Nghiên cứu xây dựng phương pháp đánh giá độ chính xác và độ tin cậy

EDM được sử dụng rộng rãi trong các ngành lắp ráp, chế tạo, xây dựng, giao thông … Khi các máy đo xa EDM được tích hợp với hệ thống đo góc điện tử sẽ trở thành thiết bị đo tọa độ máy toà

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TÀO

-

Tống Công Dũng

NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ

ĐỘ CHÍNH XÁC VÀ ĐỘ TIN CẬY CỦA MÁY ĐO XA

ĐIỆN TỬ (EDM)

Chuyên ngành: Chế tạo máy

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

MỤC LỤC

Trang

LỜI CAM ĐOAN 3

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CỤM TỪ VIẾT TẮT 4

DANH MỤC CÁC BẢNG 5

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ 6

TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 8

CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ MÁY ĐO XA EDM VÀ PHƯƠNG PHÁP ĐO XA SỬ DỤNG TRONG MÁY ĐO EDM 10

1.1 Tổng quan về máy đo xa EDM 10

1.1.1 Đơn vị độ dài (mét) 10

1.1.2 Quá trình phát triển máy đo xa EDM 12

1.2 Các phương pháp đo khoảng cách dùng trong máy đo xa EDM 14

1.2.1 Nguyên lý chung 14

1.2.2 Phân loại phương pháp đo khoảng cách dùng trong máy đo xa EDM 15 1.3 Một số loại máy toàn đạc điện tử thông dụng ở Việt Nam 20

1.3.1 Tính chất chung 20

1.3.2 Một số loại máy EDM của các hãng trên thế giới sử dụng nhiều ở Việt Nam hiện nay 23

1.4 Yêu cầu về xây dựng phương pháp đánh giá độ chính xác và độ tin cậy của máy đo xa EDM 26

CHƯƠNG 2 : CÁC SAI SỐ CHÍNH ẢNH HƯỞNG ĐẾN ĐỘ CHÍNH XÁC CỦA MÁY ĐO XA EDM 29

2.1 Các sai số ảnh hưởng đến độ chính xác của máy EDM 29

2.2 Sai số điểm 0 (Zero error) 30

2.3 Sai số thang đo (Scale error) 31

2.4 Sai số chu kỳ (Cyclic error) 32

2.5 Sai số không tuyến tính phụ thuộc vào khoảng cách 35

2.6 Tóm lược và mô hình toán của các sai số 37

CHƯƠNG 3 : XÂY DỰNG PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ ĐỘ CHÍNH XÁC VÀ ĐỘ TIN CẬY CỦA MÁY ĐO XA EDM 41

3.1 Xác định phương pháp đánh giá độ chính xác, độ tin cậy của máy EDM 41

3.1.1 Phương pháp đánh giá độ chính xác và độ tin cậy của máy EDM 41

3.1.2 Hiệu chuẩn máy đo xa EDM theo ISO 17123-4 42

3.2 Nghiên cứu xây dựng đường chuẩn EDM 44

3.3 Các mô hình thiết kế đường chuẩn EDM 45

3.3.1 Thiết kế đường chuẩn kiểu Heerbrugg 45

3.3.2 Thiết kế đường chuẩn kiểu Aarau 48

3.3.3 Thiết kế đường chuẩn kiểu Hobart 49

3.4 Tính toán thiết kế đường chuẩn của VMI 51

3.4.1 Lựa chọn phương án 51

3.4.2 Tính toán thiết kế đường chuẩn EDM tại VMI 52

CHƯƠNG 4 : BÀI TOÁN THỰC NGHIỆM 57

4.1 Mô hình thực nghiệm 57

4.1.1 Thiết bị đo cần thiết 57

4.1.2 Sơ đồ thực hiện phép hiệu chuẩn EDM 60

4.2 Tiến hành hiệu chuẩn và phân tích số liệu đo trên đường chuẩn EDM 60

4.2.1 Các bước tiến hành 60

4.2.2 Xử lý số liệu trên phần mềm Excel và Matlab 61

4.2.3 Xác định độ không đảm bảo đo của phép đo 67

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 69

1 Về lý thuyết 69

2 Về thực nghiệm 69

3 Hướng phát triển 69

TÀI LIỆU THAM KHẢO 71

PHỤ LỤC 72

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan bản luận văn này với đề tài “Nghiên cứu xây dựng phương

pháp đánh giá độ chính xác và độ tin cậy của máy đo xa điện tử (EDM)” là công

trình nghiên cứu của riêng tôi và chưa được công bố trong bất cứ công trình nào khác Các số liệu nêu trong luận văn là trung thực

