I. LÝ THUYẾT Câu 1 Trình bày nguyên lý đo khoảng cách laser bằng thiết bị phát quang học lưỡng tử loại bán dẫn GaliAsen (GaAs). Hợp chất bán dẫn GaAs không tồn tại các năng lượng riêng biệt mà chúng hợp thành các miền năng lượng : 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 được 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.
Trang 1MÁY TRẮC ĐỊA VÀ ĐO ĐẠC
ĐIỆN TỬ 216
I. LÝ THUYẾT
Câu 1 Trình bày nguyên lý đo khoảng cách laser bằng thiết bị phát quang học lưỡng tử loại bán dẫn Gali-Asen (Ga-As)
- Hợp chất bán dẫn GaAs không tồn tại các năng lượng riêng biệt
mà chúng hợp thành các miền năng lượng : miền hoá trị (miềnchứa đầy điện tử), miền cấm (không chứa điện tử) và miền dẫn (làmiền trống rỗng, và khi có điện tử tự nó sẽ trở thành miền dẫnđiện)
- Khi có năng lượng cung cấp, các điện tử ở miền hoá trị sẽ vượtqua 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 chodiot GaAs phân cực thuận thì tại lớp tiếp giáp p – n “lỗ hổng” vàđiện tử sẽ chuyển động ngược chiều nhau và chúng sẽ tái hợpvới nhau Quá trình tái hợp phát ra năng lượng dưới dạng foton
Và, cũng giống như trường hợp laser khí, nhờ các hốc cộng hưởngquang học và với mật độ dòng điện để phóng vào vùng p – n thíchhợp mà tạo ra dòng foton
- Nếu mật độ dòng điện nhỏ thì sẽ nhận được dòng ánh sáng kếthợp, 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 đặtvào bình chứa nitơ lỏng hoặc chỉ cho diot làm việc với công suấtvừa phải), làm cho dòng foton đủ mạnh để xuyên qua lớp kínhmỏng trở thành tia laser
Trang 2Câu 2 Trình bày nguyên lý đo khoảng cách laser sử dụng thiết
bị phát quang học lưỡng tử loại khí Heli – Neon (He-Ne).
Khi nguồn nuôi (6) phóng điện vào ống (1) sẽ kích thích làm cácnguyên tử khí He nhảy từ mức E1lên mức E4 Sau đó, chúng vachạm và truyền năng lượng cho các nguyên tử Ne Các nguyên tử
Ne cũng phải chuyển sang trạng thái tương ứng với mức nănglượng cao nhất E4 Vì, Ne là chất hoạt tính có thời gian “sống” ởE4 rất ngắn (10-3 s), nên các điện tử của nó lập tức phản xạ tựnhiên trở về E3, và ở đây xẩy ra hiện tượng bức xạ tự kíchlàm cho chúng liên tục nhảy xuống mức năng lượng thấp hơnE2 Lúc này, các điện tử Ne sẽ “vứt bỏ” phần năng lượng thừa vừatiếp nhận từ He dưới dạng các dòng foton ánh sáng lượng tử) vớivận tốc:
Trang 3và (5) có hệ số phản xạ toàn phần, chúng bị phản xạ qua lại nhiềulần trong ống (1) Vì thế, sự va chạm giữa các thành phần trong(1) tăng lên dần và các dòng foton tự khuếch đại mỗi lúc một lớn.
