Đo đạc điện tử pot

Khái niệm về dao động và sóng điện từ 1.Các khái niệm cơ bản và định nghĩa Dao động tuần hoàn đợc biểu diễn bằng phơng trình yt = y t+ NT 1.2 Trong đó : yt là giá trị của dao động; t

Lời nói đầu

Hiện nay với việc áp dụng các thành tựu khoa học công nghệ tiên tiến, các thiết bị đo đạc đã đợc tự động hoá bằng các máy đo điện tử, bao gồm các thiết bị

đo cạnh, đo góc và đo cao điện tử Để tạo điều kiện thuận lợi cho công tác giảng dạy và học tập môn học “ Đo đạc điện tử ” trong chơng trình đào tạo kỹ s chuyên ngành Trắc địa ở hệ Đại học và hệ cao đẳng, chúng tôi đã tiến hành biên soạn cuốn bài giảng môn học “Đo đạc điện tử ” “Đo đạc điện tử ” là một môn học cần phải kết hợp kiến thức của chuyên ngành Trắc địa với một số ngành khoa học khác nh: Vật lý, kỹ điện - điện tử, thuật số, v.v Chính vì vậy, mà trong quá…trình biên soạn bài giảng, chúng tôi cố gắng trình bày các vấn đề nguyên lý thật

đơn giản và dễ hiểu bên cạnh đó cố gắng cập nhật các thông tin khoa học hiện

đại, để nội dung của bài giảng có thể đáp ứng kịp thời các yêu cầu cần thiết ở ngoài thực tế sản xuất.Vì đây là lần đầu tiên biên soạn nên nội dung cuốn sách không thể tránh khỏi những khiếm khuyết

Rất mong nhận đợc sự đóng góp ý kiến của các nhà khoa học chuyên ngành

và các bạn độc giả quan tâm

Mọi ý kiến đóng góp xin gửi về:

Bộ môn Trắc địa công trình - Khoa Trắc địa

Trờng đại học Mỏ - Địa chất, Đông Ngạc, Từ Liêm, Hà nội

Điện thoại: 048384004

Chúng tôi xin chân thành cảm ơn

Nhóm biên soạn

Chơng 1: Lý thuyết cơ sở

của phơng pháp đo xa điện tử

Đ 1.1 lịch sử phát triển của kỹ thuật đo khoảng cách

Đo khoảng cách là một phép đo quan trọng trong Trắc địa Tuy nhiên việc đo khoảng cách là một việc khó khăn, khi yêu cầu độ chính xác càng cao thì mức độ khó khăn càng lớn

I Các phơng pháp đo khoảng cách

1 Phơng pháp đo trực tiếp

Chọn một chiều dài chuẩn l

Hình 1.1: Quá trình đo của phơng pháp đo khoảng cách trực tiếp

Chọn một chiều dài chuẩn l, xác định chính xác chiều dài của thớc đo dây Lần lợt đặt thớc đo lên khoảng cách cần đo và đếm số lần đặt thớc

Độ dài của khoảng cách cần đo là D, khi đó

l: chiều dài chuẩn đã đợc xác định

Độ chính xác của phơng pháp đo trực tiếp phụ thuộc vào độ chính xác của chiều dài chuẩn của thớc đo Tính ổn định của chiều dài thớc chuẩn- phụ thuộc vào chất liệu chế tạo thớc Thông thờng trong trắc địa, ngời ta dùng thớc

R3

D

thép để đo khoảng cách, khi cần đo cạnh với độ chính xác cao, nên dùng thớc Invar (65% là thép, ~ 35% Ni, 0.5% Cr ) Invar là một loại hợp kim có độ giãn

nở rất nhỏ, thớc Invar có thể đo khoảng cách với độ chính xác từ 1/105 dến 1/106

Phơng pháp đo khoảng cách trực tiếp có u điểm là :Đơn giản, dễ thực hiện Phơng pháp này cho phép đo khoảng cách với độ tin cậy cao (nếu dùng th-

ớc Invar độ chính xác có thể đạt tới 1/106)

Tuy nhiên phơng pháp có nhợc điểm là không đo đợc khoảng cách trong

điều kiện thời tiết và địa hình phức tạp, tổ chức đo đạc rất cồng kềnh, năng suất lao động thấp

2 Phơng pháp đo dài quang học

Là phơng pháp đo khoảng cách bằng các máy quang học và các mia đặc biệt Phơng pháp này cho phép xác định khoảng cách nhanh chóng trong điều kiện địa hình tơng đối phức tạp (máy kinh vĩ và mia địa hình) Nhợc điểm của phơng pháp là chỉ cho phép đo khoảng cách ngắn, độ chính xác không cao

3 Phơng pháp giao thoa

Dựa vào hiện tợng giao thoa của sóng ánh sáng hoặc sóng điện từ để đo khoảng cách Phơng pháp giao thoa đạt độ chính xác đo khoảng cách rất cao( có thể đạt tới 1/ 10-7) Tuy nhiên, thiết bị đo đạc cồng và phạm vi đo cạnh ngắn nên phơng pháp đo này chỉ đợc dùng trong các phòng thí nghiệm

động, các số liệu đo đợc ghi vào trong bộ nhớ của máy

II Đối tợng nghiên cứu của môn học

- Nghiên cứu nguyên lý cấu tạo các thiết bị điện tử dùng trong đo đạc

- Nghiên cứu các phơng pháp đo và xử lý kết quả đo

III Mối liện hệ của môn học với các môn học khác

Môn học này có mối liên hệ chặt chẽ với các môn học khác trong lĩnh vực điện tử nh: Kỹ thuật điện- điện tử, vật liệu bán dẫn, kỹ thuật số Ngoài ra…còn có liên quan đến các môn học chuyên môn nh: Trắc địa phổ thông, trắc địa cao cấp, trắc địa công trình

Đ 1.2 Khái niệm về dao động và sóng điện từ

1.Các khái niệm cơ bản và định nghĩa

Dao động tuần hoàn đợc biểu diễn bằng phơng trình

y(t) = y( t+ NT ) (1.2)

Trong đó :

y(t) là giá trị của dao động; t là thời gian; N là số nguyên tuỳ ý;

T là khoảng thời gian nhỏ nhất mà sau đó lặp lại tất cả các đại lợng vật lý

đặc trng cho chuyển động của dao động Khoảng thời gian đó đợc gọi là chu kỳ của dao động

