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1、传感器在全站仪中的应用 朱顺平薛英 郑州测绘学院 ( 郑州市陇海中路6 6 号 4 5 0 0 5 2 ) 摘 要:传感器作为获取信息的主要途径与 手段，在广泛的 领域中 都起着重要作用。全站仪仪器中应用着各式 各样的传感器。本文 介绍全站仪中使用的部分传感器，并重 点介绍了 徕卡T P S 系列全站仪补偿器，以期对全站 仪中传感器的重要性有所r 解。 关 键 词 : 多感 * 全 站 仪 新技术革命的到来， 世界开始进入信息时代。 在利用信息的过程中， 首先要解决的就是获取准确可 靠的信息， 而 传感器是获取自 然领域中信息的主要途径与手 段。 传感器是人类五官的延长， 又称之为电 五官。目
2、 前， 传感器早己 渗透到诸如工业生产、 海洋探测、 宇宙开发、 环境保护、 资源调查、 健康管理、 生物工 程、 甚至文物保护等等极其广泛的领域。 可以毫不夸张地说， 从茫茫的太空， 到浩瀚的海洋， 以 至各种复杂的工程系统， 几乎每一个现代化项目 ， 都离不开各种各样的传感器。 全站仪作为现代高科技 的一种体现，更是少不了传感器在其中所起的重要作用 一、传感器概述 1 传感器的定义 传感器是一种以 一定的精度把被测量转换成与之有对应关系的 便于 应用和处理的物理量的装置。 它 的输入量可以是物理量、 化学量或生物量等: 它的输出量主要是电量。 它的功能就是一感二传， 即感受 被测信息，并传
3、送出去。 2 传感器的组成 传感器一 般由敏感元 件、 转换元件、 转换电路三部分组成，组成框图如 F 所示: 被测量 3 .传感器的特性 一 j 卜电量 传感器的 特性主要是指输入与输出之间的关系。 当 输入量为常量， 或变化极慢时， 这一关系就称为 静特性; 当 输入量随时间变化时， 这一关系就称为动特性。 静特性表示传感器在被测量各个值处于稳定 状态时输出输入关系: 动特性表示传感器对随时间 变化的 输入量的响应特性。 4 . 传感器的分类 传感器的 分类方法有很多， 这里只介绍按照它的工作机理所分的物理型传感器， 其中又包括多种传 感器。 如:电 参量式传感器、 磁电 式传感器、 压电
4、 式传感器、 光电式传感器、 气电 式传感器、 热电式传 感器、 波式传感器、 射线式传感器、半导体式传感器以 及其它原理的传感器等。 本文着重介绍在精密测量仪器中应用的电参量式传感器和光电式传感器。 二、传感器在全站仪中的应用 随 着科技的发展， 测量仪器也在向 着高精度， 多功能，自 动化的 方向发展。 特别是精密测量中的仪 器设备更是 科技发展的 集中 体现。 正如前面所讲到的， 传感器已 渗透到人类生活的各个领域， 全站仪作 为精密测量仪器的代表，其中用到了 很多的传感器。 1 .全站仪的基本组成 全站型电子速测仪是由电子侧角、 电 子测距、 电子计算和数据存储系统等组成， 它本身就是
5、一个带 有特殊功能的计算机控制系统。从总体上看，全站仪有下列两大部分组成: 们 为采集数据而设置的 专用设备:主要有电子测角系统、电子测距系统、数据存储系统， 还有自 动补 偿设各等。 2 ) 过程控制机: 主要用于有序地实现上述每一专用设备的功能。过程控制机包括与测量数据相联接的 外围设各及进行计算、产生指令的微处理机。 只有上面两大部分有机结合， 才能 真正地体现“ 全站” 功能， 即既要自 动完成数据采集、 又要自 动处理 数据和控制整个铡量过程。 2 .全站仪中的传感器 2 . 1 电 容式传感器 电容式传感器是将被测参数转换成电 容的 变化。 它本身就是一个可变电容器。 工 作原理为