Và, cho đến một lúc nào đó, các hạt foton đủ năng lượng thoátkhỏi gương phẳng (4) tạo thành chùm tia sóng có mật độ nănglượng lớn được gọi là chùm tia laser
Câu 3 Trình bày nguyên lý chung đo khoảng cách bằng sóng điện từ
Nguyên lý chung xác định khoảng cách bằng sóng điện từ là bàitoán 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 nhậnthời điểm phát tín hiệu (t1) và thời điểm thu (t2) bằng một bộ thuphát 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 xácxác định v (hay n) trong môi trường đo và độ chính xác đothời gian Theo lý thuyết sai số
(2.2)
Vì tốc độ truyền sóng điện tử rất lớn nên để nhận được khoảngcách D với độ chính xác theo yêu cầu trắc địa mD thì trị số τ làcực 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 thờiđiểm 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 đượcchia làm hai thành phần Thành phần thứ nhất - đặc trưng cho thờiđiểm phát được truyền trực tiếp trong máy qua các bộ phận đến bộ
Trang 4đo thời gian có tổng chiều dài Do (kênh chủ) gọi là tín hiệu gốchay tín hiệu chủ, còn thành phần thứ hai - đặc trưng cho thời điểmthu - truyền qua hai lần khoảng cách 2D (kênh tín hiệu) gọi là tínhiệu đo hay tín hiệu phản hồi (trong các máy đo xa dùng “quangtuyến chuẩn Do” trong nội bộ máy thì tín hiệu truyền qua Docũng là tín hiệu đo).
Như vậy, hai thành phần này được tạo ra cùng một tín hiệu chỉkhác là chúng truyền qua hai quãng đường khác nhau là Do và2D, 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 sosánh tín hiệu gốc và tín hiệu phản hồi sẽ xác định một phươngpháp đo khoảng cách Có ba phương pháp chủ yếu là: phươngpháp thời gian (phương pháp xung), phương pháp tần số vàphương pháp pha
Câu 4 Trình bày nội dung phương pháp mã hoá bàn độ trong các máy kinh vĩ điện tử.
Các máy kinh vĩ số sử dụng phương pháp mã hóa bàn độ được gọi
là các máy kinh vĩ mã hóa Trong các máy kinh vĩ mã hóa bàn độđứng và bàn độ ngang không được chia vạch như các máy thôngthường Phần ngoài của bàn độ (nơi người ta khắc vạch đối vớicác máy kinh vĩ thông thường) được chia thành các vòng trònđồng tâm (thường là 5 vòng) trên đó người ta vẽ các hình vuôngtrong suốt và không trong suốt theo một mã nhất định Hình vuôngtrong suốt khi chiếu ánh sáng đi qua sẽ cho chúng ta tín hiệu(tương đương với số 1) còn hình vuông không trong suốt thìkhông cho ánh sáng đi qua (tương đương với số 0) Như vậy mỗi ôvuông sẽ là một đơn vị thông tin (1 bit) Trong các máy kinh vĩ mãhóa người ta thường sử dụng mã truy hồi tuần hoàn Bàn độ củamột máy kinh vĩ mã hóa có dạng như hình 3.2a
Trang 5Đối với một bàn độ như thế này thì mỗi vị trí bàn độ sẽ tương ứngvới 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: 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 mànhình 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: Bàn độ phải được gia công với độ chính xác rất cao nên rất khó chế tạo
Trang 6Giả sử số lượng xung đếm được là m Chu kỳ xung TX tỷ lệnghich với tần số f nên thời gian lan truyền xung trên khoảng cách2D là:
f
m T
m f
v
2
=
Để tiện cho việc tính toán khi thiết kế người ta chọn f = v/2 nên
số xung đếm được chính là trị số khoảng cách D cần xác định
m m v
v m f
v
D= = 2 =
2 2
(2.4)
Do sự phát triển của kỹ thuật điện tử nên khối EDM loại xung