Đại lợng tỷ lệ nghịch với chu kỳ đợc gọi là tần số, đó chính là số dao

động trong một đơn vị thời gian ký hiệu là f

T

1

f = (1.3) Dao động điều hoà đơn giản nhất là dao động điều hoà hình sin có phơng trình:

ϕ0 : pha ban đầu, biểu thị trạng thái ban đầu (khi t= 0) của dao động hình sin;

ω: là tần số góc;

Đặc tính lan truyền của sóng điện từ phụ thuộc chủ yếu vào bớc sóng λ

(hay tần số) của nó Ngời ta chia sóng điện từ ra thành các loại nh (hình 1.3)

Sóng điện từ đợc chia thành các dải sóng sắp xếp theo tần số tăng dần trong các máy đo xa điện từ dùng dải sóng có tần số f từ 1013 đến 1015 (Hz) làm sóng mang và sóng có tần số từ 10 đến 500MHz với độ ổn định cao làm sóng đo

Hình 1.2

Một trong những tính chất quan trọng của sóng điện từ là tính phân cực, nghĩa là vec-tơ E có khả năng chỉ truyền theo một phơng trong một mặt phẳng cố định.

- Nếu vec-tơ cờng độ điện trờng xảy ra một cách hỗn loạn trong mặt phẳng vuông góc với phơng truyền sóng đợc gọi là sóng phân cực tự nhiên hay sóng ch-

a phân cực

- Nếu vec-tơ cờng độ điện trờng xảy ra trong một mặt phẳng nhất định thì dao động đợc gọi là dao động phân cực thẳng trong đó mặt phẳng chứa vec-tơ cờng độ điện trờng đợc gọi là mặt dao động Mặt phẳng vuông góc chứa vec-tơ cờng độ từ trờng gọi là mặt phân cực

- Phơng trình của sóng điện từ phân cực thẳng truyền trên trục x với vận tốc

v có dạng :

y = Acos [ω(t-x/v)+ ϕ0] (1.7)Mặt phẳng chứa E gọi là mặt phẳng dao động, còn mặt phẳng chứa H là mặt phẳng phân cực Trong kĩ thuật đo xa điện tử thờng sử dụng sóng điện từ phân cực thẳng Mặt hình học chứa các điểm của dao động có cùng pha gọi là mặt đầu sóng hay mặt đầu pha Mặt đầu sóng có thể là mặt cầu hoặc mặt phẳng

Sóng điện từ đơn sắc là sóng có tần số không đổi Các sóng đơn sắc có tần số khác nhau sẽ truyền với vận tốc khác nhau Sự phụ thuộc tốc độ truyền sóng vào tần số đợc gọi là sự tán sắc Trong thực tế không tồn tại sóng điện từ

đơn sắc mà nó là tập hợp nhiều sóng có tần số khác nhau

Hình 1.3: Thang tần số của sóng điện từ

Tử ngoại

f(Hz)

Đ I.3 ánh sáng tự nhiên, ánh sáng phân cực

hiện tợng lỡng chiết và hiệu ứng điện quang

1 Khái niệm về ánh sáng tự nhiên

Trạng thái tự nhiên của các nguyên tử và phân tử là phân bố ở mức năng lợng thấp hơn, sau đó phân bố lên mức năng lợng cao hơn, đó chính là trạng thái phân bố thuận theo các mức năng lợng, trạng thái này chỉ hấp thụ năng lợng chứ không bức xạ Muốn đa điện tử từ mức năng lợng thấp lên mức năng lợng cao thì

ta phải cung cấp năng lợng

ánh sáng là do các nguyên tử và phân tử bị kích thích phát ra dới dạng các lớp sóng liên tiếp trong đó các vec-tơ E, H, S vuông góc với nhau từng đôi một Do chuyển động hỗn loạn ở trong nguyên tử, cho nên các lớp sóng do nguyên tử phát ra có véc-tơ cờng độ điện trờng E khác nhau nhng vuông góc với tia sáng

Mặt khác khi chúng ta xét một nguồn sóng nào đó dù rất nhỏ thì nó cũng bao gồm do nhiều nguyên tử, bởi vậy, trong trờng hợp chung vec-tơ cờng độ điện trờng (E) luôn luôn dao động hỗn loạn xung quanh tia sáng S và luôn đảm bảo E vuông góc S ánh sáng nh vậy gọi là ánh sang tự nhiên

3 Hiện tợng lỡng chiết

a Khái niệm về chất lỡng chiết

ánh sáng đơn sắc lan truyền trong môi trờng với vận tốc khác nhau tuỳ thuộc vào tần số f Sự phụ thuộc giữa tốc độ truyền sóng và tần số f gọi là hiện t-ợng tán sắc của môi trờng Trong chân không tất cả các sóng đều lan truyền với vận tốc giống nhau Vì vậy, chân không là môi trờng không tán sắc

Trong một số môi trờng, tốc độ của ánh sáng không phụ thuộc vào hớng của tia tới, ánh sáng lan truyền theo mọi hớng với tốc độ nh nhau (môi trờng

đẳng hớng quang học) Tuy nhiên có một số chất: băng lan, thạch anh có tính…chất đặc biệt là: vận tốc của ánh sáng không phải là một đại lợng cố định mà biến đổi theo hớng của tia tới, ánh sáng lan truyền theo các hớng khác nhau với tốc độ khác nhau Hiện tợng này gọi là hiện tợng lỡng chiết

Giả sử chiếu một tia sáng vuông góc với tính chất CaCO3 (băng lan) tại

bề mặt CaCO3 sẽ có hai tia:

- S0: tia thờng

- Se: tia dị thờng

Sau khi ra khỏi tinh thể CaCO3 các tia có tính chất sau :

- Cả hai tia phân cực thẳng toàn phần và song song với nhau

- Giữa hai tia có độ lệch pha ψ

Hình 1.4

- Nếu thay đổi góc tới :Vận tốc của S0 không thay đổi , vận tốc của Se thay đổi

Đối với mỗi một chất lỡng chiết có tồn tại một hớng, mà nếu chúng ta chiếu sáng thì vận tốc của tia thờng bằng vận tốc của tia dị thờng ve=v0 , đờng thẳng song song hớng này gọi là quang trục của chất lỡng chiết, kí hiệu là (∆) Mặt phẳng chứa quang trục và tia sáng nào đó gọi là mặt phẳng tiết diện chính

