BÀI GIẢNG môn đo đạc điện tử

Phương trình của sóng điện từ được truyền trên trục X với vận tóc v có dạng: 1.1Trong đó : A là biên độ dao động- giá trị cực đại biểu thị độ lớn của dao động hình sin bị môi trường hấp

BÀI GIẢNG MÔN ĐO ĐẠC ĐIỆN TỬ

CHƯƠNG 1: SÓNG ĐIỆN TỪ VÀ KIẾN THỨC LIÊN QUAN

1.1 Dải tần số

- Khái niệm: Tần số là số lần cùng lặp lại một hiện tượng trên

một đơn vị thời gian

- Ví dụ: 1 tuần SV lớp CĐ10TĐ1 học một buổi môn TĐ CTN vào chiều chủ nhật

- Để tính tần số: chọn một khoảng thời gian đếm số lần xuất hiện của hiện tượng trong thời gian ấy, rồi chia cho khoảng thời gian đã chọn

- Như vậy, đơn vị đo tần số là nghịch đảo của thời gian Trong hệ đo lường quốc tế (SI) đơn vị này là Hz ( đặt theo tên của nhà khoa học người Đức: Heinrich Rudolf Hertz)

1 Hz cho biết tần số lặp lại của một sự việc đúng bằng một lần trên mỗi giây:

* Dải tần số: Bản chất của hiện tượng dao động với những tần số khác nhau sẽ được ứng dụng trong những ngành khoa học kỹ thuật khác nhau Do đó, trong hệ đo lường quốc tế ( SI), người ta chia các hiện tượng đó ra làm các dải tần khác nhau nhằm phục vụ cho các ngành khoa học khác nhau

Trong lĩnh vực khoa học kỹ thuật, có một loại dao động là sóng điện từ Theo kiến thức vật lý, điện từ trường lan truyền trong không gian gọi là sóng điện từ Điện từ trường có những tần số khác nhau sinh ra dải tần khác nhau Cụ thể có 7 vùng sóng điện từ được phân chia theo độ lớn của tần số:

Hình 1.1 Thang sóng điện từ

1.2 Sóng điện từ và lan truyền sóng điện từ

Máy đo xa điện tử sử dụng dải sóng radio cực ngắn (máy đo

xa radio) và dải sóng ánh sáng (máy đo xa điện quang) làm sóng mang Hai dải sóng này nằm trong thang sóng điện từ Vì thế ta cần nghiên cứu một số kiến thức cơ bản về sóng điện từ

Sóng điện từ là sóng ngang ( véc tơ cường độ điện trường E

và cường độ từ trường H vuông góc với nhau và nằm trong một mặt phẳng vuông góc với phương truyền sóng) H vẽ:

Hình 1.2 Sóng điện từ

Cường độ điện trường E là đại lượng vật lý, thể hiện bằng véc tơ trong không gian, đặc trưng cho độ lớn và hướng của điện trường về mặt tác dụng lực tại điểm đó.

Điện trường là một mô hình tưởng tượng trong điện từ học

để nói về môi trường đặc biệt bao quanh điện tích và gắn liền với điện tích Điện trường tác dụng lực lên tất cả các hạt mang điện đặt trong nó và gọi là lực điện

Từ trường là môi trường vật chất đặc biệt sinh ra quanh các điện tích chuyển động hoặc do sự biến thiên của điện trường

Cường độ từ trường là đại lược véc tơ có hướng, ký hiệu là H

Trong các máy đo xa điện tử sử dụng dải sóng có tần số f từ

1013 - 1015 hz làm sóng mang và sóng có f từ 10 - 50 MHz với độ ổn định cao làm tín hiệu đo

Tính chất quan trọng của sóng điện từ là tính phân cực Véc

tơ E có khả năng chỉ truyền theo một phương trong một mặt phẳng cố định Phương trình của sóng điện từ được truyền trên trục X với vận tóc v có dạng:

(1.1)Trong đó : A là biên độ dao động- giá trị cực đại biểu thị độ lớn của dao động hình sin

bị môi trường hấp thụ mạnh (tầm xa bị hạn chế khi đo ban ngày), kích thước bề mặt phát xạ lớn, chùm tia không nhóm độ chính xác thấp và đặc biệt chúng không có khả năng tạo được chùm các sóng kết hợp và đơn sắc(tần số và hiệu pha không ổn định)…Hiện nay, các máy đo xa điện quang loại pha chủ yếu dùng hai loại máy phát quang học lưỡng tử Trong lĩnh vực trắc địa thường được gọi tắt là laser khí và laser bán dẫn làm nguồn bức xạ sóng mang