có hai dạng Trước đây sử dụng xung điều biến và dùng đồng hồthạch anh, đồng hồ nguyên tử, hoặc ống tia điện tử để đo khoangthời gian τ Sau khi kỹ thuật điện tử tạo xung laser có độ dài τXhẹp, chu kỳ TX lớn và độ rỗng X
X
T
τ
σ =
lớn, đồng thời dùng khóa điện
tử và bộ đếm xung thì khoảng cách D được xác định theo côngthức (2.4) Tuy nhiên, sử dụng phương pháp này thì tầm hoạt độngcủa máy đo xa điện tử bị hạn chế ( khoảng 4 - 5 km)
Trang 7Hiện nay khối EDM của nhiều máy TĐ ĐT hoạt động theophương 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 điềubiến (2) Dưới tác dụng của xung điều biến được biến thành cácxung điều biên hoặc điều tần Trong đó các xung làm điều biếnđược lấy từ bộ tạo xung (3) (3) là kết quả của quá trình chuyểnhóa từ các dao động hình sin có tần số ổn định cao tạo ra bộ phátsóng cao tần thạch anh (4)
Xung (2) qua bộ phát tín hiệu (5) truyền đến bộ phản xạ (6) rồiquay 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 phátxung làm điều biến và thu tín hiệu đếm khoảng thời gian
Trang 8Câu 7 Trình bày nguyên lý cấu tạo máy toàn đạc điện tử và mục đích sử dụng của thiết bị đó trong công tác trắc địa
a Nguyên lý cấu tạo máy TĐĐT
Hình thức máy TĐ ĐT cũng giống như máy kinh vĩ quang họcthông thường, có nghĩa là cũng có bộ phận ống kính, định tâm cânbằng, các ốc khóa, ốc vi động… Tuy nhiên cấu tạo bên trong khácmáy 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 đokhoảng cách nghiêng D từ tâm máy đến tâm gương phản xạ ( hoặcđến điểm ngắm trên bề mặt phản xạ)
- Khối kinh vĩ số ( DT) đo 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 giảicác bài toán trắc địa Dựa vào dữ liệu đo của khối EDM và DTcùng với các dữ liệu khác như tọa độ của điểm gốc, độ cao củađiểm 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 giảibài 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 máytính nhờ sự trợ giúp của các phần mềm chuyên dụng
Gương phản xạ: nhận và phản xạ tín hiệu
Trang 9b.mục đích sử dụng của thiết bị đó trong công tác trắc địa.
Hiện nay, máy toàn đạc đóng vai trò rất quan trọng trong lĩnh vựcxây dựng nói riêng và một vài lĩnh vực đo đạc nói chung, cụ thểhơn máy toàn đạc điện tử được ứng dụng trong:
- Các công tác đo đạc địa chính, đo đạc khảo sát địa hình, trong xâydựng dân dụng như nhà cao tầng, cầu đường giao thông
- Đo vẽ bản đồ địa hình và xuất sang các định dạng file số liệu khácnhau như file CAD để dễ dàng quản lý trên hệ thống máy tính điệntử
- Được sử dụng trong công tác bố trí điểm (chuyển tọa độ điểm từthiết kế ra thực địa) trong xây dựng
Trang 10Câu 8 Trình bày nguyên lý cấu tạo máy toàn đạc điện tử So sánh sự giống và khác nhau của máy toàn đạc điện tử với máy kinh vĩ quang học.
a Nguyên lý cấu tạo máy TĐĐT
Hình thức máy TĐ ĐT cũng giống như máy kinh vĩ quang họcthông thường, có nghĩa là cũng có bộ phận ống kính, định tâm cânbằng, các ốc khóa, ốc vi động… Tuy nhiên cấu tạo bên trong khácmáy 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 đokhoảng cách nghiêng D từ tâm máy đến tâm gương phản xạ ( hoặcđến điểm ngắm trên bề mặt phản xạ)
- Khối kinh vĩ số ( DT) đo 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 giảicác bài toán trắc địa Dựa vào dữ liệu đo của khối EDM và DTcùng với các dữ liệu khác như tọa độ của điểm gốc, độ cao củađiểm 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 giảibài 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 máytính nhờ sự trợ giúp của các phần mềm chuyên dụng