S0

Se

của tia ấy Các chất lỡng chiết có một quang trục gọi là chất lỡng chiết đơn trục, các chất lỡng chiết có nhiều quang trục gọi là chất lỡng chiết đa trục.

b ứng dụng của chất lỡng chiết

Chất lỡng chiết đợc sử dụng trong kỹ thuật đo xa điện tử để chế tạo những dụng cụ có nhiệm vụ biến đổi tia sáng tự nhiên thành tia sáng phân cực (gọi là kính phân cực)

- Lăng kính Nikol

Gồm một tinh thể băng lan đợc ghép nh (hình 1.5)

Hình 1.5

Khi chiếu ánh sáng đến lăng kính Nikol ta thấy ánh sáng đợc tách thành

2 tia: tia thờng S0 và tia dị thờng Se Nếu chọn góc tới thích hợp, tia s0 bị phản xạ

ở lớp nhựa và sau đó bị hấp thụ hết, còn lại ta thu đợc tia dị thờng sau khi đi qua kính phân cực đợc phân cực thẳng toàn phần Nh vậy, từ tia sáng tự nhiên khi đi qua lăng kính Nikol ta thu đợc một tia sáng phân cực

Lăng kính Nikol có u điểm là: làm việc với độ tin cậy cao, phân cực ánh sáng gần nh hoàn toàn Tuy nhiên thiết bị này cũng có những nhợc điểm: bị nóng chảy ở nhiệt độ cao, và lợng tiêu hao năng lợng lớn

Thông thờng ngời ta thờng sử dụng 1 cặp lăng kính Nikol nh (hình (1.6)

P : kính phân cực; A : kính phân tích

Hình 1.6

Cờng độ ánh sáng sau khi đi qua hệ hai lăng kính này phụ thuộc vào góc hợp bởi quang trục của P và A

J2 = A22 = A1 cos2α (I.11)

Trong đó:

A1 và A2 biên độ dao động của ánh sáng sau khi đi qua P và A;

J : cờng độ ánh sáng

α : góc hợp bởi quang trục của kính phân cực và kính phân tích

Nếu α = 0 khi đó P song song với A và ánh sáng đi qua hoàn toàn Nếu α = 900 khi đó P vuông góc với A và ánh sáng bị ngăn lại hoàn toàn

4 Hiệu ứng điện quang

Bản chất của hiệu ứng điện quang là một số chất ở điều kiện bình thờng không phải là chất lỡng chiết, nhng khi đặt vào trong một điện trờng mạnh thì nó trở thành chất lỡng chiết Tính chất lỡng chiết của nó mạnh hay yếu phụ thuộc vào ờng độ điện trờng

a Hiệu ứng Kerr

Cấu tạo tế bào Kerr :Là một bình thuỷ tinh kín trong có đựng chất lỏng (rợu hoặc Nitroben zen) trong có đặt 1 tụ điện( hình 1.7)

Bình thờng nếu hai bản cực không có điện trờng thì, dung dịch C6H5NO2

không phải là chất lỡng chiết Khi giữa hai bản của tụ điện có điện trờng thì dung dịch C6H5NO2 trở thành chất lỡng chiết

Hình 1.7

Biểu thức toán học của hiệu ứng Kerr

Nếu gọi no là chiết suất của tia thờng; ne là chiết suất của tia dị thờng thì mối quan hệ giữa chiết suất của tia thờng và tia dị thờng đợc xác định bởi công thức

ne= n0+k1.E2 (I.12)Trong đó:

E: là cờng độ điện trờng

K1: là hằng số Kerr, phụ thuộc vào bản chất của chất lỏng và nhiệt độ của nó

Tế bào Kerr có u điểm là làm việc với độ tin cậy cao, quán tính của hiệu ứng Kerr rất nhỏ cỡ 10-10 đến 10-11 giây, dễ chế tạo và có độ bền cơ học cao Tuy nhiên khi sử dụng tế bào Kerr trong các bộ điều biến ánh sáng ta thấy hiệu ứng này tiêu tốn nhiều năng lợng và có kích thớc tơng đối cồng kềnh

b Hiệu ứng Pokelxơ

Cấu tạo: Gồm một tụ điện, đặt giữa hai bản cực của tụ điện là tinh thể muối (muối KDP hoặc muối ADP - KH2PO4 ) Hiệu ứng Pokelxơ còn gọi là hiệu ứng tuyến tính vì ánh sáng chiếu dọc theo chiều của điện trờng

Hình 1.8

Nếu gọi no là chiết suất của tia thờng; ne là chiết suất của tia dị thờng thì mối quan hệ giữa chiết suất của tia thờng và tia dị thờng trong hiệu ứng Pokelxơ

ĐI.4 Nguyên lý cơ bản của phơng pháp đo xa điện tử

I Cơ sở vật lý của phơng pháp đo xa điện tử

Phơng pháp đo xa điện tử dựa vào nguyên lý xác định quãng đờng khi biết thời gian và vận tốc truyền sóng điện từ

Đo xa điện tử là phơng pháp xác định chiều dài một cách gián tiếp qua thời gian truyền sóng điện từ trên khoảng cách cần đo

Hệ thống thu phát tín hiệu Hệ thống phản hồi tín hiệu

Hình 1.9 Sơ đồ nguyên lý của phơng pháp đo xa điện tửGiả thiết rằng sóng điện từ đợc lan truyền theo đờng thẳng với tốc độ đã biết trớc, ta cần phải xác định đợc khoảng thời gian τ mà sóng điện từ lan truyền

từ A đến B

Tại A đặt trạm thu phát sóng liên tục phát tín hiệu về B Tại B đặt hệ thống phản xạ nhằm phản xạ tín hiệu Nếu đặt thiết bị nhằm xác định thời điểm tín

hiệu rời máy phát (t1) và thời điểm tín hiệu quay trở lại (t2) tại điểm A và gọi τ là thời gian tín hiệu đi qua khoảng cách 2D (hình 1.9) thì ta có

= v.τ

2

1

Với v là vận tốc lan truyền tín hiệu

Tín hiệu có thể sử dụng là sóng âm thanh, sóng điện tử, sóng siêu âm Nếu sử dụng sóng âm thì độ chính xác không cao vì tốc độ lan truyền sóng chậm

và nó phụ thuộc vào các ngoại cảnh đặc biệt là nhiệt độ Trong các máy đo xa

điện tử dùng trong Trắc địa không dùng sóng âm, mà dùng sóng điện từ (bao gồm sóng ánh sáng và sóng radio)