1 Laser khí He-Ne

a Cấu tạo

Mặc dù những năm gần đây đã xuất hiện một số dạng laser khí CO2, Ar…nhƣng trong các máy đo xa điện quang vẫn sử dụng thông dụng laser hỗn hợpkhí trơ He (Heli)và Ne (Neon) Cấu tạo của nó (hình 2.1) gồm một ống nhỏ bằng thạch anh hoặc kim loại (1) ở giữa hẹp với đường kính gần 3mm hai đầu hơi phình, dài khoảng 25cm, chứa He và Ne theo tỷ lệ khoảng 1:10 đạt áp suất

≈ 1mmHg Hai đầu ống được gắn hai tấm kính (2), chúng được đặt nghiêng so với ống (1) một góc Briuter (3) nhằm tạo ra điều kiện phân cực toàn phần cho tia laser (góc nghiêng Briuter: i = arctg(n1/n2), trong đó: n1,n2 là hệ số chiết xuất của hai môi trường, ánh sáng phản xạ dưới góc i trở thành ánh sáng phân cực thẳng)

b Nguyên lý hoạt động

Dựa vào thuyết miền năng lượng của cơ học lượng tử, có thể giải thích nguyên

lý tạo thành chùm tia laser He – Ne sơ lược như sau (hình 2.2)

Khi nguồn nuôi (6) phóng điện vào ống (1) sẽ kích thích làm các nguyên tử khí He nhảy từ mức E1lên mức E4 Sau đó, chúng va chạm và truyền năng lượng cho các nguyên tử Ne Các nguyên tử Ne cũng phải chuyển sang trạng thái tương ứng với mức năng lượng cao nhất E4 Vì, Ne là chất hoạt tính có thời gian “sống” ở E4 rất ngắn (10-3 s), nên các điện tử của nó lập tức phản xạ tự nhiên trở về E3, và ở đây xẩy ra hiện tượng bức xạ tự kích làm cho chúng liên tục nhảy xuống mức năng lượng thấp hơn E2 Lúc này, các điện tử Ne sẽ “vứt bỏ” phần năng lượng thừa vừa tiếp nhận từ He dưới dạng các dòng foton ánh sáng lượng tử) với vận tốc:

c Ưu nhược điểm

Mặc dù ống (1) có kích thước ngắn và công suất tiêu thụ bé nên tia laser He – Ne có công suất bức xạ không lớn như sóng radio cực ngắn (2-5mw) hạn chế tầm truyền xa, đồng thời có hệ số hiệu suất thấp ( 0.05%)

nhưng vẫn được sử dụng rất phổ biến, vì nó có một loạt ưu điểm sau:

- Là chùm tia màu đỏ (>30 tia) rất dễ quan sát khi đo ngắm;

- Là chùm sóng kết hợp đơn sắc có tần số f ổn định cao (≈0.6328 km);

- Là chùm tia phân cực thẳng, với góc loe rất nhỏ (2-10‟) không bị tán xạ, nhiễu xạ… truyền dọc theo đường đo;

- Có mật độ năng lượng tương đối lớn (gấp 107 lần tia mặt trời), ít bị khí quyển hấp thụ, truyền xa (≈ 50km) và cho phép đo ngắm trong điều kiện ban ngày;

- Thích hợp với bộ lọc ánh sáng dải hẹp và bộ thu nhận tín hiệu là ống nhân quang điện;

- Cấu tạo gọn nhẹ và có tuổi thọ cao v.v…

2 Laser bán dẫn GaAs (Gali và Asen)

a Cấu tạo

Gồm hai tinh thể bán dẫn loại p (lỗ hổng) và loại n (điện tử) là Ga và As ghép với nhau hình (2.3a) lớp tiếp p – n có độ dày cực mỏng (≈ 0.1µkm) đóng vai trò như môi trường hoạt tính, tại đây sẽ bức xạ tia laser nếu diot GaAs phân cực thuận (nối p với cực “+”, n với cực “”), có mật độ dòng điện thích hợp (≈104 A/cm2) và đặt nó giữa hốc cộng hưởng quang học (gồm hai tinh thể mỏng) đặt vuông góc với lớp p – n và bốn phía còn lại được làm xám (xù xì)

b Nguyên lý hoạt động

Khác với các nguyên tử của các chất khác, trong hợp chất bán dẫn GaAs không tồn tại các năng lượng riêng biệt mà chúng hợp thành các miền năng lượng (hình 2.3b): miền hoá trị (miền chứa đầy điện tử), miền cấm