Gương phản xạ: nhận và phản xạ tín hiệu
b so sánh máy toàn đạc điện tử với kinh vĩ quang học
Trang 11* Giống nhau: Đều là thiết bị đo đạc, sữ dụng trong trắc địa có chức năng đo góc , đo khoảng cách,
Nội
dung
Máy kinh vĩ quang học
Máy toàn đạc điện tử
Khái
niệm
May kinh vĩ quang học là thiết bị đo đạc quang cơ
Máy toàn đạc điện tử là một thiết bị quang học điện tử đa năng được sử dụng để khảo sát và xây dựng công trình Máy toàn đạc là 1 máy kinh vĩ điện tử tích hợp với đo khoảng cách điện tử (EDM), nhằm đọc được khoảng cách giữa 2 cao điểm (điểm đứng máy, và điểm cần đo khác)
Chức
năng
Đo góc: Máy kinh vĩ quang học có thể đo góc đứng và góc bằng
- Đo khoảng cách: Máy sẽ kết hợp với mia đo khoảngcách và trên cao theo phương pháp
đo cao lượng giác Dùng phương pháp này sẽ có sai
số lớn
- Đo góc: Máy toàn đạc điện tử cũng tương tự như máy kinh vĩ ở chức năngnày là đo được góc đứng và góc bằng
- Đo khoảng cách: Máy toàn đạc kết hợp với gương hoặc các vật phản xạ
đo khoảng cách từ máy đến gương, điểm phản xạ hoặc giữa các gương, điểm phản xạ với nhau một cách dễ dàng và chính xác cao với 3 khoảng cách cơ bản là: Đứng, bằng, nghiêng
- Đo tọa độ: Máy toàn đạc điện tử đo đạc và tính toán chính xác tọa độ các điểm gương, phản xạ & máy một cáchnhanh chóng theo 3 trục: x, y, z
===>>> Bên cạnh đó máy toàn đạc điện tử còn rất nhiều các menu hỗ trợ khác để phục vụ cho công tác đo đạc khảo sát và thi công các công trình xây dựng, giao thông, thủy lợi
Trang 1212 12
Trang 13An ten
Bộ tần số radio (RF)
Bộ vi xử lý
Bộ nguồn
Câu 9 Trình bày nội dung cấu tạo của máy thu GPS.
Sơ đồ cấu tạo của máy thu GPS được thể hiện theo hình sau:
a Anten máy thu có tính đa hướng, tức là có thể thu được tín hiệu
của tất cả các vệ tinh trên chân trời ở các hướng khác nhau Chỉtiêu quan trọng trong thiế kế anten là bảo đảm chính xác tâmanten Tâm điện tử của anten phải khép kín và trùng với tâm hìnhhọc đồng thời không bị tác động của hiện tượng quay và nghiêng.Yêu cầu này cần thiết cho trường hợp đo động, khi đó anten diđộng trong suốt quá trình đo Thêm vào đó, anten cũng phải cókhả năng tự loại bỏ các tín hiệu có góc cao thấp và tín hiệu đađường dẫn Điều này có thể thực hiện được nhờ anten có dạnghình nón xoáy tròn Hiện nay phổ biến nhất là loại anten nhỏ đểtrần
Trang 14Tín hiệu từ anten sau đó được truyền tới bộ tần số radio (RF _Bộtần số RF được giới thiệu sau) Những giá trị tín hiệu ghi lại bị hạnchế khi xử lý code tựa ngẫu nhiên đối với mỗi vệ tinh do các tương quan chéo rất thấp, các tín hiệu này cần được khuếch đại Anten được thiết kế đối với sóng tải L1 hoặc cả hai sóng tải L1, L2.
b Bộ tần số radio (RF) được coi là trái tim của máy thu GPS Sau khi
tín hiệu thu vào anten sẽ được xem xét phân biệt để giữa lại C/A code Các tín hiệu chuẩn đã được sắp xếp trước thành các đơn vị đối với mỗi
vệ tinh Bộ phận này có khả năng phân tích logic để phân biệt các vệ tinh theo nguyên tắc giám sát hiệu ứng Doppler Bộ tần số radio xử lý tín hiệu đã vào các kênh Các máy 1 tần chỉ nhận và xử lý tín hiệu L1, các máy hai tần sẽ nhận và xử lý cả hai tín hiệu L1 và L2 Các số liệu nhận được bởi máy thu 2 tần sẽ được phối hợp để tính toán và loại bỏ khúc xạ tần ion Số lượng kênh đóng vai trò quan trọng của RF và do vậy nó quyết định số lượng vệ tinh có thể theo dõi đồng thời.