Vì tốc độ truyền sóng điện từ trong không khí là rất lớn (v≈ 3.108 m/s) cho nên thời gian τ rất nhỏ Nếu D = 30km thì τ = 0.2 às

Để xác định độ chính xác xác định thời gian τ, dựa vào công thức (1.14)

vi phân và chuyển sang sai số trung phơng ta có

mD = v m t

2

1

(I.15)Giả sử cần đo khoảng cách D với sai số mD = ≤ 1.5 (cm) thì sai số đo±thời gian (mt) phải đạt 10-10s

Nh vậy để đạt đợc độ chính xác đo khoảng cách đảm bảo yêu cầu trong công tác trắc địa, thì độ chính xác đo thời gian τ đòi hỏi rất cao, vì vậy phải cần những phơng pháp và thiết bị đo đặc biệt thì mới đáp ứng đợc yêu cầu này

Hiện nay có nhiều nhiều phơng pháp xác định thời gianτ nhng nói chung các phơng pháp đều dựa trên một nguyên lý: so sánh một tham số nào đó của dao động điện từ trớc và sau khi dao động đó đi qua khoảng cách cần đo Khi đó tín hiệu từ bộ phận phát tới bộ phận thu của máy theo hai đờng riêng biệt

- Một đờng đi trực tiếp trong máy đó là tín hiệu gốc

- Một đờng đi qua khoảng cách cần đo (hình 1.10)

Hình 1.10

Tại bộ phận thu tiến hành so sánh tín hiệu gốc và tín hiệu phản xạ theo tham số đã lựa chọn của hai tín hiệu là hàm của của hiệu quãng đờng 2D- d ta sẽ xác định đợc D nếu biết trớc d

II.Phân loại các phơng pháp đo xa điện tử

Tuỳ thuộc vào tham số đợc chọn của sóng điện từ để so sánh tín hiệu gốc

và tín hiệu phản xạ ngời ta tiến hành phân loại các phơng pháp đo xa điện tử

- Phơng pháp xung: Là máy mà tín hiệu do bộ phận thu phát phát ra là các xung Thời gian đợc xác định trực tiếp bằng cách đếm xung

- Phơng pháp tần số

- Phơng pháp pha: Tín hiệu là các dao động điều hoà hình sin liên tục.Thời gian đợc xác định gián tiếp qua hiệu pha giữa tín hiệu gốc và tín hiệu phản hồi

Phơng pháp pha đợc chia làm hai loại

+ Phơng pháp đo hiệu pha trên tần số sóng tải đợc gọi là phơng pháp giao thoa đợc ứng dụng cho dải tần là sóng quang học

+ Đo hiệu pha trên tần số điều biến

Tín hiệu tới hệ thống phản xạ

Tín hiệu phản xạ trở về Tín hiệu gốc

D

d

1.Khái niệm xung điện tử và các tham số của nó

Năng lợng điện từ thờng đợc phát đi chủ yêú dới hai dạng: nếu phát liên tục theo thời gian, nó là sóng điện từ hình sin Nếu phát ngắt quãng là các xung

điện tử

Những tham số đặc trng cho một dao động xung gồm

- Hình dạng của xung : xung hình chữ nhật, xung hình sin, xung hình răng ca

Hình 1.11

- Chu kỳ của xung Tx : khoang thời gian xuất hiện của hai xung kề nhau

- Tần số xung Fx : số xung xuất hiện trong một giây

Fx = 1/Tx (I.16)

- Độ dài của xung τx : là khoảng thời gian tồn tại của xung

- Khoảng thời gian dừng nghỉ của xung τn:là khoảng thời gian tắt xung thứ nhất đến thời điểm xuất hiện xung thứ hai

2.Nguyên lý đo khoảng cách bằng phơng pháp xung

Khi đo khoảng cách bằng phơng pháp xung ngời ta đo trực tiếp khoảng thời gian lan truyền ngắn, đều đặn của các xung phát so với khoảng thời gian dừng không phát các xung, đợc phát từ máy phát đặt ở đầu đoạn đo qua khoảng cách cần đo và phản xạ trở lại máy thu Khoảng cách cần đo đợc tính theo công thức

v 2 D

2

1

D = τ (I.17) Bức xạ các xung phát đi chỉ làm việc trong khoảng thời gian rất ngắn bằng độ dài của xung

Tx

τn

τx

Thông thờng ngời ta tiến hành theo biên độ Trong thời gian phát xung, tiến hành phát các dao động có biên độ không đổi còn trong thời gian tạm nghỉ giữa các xung thì không có bức xạ (hình 1.12 - a).

Khi điều biến theo tần số biên độ của các xung dao động bức xạ sẽ không thay đổi còn tần số sẽ biến đổi theo độ dài của xung (hình 1.12-b)

Để nhận đợc kết quả đo khoảng cách D với giá trị đơn trị thì chu kỳ phát xung giữa hai xung liên tiếp cần phải lớn hơn thời gian hành trình của xung τ2D

khi đi qua khoảng cách cần đo và quay trở lại, khi đó tín hiệu phản xạ sẽ đến máy sớm hơn so với bức xạ của xung tiếp theo

Độ chính xác yêu cầu đo thời gian τ2D xác định theo công thức

Hình 1.13: Sơ đồ khối của máy loại xungSóng điện từ đợc phát ra từ nguồn bức xạ nhờ bộ điều biến đợc biến đổi thành các xung điều biến theo biên độ hoặc điều biến theo tần số Các xung điều biến đến bộ điều biến từ bộ tạo xung Bộ tạo xung có nhiệm vụ biến đổi những dao động hình sin từ bộ tạo sóng thành các xung liên tiếp với với tần số cố định lặp theo chu kỳ Tx.

