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). 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) • 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 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. 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
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).
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)
• 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 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
Trang 2Cũng 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
Câu 2: Trình bày nguyên lý đo khoảng cách laser sử dụng thiết bị phát quang học lưỡng tử loại khí Heli – Neon (He-Ne).
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:
Khi nguồn nuôi (6) phóng điện vào ống (1) sẽ kích thích làm các nguyên tử khí He nhảy từ mức E1 lên 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:
V=
Trang 3Hay bước sóng:
Trong đó : h – hằng số plank; c – tốc độ ánh sáng trong chân không
Dòng foton sẽ thoát ra khỏi hai tấm kính (2) dưới góc Briuter tạo thành dòng ánh sáng phân cực thẳng Khi gặp hốc cộng hưởng (4) và (5) có hệ số phản xạ toàn phần, chúng bị phản xạ qua lại nhiều lần 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 thoát khỏi gương phẳng (4) tạo thành chùm tia sóng có mật độ năng lượng 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 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:
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
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
Trang 4Câu 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 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 3.2a
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
Trang 5Ưu 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 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: Bàn độ phải được gia công với độ chính xác rất cao nên rất khó chế tạo
Câu 5: Trình bày nguyên lý đo khoảng cách bằng sóng điện từ.
Câu 6: Trình bày nội dung phương pháp xung đo khoảng cách
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
D = =
2
τ
(2.3) Thay vào (2.1) ta có:
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
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 hồ thạch anh, đồng hồ nguyên tử, hoặc ống tia điện tử để đo khoang thời gian τ Sau khi kỹ thuật điện tử tạo xung laser có độ dài τX
hẹp, chu kỳ TX
Trang 6X
τ
E
t
t
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 công thức (2.4) Tuy nhiên, sử dụng phương pháp này thì tầm hoạt động của máy đo xa điện tử bị hạn chế ( khoảng 4 - 5 km)
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
Trang 7Trong 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
Câu 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
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 nghiêng 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
Mục đích:
Trang 8EDM là một thiết bị chuyện dụng trong ngành trắc địa, được dùng để thiết lập các trị đo vật lý gồm góc và khoảng cách Thiết bị này là một loại máy trắc địa đa chức năng giải quyết nhiều bài toán như các bài toán về giao hội, hay các bài toán bố trí điểm theo các phương pháp như phương pháp tọa độ cực…
Ứng Dụng:
- Các công tác đo đạc địa chính, đo đạc khảo sát địa hình, trong xây dựng 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 khác nhau như file CAD để dễ dàng quản lý trên hệ thống máy tính điện tử
- Được sử dụng trong công tác bố trí điểm (chuyển tọa độ điểm từ thiết
kế ra thực địa) trong xây dựng
Câu 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.
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 nghiêng D từ tâm máy đến tâm gương phản xạ ( hoặc đến điểm ngắm trên bề mặt phản xạ)
Trang 9- 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
b so sánh máy toàn đạc điện tử với kinh vĩ quang học
* Giống nhau: Đều là thiết bị đo đạc, sữ dụng trong trắc địa có chức năng đo góc , đo khoảng cách,
Trang 10Nội 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 khoảng cách 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 năng này 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 cách nhanh 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 11Câu 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 Chỉ tiêu quan trọng trong thiế kế anten là bảo đảm chính xác tâm anten Tâm điện tử của anten phải khép kín và trùng với tâm hình học 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 di động trong suốt quá trình đo Thêm vào đó, anten cũng phải có khả năng tự loại bỏ các tín hiệu có góc cao thấp và tín hiệu đa đường dẫn Điều này có thể thực hiện được nhờ anten có dạng hình nón xoáy tròn Hiện nay phổ biến nhất là loại anten nhỏ để trần
b Bộ tần số radio (RF) 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
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
An ten
Bộ tần số radio (RF)
Thiết bị ghi Thiết bị điều khiển
Bộ vi xử lý
Bộ nguồn
Trang 12Bộ vi xử lý có thể tìm ra thông tin chỉ đường hoặc chuyển các tọa độ
từ mốc đo WGS 84 chuẩn sang một mốc đo tương đương Nó cũng quản lý các lệnh đầu vào từ người sử dụng, hiển thị thông tin và truyền dữ liệu qua cổng thông tin của chúng
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 đo 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.
• Nguyên lý cấu tạo của máy thủy chuẩn điện tử.
Trang 13Hình 1.3 Sơ đồ cấu tạo máy thuỷ chuẩn điện tử SDL30
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
Khác nhau:
