ĐỀ CƯƠNG MÁY TRẮC ĐỊA VÀ ĐO ĐẠC ĐIỆN TỬ

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.

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 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

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

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 thểgiải thích nguyên lý tạo thành chùm tia laser He – Ne sơ lượcnhư sau:

Khi nguồn nuôi (6) phóng điện vào ống (1) sẽ kích thíchlàm 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 ứngvới mức năng lượng cao nhất E4 Vì, Ne là chất hoạt tính có thờigian “sống” ở E4 rất ngắn (10-3 s), nên các điện tử của nó lậptức phản xạ tự nhiên trở về E3, và ở đây xẩy ra hiện tượngbức xạ tự kích làm cho chúng liên tục nhảy xuống mứcnăng 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 dòngfoton ánh sáng lượng tử) với vận tốc:

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 khoảngcách D với tốc độ v và thời gian t:

D =v.τ

Trong thực tế để xác định khoảng thời gian τ

, người ta ghinhận 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 chínhxác xác định v (hay n) trong môi trường đo và độ chínhxác đo thời gian Theo lý thuyết sai số

Vì tốc độ truyền sóng điện tử rất lớn nên để nhận đượckhoảng cách D với độ chính xác theo yêu cầu trắc địa mD thìtrị số τ

là cực kỳ nhỏ và phải xác định với mτ

rất cao

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 đượcgọi 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 thông thường Phầnngoài 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 vẽcác hình vuông trong suốt và không trong suốt theo một mã nhất định Hìnhvuông trong suốt khi chiếu ánh sáng đi qua sẽ cho chúng ta tín hiệu (tươngđương 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 nàyngười 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 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”) Hiệnnay 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.

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 độ dài 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 hiệudưới 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 (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 từcông thức xác định độ dài D:

và chỉ có các xung laser cực hẹp (có và như đã nêu trên) mới đáp ứng đựơc yêu cầu độ chính xác đối với công tác trắc địa (đokhống 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 yêu cầu 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 xunghoặc loại xung –

pha đạt độ chính xác tương đối cao (cm)

Cách 2:

Bản chất của phương pháp xung là quan hệ giữa khoảng cách Dvới số lượng xung phát đi m trong khoảng thời gian giữa haithời điểm phát (tp) và thu (tt)

Giả 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 khoảngcách 2D là:

f

m T

m f

v

D 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 cầnxác định

m m v

v m f

v

D= = 2 =

2 2

(2.4)

đo khoang thời gian τ

Sau khi kỹ thuật điện tử tạo xung laser

- 5 km)

Hiện nay khối EDM của nhiều máy TĐ ĐT hoạt động theophương pháp 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

Hình thức máy TĐ ĐT cũng giống như máy kinh vĩ quang học thôngthường, 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 rấtnhiều 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 khoảngcách nghiêng D từ tâm máy đến tâm gương phản xạ ( hoặc đến điểm ngắm trên

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:

Hiện nay, máy toàn đạc đóng vai trò rất quan trọng trong lĩnhvực xây dựng nói riêng và một vài lĩnh vực đo đạc nói chung, cụthể hơn máy toàn đạc điện tử được ứng dụng trong:

- Các công tác đo đạc địa chính, đo đạc khảo sát địa hình,trong xây dựng dân dụng như nhà cao tầng, cầu đườnggiao thông

liệu khác nhau như file CAD để dễ dàng quản lý trên hệthống máy tính điện tử

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 thôngthường, 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 rấtnhiều 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 khoảngcách 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 thiênđỉnh)

- khối vi xử lý trung tâm 3: cài đặt các phần mềm tiện ích để giải các bàitoán trắc địa Dựa vào dữ liệu đo của khối EDM và DT cùng với các dữ liệukhác như tọa độ của điểm gốc, độ cao của điểm đặt máy, chiều cao máy, chiềucao gương cũng như các yếu tố hiệu chỉnh vào kết quả đo như nhiệt độ, ápsuất… 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,

Nội dung Máy kinh vĩ quang học Máy toàn đạc điện tử

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 caotheo 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 gươnghoặc 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

