MÁY 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 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
• 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 thíchnguyên 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 cácnguyên 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 cũngphải chuyển sang trạng thái tương ứng với mức năng lượng cao nhấtE4 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 đâyxẩy ra hiện tượng bức xạ tự kích làm cho chúng liên tục nhảyxuống mức năng lượng thấp hơn E2 Lúc này, các điện tử Ne sẽ “vứtbỏ” phần năng lượng thừa vừa tiếp nhận từ He dưới dạng các dòngfoton 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 tạothành 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 lầntrong ống (1) Vì thế, sự va chạm giữa các thành phần trong (1) tănglên dần và các dòng foton tự khuếch đại mỗi lúc một lớn Và, cho đếnmột 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 làchùm 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 toánchuyển động đều, nghĩa là mối tương quan giữa khoảng cách D vớitốc độ v và thời gian t:
D =v.τ
Trong thực tế để xác định khoảng thời gian τ , người ta ghi nhận thờiđiểm phát tín hiệu (t1) và thời điểm thu (t2) bằng một bộ thu phát đặttại một điểm đầu khoảng cách D Lúc này:
Như vậy, độ chính xác xác định D phụ thuộc vào độ chính xác xácđịnh v (hay n) trong môi trường đo và độ chính xác đo thờigian 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 làcác 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 5vòng) trên đó người ta vẽ các hình vuông trong suốt và không trongsuốt 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 vuôngkhông trong suốt thì không cho ánh sáng đi qua (tương đương với số0) Như vậy mỗi ô vuông sẽ là một đơn vị thông tin (1 bit) Trong cácmáy 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 vớimột 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 mànhình 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 vớimột 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.
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
τ: D = vτ
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:
Vì tốc độ truyền sóng điện tử rất lớn (v ≈ 3.108 m/s) 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 củacác phương pháp đo khoảng cách là so sánh để xác định độ chênh
Trang 6lệch 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 (xem hình 1.12b) 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 đượctạo 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
Câu 6: Trình bày nội dung phương pháp xung đo khoảng cách.
Cách 1:
Nội dung của phương pháp xung là xác định trực tiếp khoảng thời gian truyền xung điện từ trên hai lần khoảng cách và độ dài D được xác định theo công thức:
D =
Các xung được chọn để đo khoảng cách phải đạt hai tiêu chẩn là có độdài hẹp và độ rỗng lớn Cụ thể, trong các máy đo xa loại xung hiện nay sử dụng xung laser có ns và > 1000 Trong khi bức xạ xung máy phát chỉ làm việc trong khoảng thời gian bằng độ dài của xung (hình 1.10a)
Nói chung, trong các máy đo xa loại xung cũng sử dụng tín hiệu dưới dạng điều biến, cụ thể là năng lượng được bức xạ dưới dạng sóng mang cao tần mà trong đó các xung được “xếp đặt” theo một quy luật nhất định Hình 1.10b và hình 1.10c biểu thị dạng của các xung điều biên và các xung điều tần
Để khoảng cách D trong nhận được là đơn trị thì cần phải chọn chu kỳ của xung lớn hơn khoảng thời gian vì để cho xung phản hồi
Trang 7(xung phát thứ nhất) trở về sớm hơn xung phát tiếp đi (xung phát thứ hai) tránh sự trùng nhau khi chúng gặp nhau Khoảng cách D càng ngắn thì tần số theo dõi của xung càng cao.