Bộ tạo xung bao gồm mạch hạn chế biên độ và mạch vi phân

Máy phát bức

xạ Cao tần Bộ điều biến Phát tín hiệu

Bộ tạo xung Bộ tạo sóng

Thu tín hiệu

Đo thời gian

Bộ phản xạ

Hình 1.14

Sau khi đi qua mạch hạn chế biên độ tín hiệu hình sin biến thành tín hiệu hình thang, qua mạch vi phân chỉ lấy các xung có đặc tính dơng ta có các xung hình mũi gai

Tín hiệu cao tần đợc điều biến bởi các xung đợc phát về hệ thống phản xạ anten thu bức xạ cao tần và tách lấy các xung để đa đến bộ đo thời gian

Bộ đo thời gian có thể là ống phóng điện tử hoặc bộ đếm xung

Hoạt động bộ đo thời gian

- K phát sinh ra điện tử, luồng điện tử đợc điều khiển bởi màn chắn M,Anốt A1và A2 có nhiệm vụ gia tốc và hội tụ các điện tử khi đó trên màn hình có một chấm sáng

- Tạo thế hiệu quét để đa dến tấm điều khiển ngang Tín hiệu quét đợc tạo bởi mạch hạn chế biên độ và mạch tích phân, thu đợc tín hiệu hình răng ca để đa

đến tấm điều khiển ngang (hình 1.16)

Màn huỳnh quang (hiện sáng)

+

+ -

X

Y

A 2

A2

A1

A 1

M

Bộ phận phân hướng Sóng điện tử

Hình 1.16

- Tại thời điểm t1 bắt đầu của điện áp răng ca máy phát cao tần phát xung

về phía bộ phận phản xạ, theo mức tăng của điện áp, luồng điện tử đợc kéo từ a sang b tạo thành một đờng quét ngang, ở thời điểm t2 điện áp tụt xuống bằng 0,

đờng quét trở lại a và bắt đầu quét lại, trên màn huỳnh quang ta có một vệt sáng nằm ngang Ta gọi chiêù dài đờng quét là l0 tơng đơng với khoảng thời gian

τ2D = 0

0

t l

l v 2

1

= l m

1 (1.21) 1/m gọi là tỷ lệ của đờng quét

Độ chính xác đo thời gian đạt 10% độ dài của 1 xung( 10-8 s) tơng đơng với độ chính xác đo khoảng cách cỡ 5-15 m Ngày nay với việc sử dụng kỹ thuật

laze cho phép tạo ra các xung có độ dài từ 10 – 0.1 Nano giây ( 1ns = 10-9 s )

t-ơng đt-ơng với độ chính xác đo khoảng cách từ m đến cm Các máy đo khoảng cách bằng phơng pháp xung loại này đợc dùng để đo khoảng cách đến mặt trăng

và các vệ tinh nhân tạo

b Đo thời gian bằng bộ đếm điện tử

Để tăng độ chính xác đo thời gian ngời ta thay ống phóng điện tử bằng

bộ đếm điện tử Trong các thiết bị loại này ngời ta sử dụng laze xung.Thời điểm phát xung đợc xác định bằng đồng hồ thạch anh hay đồng hồ nguyên tử

Xung gốc và xung phản xạ đều đợc mã hoá thành xung điện tử đa đến bộ

đo thời gian Bộ đếm điện tử sẽ xác định khoảng thời gian giữa xung gốc và xung đã phát qua khoảng cách 2D

Sơ đồ khối của máy đo khoảng cách bằng laze xung nh hình (1.17)

Hình 1.17

4.u nhợc điểm của phơng pháp xung

Đo khoảng cách bằng phơng pháp xung có u điểm là: Có thể đo trực tiếp khoảng cách mà không phải biết khoảng cách gần đúng Việc đo đạc đợc tiến hành nhanh gọn Có thể đo khoảng cách đến các đối tợng mà không cần bộ phản xạ thụ động (Mặt trăng, vệ tính nhân tạo)

Nhợc điểm cơ bản của phơng pháp xung là : độ chính xác đo khoảng cách thấp hơn nhiều so với phơng pháp pha

ĐI.6 đo khoảng cách bằng phơng pháp pha

Phơng pháp pha là phơng pháp đợc sử dụng rộng rãi trong các máy đo dài trên mặt đất và trong thực tế nó đợc ứng dụng trong tất cả các máy đo dài ánh sáng và máy đo dài Radio

I Phơng trình cơ bản của phơng pháp pha đo khoảng cách

Phơng pháp pha đo khoảng cách đợc dựa trên nguyên lý: pha của dao

động điều biến là một hàm số tuyến tính về thời gian, do đó sự biến đổi pha sau một khoảng thời gian nào đó sẽ là một hàm số tuyến tính của khoảng cách

Giả sử máy phát (hình 1.18) phát đi một dao động điều biến có tần số góc là ω có pha là:

ϕ1 = ωt + ϕ0 (1.22)

Trên khoảng cách D đặt gơng phản xạ Sau khi truyền qua khoảng cách 2D khi đó pha của dao động là

ϕ2 = ω( t - τ2D ) + ϕ0 (1.23)

Trong đó τ2D là thời gian truyền tín hiệu theo hớng thuận và ngợc lại

Bộ đo pha sẽ đo hiệu pha giữa tín hiệu gốc và tín hiệu phản xạ

Bộ đo pha sẽ đo hiệu pha giữa tín hiệu gốc và tín hiệu phản xạ

D 2 D 2 π

ϕ

=

τ (1.28)Thay giá trị của τ2D vào công thức (1.17) ta có

D =

f 4

v 2D

π ϕ

D =

2

2 f 2

v 2

D 2 D

π

ϕ

= π

ϕ (I.29)

Nh vậy khoảng cách D có thể tính đợc khi biết tốc độ truyền sóng v và

đo đợc độ chuyển dịch pha ϕ2D trên tần số f khi sóng điện từ truyền trên

α là phần lẻ của hiệu pha ( 0 < α < 2π )

Một bộ đo pha bất kỳ có thể đo đợc độ chuyển dịch pha trong phạm vi từ

0 đến 2π tức là chỉ xác định đợc α còn N cha xác định đợc

Kết hợp (1.29) và (1.30) ta có

D = )

2 N ( f 2

v

π

α + (1.31) Phơng trình (1.31) đợc gọi là phơng trình cơ bản của máy đo dài bằng phơng pháp pha

π

α + (1.32)

Nếu đặt N

2 = ∆ π

α Thì D = ( N+∆N )2λ (1.33)