(không chứa điện tử) và miền dẫn (là miền trống rỗng, và khi có điện tử tự nó sẽ trở thành miền dẫn điện) Khi có năng lượng cung cấp, các điện tử ở miền hoá trị sẽ vượt qua miền cấm nhảy lên miền dẫn Vì thế, ở miền hoá trị xuất hiện “lỗ hổng” còn ở miền dẫn xuất hiện điện tử Mặt khác, khi cho diot GaAs phân cực thuận thì tại lớp tiếp giáp p – n “lỗ hổng” và điện tử sẽ chuyển động ngược chiều nhau và chúng sẽ tái hợp với nhau Quá trình tái hợp phát ra năng lượng dưới dạng foton Và, cũng giống như trường hợp laser khí, nhờ các hốc cộng hưởng quang học và với mật độ dòng điện để phóng vào vùng p – n thích hợp

mà tạo ra dòng foton Nếu mật độ dòng điện nhỏ thì sẽ nhận đƣợc dòng ánh sáng kết hợp, không nhóm và công suất nhỏ, nhưng nếu dòng điện quá cao dễ làm cháy diot Vì thế, thường phải làm sạch diot (bằng cách đặt vào bình chứa nitơ lỏng hoặc chỉ cho diot làm việc với công suất vừa phải), làm cho dòng foton đủ mạnh để xuyên qua lớp kính mỏng trở thành tia laser

c Ưu nhược điểm

So với các loại khác, laser bán dẫn GaAs có ưu điểm là diot duy nhất có khả năng biến đổi trực tiếp năng lượng điện thành laser, có hiệu suất cao (≈50%), bức xạ ở chế độ liên tục (sóng), đồng thời, dưới tác động của dòng điện cao tần nó tạo ra dòng laser điều biên (biến điệu trong), có kích thước cực

bé (0.5mm3), tuổi thọ cao Tuy nhiên, dùng diot GaAs có những hạn chế là công suất bức xạ nhỏ (≈0.2 mw), mức độ tích hợp và tính đơn sắc kém hơn, không nhóm lắm (góc loe ≈5°) và là tia không trông thấy (λ= 0.84µm gần dải hồng ngoại)…Vì thế các máy dùng laser GaAs chỉ đo được khoảng cách ngắn (2-5km) với độ chính xác thấp hơn máy dùng laser He – Ne và trong máy phải dùng các bộ lọc ánh sáng đặc biệt

Kỹ thuật công nghệ những năm gần đây đã chế tạo được diot bán dẫn làm việc ở chế độ xung, vì thế đã xuất hiện một số máy đo xa loại xung hoặc loại xung pha

1.4 Mạch tích hợp và môi trường lưu trữ dữ liệu

1 Mạch tích hợp (IC)

Là một mạch điện tử mà các thành phần tác động và thụ động đều được chế tạo trong hoặc trên một đế (substrate) hay thân không thể tách rời nhau được Đế hoặc thân này có thể là một phiến bán dẫn hoặc một phiến cách điện

Một IC thường có kích thước dài rộng cỡ vài trăm đến vài ngàn micromet, được đựng trong một vỏ bọc bằng kim loại hoặc plastic (nhựa) Những IC như vậy thường là một bộ phận chức năng, có khả năng thể hiện một công việc điện

tử nào đó Sự cấu thành của một bộ phận điện tử cũng như một hệ thống điện tử

vẫn là hướng tìm tòi và theo đuổi từ lâu Nhu cầu là phát minh ra các mạch và hệ thống điện tử theo chiều hướng từ đơn giản đến phức tạp, lớn đến nhỏ, từ tần số thấp đến tần số cao.

Sự tích hợp vào IC thường được thực hiện ở giai đoạn bộ phận chức năng Song khái niệm tích hợp không nhất thiết dừng ở giai đoạn này Người ta vẫn nỗ lực để tích hợp với mật độ cực cao trong IC nhằm hướng tới việc tích hợp toàn thể hệ thống điện tử trên một IC (chip)

SSI: Tích hợp quy mô nhỏ

MSI: Tích hợp quy mô trung bình

LSI: Tích hợp quy mô lớn

- Dây nối giữa các bộ phận: Kim loại có điện trở suất nhỏ như Al, Au, Cu…

- Điện trở : dùng mảng kim loại hoặc kim loại có điện trở suất lớn như

Ni-Cr, Ni-Cr-Al, Cr-Si, Cr…

- Tụ điện: dùng mảng kim loại để đóng vai trò bản cực

- Cuộn cảm: Dùng mảng kim loại hình xoắn, tuy nhiên khó tạo ra cường

độ từ trường với kích thước hợp lý

- Cách điện giữa các bộ phần: dùng mảng SiO2, SiO…

+ IC đơn tinh thể (monolothic IC)

