傳感器技術在常規測繪領域中的應用方向初探

摘 要：文章主要探討傳感器作為一門新興的、蓬勃發展的新技術，在常規測繪領域可供應用的價值方向。希望通過文章的分析與探討，為測繪作業提供更大的支持和便利。

關鍵詞：傳感器；常規測繪；應用

1 傳感器

國家標準GB7665-87對傳感器下的定義是：“能感受規定的被測量件并按照一定的規律（數學函數法則）轉換成可用信號的器件或裝置，通常由敏感元件和轉換元件組成”。

1.1 傳感器的組成

傳感器一般由敏感元件、轉換元件、變換電路和輔助電源四部分組成。

敏感元件直接感受被測量，并輸出與被測量有確定關系的物理量信號；轉換元件將敏感元件輸出的物理量信號轉換為電信號；變換電路負責對轉換元件輸出的電信號進行放大調制；轉換元件和變換電路一般還需要輔助電源供電。

1.2 傳感器的類型

傳感器的分類方法很多。通常據其基本感知功能可分為熱敏元件、光敏元件、氣敏元件、力敏元件、磁敏元件、濕敏元件、聲敏元件、放射線敏感元件、色敏元件和味敏元件等十大類。

其實傳感器就相當于用儀器代替人的各種感覺，視覺，聽覺，嗅覺，味覺，觸覺。

1.3 傳感器的主要應用

（1）在現代工業生產中的應用：在工業生產尤其是自動化生產過程中，要用各種傳感器來監視和控制生產過程中的各個參數，使設備工作在正常狀態或最佳狀態，并使產品達到最好的質量。

（2）在基礎學科研究中的應用：現代科學技術的發展，進入了許多新領域：例如在宏觀上要觀察上千光年的茫茫宇宙，微觀上要觀察小到飛米的粒子世界，縱向上要觀察長達數十萬年的天體演化，短到秒的瞬間反應。此外，還出現了對深化物質認識、開拓新能源、新材料等具有重要作用的各種極端技術研究，如超高溫、超低溫、超高壓、超高真空、超強磁場、超弱磁場等等。顯然，要獲取大量人類感官無法直接獲取的信息，沒有相適應的傳感器是不可能的。許多基礎科學研究的障礙，首先就在于對象信息的獲取存在困難，而一些新機理和高靈敏度的檢測傳感器的出現，往往會導致該領域內的突破。一些傳感器的發展，往往是一些邊緣學科開發的先驅。

（3）其他領域：傳感器早已滲透到諸如工業生產、宇宙開發、海洋探測、環境保護、資源調查、醫學診斷、生物工程、甚至文物保護等等極其之泛的領域。可以毫不夸張地說，從茫茫的太空，到浩瀚的海洋，以至各種復雜的工程系統，幾乎每一個現代化項目，都離不開各種各樣的傳感器。

2 傳感器在常規測繪領域的應用方向

目前傳感器在測繪行業的應用主要體現在遙感（RS）圖像的獲取方面，以及大型大壩，橋梁等建筑物的變形監測方面，在常規測繪領域，新興的傳感器技術應用較少，我卻認為，在這個大的基礎領域，傳感器技術大有可為，而且很有可能大大提高常規測繪效率和精度。下面我從三個應用方向探討。

2.1 全站儀大氣改正值PPM輸入的智能化

全站儀，即全站型電子測距儀（Electronic Total Station），是一種集光、機、電為一體的高技術測量儀器，是集水平角、垂直角、距離（斜距、平距）、高差測量功能于一體的測繪儀器系統。全站儀的距離測量采用的是光電測距原理。光電測距的的測尺長度是在一定的氣象條件下推算出來的，但是儀器在野外測量時的氣象條件與標準氣象不一致，使測距值產生系統誤差。光在大氣中的傳播速度會隨大氣的溫度和氣壓而變化，15℃和760mmHg是儀器設置的一個標準值，此時的大氣改正為0ppm。實測時，可輸入溫度和氣壓值，全站儀會自動計算大氣改正值（也可直接輸入大氣改正值），并對測距結果進行改正。所以在測距時應該同時測定環境溫度和氣壓，然后利用廠家提供的氣象改正公式計算改正值。全站儀作為電子儀器雖然無需通過對照表查找對應的改值，但是通常依然需要通過氣壓計和溫度計量出工作時的氣壓和溫度輸入到儀器中，由儀器自動改正。因為需要人工輸入，而且通常外業工作人員的理論水平參差不齊，忘記更新PPM的情況常有發生。在這樣的情況下，PPM要是能夠智能改正就好了，此時傳感器也就應該大展身手了。

在全站儀的機身集成一個溫度傳感器和一個氣壓傳感器，便可以實現PPM的智能化改正了。溫度傳感器技術比較成熟，可供選擇的方案很多，而且體積也不大。高精度氣壓傳感器一般是利用MEMS技術在單晶硅片上加工出真空腔體和惠斯登電橋，惠斯登電橋橋臂兩端的輸出電壓與施加的壓力成正比，經過溫度補償和校準后具有體積小，精度高，響應速度快，不受溫度變化影響的特點。這樣兩個傳感器互不干擾，還能協同校正。

另外，為了全站儀能夠正常工作，都會界定全站儀工作的環境溫度范圍，有了溫度傳感器之后，還可以加入低溫和高溫報警功能，保護數據免于在極限溫度下發生丟失和損壞。

2.2 墻角置鏡

在很多工程情境下，尤其是建筑工程的情境下，我們通常需要在墻角等不方便架設棱鏡的地方置鏡。置鏡于墻角，不可避免的會帶來對中誤差；通過距離交會等方法能夠避免在墻角置鏡，但是測量精度不高。這種情況下，如果在棱鏡桿的水準上面安置一個傾角傳感器，置鏡的煩惱就可以解決了。通過傳感器測得的傾角，利用正弦函數就可以求得水平對中偏移量，加入改正，就“相當于”墻角置鏡了。

高精度單軸傾角傳感器基于電容式3D-MEMS技術，在全溫區都能表現出它卓越的可靠性，穩定性和高精度。通過雙軸的配合，用歐拉角的形式表示一個坐標系的轉動，可以實現360度傾角的測量。產品已經非常穩定。這正合墻角對中偏差傾角測量改正的需求。

2.3 儀器整平

儀器整平牽涉的范圍很廣，基本上所有的測量儀器都牽涉到整平。把傳感器技術應用到儀器整平，將會使整平往自動化和智能化前進一大步，它也會像全站儀的出現一樣對整個測繪行業的作業效率帶來一個很大的提升。

目前的儀器整平，主要通過三腳架腳架和儀器基座的腳螺旋來人工調節，不同作業水平的人員整平的精度不一。如果把三腳架或腳螺旋設置成可伸縮的彈性設計，并且安置力傳感器進行自動調節，然后在基座平臺上安置雙軸水平傳感器進行整體控制，那么整平的速度和精度將會大大提高。水平傳感器是通過測量靜態重力加速度變化，轉換成傾角變化，為了達到較高的精度，通常產品內置有溫度補償，消除由于溫度造成的零位角度漂移。

在實際的測量作業中，整平并不是一個孤立的操作行為，它通常和對中是聯系在一起的，這就需要更多傳感器協同發揮作用。

隨著傳感器技術的日新月異，一定會有更多更新的傳感器可以為測繪作業提供更大的支持和便利。

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