Hà Nội, ngày 27 tháng 09 năm 2013

Tác giả luận văn

Tống Công Dũng

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CỤM TỪ VIẾT TẮT

Ký hiệu Ý nghĩa

EDM Electro-Optical Distance Meter

VMI Viện Đo lường Việt Nam

BIPM Viện Đo lường Quốc tế

KRISS Viện nghiên cứu khoa học và chuẩn Hàn Quốc

Góc pha

IC Instrument correction

δ Số hiệu chỉnh điểm 0

A Khoảng cách ngắn nhất trên đường chuẩn

C0 Khoảng cách lớn nhất của đường chuẩn

B0 Ước tính của tham số thứ nhất

B Giá trị cuối cùng của tham số thiết kế thứ nhất

D Tham số thiết kế thứ hai

n Số cột mốc của đường chuẩn

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1 : Đặc trưng kỹ thuật của đường chuẩn tại một số quốc gia 27

Bảng 2 : Các sai số xảy ra trong các đại lượng đo khoảng cách với máy đo xa EDM sử dụng các đi-ốt phát IR và đi-ốt quang 37

Bảng 3 : Giá trị của các tham số thiết kế B 0 và D cho các đường chuẩn EDM loại Heerbrugg 47

Bảng 4 : Các đoạn đường chuẩn và tổng độ dài đường chuẩn so với số cột mốc cho các đường chuẩn EDM loại Heerbrugg 47

Bảng 5 : Các công thức cho tham số thiết kế B 0 đối với các đường chuẩn loại Aaura 49

Bảng 6 : Các đoạn đường chuẩn và tổng độ dài đường chuẩn so với số trạm cho các đường chuẩn EDM loại Aaura 49

Bảng 7 : Các phương trình cho các tham số thiết kế cho đường chuẩn EDM Hobart 50

Bảng 8 : Phân bố các loại máy EDM với các đơn vị U khác nhau 53

Bảng 9 : Tỷ lệ nhà sản xuất máy EDM U = 10m 54

Bảng 10 : Bảng tổng hợp xử lý số liệu đo của cả 3 lần đo 62

Bảng 11 : Bảng tổng hợp xử lý số liệu đo của cả 3 lần đo (sau khi lấy 3 số sau dấu phẩy của bảng tổng hợp kết quả đo 63

Bảng 12 : Bảng xử lý kết quả đo ngày thứ nhất trên phần mềm Matlab 64

Bảng 13 : Bảng xử lý kết quả đo ngày thứ hai trên phần mềm Matlab 65

Bảng 14 : Bảng xử lý kết quả đo ngày thứ ba trên phần mềm Matlab 65

Bảng 15 : Bảng tóm tắt độ không đảm bảo đo 67

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1 Thanh mẫu chuẩn gốc mét 10

Hình 2 Thí nghiệm của Fizeau 12

Hình 3 Máy trắc địa NASM-2 13

Hình 4 Kern Mekometer ME5000 13

Hình 5 Các dạng xung điều biến 17

Hình 6 Sơ đồ nguyên lý của máy đo xa loại xung 17

Hình 7 Sơ đồ nguyên lý của phương pháp đo pha 18

Hình 8 Nguyên lý hoạt động chung của các máy toàn đạc điện tử 20

Hình 9 Đĩa chia độ điện tử mã hóa 21

Hình 10 Máy toàn đạc điện tử Leica TPS-2003 series 23

Hình 11 Máy toàn đạc điện tử Sokkia CX-101 24

Hình 12 Máy toàn đạc điện tử Topcon GTS-250 Series 24

Hình 13 Máy toàn đạc điện tử Pentax W-821NX 25

Hình 14 Máy toàn đạc điện tử Nikon DTM-322 25

Hình 15 Mô hình đường chuẩn EDM 27

Hình 16 Sai số chu kỳ ( ) gây ra bởi bổ sung véctơ của tín hiệu xuyên âm (y 3 ) đến tín hiệu nhận được (y 2 ) 33

Hình 17 Các sai số hệ thống của máy đo khoảng cách hồng ngoại được xác định giữa khoảng cách 3 m và 68 m đối với giao thoa kế laser 36