Gọi là IC bán dẫn (dùng một đế là chất bán dẫn, thường là SiO2…) Trong

đó chế tạo transistor, diode điện trở, tụ điện… Rồi dùng chất cách điện SiO2 phủ lên che chở cho các bộ phận, dùng màng kim loại để nối các bộ phận với nhau:

- Transistor, diode đều là các bộ phận bán dẫn

- Điện trở được chế tạo bằng cách lợi dụng điện trở của lớp bán dẫn có khuếch tán tạp chất

- Tụ điện được chế tạo bằng cách lợi dụng điện dung của vùng hiếm tại một nối p-n phân cực nghịch

+ IC lai (hibrid IC)

Là loại Ic lai giữa hai loại trên Từ vi mạch màng mỏng, người ta gắn ngay trên nó các thành phần transistor, diode… tại những nơi đã định Các Transistor, diode không cần có vỏ mà chỉ cần một lớp men tráng để bảo vệ

Ưu điểm của IC lai

Có thể tạo nhiều IC (digital hoặc Analog)

- có thể tạo ra nhiều phần tử thụ động có giá trị khác nhau với sai số nhỏ

Bộ nhớ chia thành hai loại:

- Bộ nhớ trong (nằm nội bên trong thiết bị) Trong đó gồm có ROM và RAM

- Bộ nhớ ngoài: bao gồm đĩa mềm CD, USB…

- Tín hiệu tuơng tự: là tín hiệu mà biên độ chỉ có một trong hai giá trị duy nhất 0 hoặc 1 tương ứng với hai trạng thái logic trên

Tín hiệu trên đường chuyền là sóng mang có thiể là tín hiệu tương tự hoặc tín hiệu số được dùng để truyền dữ liệu

c Truyền dữ liệu

Truyền dải nền: tín hiệu được truyền có cùng dải tần với tín hiệu nguồnĐiều chế: cho phép dời phổ tần của tín hiệu nguồn đến một khoảng tần số khác phù hợp với kênh truyền và tránh được nhiễu do giao thoa (các phổ tần cách nhau một khoảng để đủ không chồng lên nhau)

CHƯƠNG 2: NGUYÊN LÝ ĐO KHOẢNG CÁCH ĐIỆN TỬ (EDM)

Nguyên lý chung xác định khoảng cách bằng sóng điện từ là bài toán chuyển động đều, nghĩa là mối tương quan giữa khoảng cách D với tốc

độ v và thời gian t:

D =v.τ

Trong thực tế để xác định khoảng thời gian τ , người ta ghi nhận thời điểm phát tín hiệu (t1) và thời điểm thu (t2) bằng một bộ thu phát đặt tại một điểm đầu khoảng cách D Lúc này:

(2.1)

Như vậy, độ chính xác xác định D phụ thuộc vào độ chính xác xác định v (hay n) trong môi trường đo và độ chính xác đo thời gian Theo lý thuyết sai số

(2.2)

Vì tốc độ truyền sóng điện tử rất lớn nên để nhận được khoảng cách D với độ chính xác theo yêu cầu trắc địa mD thì trị số τ là cực kỳ nhỏ và phải xác định với mτ rất cao

Bản chất vật lý của các phương pháp đo khoảng cách là so sánh để xác định độ chênh lệch của một tham số (SĐT) ở hai thời điểm trước (phát) và sau (thu) khi truyền nó Thông thường, nguyên lý chế tạo máy đo xa điện tử là một tín hiệu phát đi được chia làm hai thành phần Thành phần thứ nhất - đặc trưng cho thời điểm phát được truyền trực tiếp trong máy qua các bộ phận đến bộ đo thời gian có tổng chiều dài Do (kênh chủ) gọi là tín hiệu gốc hay tín hiệu chủ, còn thành phần thứ hai - đặc trưng cho thời điểm thu - truyền qua hai lần khoảng cách 2D (kênh tín hiệu) gọi là tín hiệu đo hay tín hiệu phản

hồi (trong các máy đo xa dùng “quang tuyến chuẩn Do” trong nội bộ máy thì tín hiệu truyền qua Do cũng là tín hiệu đo).

