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南方全站仪的质量是怎样一步一步提升的

时间：2012-12-26浏览：次责任编辑：四川拓图测绘仪器

南方全站仪的发展至今已经历了十六年的光景，从第一台全站仪的研制成功，到现在大批量的生产，经历了许许多多的坎坷。在这十多年的时间里，我们攻克了许多技术难关，解决了一个又一个的质量问题，对全站仪的认知和理解全面地提升，才得以达到令人稍微满意的结果。

回顾南方全站仪的发展过程，从技术角度上来看，我们可以分为三个阶段：

第一阶段：以NTS-202为代表的第一代红外全站仪产品；
第二阶段：以NTS-322、NTS-352为代表的第二代红外全站仪产品；
第三阶段：以NTS-362R、NTS-372R、NTS-962R为代表的第三代激光全站仪产品。

第一代产品NTS-202，是我们的处女作，也是国内第一台自主研发生产的全站仪。它填补了国家空白，从此打破了长期由进口仪器一统天下的局面。这款仪器也是我们认识全站仪所迈出的第一步，尽管NTS-202型仪器存在着许多问题，但是它在中国测绘仪器生产发展史上有着重要的意义。这款仪器确实存在很多的问题，好多的技术都不完美，有许多设计缺陷，再加上机械加工水平不高，工艺不完善，使得仪器不稳定。经常出现测角、测距不稳定，出乱数以及其它故障等。各种各样的问题几乎都出现过，维修几次也无法解决，一度成为国产仪器质量太差的代名词。但正是由于NTS-202型仪器的生产，使我们对全站仪的认识进一步提高，尽而在此基础上重新设计，解决设计中存在的问题，由此而产生了以NTS-322、NTS-352型号为代表的第二代产品。

第二代产品重点解决了测距的技术，同时也丰富了实用软件。

测距技术上解决了最关键的距离数据离散度大、出大数差、周期误差大、相位不均匀等技术问题，同时提高了测程和精度，单棱镜由原来1000米提高到1600米，测距精度由原来5+3ppm提高到3+2ppm。

具体解决办法如下：

一、光学系统重新设计

在全站仪的光学系统中分光镜犹为重要，NTS-202的分光棱镜为上下分光。

经过多次的探索和试验，在NTS-322、352中由上下分光改为左右分光，同时将分膜的角度由原45°改为60°。

此光路的改进大大减小了光干扰，提高了光信号的信噪比，从而提高了测程和测距精度。

二、机械结构的改进

因光学系统的改变，机械结构也随之变化。整个布局都发生了变化，发射、接收都得到改进，最大的区别在于由单马达改为双马达，发射由发光管直接发射改为通过光纤后再发射。

1、在NTS-202型中，减光与内外切换功能由同一个马达来完成，这样测量时间长，测距速度慢，而且影响精度。

在NTS-322、NTS-352型中，采用双马达，各自完成各自的功能，提高了速度及精度。但由于光学零件的影响，在此结构中，减光马达有齿轮传动，而且是伞齿轮，工艺性差，加工效率低。

2、NTS-322、NTS-352型中发射管前增加了光纤，光纤的作用主要是将发光管发出的光进行混相，提高相位均匀性从而达到提高测量精度的目的，同时结构更好安排，减小体积。

三、电子电路的改进

1、采用了更高级的CPU芯片，大量采用CPLD芯片，体积更小，运算更快，集成度更高。优化了放大电路、中频电路、锁相电路的设计，减少了可调元件，使整个系统电路更加合理，从而提高了电路的可靠性。

2、软件方面的全面提升，率先采用中文介面，增加了内存功能，增加了数字键，应用测量软件更加完善丰富。

经过上述的技术提高，使仪器技术指标和各项功能全部提高到与进口仪器相差无几，可靠性也大幅度提高，返修率由原来的200%下降到20%以内。这20%的故障率是多方面的问题。有机械加工、组装调试、电子元器件、补偿器、导电滑环、模拟转换器件等等各种问题积累和交织在一起，要全方位的解决，才能提高。但在当时，NTS-352已经是风靡全国，成为最好的国产全站仪，以至影响至今。

在20%的仪器故障中，横竖轴系占10%，电路部分占30%，补偿器占20%，测角模拟转换部分占15%，按健显示部分占10%，制微动部分占5%，导电滑环占5%，其它占5%。只有彻底解决每个部分和环节，才能达到5%以内。

随着技术的不断发展，进口全站仪中又有新技术应用。测角部分由原来的光栅技术上升为编码技术，测距由红外上升为激光免棱镜技术，补偿由单轴向双轴发展，操作系统由Dos向Windows系统转换，同时也向更高精度，全自动型全站仪发展。