Độ chính xác đo khoảng cách bằng phơng pháp pha

Hiện nay, ngới ta đã đo đợc phần lẻ của hiệu pha α với độ chính xác

1000

1 2

m

= π

α

Nếu sử dụng sóng đo có bớc sóng λ/2 = 10 m thì sai số đo khoảng cách đạt

mD = 1 cm

II Sử dụng sóng tải và sóng đo trong các máy đo xa điện tử

Từ công thức (I.32) ta thấy khoảng cách cần đo bằng (N+∆N) nửa bớc sóng λ/2 hay nói cách khác đại lợng λ/2 là thớc đo khoảng cách Do đó độ dài của bớc sóng tơng ứng với tần số f mà ở đó ta đo đợc độ chuyển dịch của pha đ-

ợc gọi là tần số của sóng đo

Khi tần số của tín hiệu đủ lớn (ở dải sóng VHF) đặc biệt là ở dải tần số sóng ánh sáng, việc đo hiệu pha nhằm phục vụ công tác đo khoảng cách gần nh không thực hiện đợc bằng bộ đo hiêụ pha Trong trờng hợp này ngời ta sử dụng hiện tợng giao thoa giữa sóng phát đi và sóng phản xạ để đo khoảng cách (gọi là máy đo dài giao thoa) Phơng pháp này có độ chính xác rất cao, nhng có một nh-

ợc điểm lớn thiết bị đo đạc cồng kềnh đòi hỏi phải điều chỉnh rất công phu và chính xác nên loại máy này chỉ đợc dùng để giải quyết những nhiệm vụ đặc biệt

Từ kết quả nghiên cứu về lý thuyết và thực nghiệm ngời ta thấy rằng: Để xác định đợc hiệu pha với độ chính xác cao thì tần số của sóng đo phải nằm trong khoảng 10-500 MHz Tuy nhiên nếu phát trực tiếp dao động có tần số thì gặp rất nhiều bất lợi (hiện tợng phản xạ sóng từ bề mặt địa hình, tăng kích thớc của Anten, ảnh hởng của điều kiện ngoại cảnh) Xuất hiện mâu thuẫn:

- Nếu để truyền sóng cần dao động có tần số cao

- Để đo hiệu pha cần dao động có tần số thấp

Để giải quyết hai vấn đề mâu thuẫn nhau đã nêu ở trên, trong các máy đo

xa điện tử ngời ta sử dụng phơng pháp điều biến dao động

- Bộ phận phát sóng phát ra các sóng tần số cao (sóng Radio hoặc sóng

ánh sáng) và đợc gọi sóng tải (carry - wave)

- Sóng tải đợc điều biến bởi một dao động hình sin có tần số nằm trong khoảng 10- 500 MHz đợc dùng để đo hiệu pha với độ chính xác cần thiết gọi là sóng đo Tần số của dao động này có độ ổn định rất cao.

Khi đó sơ đồ khối của các máy đo xa điện tử sẽ có cấu tạo nh sau:

Hình 1.19Tuỳ thuộc vào sóng tải ngời ta phân loại máy đo xa điện tử thành 2 loại:

- Máy đo xa rađio Sóng tải là sóng có dải tần sóng Radio

Ưu điểm của máy đo xa bằng sóng rađio có tầm hoạt động xa hơn, hoạt

động đợc ở điều kiện sơng mù và bụi, hoặc có thể xuyên qua làn cây hẹp nhng

Tách sóng

Anten phát

Anten thu

ĐI.7 phơng pháp giải đa trị của kết quả đo khoảng cách trong các bằng máy đo dài bằng phơng pháp pha

- Phơng pháp thay đổi khoảng cách

I Phơng pháp tấn số bién đổi đều

Dựa vào nguyên lý: khi thay đổi tần số thì pha của tín hiệu sẽ thay đổi theo

Nội dung của phơng pháp này là:

Bằng cách thay đổi sóng đo một cách đều đặn sao cho số lần bớc sóng đo trên khoảng cách cần đo là một số nguyên lần Đo lấy giá trị tần số, khi đó ta sẽ xác định đợc khoảng cách cần đo

II Phơng pháp biến đổi khoảng cách

Đây là phơng pháp đo dài Rađio và máy đo dài giao tho ánh sáng

Nội dung của phơng pháp dựa trên một nguyên lý: chu kỳ pha sẽ thay đổi khi thay đổi khoảng cách Khi đó số N sẽ là số chu kỳ pha đầy đủ

III Giải đa trị bằng cách đo trên các tần số cố định .

1 Điều kiện để giải đa trị

- Máy phải phát đợc một số tần số cố định có độ ổn định cao

- Phải biết trớc giá trị gần đúng của khoảng cách cần đo với độ chính xác thích hợp

Từ (I.32) ta thấy N >>∆N

=> Dgđ ≈ N

2

λ => mDgđ = mN

2

λ

(I.33)

Vì N là số nguyên nên mN là sai số làm tròn, nên mN lớn nhất là 0,5 -> mN

≤± 0,5

Nếu đo khoảng cách trên 1 tần số nào đó để xác định N một cách tin cậy

phải biết Dgđ với sai số ≤λ4 Khi đó 1 tần số

Tần số của sóng đo phải nằm trong khoảng 10-500 MHz Khi f = 10

MHz thì λ = 7.5 m nh vậy yêu cầu biết Dgd với độ chính xác nhỏ hơn

4

λ

là không thể thực hiện đợc trên bản đồ địa hình tỷ lệ lớn , vì vậy ngời ta phải giải đa trị bằng cách dùng nhiều tần số

2 Giải đa trị dùng nhiều tần số

Giả sử máy có thể làm việc trên m tần số cố định ta sẽ có m phơng trình ( N N )

2 ) N N ( f 2

v

1 1 1

∆ +

λ

=

∆ +

=

( N N )

2 ) N N ( f 2

v

2

∆ + λ

=

∆ +

= (I.34) ………

( N N )

2

m ) N N ( f 2

v

m

∆ + λ

=

∆ +

=

Trong đó tất cả các giá trị ∆Ni đều đã biết Những đại lợng cha biết là Ni

và D Dựa vào việc lựa chọn tần số fi có hai phơng án cơ bản để giải quyết bài toán

( N N )

2 ) N N ( f 2

v

1

∆ + λ

=

∆ +

= (I.37)

( N N )

2 ) N N ( f 2

v

2 2 2

∆ + λ

=

∆ +

đợc D’gđ trên tần số f2, gọi là khoảng cách gần đúng thứ hai Thay vào (I.37) ta tính đợc N1

1

1 gd '