Hình 18 Các khoảng cách cần đo 42

Hình 19 Quan hệ giữa hệ số U và số lượng loại máy EDM 53

Hình 20 Mô hình đường chuẩn EDM 54

Hình 21 Mô hình tính toán đường chuẩn EDM tại VMI 56

Hình 22 Máy toàn đạc điện tử TC2003 57

Hình 23 Hệ thống gương Leica 58

Hình 24 Thiết bị đo thông số môi trường Vaisala BTU301 58

Hình 25 Đường chuẩn EDM tại KRISS 59

Hình 26 Sơ đồ thực hiện hiệu chuẩn trên đường chuẩn EDM 60

Hình 27 Đồ thị biểu diễn chênh lệch kết quả đo giữa 3 ngày đo 64

TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI

Tên đề tài: “Nghiên cứu xây dựng phương pháp đánh giá độ chính xác và

độ tin cậy của máy đo xa điện tử (EDM)”

- Mã đề tài:

- Chuyên ngành: Cơ khí chính xác và quang học

- Cán bộ hướng dẫn:

1 TS Vũ Khánh Xuân

2 TS Nguyễn Văn Vinh

- Đơn vị: Viện Cơ khí, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

Các thiết bị đo xa sử dụng kỹ thuật quang điện tử (Electro-Optical Distance Meter - EDM) là thiết bị đo trong lĩnh vực đo lường độ dài Chúng có phạm vi đo rất lớn với độ chính xác khá cao, có những thiết bị hiện đại đạt được độ chính xác đến (1 mm + 1 ppm D) với D là khoảng cách tính bằng milimét (mm) EDM được

sử dụng rộng rãi trong các ngành lắp ráp, chế tạo, xây dựng, giao thông … Khi các máy đo xa EDM được tích hợp với hệ thống đo góc điện tử sẽ trở thành thiết bị đo tọa độ (máy toàn đạc điện tử) có phạm vi đo lớn, độ chính xác cao; có khả năng thực hiện được nhiều phép đo như: đo khoảng cách, đo góc, đo chênh cao, đo biên dạng, xác định sai lệch hình dạng hình học

Để đảm bảo độ chính xác, độ tin cậy và tính liên kết đo lường, các máy đo xa EDM cần thiết phải được kiểm định/hiệu chuẩn trước khi đưa vào sử dụng cũng như định kỳ trong thời gian sử dụng Thông qua kiểm định/hiệu chuẩn ta có thể xác định được các sai số ảnh hưởng nhiều nhất đến độ chính xác và độ tin cậy của máy đo xa EDM, từ đó xác định số hiệu chính của kết quả đo hoặc xác định các thông số cần hiệu chỉnh đối với EDM

Xuất phát từ nhu cầu đánh giá máy đo xa EDM, cùng với sự phát triển của khoa học công nghệ và tin học, hiện nay trên thế giới nhiều quốc gia/nền kinh tế đã chế tạo, xây dựng được các hệ thống chuẩn đo lường dùng để đánh giá độ chính xác, độ tin cậy của EDM thông qua các phép kiểm định/hiệu chuẩn chúng Với tình

hình số lượng máy EDM rất lớn đang được sử dụng ở Việt Nam và có xu hướng ngày càng tăng như hiện nay, việc nghiên cứu xây dựng phương pháp và thiết lập hệ thống chuẩn đo lường đáp ứng phương pháp đánh giá độ chính xác, độ tin cậy của EDM thực sự là cần thiết và cấp bách

Nhận biết tầm quan trọng của vấn đề, với sự hướng dẫn chỉ bảo tận tình của

TS Vũ Khánh Xuân và TS Nguyễn Văn Vinh, em đã chọn đề tài : “Nghiên cứu

xây dựng phương pháp đánh giá độ chính xác và độ tin cậy của máy đo xa điện tử (EDM)” làm đề tài luận văn thạc sĩ

Mục đích của đề tài là xây dựng phương pháp đánh giá độ chính xác và độ tin cậy máy đo xa EDM phù hợp với điều kiện của Việt Nam hiện nay

Ngoài phần giới thiệu tổng quan và phần kết luận, nội dung của đề tài gồm 4 chương :

