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 1 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 D= n.l + R (1.1) Trong đó: D: là khoảng cách cần đo n: là số lần đặt thớc R: là số lẻ 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 2 A n n-1 21 R 3 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 1/10 5 dến 1/10 6 . 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 1/10 6 ). 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. 4. Phơng pháp đo xa điện tử Là phơng pháp xác định khoảng cách gián tiếp qua thời gian lan truyền sóng điện từ trên khoảng cách cần đo. Do đó phơng pháp đo xa điện tử có u điểm gọn nhẹ, năng suất lao động cao, làm việc trong mọi điều kiện thời tiết địa hình, cho kết quả đo nhanh chóng và chính xác cao. Tất cả quá trình đo đạc tự 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. - Nghiên cứu ảnh hởng của điều kiện ngoại cảnh đến kết quả đo. 3 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: y = A. sin(t + 0 ) (1.4) hoặc y = A.cos (t + 0 ) Trong đó : A: là biên độ dao động biểu thị cho giá trị cực đại độ lớn của dao động hình sin; = (t + 0 ): là pha của dao động, biểu thị trạng thái (độ lớn và phơng chiều) của dao động hình sin tai thời điểm t; 0 : pha ban đầu, biểu thị trạng thái ban đầu (khi t= 0) của dao động hình sin; : là tần số góc; 4 f2 T 2 = = (1.5) Dao động với tần số f đợc truyền trong không gian với vận tốc v đợc đặc trng bởi đại lợng đợc gọi là bớc sóng của dao động f v = (1.6) 2. Sóng điện từ Dao động điều hoà của của cờng độ điện trờng và từ trờng tạo ra một tr- ờng điện từ biến thiên. Sự lan truyền của trờng điện từ trong không gian gọi là sóng điện từ. Sóng điện từ là sóng ngang, nghĩa là nó có vec-tơ cờng độ điện tr- ờng E và cờng độ từ trờng H vuông góc với nhau và nằm trong một mặt phẳng vuông góc với phơng truyền sóng x (hình 1.2). Đặc tính lan truyền của sóng điện từ phụ thuộc chủ yếu vào bớc sóng (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 10 13 đến 10 15 (Hz) làm sóng mang và sóng có tần số từ 10 đến 500MHz với độ ổn định cao làm sóng đo. 5 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 [(t-x/v)+ 0 ] (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. 6 Hình 1.3: Thang tần số của sóng điện từ Tử ngoại 10 2 10 5 10 10 3.10 11 4.10 14 Tần thấp Sóng Radio Hồng ngoại 7.510 14 Rơnghen 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. 2. ánh sáng phân cực Tuỳ theo điều kiện phát và truyền ánh sáng trong môi trờng chúng ta có thể tạo ra đợc một tia sáng mà E chỉ dao động trong một mặt phẳng nhất định( theo một phơng nhất định) đó là ánh sáng phân cực. - Mặt phẳng P chứa E gọi là mặt phẳng dao động. - Mặt phẳng QP gọi là mặt phẳng phân cực (hình 1.2) Quá trình biến đổi ánh sáng tự nhiên thành áng sáng phân cực gọi là quá trình phân cực ánh sáng. Dụng cụ để biến đổi ánh sáng tự nhiên thành ánh sáng phân cực là kính phân cực. 3. Hiện tợng lỡng chiết a. Khái niệm về chất lỡng chiết 7 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 CaCO 3 (băng lan) tại bề mặt CaCO 3 sẽ có hai tia: - S 0 : tia thờng - S e : tia dị thờng Sau khi ra khỏi tinh thể CaCO 3 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 Hình 1.4 - Nếu thay đổi góc tới :Vận tốc của S 0 không thay đổi , vận tốc của S e 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 v e =v 0 , 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 8 S 0 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 S 0 và tia dị thờng S e . Nếu chọn góc tới thích hợp, tia s 0 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 