λ

= (I.40) Sau khi làm tròn N1 đến số nguyên gần nhất thay vào (I.37) sẽ xác định

v

(I.43) Vì f1 > f2 > f3 Nên N1 > N2 > N3

Ký hiệu: N1- N2 = n12

N1- N3 = n13

Tõ (I.41) ta cã

=

v

1 f 2

D (N1 + ∆N1) (a)

=

v

f 2

D 2 (N2 + ∆ N2) (b)

=

v

f 2

D 3 (N3 + ∆ N 3) (c) LÊy (a) - (b) ta cã

( N N ) ( N N )

V

) f f D

2 1− 2 = 1− 2 + ∆ 1− ∆ 2 (I.44) LÊy (a) - (c) ta cã

( N N ) ( N N )

V

) f f D

2 1 − 3 = 1− 3 + ∆ 1− ∆ 3 (I.45) Suy ra

n13 =[n12 + ( N N )] ( N1 N3)

13

12 2

Nếu N1 tìm đợc là số lẻ thì phải làm tròn đến số nguyên gần nhất Sau khi

đã tìm đợc N1 thì khoảng cách đợc xác định theo công thức (I.32) Nh vậy thay cho đo khoảng cách ở bớc sóng λ3 thì ta đo trên tần số ảo λ12 λ13 nh vậy tăng λ

100 m

2

10 2

1

13 = ìλ = λ

1000 m

2

10 2

12

12 = ìλ = λ

1 1

12 12

f f

f K

−

= λ

K càng lớn thì độ chính xác xác định mDgd càng rộng, tuy nhiên từ (I.55)

ta thấy việc tăng hệ số K dẫn đến việc tăng độ chính xác đo hiệu pha (∆N) thậm

chỉ có thể tăng đến mức độ chính xác đo hiệu pha không vợt quá khả năng cho phép cuả bộ đo hiệu pha trên các máy đo xa điện tử.

Nếu ở dải tần số sử dụng cha cha đạt đợc yêu cầu độ chính xác xác đinh

Dgđ , ta đa thêm các tần số 3 và 4 Trong trờng hợp này các tần số còn lại thờng

đợc phân bố gần tần số thứ nhất và suy giảm một cách hợp lý

Khi tăng số tần số thì yêu cầu độ chính xác đo hiệu pha sẽ giảm xuống Thông thờng trong các máy đo dài hiện nay số tần số cố định có từ 2 đến 5 tần

số Hệ số đa tri K đối với các tần số có thể giống nhau hoặc khác nhau và nằm trong phạm vi từ 10 dến 100

Trong các máy đo dài hiện đại

Hiện nay trong cấu tạo của các máy đo dài hiện đại ngời ta chọn hệ số K

= 10, và các máy này đợc gọi là các máy làm việc trến bớc sóng hệ 10

1 = λ

λ

= λ

Từ phơng trình cuối của (I.58) tìm N1 thay vào phơng trình trên tìm n15 ta

D = λ1 15 + ∆ 15

( N N )

2 10

D = 2 λ1 14+ ∆ 14 (I.59)

( N N )

2 10

D = 3λ1 13+ ∆ 13

( N N )

2 10

Vì vậy các giá trị ∆N1i chỉ lấy số hạng thứ nhất sau dấu phảy ký hiệu a1i

còn giá trị ∆N1 lấy tất cả các số hạng sau dấu phảy, ngoài ra khoảng cách gần

đúng đợc lấy biểu thị ở số nguyên của đơn vị trăm nghìn m (100 Km)

Khi sử dụng công thức này ngời ta giả định rằng:

- Thời gian lan truyền của tín hiệu trong các mạch điện bằng không

- Tâm phát sóng trùng với tâm hình học của máy

- Quán tính của các linh kiện điện tử không có

Tuy nhiên trong thực tế những điều kiện này đều không thực hiện đợc vì vậy xuất hiện số hiệu chỉnh do các yếu tố trên đợc gọi là hằng số K của các máy

KE: Thành phần điện do:

- Thời gian lan truyền tín hiệu trong các mạch điện

- Thời gian biến đổi tín hiệu (trộn và tách sóng, biến năng lợng ánh sáng thành năng lợng điện)

- Quán tính của các linh kiện điện tử thuộc vào điện trở của mạch điện,

mà điện trở của mạch điện phụ thuộc vào điều kiện ngoại cảnh môi trờng Do vậy thành phần điện KE luôn thay đổi

Giá trị KE đợc xác định theo lý lịch của máy hoặc bằng phơng pháp kiểm nghiệm; Giá trị KE thay đổi và khắc phục bằng giải pháp đo quang tuyến

2 Phơng pháp xác định giá trị K G

a Xác định hằng số k bằng cách đo trên đờng đáy chuẩn

Đặt máy đo trên cạnh đáy có khoảng cách biết trớc D0 đo n lần

D0 = D’ + K (I.63)

n

) D D ( K

n 1

' 0

b Xác định hằng số bằng phơng pháp đo phân đoạn

Chọn khoảng cách cần đo không nên quá dài khoảng 100 ữ 150 (m)

- Đầu tiên đo toàn bộ khoảng cách trớc

kDD

kDD

' n n

' 2 2

' 1 1

n 1 i

'

i n.kD

'

i n.k D' kD

1 n

D D

k

n 1 i

' i '

m m

m

2 i' D

2 ' D

+

1 n m m

' D K

số KE của máy Phơng pháp hữu hiệu nhát là sử dụng quang tuyến

- Đo khoảng cách từ máy tới gơng:

KE

2 ) N N (

D = + ∆ λ+ (I.70)

- Đo theo quang tuyến (chiều dài quang tuyến Dqt≤λ/4)

qt K E

2 N

D = ∆ λ + (I.71) Lấy (I.70) – (I.71) ta có

2 N ( K 2 ) N N ( D

D − qt = + ∆ λ + E − ∆ λ+ E (I.72)

Hay : D qt

2 N

D = λ + (I.73)Giá trị Dqt đã biết trớc khi chế tạo máy, nên loại trừ đợc KE

ĐI.10 Các nguồn sai số chủ yếu trong máy đo dài điện tử

Xuất phát từ công thức

k

f 2

v 2

D 2 f 2 f

D 2 v 2 v

D 2

2 D 2

D m m m m m







 δ

δ +







 δ

δ +







 δ

δ +

δ

Ta có các đạo hàm riêng phần

δ

δ k

D = ;