Như vậy, hai thành phần này được tạo ra cùng một tín hiệu chỉ khác là chúng truyền qua hai quãng đường khác nhau là Do và 2D, nghĩa là

độ chênh lệch cần đo là một hàm số của hiệu (2D  Do) trong đó có chứa khoảng cách D cần tìm

Như trên đã nói, việc chọn một tham số nào đó để tiến hành

so sánh tín hiệu gốc và tín hiệu phản hồi sẽ xác định một phương pháp đo khoảng cách Có ba phương pháp chủ yếu là: phương pháp thời gian (phương pháp xung), phương pháp tần số và phương pháp pha

2.1 Phương pháp xung

Bản chất của phương pháp xung là quan hệ giữa khoảng cách

D với số lượng xung phát đi m trong khoảng thời gian giữa hai thời điểm phát (tp) và thu (tt)

Giả sử số lượng xung đếm được là m Chu kỳ xung TX tỷ lệ nghich với tần số f nên thời gian lan truyền xung trên khoảng cách 2D là:

f

m T

m X

2

τ (2.3)Thay vào (2.1) ta có:

m f

v m f

kỹ thuật điện tử tạo xung laser có độ dài τX hẹp, chu kỳ TX lớn và độ rỗng

Bộ môn TĐ Cao cấp - Công trình 11

E

t

t

Hiện nay khối EDM của nhiều máy TĐ ĐT hoạt động theo phương pháp xung.

*Sơ đồ nguyên lý chung của máy đo xa loại xung

Sóng điện từ (sóng mang) từ nguồn bức xạ (1) đi vào bộ điều biến (2) Dưới tác dụng của xung điều biến được biến thành các xung điều biên hoặc điều tần Trong đó các xung làm điều biến được lấy từ bộ tạo xung (3) (3)

là kết quả của quá trình chuyển hóa từ các dao động hình sin có tần số ổn định cao tạo ra bộ phát sóng cao tần thạch anh (4)

Xung (2) qua bộ phát tín hiệu (5) truyền đến bộ phản xạ (6) rồi quay về (7) vẫn là xung điện từ điều biên tương ứng

Trong quá trình đó bộ đo thời gian (8) đếm thời gian từ lúc phát xung làm điều biến và thu tín hiệu đếm khoảng thời gian

2.2 Phương pháp pha

Trước đây không có thiết bị điện tử nào có để đo được khoảng cách trong thời gian cực ngắn với độ chính xác cao nên người ta phải đo gián tiếp bằng cách đo hiệu pha ∆ ϕ là hàm của biến số t trong công thức et = E0 sin (ω +t ϕ0)

Giả sử tại thời điểm tp SĐT phát đi với tần số pha tức thời là :

)

2

ζP = f t P +

Sau khi truyền qua hai lần khoảng cách 2D ta nhận được trị

số pha tức thời ở thời điểm tt là:

v

D t

P t

2

2 π ζ

2

ϕ = ' + ∆Trong đó ϕ ' là trị hiệu số pha bằng số nguyên lần 2 π

Và ∆ ϕ 〈 2 πNhư vậy khoảng cách D được biểu thị dưới dạng:

f

v f

v N D

2

2 2

.

π

ϕ

∆ +

=

Ngoài ra còn có mối quan hệ giữa v, f , T, và λ

f

v T

v =

= λ

Từ đó :

2

2 2

λ π

ϕ

λ ∆+

=N D

* Sơ đồ nguyên lý của máy đo xa loại pha

- Bộ phát tín hiệu: nguồn tạo sóng mang (1) + bộ điều biến ánh sáng (2), bộ phát tần số đo (3) và hệ thống phát quang học (4).

- Bộ phát tín hiệu phát đi dòng ánh sáng điều biến φđb

- Sau khi truyền qua hai lần khoảng cách 2D nó được đưa vào bộ tách pha I (5) và II (6)

- Mặt khác bộ phát tần số đo (3) cũng tạo ra hai dao động

điện áp (u1) và (u2) có cùng tần số f nhưng ngược pha nhau 1800 đặt vào hai bộ tách pha (5) và (6)

- Hai dao động điện đi ra khỏi (5) và (6) có mối tương quan giữa tín hiệu đo và tính hiệu chủ Kết quả là cùng đi vào bộ chỉ báo pha (7) là hai dòng điện (i1) và (i2) có cùng biên độ, cùng tần số nhưng lệch pha nhau 900

và bộ chỉ báo pha (7) sẽ ghi nhận những thời điểm trùng nhau của chúng ( Vì thế phương pháp này còn gọi là phương pháp pha đồng tín hiệu)

2.3 Phương pháp doppler

Trong trắc địa vệ tinh, cần xác định một số trị đo dài có khoảng cách lớn Từ trước đến nay, thế giới đã nghiên cứu và sử dụng một số phương pháp đo khoảng cách dài, trong đó có phương pháp đo khoảng cách theo tần số doppler Trong hệ thống này, hiệu tần số doppler được sử dụng (ví dụ như hiệu pha) để đo hiệu khoảng cách Hiệu tần số doppler được xác định theo công thức:

e e

c f f

ý nghĩa quan trọng trong đạo hàng

Từ nội dung cơ bản của đo khoảng cách theo pha sóng tải ta

có phương trình biểu thị tốc độ khoảng cách là:

.