南方公司作为国内企业的领头羊，率先向国际先进水平迈进。先后解决了绝对编码的测角技术、激光免棱镜测距技术、双轴补偿技术。这些技术经过几年的磨合改进，已经全部成熟，完全达到了国际技术水平。这些成熟的技术已全部应用到现在的第三代激光免棱镜全站仪NTS-362R、NTS-372R、NTS-662R、NTS-962R仪器中，其中NTS-372R/962R还是windows操作系统。这些仪器代表当今国产仪器最高水平。第三代激光产品（带L或R标识）经过全部重新设计和制造，将光、机、电所存在的问题一一克服掉。大到整个结构，小到每个细节、每个部件，凡是以往出现过的问题都进行了修改，同时考虑防水防尘等级，设计出更可靠又便于生产和维修的新一代全站仪。

现以NTS-362R为例，介绍一下：

第一方面：新技术的应用而减少的故障

1、绝对编码测角技术的应用：

绝对编码测角技术是应用了一维条形码技术，在光学度盘上编好所需要的角度信息，通过CCD接收由计算机解码而得到的角度值。（如图）

绝对编码测角与光栅测角相比的优点如下：

①开机不用初始化，即可显示垂直角和水平角及其它信息，仪器就进入使用状态。

②仪器突然断电，信息会自动保存。仪器不动再开机，显示的就是断电前的数据信息。

③测角部分由自制硅光电池转换部件改为进口CCD元件，不易损坏，提高了可靠性。

④由原来的双光栅度盘改为单个码盘，结构简单，易于生产和维修。

⑤省电，延长电池寿命。

⑥故障率降低，可靠性提高了。

缺点：怕脏。

绝对编码测角技术的应用，解决了原测角方式存在的各种隐患，其结构简单，又便于生产，降低了装配要求，提高了生产效率。这项技术应用后使得仪器在测角方面的故障率几乎为零。

2、激光测距技术的应用

激光测距技术是用激光发光二极管代替红外发光二极管。我们知道，同等条件下激光能量比较强，相干性比较好，经过准直后发散角比较小，能量集中，易于反射，传播较远。激光发光二极管的应用解决了近距离（300米之内）不用棱镜只要有反射物体就可以测得仪器到物体表面之间的距离（实际测程与反射物体的反光系数有关），用反射片可测800米，用单棱镜可达到5000米以上。

激光测距与红外测距相比优点如下：

①近距离300米内可实现免棱镜测距。

②用反射片也可测距，且可达到800米。

③测程更长，使用方便。

④有激光指向功能。

缺点：人眼不能直视激光。

这项技术的应用主要解决了测距多样选择，方便用户使用，提高测量作业效率。

3、双轴补偿技术的应用

补偿技术主要是提高垂直角度的测量精度。双轴补偿技术，不但可以补偿垂直角精度，同时可以补偿水平角精度。在全站仪中，垂直角的精度很关键，垂直角不准确会带来测距中的高差及平距不准确（因在实际测量中测的是斜距，要用三角函数换算成高差或平距）。我们采用双轴补偿技术是用四象限的硅光电池测圆气泡的偏移位置，从而达到补偿的目的。
双轴补偿技术与单轴补偿技术相比的优点如下：

①单轴补偿器原理是电容式，随温度变化而变化，有温度系数；而一体式双轴补偿器是用硅光电池测气泡的位置，受温度变化的影响不大，没有温度系数。

②双轴补偿器稳定时间是5秒钟，单轴是10秒至15秒，双轴补偿器稳定时间短，安平更快。

③补偿精度更高，达到±3″。因单轴水泡和双轴水泡的光学加工方式不同，加工精度不同，长水泡是手工操作一致性差，圆水泡是机器加工一致性好。

④补偿范围更大，可达到±5′，限制在±4′，使用在±3′。

⑤双轴补偿可以完成X、Y两个方向的补偿。

缺点：零件多，组装效率低，成本高。

双轴补偿技术的应用，提高了垂直角的测量精度，保证了高差、平距的准确性，使仪器指标性能又上了一个台阶。

第二方面：光学系统又重新设计

因第三代产品应用激光测距技术，光学系统与原红外光学系统有所不同，新系统采用中心发射，全口径接收方式。新系统比原系统有两方面的优点：

1、采用中心发射，全口径接收方式，大大提高了接收口径面积，增加了回光信号的能量，从而提高了测程（或同等距离提高了稳定性）；

2、系统中关键部分的分光镜由原来的四块棱镜胶合为一块组合棱镜改为一块平板，多层膜系由斜面反射改为平面反射，降低了镀膜工艺要求，提高了质量，合格率也大大提高。

第三方面：机械结构全新设计

因第三代产品中应用了全新的技术，有绝对编码测角、激光免棱镜测距、双轴补偿等，又考虑防水防尘等级，对所有的相关零件都进行了重新设计和改进，具体有如下方面：

1、竖轴系与主体连接由三个螺丝钉改为四个，接融面积也增大，保证稳定性和可靠性更好。竖轴系的密封由原来的迷宫式改为磨擦式。迷宫式实际上是里外相通即不防潮也不防水，防尘效果也有限；而磨擦式是无间隙，通过橡胶加油脂来实现。这样防水、防潮、防尘得到彻底解决。