Chương 1: Tổng quan về máy đo xa EDM và phương pháp đo xa sử dụng

trong các máy đo xa EDM Chương 2: Các sai số chính ảnh hưởng đến độ chính xác của máy đo xa EDM Chương 3: Xây dựng phương pháp đánh giá độ chính xác và độ tin cậy của

máy đo xa EDM Chương 4: Bài toán thực nghiệm

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MÁY ĐO XA EDM VÀ PHƯƠNG PHÁP ĐO XA SỬ DỤNG TRONG MÁY ĐO EDM

1.1 Tổng quan về máy đo xa EDM

1.1.1 Đơn vị độ dài (mét)

Đơn vị đo độ dài mét (m) là một trong bảy đơn vị đo cơ bản của hệ đơn vị đo

lường quốc tế (SI)

Mét đã được định nghĩa bằng một mười phần triệu của 1/4 kinh tuyến trái đất

đi qua đài Thiên Văn Pari trong thế kỷ 18 (1793), và được thể hiện thông qua một mẫu gốc mét Đó là một thanh dài 1020 mm, có tiết diện chữ X, được chế tạo từ hợp kim gồm 90% platin và 10% iridium Vạch chia được khắc trên bề mặt trung hoà của thước Khoảng cách giữa hai vạch trung tâm nằm ở hai đầu thước thể hiện chiều dài mét, mỗi vạch trung tâm này nằm giữa hai vạch phụ Khoảng cách chuẩn này được sử dụng làm mẫu chuẩn gốc của mét trên thế giới trong nhiều năm Tuy nhiên, mẫu chuẩn gốc này ngắn hơn 0,2 mm so với định nghĩa mét do sự hạn chế về kỹ thuật đo thời bấy giờ Hội nghị toàn thể về cân đo lần thứ nhất (năm 1875) đã định

nghĩa lại đơn vị mét căn cứ mẫu chuẩn gốc mét: “Mét là khoảng cách giữa hai vạch

trung tâm của hai nhóm vạch khắc trên mẫu gốc mét quốc tế Khoảng cách đó được xác định ở nhiệt độ tại điểm ba của nước và trong áp suất môi trường” Tất cả các

nước ký Công ước mét đều có mẫu sao của mẫu chuẩn gốc mét và dùng làm chuẩn cho đơn vị độ dài của nước mình

Hình 1 Thanh mẫu chuẩn gốc mét

Do phương pháp đo chiều dài chuẩn gốc mét có độ không đảm bảo đo lớn và chiều dài mẫu chuẩn gốc mét không ổn định theo thời gian vì vật liệu bị già hoá Do

sự nghiên cứu và phát triển của hệ thống thiết bị giao thoa Michelson có thể quan sát, xác định dịch chuyển vân giao thoa của sóng quang học, người ta đã thể hiện đơn vị mét thông qua một hiện tượng ổn định khác cuả tự nhiên, đó là bức xạ nguyên tử Kryptôn 86 Tại hội nghị toàn thể về cân đo lần thứ 11 (năm 1960) đã

định nghĩa lại đơn vị mét: “Mét là chiều dài bằng 1650763,73 lần bước sóng của

bức xạ nguyên tử Kryptôn 86 trong chân không ứng với sự chuyển dịch giữa hai mức năng lượng 2p 10 và 5d 5 ”

Tuy nhiên các mẫu chuẩn gốc mét cũ vẫn được dùng cho đến khi các nước thể hiện hoàn chỉnh kích thước mét theo định nghĩa mới nêu trên Theo tài liệu của

Uỷ ban quốc tế về cân đo, việc thể hiện chiều dài mét theo bước sóng của bức xạ điện từ Krypton có độ không đảm bảo đo tương đối là 1.10-8 Nó có thể đạt tới giá trị 2.10-9 nếu độ không đảm bảo của phép đo áp suất và nhiệt độ môi trường giảm nhỏ nữa Giá trị này có thể là giới hạn đạt được của bức xạ nguyên tử Kryptôn 86 Năm 1983 tại Đại hội cân đo quốc tế (CGPM) lần thứ XVII đã quyết định

đưa ra định nghĩa mới về mét như sau: “Mét là chiều dài khoảng cách mà ánh sánh truyền qua trong chân không trong khoảng thời gian 1/299 792 458 giây”

