倾斜传感器说明.doc

http;//测绘信息网 全站仪的X-Y倾斜传感器的设计方法初探* 蓝锦添 (武汉测绘科技大学，武汉，430070) RESEARCH ON THE X-Y TILT SENSOR OF TOTAL STATIONLan Jintian(Wuhan Technical University of Surveying and Mapping, Wuhan,430070) Abstract The X-Y tilt sensor is used for correcting the bias of vertical and horizontal anglecaused by the http;//测绘信息网surplus tilt of vertical axis after the instrument is leveled. This paper describes the optical path, the electric circuit and the internal structure of the X-Y tilt sensor.Keywords Electronic total station, X-Y tilt angle sensor, Silicon photodiode 摘　要　X-Y倾斜(水平度)传感器是当仪器整平后，对垂直轴的剩余倾斜值作垂直角和水平角的改正。本文论及光路、电路以及传感器内部结构。关键词　全站仪 X-Y倾斜传感器 硅光电二极管分类号　P241.3，TN21 1 概述http;//测绘信息网　　全站仪X-Y倾斜(水平度)传感器有多种形式。本文只对液体中的气泡位移传递水平倾斜度的方法进行讨论。在全站仪作业中都是用水准气泡来整平仪器，如果整平气泡的中心偏离精确设置的气泡中心，此时传感器对水平度的剩余的偏差对垂直角和水平角进行补偿。X-Y倾http;//测绘信息网斜传感器对仪器的水平度进行监视，并且对由此产生的小角度偏差进行改正。　　众所周知，按测量规范要求，整平气泡差半格是允许的，对整平水准器为20″/格的仪器，则它的垂直轴的Y方向倾斜为10″，它在俯仰角较大的地区测量时，会造成较大的测角误差。　　光机型经纬仪，在半测回中不可能对此误差进行自动改正。而安装有倾斜传感器的全站仪，可以通过传感器输出水平度的信息量，使此偏差减小到最低程度，使高差大的地区，仍可以在软件修正之下精确地测量水平角和垂直角。这正说明安装倾斜传感器带来的优点。也正是如此，在高差大的地区测量时，当照准部固定后，转动望远镜时，水平角也会有一些秒http;//测绘信息网值在改变。这不是仪器的错误，这是垂直轴存在的小量倾斜时，倾斜传感器的Y方向作补偿的结果。 2 X-Y倾斜传感器的角度补偿器原理　　X-Y倾斜传感器有一个如普通仪器上的圆水准器，它的底部是一个平面玻璃，内盛乙醚乙醇混合液。圆水准器下面有一个透镜，其作用是把透镜下面的发光二极管置于其焦点上，http;//测绘信息网使发出的红外光线通过透镜后变成平行光线，其光线透过圆水准器，照射到几个硅光电二极管上，使硅光电二极管上产生相应的电压。其顶视图如图1所示，在一块约10 mm的硅片上，通过光刻成8块硅光电二极管。其中A、B、C、D四块作气泡位移传感器用，外围四块E、F、G、H作参考窗口传感器用［1］。http;//测绘信息网图1 SPD位置与气泡关系Fig.1 Design of tilt sensing photodiode and image of bubble 　　由于圆水准器内的气泡曲率半径很小，根据光折射原理，平行光线射到气泡时，除气泡中心很少光线透射外，大部分的光线在气泡表面被折射，不能到达硅二极管SPD上，从而形成气泡阴影。而没有气泡地方的光线则几乎全部通过液体，并投射到硅二极管上。气泡的阴影位置随着仪器倾斜而变动。假如设CA为仪器的X方向(望远镜水平时的视轴)，DB为仪器Yhttp;//测绘信息网(横轴)方向，则硅二极管受光后的电压输出为 Ux=(UA-UC)+UOB　　　　(1) Uy=(UB-UD)+UOS　　　　(2) 　　同时设参考电压值 　　UREF＝UE+UP+UG+UＨ　　　　(3) 　　从图1可知，仪器倾斜角的大小与A、C或B、D电压差成正比。气泡居中时，由于受光面积A＝C，B＝D，此时UX,UY分别等于偏置电压UOS。从设计硅片面积上来看，E、F、G、Hhttp;//测绘信息网四块参考硅片的面积之和应等于A、B、C、D除去气泡阴影覆盖后面积之和，这是一方面。另一方面，为了微处理器便于精确地计算其倾斜改正值，还必须设置相应的模数变换。模拟量的大小可以通过放大器中调