Kết quả là trong tín hiệu y chứa cả các tần số thấp và tần số cao Sau khi sử dụng lọc dải thấp, phần tần số cao được loại bỏ Phần tần số thấp còn lại được sử dụng để xử lý Hiệu số giữa (f 1 - f 2 ) giữa các tần
số thường được gọi là tần số trung gian hay tần số phách.
c Bộ vi xử lý
Có chức năng thực hiện các phép tính theo chương trình đã lập sẵn.
Ví dụ như tính toán đạo hàng tức thời từ các trị đo khoảng cách giả Hiện nay, các bộ vi xử lý có tốc độ xử lý rất cao.
d Thiết bị điều khiển
Thiết bị điều khiển thực hiện khả năng phối hợp giữa người đo và máy thu Các lệnh được đưa vào từ các phím chức năng như vào số hiệu điểm đo, độ cao anten… Ngoài các phím "cứng" máy thu còn có các phím mềm thực hiện các lệnh trên màn hình.
e Thiết bị ghi
Có nhiệm vụ ghi lại các trị đo và thông tin đạo hàng để phục vụ cho công tác xử lý sau này Thiết bị ghi GPS bảo đảm không bị mất khi tắt nguồn điện Dung lượng bộ nhớ của máy thu sẽ quyết định thời gian thu liên tục Dung lượng bộ nhớ thường đảm bảo ghi liên tục số liệu
Trang 15đo trong nhiều giờ với số lượng vệ tinh trung bình (5-7 vệ tinh) và tần suất ghi mặc định (15s).
f Bộ nguồn
Bộ nguồn của máy thu GPS là pin hoặc ắc quy sạc điện Dòng điện
sử dụng cho máy thu là dòng 1 chiều có điệp áp từ 6 đến 20 vôn.
Câu 10 Trình bày nguyên lý cấu tạo máy thuỷ chuẩn điện tử.
So sánh sự giống và khác nhau của máy thủy chuẩn điện tử với máy thủy chuẩn quang học.
a. nguyên lý cấu tạo của máy thủy chuẩn điện tử
Nhìn chung, hệ thống máy thuỷ chuẩn điện tử gồm 3 phần
- Phần 1: Mia mã vạch Sokkia RAB ( Random Bi-directional Code) Mã định hướng ngẫu nhiên hai chiều
- Phần 2: Hệ thống ống kính: Giống như ống kính của máy thuỷ chuẩn thông thường Gồm có kính vật, kính điều quang, hệ thống lăng kính phân chia ánh sáng, kính mắt
- Phần 3: Bộ phận xử lý tín hiệu điện của máy thuỷ chuẩn kỹ thuật
số Trong đó, quan trọng là bộ cảm biến CCD (Charge Couple Device) biến tín hiệu ánh sáng thành tín hiệu điện
*Giống nhau: máy thủy chuẩn quang học và máy thủy chuẩn điện
tử đều là thiết bị dùng trong công tác trắc địa, khảo sát, xây
dựng… với mục đích đo góc, đo khoảng cách và đo chênh cao
Máy thủy chuẩn điện tử
Máy thủy chuẩn quang cơ:
là loại máy thủy chuẩn đo đạc bằng cách đọc số trên mia bằng mắt, ghi chép sốliệu sổ tay và tính toán trên các số liệu ghi chép được
Máy thủy chuẩn điện tử: được đo đạc bằng cách đọc
số trên mia mã vạch bằng tiahồng ngoại, hiển thị số đọc trên màn hình LCD và dữ liệu được trút ra máy tính để
xử lý
Cân bằng sơ bộ bằng ốngthủy tròn , sau đó cân
nguyên lý chung của hệ cân bằng tự động là tính tự cân