Định nghĩa mới về mét này đã đáp ứng tốt hơn các yêu cầu của nguyên lý đo

độ dài hiện nay và có độ chính xác cao Hiện nay chuẩn đầu đo lường độ dài bao gồm một số nguồn laser ổn định tần số do Viện Đo lường Quốc tế (BIPM) quy định,

từ đó đơn vị độ dài mét được dẫn xuất đến các chuẩn, thiết bị đo có độ chính xác thấp hơn

Các thiết bị đo độ dài sử dụng trong khoa học kỹ thuật và trong đời sống xã hội rất đa dạng, nhiều chủng loại và có phạm vi đo, độ chính xác khác nhau, từ nhỏ đến lớn Do đó, để đảm bảo tính dẫn xuất chuẩn người ta phải chế tạo ra nhiều loại chuẩn có phạm vi đo, độ chính xác phù hợp để thực hiện việc hiệu chuẩn các thiết

bị đo

1.1.2 Quá trình phát triển máy đo xa EDM

Các thiết bị đo khoảng cách bằng quang điện phát triển dựa trên những kết quả nghiên cứu vận tốc truyền của ánh sáng Fizeau đã xác định vận tốc ánh sáng vào năm 1849 bằng bộ điều biến bánh răng trên một đường thẳng dài 17,2 km: Ánh sáng đi qua bánh răng quay đến một chiếc gương ở đầu kia của đoạn thẳng, được phản xạ và trở lại bánh xe nơi ánh sáng hồi tiếp đã bị các bánh răng khóa lại ở vận tốc cao của bánh xe Thí nghiệm của Fizeau lần đầu tiên sử dụng nguyên lý đo khoảng cách với ánh sáng điều biến ở tần số cao

Hình 2 Thí nghiệm của Fizeau

Sau đó, Foucalt đã sử dụng một chiếc gương xoay vào năm 1862 và Michelson (1927) đã sử dụng một chiếc lăng kính xoay vào năm 1926 cho các thí nghiệm tương tự Theo Zetsche (1979), thiết bị đo khoảng cách quang điện đầu tiên

do Lebedew, Balakoff và Wafiadi tại Viện Quang học Liên bang Xô Viết phát triển vào năm 1936 Năm 1940, Huttel đã công bố một kỹ thuật xác định vận tốc ánh sáng bằng bộ điều biến Kerr-cell trong máy phát và một ống quang điện trong máy nhận Điều này đã thôi thúc Nhà khoa học người Thụy Điển E Bergstrand thiết kế

“Máy trắc địa” đầu tiên (dành cho máy đo độ dài đường trắc địa) để xác định vận tốc ánh sáng vào năm 1943 Thiết bị thương mại đầu tiên (Máy trắc địa NASM-2) được Công ty Thụy điển AGA sản xuất và được đưa ra thị trường vào năm 1950 [1]

Hình 3 Máy trắc địa NASM-2

Máy đo xa EDM chính xác đầu tiên, Mekometer, do K D Froome và R H Bradsell thiết lập năm 1961 tại Phòng thí nghiệm Vật lý Quốc gia, Teddington (Anh) và được tung ra thị trường vào đầu năm 1973 với tên gọi Kern Mekometer

ME 3000 Trên những khoảng cách ngắn, có thể chính xác đến 0.2 mm Nối tiếp sự thành công của thiết bị này, COM-RAD204DME và Kern Mekometer ME5000 được công bố năm 1984 và 1986

Hình 4 Kern Mekometer ME5000

Máy toàn đạc điện tử đầu tiên, Zeiss (Oberkochen) Reg ELTA 14, được giới thiệu năm 1970 và chỉ số đọc điện tử điển hình không chỉ của khoảng cách mà còn đối với các hình tròn dọc và ngang Máy toàn đạc điện tử thứ hai, Máy trắc địa AGA 700 xuất hiện năm 1971 Các thiết bị phát minh này nhỏ hơn và nhẹ hơn đã

được tung ra thị trường năm 1977 và 1978 với Hewlett-Packard HP 3820A, Wild

TC 1, Zeiss ELTA và Zeiss ELTA 4

Trong đầu những năm 1980, đo khoảng cách hồng ngoại sử dụng nguyên lý xung xuất hiện trên thị trường Thiết bị đầu tiên ứng dụng nguyên lý này trong đo khảo sát, Geo-Fennel FEN 2000 đã xuất hiện vào năm 1983 Thiết bị Wild Distomat