Độ chính xác yêu cầu xác định khoảng thời gian được suy ra từ công thức xác định độ dài D:
và chỉ có các xung laser cực hẹp (có và như đã nêu trên) mới đáp ứngđựơc yêu cầu độ chính xác đối với công tác trắc địa (đo khống chế) Đồng thời các xung laser cho công suất bức xạ lớn hơn các xung điện từ (xung radio, xung điện…) nên phương pháp xung cho phép
đo được khoảng cách xa hơn các phương pháp khác Ngoài ra, nó còn
có các ưu điểm như trình tự đo nhanh kết quả đo là đơn trị (không yêucầu biết trước trị gần đúng của khoảng cách) và trong nhiều trường hợp không cần bộ phản xạ v.v… Tuy vậy, so với các phương pháp khác, phương pháp xung đạt độ chính xác thấp hơn, vì thế trước đây
nó chỉ ứng dụng trong các máy đo cao radio, các hệ thống định vị radio, các hệ thống trắc địa vệ tinh
Những năm gần đây đã xuất hiện một vài máy đo xa loại xung hoặcloại xung –
pha đạt độ chính xác tương đối cao (cm)
Cách 2:
Trang 8Giả sử số lượng xung đếm được là m Chu kỳ xung TX tỷ lệ nghichvới tần số f nên thời gian lan truyền xung trên khoảng cách 2D là:
f
m T
m f
v m f
v
2 2
(2.4)
Do sự phát triển của kỹ thuật điện tử nên khối EDM loại xung có haidạng 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 Saukhi kỹ thuật điện tử tạo xung laser có độ dài τX
Hiện nay khối EDM của nhiều máy TĐ ĐT hoạt động theo phươngpháp xung
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
Trang 9Hình 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 ( hoặc đếnđiểm ngắm trên bề mặt phản xạ)
- Khối kinh vĩ số ( DT) đơ hướng hoặc đo góc bằng, góc đứng ( gócthiên đỉnh)
- khối vi xử lý trung tâm 3: cài đặt các phần mềm tiện ích để giải cácbài toán trắc địa Dựa vào dữ liệu đo của khối EDM và DT cùng vớicác 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 vàokết 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 máytính nhờ sự trợ giúp của các phần mềm chuyên dụng
Gương phản xạ: nhận và phản xạ tín hiệu
Mục đích:
Hiện nay, máy toàn đạc đóng vai trò rất quan trọng trong lĩnh vực xâydựng nói riêng và một vài lĩnh vực đo đạc nói chung, cụ thể hơn máytoàn đạc điện tử được ứng dụng trong:
dựng dân dụng như nhà cao tầng, cầu đường giao thông
Trang 10- 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 điện tử.
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 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 ( hoặc đếnđiểm ngắm trên bề mặt phản xạ)
- Khối kinh vĩ số ( DT) đơ hướng hoặc đo góc bằng, góc đứng ( gócthiên đỉnh)
- khối vi xử lý trung tâm 3: cài đặt các phần mềm tiện ích để giải cácbài toán trắc địa Dựa vào dữ liệu đo của khối EDM và DT cùng vớicác 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 vàokết quả đo như nhiệt độ, áp suất… CPU sẽ giải bài toán xác định tọa
độ và độ cao của các điểm chi tiết
Trang 11Ngoài 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
* 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 cáchđiện tử (EDM), nhằm đọc được khoảng cách giữa 2 cao điểm (điểm đứng máy, và điểmcần 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 caolượng giác Dùng
phương pháp này sẽ có sai số lớn
- Đo góc: Máy toàn đạc điện tửcũng 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
Trang 12An ten
Bộ tần số radio (RF)
Bộ vi xử lý
Bộ nguồn
===>>> Bên cạnh đó máy toànđạc 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
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 Chỉ tiêu quantrọng trong thiế kế anten là bảo đảm chính xác tâm anten Tâm điện tửcủa anten phải khép kín và trùng với tâm hình học đồng thời không bịtác động của hiện tượng quay và nghiêng Yêu cầu này cần thiết chotrường 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 cógóc cao thấp và tín hiệu đa đường dẫn Điều này có thể thực hiện đượcnhờ anten có dạng hình nón xoáy tròn Hiện nay phổ biến nhất là loạianten 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 hiệuL1 và L2 Các số liệu nhận được bởi máy thu 2 tần sẽ được phối hợp
Trang 13để tính toán và loại bỏ khúc xạ tần ion Số lượng kênh đóng vai tròquan trọng của RF và do vậy nó quyết định số lượng vệ tinh có thểtheo 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
Bộ 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 cũngquản lý các lệnh đầu vào từ người sử dụng, hiển thị thông tin vàtruyền 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 vàmáy thu Các lệnh được đưa vào từ các phím chức năng như vào sốhiệu điểm đo, độ cao anten… Ngoài các phím "cứng" máy thu còn cócác 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 chocông tác xử lý sau này Thiết bị ghi GPS bảo đảm không bị mất khi tắtnguồn điện Dung lượng bộ nhớ của máy thu sẽ quyết định thời gianthu 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 tầnsuất 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.
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