6、: 两平行 极板组成的电容器， 如果不考虑边缘效应， 其电 容量为C =e S / 6: 式中:。 一一 极板间介质的介电常 数: S 极板的遮盖面积:6 极板间的距离。当 被测量的变化使式中的。 、 S或6 任一参数发生 变化时，电容量C 也就随之变化。 电容式传感器可分为三种基本类型， 即变极距 ( 或变间隙) 型， 变面积型 和变介电 常数型。 全站仪 中主要用它来制作电 子水准器。1 2 3 图， 是 将 电 容 器 的 电 极 制 成 四 块 电 极 板。 、 3 、 4 、一一7一一二产一一丫- 6 ，并把它们全部安装在玻璃管气泡的上方，并成对称 形， 2 是气泡， 4 和6 用导
7、线5 连接。再把 1 ,3 ,5 和 差动测量电路连接。 这种电子水准器的灵敏度非常高， 记录仪上的一个分划值大约为。 .0 5 。 实际工作中，当 仪器没有精确整平时，气泡就不会在中间，电极之间 的电容器的介电系数将产生变化，这一变化必然引起 图 I 测量电 路中输出电 压的变化。 因此测得输出电 压的变化值就可知道水准管中 气泡的偏移值， 进而得出仪 器的倾斜量。 包层 2 . 2 光纤传感器 由于光导纤维具有很多优点.因此 用它组成的光纤传感器与常规传感器相 比就有很多 特点:抗电 磁千扰能力强: 灵敏度高; 重量轻、 体积小; 适于遥测。 光纤的结构如图2 所示。它由导光的纤 芯及周围
8、的包层组成，包层外面还常有 塑料或橡胶等保护套。 包层的折射率n 2 略小于纤芯折射率n l 。 它的工作原理是光的 全内反射。 全站仪 中它主要用在测距系统里。 现代的测距系统多以 红外测距为主。 测距信号 通过砷化稼二极管转化为调制 光信号， 再通过光纤传到发射管上发射， 返回信号经接收管接收后由 光纤传到光电 二极管. 把光信号转 变为电信号。 2 . 3 光栅式传感器 光橱是在玻璐上进行密集刻划， 有刻划的地方不透光( 或不反 光) 。 没有刻划的 地方透光( 或反光) 。 其基本原理如图3 所示: 光栅式传感器的基本工作原理是利用光姗的莫尔条 纹现象进行测量的。主光拥 和指示光栅4
9、组成光栅副。 光线由 光源 1 经透镜2 和光姗副被光电元件5 接收， 若光 栅副形成莫尔条纹， 则光电元件5 接收后经电路处理后用 计数器计数可得到主光栅移过的距离。 全站仪中的测角系统就是通过它来构成的。 在度盘上 亥 I 上密集的径向光栅制成光栅度盘。在其上安置指示光 图 3 栅， 其栅距与度盘光 栅的 栅距相同。 当两光栅的 栅线有一微小夹角， 则会在与栅线儿乎垂直的方向上 形 成莫尔条纹。 在光栅度盘两侧设置发光管和光电接收管， 它们与指示光栅都固定不动，当 度盘随照准部 转动时，莫尔条纹的明暗就会发生变化，计数器由此得到角度数值。 2 .4 电荷祸合摄像器件 电 荷藕合 摄像器 件
10、 ( C h a r g e - C o u p le d D e v ic e s t o im a g in g ,简称C C D ) ,是7 0 年代发展起来的一 种新 型器件， 它将光敏二极管阵列和读出 移位寄存器集成为一 体， 构成具有自 扫描功能的图 象传感器。 它不 仅作为高质量固体化的摄像器 件成功地用于 广播电 视、 可视电 话和无线电 传真， 而且在生产过程自 动检 测和控制等领域已显示出广阔的前景和巨大的潜力。 C C D的 作原理就是利用M O S 光敏元的特性使得光生电 荷图象与光照强度一 致。 按结构它可以 分为线 阵摄像器件和面阵摄像器件。 全站仪加上C C D之
11、后可以 说实现了真正意义上的全自 动， C C D成了全站仪的 “ 眼睛” ， 使全站仪 更加向 着智能化、自 动化、 人性化的方向发展。 现在己 经把装有C C D的全站仪称之为测量机器人， 例 如徕长 的T C A系列、 拓普 康的A P - L 1 和捷创力的6 0 0 5 系列。 徕卡的T C A系列对目 标观侧一次后， 仪 器能自 动锁定被观测的反射棱镜， 为观测动态目 标提供了 方便。 作业员不需要精确照和调焦， 一旦 粗略 瞄准后，仪器就可搜寻目 标，并精确测量，比人工照准更快更轻松。 2 . 5 徕卡T P S 系列全站仪补偿器介绍 补偿器是全站仪的核心部件. 各种角度误差的改