φ ρ δ

Số liệu hiệu tần số doppler nguyên thủy được sử dụng để xác định số nguyên đa trị trong kỹ thuật đo động avf được coi như là trị đo độc lập

bổ sung trong định vị điểm

2.4 Phương pháp giao thoa

Hiện tượng giao thoa ánh sáng được phát minh vào năm

1801 Khoảng đầu thế kỷ 20, nguyên lý đo giao thoa ánh sáng được áp dụng vào xác định chiều dài mét gốc Paris Sau này, nó còn được áo dụng kiểm nghiệm, xác định chiều dài thước dây Invar, xác định chiều dài cạnh gốc của lưới khống chế trắc địa

Hiện nay, phương pháp đo giao thoa ánh sáng vẫn đang được

sử dụng để xác định khoảng cách giữa các điểm của lưới khống chế trắc địa… Trong thực tế có một nhánh cần phải xác định khoảng cách giữa hai điểm ở rất

−

S

xa nhau trên trái đất, xác định hướng đến nguồn phát Phương pháp đó là giao thoa cạnh đáy lớn (VLBI)

* Nguyên lý cơ bản của đo giao thoa cạnh đáy lớn

Giả sử A, B là hai điểm ở xa nhau trên Mặt đất Trên mỗi điểm đều có

máy thu bức xạ ánh sáng từ thiên thể

ở xa Coi tia sáng đi tới A và B là song

song Tại A, B còn có các thiết bị khác như đồng hồ nguyên tử., bộ trộn tần …

đó c là vận tốc ánh sáng Ta có (trắc địa vệ tinh_ bài giảng sau đại học_ PGS Đỗ

Ngọc Đường)

z y x

) cos(

G

G

α α

α α

* ưu điểm của phương pháp đo giao thoa cạnh đáy dài

- là phương pháp thuần hình học không chịu ảnh hưởng của

sức hút trọng trường như các phương pháp khác

- Có thể đo trong mọi thời tiết

- Độ chính xác rất cao

* Ứng dụng của đo giao thoa cạnh đáy dài

Có nhiều ứng dụng, có hai điểm chính như sau:

- Xây dựng hệ quy chiếu tựa quán tính độc lập với tự quay cảu trái đất.

- Có số liệu độ chính xác cao dùng cho Trắc địa, Địa vật lý

để nghiên cứu

+ Chuyển dịch của cực Trái đất+ Chuyển dịch các mảng lục địa+ Xây dựng khung tọa độ cho các hệ quy chiếu dùng cho GPS…

+ Cung cấp cơ sở cho phép đo giao thoa GPS

CHƯƠNG 3: MỘT SỐ THIẾT BỊ ĐO ĐẠC ĐIỆN TỬ VÀ ỨNG DỤNG 3.1 Kinh vĩ điện tử

Máy kinh vĩ số (Digital Theodolite viết tắt là DT) có cấu tạo tương tự như máy kinh vĩ kinh điển, chỉ khác một điều là khi đo góc không phải

thực hiện các thao tác thông thường như chập vạch hoặc đọc số trên thang số mà

số đọc sẽ tự động hiện lên trên màn hình tinh thể lỏng của máy

Để thực hiện việc tự động hóa quá trình đo góc người ta

có thể sử dụng hai phương án Phương án mã hóa bàn độ và phương án xung Các máy kinh vĩ số sử dụng phương án mã hóa bàn độ được gọi là các máy kinh

vĩ mã hóa, còn các máy sử dụng phương án xung được gọi là các máy loại xung

Trong các máy kinh vĩ mã hóa bàn độ đứng và bàn độ ngang không được chia vạch như các máy thông thường Phần ngoài của bàn độ (nơi người ta khắc vạch đối với các máy kinh vĩ thông thường) được chia thành các vòng tròn đồng tâm (thường là 5 vòng) trên đó người ta vẽ các hình vuông trong suốt và không trong suốt theo một mã nhất định Hình vuông trong suốt khi chiếu ánh sáng đi qua sẽ cho chúng ta tín hiệu (tương đương với số 1) còn hình vuông không trong suốt thì không cho ánh sáng đi qua (tương đương với số 0) Như vậy mỗi ô vuông sẽ là một đơn vị thông tin (1 bit) Trong các máy kinh vĩ

mã hóa người ta thường sử dụng mã truy hồi tuần hoàn Bàn độ của một máy kinh vĩ mã hóa có dạng như hình vẽ (a)