. 21f

π δ

v π δ

δ =− ψ

Thay vào (I.75) ta có:

f 2

2 2

2 2 k

2 v 2 2

2 2 2

2 2

2

f 4

v 4 m m f 4

1 4 m F 4

v 4

1 m

π

ψ + + π

ψ + π

Ta thấy: 2

2

2 2

2

D f 4

v

+ π

2

2 v 2 2 k

2 2

2 2

2 D

f

m v

m D m m f 4

v 4

2 2

f 4

v 4

f

m v

- mK phụ thuộc vào kết cấu của máy, độ chính xác và phơng pháp xác

định k, mk mang tính hệ thống, đối với các máy hiện nay có mk khoảng 1-5mm;

- mΨ phụ thuộc vào các yếu tố nh phơng pháp đo pha, thiết bị đo pha,

điều kiện ngoại cảnh; mΨ mang tính ngẫu nhiên và với kỹ thuật hiện nay mΨ đạt khoảng 0,1- 10; trong nhiều trờng hợp mΨ còn gọi là sai số chu kỳ

- mF bao gồm độ chênh lệch giữa trị số định danh ghi trong lý lịch máy, với trị số thực và độ chính xác của máy đo tần số (khi lấy chuẩn tần số đo) , mF

mang tính ngẫu nhiên và với kỹ thuật hiện nay mF/F dao động trong khoảng 10-5 -

Chơng 2: Nguyên lý cấu tạo

Của máy đo dài điện quang

I Sơ đồ khối

Máy đo xa điện quang là máy có sóng tải là sóng ánh sáng Các máy đo

xa hiện nay do nhiều hãng chế tạo, chúng rất khác nhau về hình dạng bên ngoài, kích thớc, tính năng kỹ thuật Tuy nhiên chúng đều có sơ đồ khối tổng quát chung nh sau:

Hình 2.1

II Hoạt động của máy

ánh sáng do nguồn sáng phát ra đợc dẫn đến bộ điều biến, tại đây sóng

ánh sáng đợc điều bởi dao động điều hoà hình sin từ máy phát sóng đo dẫn đến,

ánh sáng đã điều biến đợc hệ thống quang học phát, phát ra chùm tia rất hẹp và phát về phía gơng đặt ở đầu kia của khoảng cách cần đo ánh sáng đợc gơng phản hồi trở về đợc hệ thống quang học thu của máy thu lại, dẫn đến bộ phận đo thời gian Bộ phận này xác định thời gian mà tín hiệu từ lúc phát đến gơng và quay trở về, từ đó tính đợc khoảng cách cần đo

Đo thời gian

X x

X x

4

6

5

I Yêu cầu đối với nguồn sáng

1 Độ chói của nguồn phải lớn và hiệu suất phát sáng phải cao Vì độ chói của nguồn quyết định tầm hoạt động của máy và hiệu suất phát sáng liên quan đến vấn đề tiêu thụ năng lợng của máy

2 Kích thớc của vật phát sáng phải nhỏ và vị trí của nó phải ổn định Để tâm của nguồn sáng trùng với tiêu điểm của hệ thống quang học

3 Gọn nhẹ, rẻ tiền, tiêu thụ ít năng lợng và dễ dàng thay thế khi hỏng

II Các loại nguồn sáng

2 Đèn hồ quang (cao áp thủy ngân, Argon)

Là đèn mà vật phát sáng là tia hồ quang

- Ưu điểm: Độ chói của đèn rất lớn

- Nhợc điểm: Tiêu thụ năng lợng lớn, vị trí của tia hồ quang không ổn

định gây ra độ méo pha rất lớn Hiện nay không dùng loại đèn hồ quang này và

đèn sợi đốt

3 Laser (Light Amplification by stionulated Emission of Radiation)

a Khái niệm

- Laser là hiện tợng khuyếch đại ánh sáng bằng bức xạ cỡng bức

- Nguyên tử bao gồm các hạt nhân và các điện tử quay xung quanh theo những quỹ đạo xác định

- Bình thờng các điện tử đợc phân bố ở các quỹ đạo gần hạt nhân đến mức tối đa

- Khi có tác động bên ngoài, điện tử sẽ hấp thụ năng lợng để nhảy từ mức thấp lên mức năng lợng cao hơn nếu ngừng kích thích các điện tử lại trở về mức năng lợng của nó và giải phóng năng lợng ở dạng Photon

- Nếu quá trình xảy ra một cách tự phát hỗn loạn thì ánh sáng phát ra trong trờng hợp này là ánh sáng đa sắc, có tần số khác nhau và đặc tính phân cực khác nhau.

- Nếu ta kích thích cho các điện tử lên cùng một mức năng lợng xác định

và trở về cùng mức năng lợng thìánh sáng phát ra là ánh sáng đơn sắc có cùng tần số và đặc tính phân cực, cùng pha gọi là hiện tợng bức xạ cỡng bức hay laser

b điều kiện để có laser

- Phải có môi trờng hoạt tính là môi trờng phân bố đảo theo mức năng ợng , nhằm mục đích làm cho số điện tử ở mức năng lợng cao nhiều hơn số điện

l-tử ở mức năng lợng thấp, thông qua quá trình cung cấp năng lợng

- Cộng hởng tần số: chọn ánh sáng khởi động có tần số bằng tần số củacác photon phát ra khi các điện tử nhảy từ mức năng lợng cao về mức năng l-ợng thấp

- Có bộ cộng hởng quang học : làm cho càng nhiều điện tử tham gia vào quá trình bức xạ cỡng bức

Cấu tạo : gồm 1 thanh hồng ngọc dài 7-8 cm hai

đầu tráng bạc (Bộ cộng hởng quang học), đền Neông làm nhiệm vụ bơm quang học Do tác động, các điện tử nhảy từ E1 lên E3 sau đó trở về E2

Khi làm việc các thanh hồng ngọc nóng lên rất nhanh nên chỉ làm việc ở chế độ phát xung có độ dài xung 10-3 s

Tuy nhiên laser bán dẫn không thể phát liên tục vì không có bộ cộng ởng quang học để thực hiện hồi tiếp năng lợng và hơn nữa nếu phát liên tục tinh thể có thể bị phá huỷ do bề dày vùng chuyển tiếp rất nhỏ Vì vậy, ngời ta chỉ cho phát ở công suất nhỏ gọi là Quang điôt

h-p

n