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提高测绘仪器的精度——形状记忆合金的应用资环院土地资源管理专业（2012302450001）一、设计背景1.专业背景：土地管理的三项重要基础工作为：土地定位、土地定量、土地权属确定。要科学管理土地，首先要做好土地管理的基础工作。而准确地进行土地定位，按照一定的精度测算土地面积，都是基础工作的核心，所以土地管理中不可缺少的基础工作，均会直接或间接应用到测绘技术。地籍管理是土地管理的核心内容，因为全面准确的土地信息是有效地进行土地管理的前提。然而，由于测量仪器本身原因会对数据造成一定误差。每一种测量仪器具有一定的精确度，使测量结果收到一定的影响。由于仪器的长期使用或仪器结构的不完善，例如测量仪器轴线位置不正确：望远镜视准轴与水准管轴不平行、十字丝分化板横丝与仪器旋转轴不垂直等等，都会对测量成果数据造成一定的误差。如下图所示，当仪器视准轴与水准管轴不平行时，就会形成i角误差，对结果造成偏差。图1图2i角误差2.知识背景：1932年,瑞典人奥兰德在金镉合金中首次观察到记忆效应，即合金的形状被改变之后，一旦加热到一定的跃变温度时，它又可以魔术般地变回到原来的形状，人们把具有这种特殊功能的合金称为形状记忆合金。记忆合金的开发迄今不过20余年，但由于其在各领域的特效应用，正广为世人所瞩目，被誉为神奇的功能材料。图3形状记忆效应示意图1969年，镍--钛合金的“形状记忆效应”首次在工业上应用。人们采用了一种与众不同的管道接头装置。为了将两根需要对接的金属管连接，选用转变温度低于使用温度的某种形状记忆合金，在高于其转变温度的条件下，做成内径比待对接管子外径略微小一点的短管(作接头用)，然后在低于其转变温度下将其内径稍加扩到该接头的转变温度时，接头就自动收缩而扣紧被接管道，形成牢固紧密的连接。美国在某种喷气式战斗机的油压系统中便使用了一种镍-钦合金接头，从未发生过漏油、脱落或破损事故。作为一类新兴的功能材料，记忆合金的很多新用途正不断被开发，例如用记忆合金制作的眼镜架，如果不小心被碰弯曲了，只要将其放在热水中加热，就可以恢复原状。不久的将来，汽车的外壳也可以用记忆合金制作。如果不小心碰瘪了，只要用电吹风加温就可恢复原状，既省钱又省力，很是方便。二、国内外进展如何提高测绘仪器精度，一直是国内外专家高度关注和不懈研究的问题。为此，国内外均作出了无数的改进，如利用双轴自动补偿系统对由纵轴倾斜引起的误差作出改正；利用仪器电子化来避免由于观测人员仪器操作方面的影响，促进自动化，提高测量精度……这些，都取得了一定的进展。但不可否认，随着科技的发展，这一共同问题仍有极大进步空间。1.双轴自动补偿：作业时若全站仪纵轴倾斜，会引起角度观测的误差，盘左、盘右观测值取中不能使之抵消。而全站仪特有的自动补偿系统，可对纵轴的倾斜进行监测，并在度盘读数中对因纵轴倾斜造成的测角误差自动加以改正。双轴自动补偿的所采用的构造：使用一水泡，来标定绝对水平面。该水泡是中间填充液体、两端是气体。在水泡的上部两侧各放置一发光二极管，而在水泡的下部两侧各放置一光电管，用一接收发光二极管透过水泡发出的光。把此轴方向上的偏移进行补正，从而使轴时刻保证绝对水平。目前，我国和国外的仪器厂家，基本都采用双轴补偿器来补偿仪器的竖轴不铅直引起水平角和竖轴角的误差。如德国Zeiss公司使用的双轴液体补偿器。2.设备电子化（1）电子经纬仪：主要不同点在于读数系统,它采用光电扫描和电子元件进行自动读数和液晶显示。电子测角不是按度盘上的刻划,而是以度盘上取得电信号,再将电信号转换成角度值。如瑞士克恩(ＫＥＲＮ)厂的Ｅ1型和Ｅ2型电子经纬仪,德国ＯＰＴＯＮＪＥｌｔa-2型电子速测仪，而现在主流速测仪的测角系统大多用的是动态测角系统,测角精度可达在0.5″。国内厂家如北京光学仪器厂、南方测绘仪器公司生产的电子经纬仪测角精度均在5″左右。图5光栅度盘（2）电子水准仪：1990年瑞士徕卡公司生产出第一台数字水准仪NA2000，采用图像处理技术标尺的影像，并以行阵传感器取代测量员的肉眼进行读数，实现了水准标尺的精密照准,标尺分划读数和视距的读取、数据储存和处理等数据采集的自动化,从而提高了测量和成果质量。目前的主流产品有徕卡的ＮＡ2002、ＮＡ3003,蔡司ＤｉＮｉ20、ＤｉＮｉ10,拓普康的ＤＬ-101、ＤＬ-102等数字电子水准仪,它们的光学系统都采用了光学自平水准仪的基本形式,具有典型的交叉吊带补偿器,也可以象光学水准仪一样使用。（3）全站型电子速测仪：一种集测角,测距、计算记录于一体的新型测量仪器。在整个系统当中安装了一个集成度很高的带有固体存贮器的计算器,对观测的结果进行处理,进行数据的计算,存贮和交换，使整个流程自动化,大大提高了作业的精度和效率。并且出现了智能型全站仪，即所谓“测量机器人”。如早些时候Ｇｅｏｔｒｏｈｃｓ公司推出的Ｇｅｏｄｍｅｔｅｒ400和最新型的蔡司马达驱动自动跟踪全站仪ＥｌｔａＳ系列的仪器。图6全自动测量系统构成图三、设计方案通过利用形状记忆合金的四大特性“（1）机械性质优良，能恢复的形变可高达10%；（2）加热时产生的回复应力非常大，可达500MPa;（3）无通常金A属呈现的“疲劳断裂现象；（4）可感受温度、外力变化并通过调整内部结构来适应外界条件。”我们可在生产各种测量仪器时，有意识地使用形状记忆合金材料，以此增强测量仪器内部结构的稳定性，减少误差的形成。方案一：在结构材料中加入SMA驱动元件，利用SMA的形状记忆效应所产生的回复力，以及SMA的弹性模量随温度变化的特性，对结构的震动产生主动阻尼来减小震动，增加结构的等效刚度，控制结构的谐振频率，使结构避开共振，对共振状态下的振动抑制效果明显，由此增强内部结构的稳定性。方案二：管接头：先将其加工成内径比连接管的外径小的套管，在低温下进行扩孔，然后套在需连接的管子外面，升温至室温，由于其形状记忆效应，孔径收缩，形成紧密地压合，从而实现紧固结构。总结：通过对形状记忆合金的应用，我们可以极大地提高测量仪器内部结构的正确和稳定性。当仪器结构由于外力振动或是长期使用而产生形变时，只要对其关键部位加热，形状记忆合金就能帮助其恢复到原本正确的形态，一定程度上降低了误差产生的可能性，也由此，我们能够得到更加精确的数据成果，更好地为工作服务。