Đối với một bàn độ như thế này thì mỗi vị trí bàn độ sẽ tương ứng với một mã số nhất định và để đọc số trong trường hợp này người ta thay

du xích thông thường bằng một cửa sổ có bề rộng là 8 bit Hình ảnh của bàn độ

sẽ được dẫn tới bộ giải mã và số đọc sẽ được hiện trên màn hình của máy

Ưu điểm của phương pháp mã hóa bàn độ là có thể dễ dàng nâng cao độ phân giải của bàn độ để nâng cao độ chính xác đọc số Việc này có thể thực hiện được bằng cách tăng số vòng tròn(strack) trên bàn độ Ví dụ, nếu dùng 4 strack thì với một mã có chiều dài 8 bit (1byte) độ phân giải màn hình sẽ

là 10' (Số đọc nhỏ nhất máy cho phép đọc được là 10') Nếu tăng số strack từ 4

lên 5 thì độ phân giải của bàn độ đạt được đến cấp giây (Số đọc nhỏ nhất đạt tới 1") Hiện nay các máy toàn đạc điện tử cho phép đo góc chính xác tới 0.01".

Nhược điểm của phương pháp mã hóa bàn độ là bàn độ phải được gia công với độ chính xác rất cao nên rất khó chế tạo

Trong phương pháp xung vùng khắc vạch của bàn độ được chia thành các vạch trong suốt và không trong suốt xen kẽ nhau như hình (b) Các xung này sau khi đi qua một Photodiode sẽ đƣợc biến thành các xung điện

Nếu đánh dấu một trong các xung của bàn độ ngang như một xung khởi đầu thì mỗi một vị trí bàn độ sẽ tương ứng với một số xung nhất định tính từ xung khởi đầu, điều đó có nghĩa là nếu dùng một máy đếm xung để đếm

số xung từ vạch khởi đầu đến vị trí hiện thời của bàn độ, chúng ta sẽ xác định được góc hợp bởi vạch khởi đầu và vị trí hiện thời của bàn độ Nhờ CPU mà trị

số hướng ngắm khởi đầu và góc ngang hiện thị trên màn hình tinh thể lỏng của máy kinh vĩ điện tử hoặc toàn đạc điện tử

Bàn độ của máy kinh vĩ loại xung đơn giản và dễ chế tạo hơn nhiều so với bàn độ mã hóa, vì vậy phương án xung hiện nay được sử dụng rất rộng rãi

3.2 Toàn đạc điện tử (TĐĐT)

1 Nguyên lý cấu tạo máy TĐĐT

Hình thức máy TĐ ĐT cũng giống như máy kinh vĩ quang học thông thường, có nghĩa là cũng có bộ phận ống kính, định tâm cân bằng, các

ốc khóa, ốc vi động… Tuy nhiên cấu tạo bên trong khác máy kinh vĩ thông thường rất nhiều Có thể tóm lại một thiết bị TĐ ĐT gồm có ba khối như hình vẽ trên Trong đó:

- khối 1: đo khoảng cách điện tử EDM, có chức năng tự động

đo khoảng cách nghiên D từ tâm máy đến tâm gương phản xạ ( hoặc đến điểm ngắm trên bề mặt phản xạ)

- Khối kinh vĩ số ( DT) đơ hướng hoặc đo góc bằng, góc đứng ( góc thiên đỉnh)

- khối vi xử lý trung tâm 3: cài đặt các phần mềm tiện ích để giải các bài toán trắc địa Dựa vào dữ liệu đo của khối EDM và DT cùng với các

dữ liệu khác như tọa độ của điểm gốc, độ cao của điểm đặt máy, chiều cao máy, chiều cao gương cũng như các yếu tố hiệu chỉnh vào kết quả đo như nhiệt độ, áp suất… CPU sẽ giải bài toán xác định tọa độ và độ cao của các điểm chi tiết

Ngoài ra nó còn có chức năng quản lý dữ liệu, giao tiếp với máy tính nhờ sự trợ giúp của các phần mềm chuyên dụng