9 P A 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 J 2 = A 2 2 = A 1 cos 2 (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 : góc hợp bởi quang trục của kính phân cực và kính phân tích Nếu = 0 khi đó P song song với A và ánh sáng đi qua hoàn toàn Nếu = 90 0 khi đó P vuông góc với A và ánh sáng bị ngăn lại hoàn toàn - Bản Polaroid Là một màng xenlulo trong suốt trên đó ngời ta phủ một lớp gọi là herapatit (lớp lỡng chiết) dạng tinh thể rất nhỏ bề dày khoảng 0.1 mm. Đặc tính là hấp thụ không đồng đều đối với tia thờng và tia dị thờng. Lớp herapatit có bề dày 0.1 (mm) hấp thụ hoàn toàn tia thờng và cho tia dị thờng gọi là tính nhiễm sắc. Bản Palaroid có u điểm là gọn nhẹ, có tác dụng phân cực ánh sáng gần nh toàn phần. Tuy nhiên rất dễ bị cháy. 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 C 6 H 5 NO 2 không phải là chất lỡng chiết. Khi giữa hai bản của tụ điện có điện trờng thì dung dịch C 6 H 5 NO 2 trở thành chất lỡng chiết. 10 [...]... xung để đa đến bộ đo thời gian Bộ đo thời gian có thể là ống phóng điện tử hoặc bộ đếm xung a ống phóng điện tử A1 Y A2 X X - + + M A1 A2 Màn huỳnh quang (hiện sáng) Y Sóng điện tử Bộ phận phân hướng Hình 1.15 K : Katốt; M : Màn điều khiển; A1,A2 là hai Anốt tăng tốc và điều tiêu X,Y: là hai tấm điều khiển dọc và ngang Hoạt động bộ đo thời gian - K phát sinh ra điện tử, luồng điện tử đợc điều khiển... 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... sóng đo Tần số của dao động này có độ ổn định rất cao m sóng đo sóng mang Khi đó sơ đồ khối của các máy đo xa điện tử sẽ có cấu tạo nh sau: Nguồn sóng tải Đo hiệu pha và xử lý kết quả đo Điều biến Anten phát Nguồn sóng đo Tách sóng Anten thu Hình 1.19 Tuỳ 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... = const đối với một máy toàn đạc điện tử 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... 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 A B 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 tử Giả thiết rằng sóng điện từ đợc lan truyền theo... độ điện trờng; K2: là hằng số Pokelxơ Hệu ứng Pokelxơ có u điểm là có quán tính nhỏ hơn quán tính của hiệu ứng Kerr cỡ 10 lần, điện áp tới hạn nhỏ cỡ vài trăm vôn nên tiêu thụ ít năng lợng Nhợc điểm của hiệu ứng này là khó chế tạo hơn tế bào kerr vì tinh thể muối dễ hút ẩm và khó bảo quản 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. .. 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 ĐI.5 đo khoảng cách bằng Phơng pháp xung 14 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... bản của máy đo dài bằng phơng pháp pha Vì v = f Nếu đặt do đó = N 2 Thì D = (N + D= 22 ) 2 2 ( N + N ) (1.32) 2 (1.33) Độ chính xác đo khoảng cách bằng phơng pháp pha Hiện nay, ngới ta đã đo đợc phần lẻ của hiệu pha với độ chính xác m 1 = 2 1000 Nếu sử dụng sóng đo có bớc sóng /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... pháp đo quang tuyến 2 Phơng pháp xác định giá trị KG 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 32 (I.63) n K= (D 0 1 (I.64) n mK = và D' ) mD n (I.65) Với mD là sai số trung phơng đo khoảng cách b Xác định hằng số bằng phơng pháp đo phân đo n Chọn khoảng cách cần đo không nên quá dài khoảng 100 ữ 150 (m) - Đầu tiên đo. .. phơng pháp xung là : độ chính xác đo khoảng cách thấp hơn nhiều so với phơng pháp pha 20 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 . 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. 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. 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