定安置有球棱鏡的磁力吸盤，全站儀假設于距離球棱鏡約24m左右的觀測墩上。將儀器開機靜置10分鐘左右，記錄溫度氣壓，然后開始測量。分別在35m、50m、65m距離處，依次測量四個方向，水平、水平45度、水平縱向、豎直方向（水準標尺相對于全站儀的擺向）。本次實驗室進行3組測量。測量完成后，利用激光干涉儀對水準標尺兩端球棱鏡之間的距離進行精確標定。實驗數據及實驗結果圖7-125m左右時空間距離測量誤差（第一組）圖7-225m左右時空間距離測量誤差（第二組）圖7-3不同距離空間距離測量誤差（第三組，縱向）圖中標簽前面的數值為測量距離的均方根誤差，后面的數值為根據距離均方根以及斜距反算的測角精度，單位為秒。實驗結論通過圖7-1及圖7-2，橫向，橫向45°，縱向3個方向擺放球棱鏡時，空間距離測量精度差別不大，均方根誤差均小于0.3mm，測角精度均優于2秒。垂直放置時，空間距離測量精度最高，均方根誤差優于0.1mm，測角精度優于1秒。圖7-3中，縱向空間距離測量時，水平角和天頂距幾乎不會變化，全站儀測距精度對空間距離測量誤差影響最大。前面實驗可知，在30m-70m范圍內，全站儀測距精度幾乎沒有差別，故縱向空間距離測量時，與棱鏡到全站儀的距