2、横轴系设计改成能调整高低差，同时将运动部位的密封由原来的迷宫式改为磨擦式。解决防水、防潮、防尘的问题。

3、望远镜调焦部位也是增加橡胶密封圈由迷宫式改为磨擦式。

4、导电滑环在我们早期仪器中的故障率中能占5%左右，分析原因有如下三个方面：一是生产工艺时好时坏不稳定；二是后期氧化而导致接触不良；三是跳丝而产生短路。为解决这一问题我们设计制造整体密封导电滑环，变成一个整体部件，有效地解决了上述问题，从而使导电滑环的故障降至为零。

5、垂直、水平制微动的改进。

①制动结构中万向节的进一步改进，更加合理好用。

②丝杆螺距由原来0.35mm改为0.25mm，使仪器瞄准更准确。

③顶杆由原来固定改为活动的，以缓解不同方向的受力。

④主体装的位置增加了橡胶密封圈，保证仪器密封。

6、电池盒的改进比原来的更可靠也更美观，提升了仪器整体形象。

7、左右盖板的密封条全部重新设计和制造，保证密封可靠。

8、光学对中器与主体的连接螺钉方式也将外漏改为内藏式。

9、光学元件增加防水胶及防水橡胶圈，保证光学零件的密封。

10、显示操作面板结构重新设计，重新开具模，按键及密封都有显著的提高。

11、生产工艺方面的全面提高，新增先进设备，尽可能自已加工，减少外协加工，提高零件质量。

12、完善装配工艺，增加检验手段，合理控制流程，减少装配故障。

通过上述更新设计，加强工艺管理，选择好的配套企业，发现有问题的模具全部重新做，经过这些改进使仪器得以全方面的提升，达到了一个新的高度。

第四方面：电子电路的改进升级

在激光免棱镜电路设计过程中，应用了最新的设计理念，一切电路均按免调设计。没有调试元件，电路板变得相对简单，对调试电路的人员要求降低，便于仪器的生产和维修。

1、测距电路由原来两块电路板而改为一块电路板，可靠性提高了，减少了接插件，又没有可调器件，易于维修。

2、主振效率由15MH提高到60MH。测尺变小，精度提高。

3、采用超高速CPLD和新一代ARM内核芯片，提高数据处理能力，集成度更高，同时减小电路板面积。

4、引用新的数学模型解算，优化软件，使计算结果精度更高，速度更快。

5、因为应用了最新的电路技术，从而使电路板上器件越来越少，但器件管脚更多更密，人工焊接变为很困难，这样确适合机器焊接。因此现全部是由专业厂家专业设备来焊接，提高焊水平，减少因焊接而产生的故障率。

6、多CPU电路应用。有专用处理角度的、专用于补偿器的、专用于测距的、专及于液晶显示的、专用于软件的。数据处理不需要等待，运算能力提高，仪器效率提高。

7、所有的接插件均选用著名品牌公司生产的优质接插件，不用质量低劣，价格便宜没有保证的接插件。

8、进一步完善应用软件，使仪器各种应用软件，都无差错。

9、液晶由原来的COG封装形式改为COB封装形式，彻底改变因接触不良而产生的显示不全故障。

10、增加了DS卡及USB接口功能，方便用户使用。

通过电路的更新设计又一次提高了电路水平，实现了再次飞越，通过各个方方面面的改进完善，保证电路部分简单可靠，从而降低了仪器故障，提高了仪器质量。

第五方面：投入新设备完善工艺

技术先进了，生产也需要先进的设备来保障零部件的加工质量，只有零件质量提高了，仪器性能才能得以保证。同时还需要科学的生产管理。整个系统工程有了保障，才有可能生产制造出好的产品。

经过十多年的不懈努力，不论在技术上还是在生产上，都进行了全面的改进和提高，一步一步走到今天。现在的产品还需要不断提升，我们没有满足于现状，还在继续努力，力争达国际先进水平，这是我们的理想，也是我们的目标。

南方全站仪的质量是怎样一步一步提升的