12、正主要是通过它来进行改正量的采集并转换为电量 传输到全站仪的微处理器中 来完成的。可以说它本身就是一个综合型的传感器，下 面以 徕卡 T P S 系列全 站仪为例来对此作一简单介绍。 徕卜 T P S 系列全站仪使用的是液体补偿器， 对仪器在两个方向上进行倾斜补偿，即 双轴补偿。在丁 艺上， 安 装的 位置有所不同， 如T P S 1 0 0 0 系列的液体补偿器安装在仪器侧面的 垂直度盘的1 方， T P S 1 1 0 0 系列的则安装在仪器正中 水平度盘上方。光路上的 器件也有所变化，例如，它使用了阵列来传感影像。 图 4 介绍了 T P S l 1 0 0 倾斜传感器的工作原理。它 里
13、面的液体镜面形成了参考水平面。 安置在棱镜上的分划板 ( 1 ) 被 L E D ( 7 ) 照明，在液体表面 ( 2 )上经过两次反射后经影 像棱镜 ( 4 ) 在线性C C D阵 列 ( 6 ) 上形成影像 ( 5 ) . 分划板上的三角线状图案使其仅用一个线 性的一维接收器就能获取两个倾斜量， 纵向倾斜 改变了不同方向 线间的 距离， 横向倾斜使沿着 C C D数组整个线状图案中心产生位移。 这种设计使倾斜传感器可以做得很小， 以 致 于 理想情况 卜 可以安置于垂直轴上方的中部。 液 体镜面从它的水平位置上的移动非常小， 甚至在 1 一 棱镜分划板 2 - 油面 3 一 偏转棱镜 今
14、影像透镜 5 一 分划板影像 6 - C C D线性阵列 7 - L E D 极管 图4倾斜传感器 照准部快速转动时也是这样。 另外， 倾斜传感器也不易受其它因素的影响， 如一定的温度所引起的 经纬 仪侧护盖的变形。 三、结束语 综上所述， 可以 看出 传感器在全站仪的地位和作用是举足轻重的。 当 然， 以 上所列出的 传感器只是 全站仪中所用的一部分， 还有很多象自 动温度、 气压测量传感器等没有介绍， 这里只是通过一些介绍来 说明 传感器在全站仪中应用的广泛性与重要性。随着新工艺的采用、 新材料的 发明，必将有更加先进、 更加完美的传感器出 现， 它在全站仪中 应用的前景也会更广阔。 参考
15、文献 I 强 锡富. 传 感 器， 机械工业出 版社，1 9 9 3 2 K a r l Z e i s k e , A N e w G e n e r a t i o n o f T o t a l S t a t i o n s fr o m L e i c a G e o s y s t e m s , 1 9 9 9 3 张正禄等， 精密工程测量.测绘出 版社，1 9 9 2 T h e A p p l i c a t i o n o f S e n s o r i n T o t a l S t a t i o n Z h u s h u n - p i n g X u e y i
16、n g Z HE NZ HOU I NS TI TUT E OF S UR VE YI NG AND MAP P I NG A b s t r a ct : S e n s o r p la y s a n i m p o r t a n t ro l e in w i l d - r a n g i n g f i e l d a s t h e m a i n m e a n s o b t a i n i n g i n f o r m a t i o n . T h e r e a r e v a r i e d s e n s o r s i n p re c i s i o n m e a s u r e m e n t i n s t r u m e n t . I n t h i s p a p e r , s o m e s e n