An ten

Bộ tần số radio (RF)

Bộ vi xử lý

Bộ nguồn

- Đo tọa độ: Máy toàn đạc điện tử đo đạc và tính toán chính xác tọa độ các điểm gương, phản xạ & máy mộtcách 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

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 khácnhau Chỉ tiêu quan trọng trong thiế kế anten là bảo đảm chínhxác tâm anten Tâm điện tử của anten phải khép kín và trùngvới tâm hình học đồng thời không bị tác động của hiện tượngquay và nghiêng Yêu cầu này cần thiết cho trường hợp đođộng, 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 góccao thấp và tín hiệu đa đường dẫn Điều này có thể thực hiệnđược nhờ anten có dạng hình nón xoáy tròn Hiện nay phổ biếnnhất 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 sáthiệu ứng Doppler Bộ tần số radio xử lý tín hiệu đã vào cáckênh Các máy 1 tần chỉ nhận và xử lý tín hiệu L1, các máy haitần sẽ nhận và xử lý cả hai tín hiệu L1 và L2 Các số liệu nhậnđược bởi máy thu 2 tần sẽ được phối hợp để tính toán và loại bỏkhúc 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 đồngthời

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 đokhoảng cách giả Hiện nay, các bộ vi xử lý có tốc độ xử lý rấtcao

Bộ vi xử lý có thể tìm ra thông tin chỉ đường hoặc chuyển cáctọa độ từ mốc đo WGS 84 chuẩn sang một mốc đo tươngđương Nó cũng quản lý các lệnh đầu vào từ người sử dụng,hiển thị thông tin và truyền dữ liệu qua cổng thông tin củachúng

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 năngnhư vào số hiệu điểm đo, độ cao anten… Ngoài các phím

"cứng" máy thu còn có các phím mềm thực hiện các lệnh trênmàn hình

e Thiết bị ghi

Có nhiệm vụ ghi lại các trị đo và thông tin đạo hàng đểphục 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 máythu sẽ quyết định thời gian thu liên tục Dung lượng bộ nhớthường đảm bảo ghi liên tục số liệu đo trong nhiều giờ với sốlượng 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 6đến 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

- Phần 2: Hệ thống ống kính: Giống như ống kính của máy thuỷ chuẩn thông thường Gồm có kính vật, kính điều quang, hệthống lăng kính phân chia ánh sáng, kính mắt

- Phần 3: Bộ phận xử lý tín hiệu điện của máy thuỷ chuẩn kỹthuật 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:

Nội

dung Máy thủy chuẩn quang học Máy thủy chuẩn điện tử

Máy thủy chuẩn quang cơ: là loại máy thủy Máy thủy chuẩn điện tử: được đo đạc bằng cách

chuẩn đo đạc bằng cách đọc số trên mia bằng mắt, ghi chép số liệu sổ tay và tính toán trên các

số liệu ghi chép được

đọc số trên mia mã vạch bằng tia hồng 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 ống thủy tròn , sau đó cân bằng chính xác bằngcách điều chỉnh vít

nghiêng để đưa bọt nướcống thủy dài vào giữa thìtrục ngắm sẽ nằm

Dùng mắt thường thực hiện việc ngắm và đo đạc, sau đó đọc các số liệu đo được trên mia củathiết bị

Ghi chép vào sổ và tính toán dựa vào các số liệu

đã thu thập được

Số liệu thường có sai số lớn, việc tính toán mất thời gian mà không hiệu quả

Dùng tia hồng ngoại để đọc các số liệu đã đo đạc được trước đó

Tự động tính toán dựa trêncác phép tính do người kĩ

sư lựa chọn Hiển thị trên màn hình LCD các số liệu tính toán

Dữ liệu tính toán, đo đạc

có thể được lưu trữ ở bộ nhớ trong của thiết bị này

Câu 11: Trình bày nội dung phân loại máy thu GPS và mục đích sử dụng chúng trong các công tác trắc địa

* Phân loại

Các máy thu có thể được phân loại theo các tiêu chí sau:

a Theo mục đích sử dụng