Gương phản xạ: nhận và phản xạ tín hiệu (sóng hoặc xung điện từ) về CPU của máy TĐ ĐT

Hình ảnh một số máy TĐ ĐT

2 Sử dụng máy TĐĐT

Máy toàn đạc điện tử của hãng SOKKIA (Nhật Bản), Topcon (Nhật Bản),

Leica, Wild (Thuỵ Sĩ), với rất nhiều tính năng và các chương trình đo đa dạng phục vụ cho tất cả các công tác đo đạc Trắc địa - Bản đồ như thành lập lưới khống chế, khảo sát, thi công công trình xây dựng, giao thông, Máy có độ chính xác cao, độ bền vững trong môi trường khắc nghiệt, thao tác đơn giản, vì vậy máy toàn đạc điện tử luôn được chọn để sử dụng trong thực tế

Bảng 1.5 Một số máy toàn đạc điện tử thông dụng

STT Tên máy Hãng sản

xuất

Nước sản xuất

TC- đo khoảng cách hồng ngoại

TCM- đo khoảng cách hồng ngoại, vi động bằng mô tơ (Motorized)

TCR- đo khoảng cách hồng ngoại và laser, đo khoảng cách không cần gương (Reflectorless)

TCA- đo khoảng cách hồng ngoại, vi động bằng mô tơ, bắt mục tiêu tự động ATR (Automatic Target Recognition) Loại máy này trên mắt kính của ống ngắm có gắn máy chụp ảnh CCD (charge-couped device video camera) để tự bắt mục tiêu và điều quang

Hiện nay các máy toàn đạc điện tử có thể tự động tìm điểm PS (Point Guider Systerm), có ánh sáng laser dẫn đường EGL (Electronic Guider Light) và các chức năng chuyên dùng khác Các máy toàn đạc chính xác đều sử dụng dọi tâm laser

1Mỗi dòng máy toàn đạc điện tử khác nhau, các hãng sản xuất khác nhau thì

có cấu tạo với các chức năng sử dụng khác nhau Việc hướng dẫn sử dụng dòng máy toàn đạc điện tử SET và TPS400 đã được trình bày trong Giáo trình Trắc địa cơ sở 1 do ThS Nguyễn Duy Đô chủ biên và trực tiếp biên soạn Giáo trình này hướng dẫn một số thao tác cơ bản khi sử dụng dòng máy toàn đạc Horizol (HTS) hiện có ở khoa Trắc địa-Bản đồ

2 Cấu tạo của máy toàn đạc HTS-580

3a Cấu tạo bên ngoài của máy HTS-580

61 Dấu chiều cao máy

72 Ống dọi tâm quang

1510 Vi động ngang

1611 Khoá vi động ngang

1712 Màn hình hiển thị

1813 Khoá đế máy

1914 Hộp đựng pin

36 37Phím đo cạnh 38Đo khoảng cách ngang/khoảng cách

nghiêng

39 40Phím đo toạ độ 41Vào mode đo toạ độ

42S.O 43Phím đo truyền thiết

T

55Phím Enter 56Ấn sau khi xác nhận hoặc vào giá trị

57M 58Phím Menu 59Bật Menu và chế độ thông thường

60 61Phím nguồn Power 62Bật điện khởi động máy hoặc tắt điện đóng

máyF1-F4 63Phím chức năng 64Phụ thuộc vào thông tin hiển thị tương ứng

68 69Phím sao 70Vào mode phím sao hoặc bật sáng đèn nền

71 72Phím chấm 73Bật, tắt chức năng chỉ hướng tia laze

81- N: Toạ độ X; E: Toạ độ Y; Z: Độ cao

82- *: Đang tiến hành đo điện tử EDM

83- m/ft: Bật chuyển hệ mét/hệ fít; M: Hệ mét

84- : Khi đo có gương

85- : Khi đo bản ngắm phản quang

86- : Khi đo không gương, không bảng phản xạ

Cách đo các chương trình ứng dụng cơ bản

102Sau khi ngắm mục tiêu A Tại màn hình nhấn phím F4 hai lần để chuyển đến trang thứ 3.

103104Nhấn phím F1 để chuyển góc bằng sang trái hoặc phải

105* Cài đặt góc bằng

106Tại chế độ đo góc, ngắm chính xác mục tiêu

107108Quy “0” góc ngang ấn phím F1 Giữ góc ấn phím F2

109Vào góc định trước, nhấn phím F3 Nhập giá trị góc dòng Hz, nhập xong xác nhận qua phím ENT