DI 3000 là thiết bị thế hệ thứ hai sử dụng nguyên lý xung trong đo khoảng cách hồng ngoại xuất hiện vào năm 1985 Cũng trong năm này, máy toàn đạc điện tử đã được tất cả các hãng sản xuất thiết bị đo đạc lớn tung ra thị trường cũng như các thiết bị lưu trữ dữ liệu điện tử và các gói phần mềm máy tính để xử lý và vẽ đồ thị

Trong thực tế để xác định khoảng thời gian t, 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:

xác định với rất cao Ví dụ, để đo D với yêu cầu mD < 3 cm (tương đương với D

10

1.2.2 Phân loại phương pháp đo khoảng cách dùng trong máy đo xa EDM

Có hai phương pháp đo xa chủ yếu là:

- Phương pháp pha;

- Phương pháp xung

Phương pháp pha còn gặp dưới hai dạng: dạng sử dụng các tín hiệu điều biến

và dạng sử dụng tín hiệu trực tiếp không điều biến (dao động mang) còn gọi là phương pháp giao thoa Ngoài ra, trong thực tế còn gặp phương pháp phối hợp - gọi

là phương pháp xung - pha Phương pháp xung được sử dụng cho chế độ đo “thô” (đo xa với độ chính xác thấp), còn phương pháp pha dùng để “đo chính xác” Phương pháp tần số được ứng dụng trong các máy đo cao radio (trắc địa ảnh) và trong một số hệ thống trắc địa radio Phương pháp giao thoa đạt độ chính xác cao hơn tất cả các phương pháp khác nhưng do khoảng cách ngắn nên chỉ mới ứng dụng trong trắc địa chuyên ngành (lắp ráp, đo biến dạng…)

Phương pháp xung trước đây chủ yếu được ứng dụng để đo khoảng cách lớn với độ chính xác thấp, ví dụ: khoảng cách đến vệ tinh, mặt trăng, đáy đại dương…

Những năm gần đây, kỹ thuật điện tử laser đã tạo được các xung ánh sáng có

độ rỗng (lấp đầy) hẹp (≈ 0.1 ns) cho phép nâng cao độ chính xác đo khoảng cách vì thế đã xuất hiện một vài máy đo xa loại xung

Ở Việt Nam, trong công tác trắc địa để đo khoảng cách đã và đang sử dụng chủ yếu các máy đo xa loại pha

a Nguyên lý của phương pháp xung

Nguyên lý của phương pháp xung là xác định trực tiếp khoảng thời gian truyền xung điện từ trên hai lần khoảng cách (t2D) và độ dài D

D =

Các xung được chọn để đo khoảng cách phải đạt hai tiêu chẩn là có độ dài τx

hẹp và độ rỗng  lớn Cụ thể, trong các máy đo xa loại xung hiện nay sử dụng xung laser có τx 10 – 0,1ns và  > 1000 Trong khi bức xạ xung máy phát chỉ làm việc trong khoảng thời gian bằng độ dài τx của xung (Hình 5a)

Các máy đo xa loại xung 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 5b và Hình 5c biểu thị dạng của các xung

điều biên và các xung điều tần

Để khoảng cách D trong công thức ( 4 ) nhận được là đơn trị thì cần phải chọn chu kỳ T của xung lớn hơn khoảng thời gian t2D vì để cho xung phản hồi (xung phát thứ nhất) trở về máy 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 F của xung càng cao

Độ chính xác yêu cầu xác định khoảng thời gian t2D được suy ra từ công thức ( 4 )

và chỉ có các xung laser cực hẹp (có τx và  như đã nêu trên) mới đáp ứng đựơc 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 yêu cầu biết trước trị gần đúng của khoảng cách) và trong nhiều trường hợp không cần bộ phản xạ … 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

Hình 5 Các dạng xung điều biến

Hình 6 Sơ đồ nguyên lý của máy đo xa loại xung

Ta có thể miêu tả nguyên lý này như sau : sóng điện từ (sóng mang) từ nguồn bức xạ (1) đi vào bộ điều biến (2), tại đây, dưới sự tác động của các xung là điều

biến và được biến thành các xung điều biên hoặc điều tần (xem Hình 5) Các xung

làm điều biến được lấy từ bộ tạo xung (3) chúng là kết quả của quá trình chuyển hoá

từ các dao động hình sin có tần số ổn định cao tạo ra trong bộ phát sóng cao tần thạch anh (4) nên tần số lặp Fe của xung cũng rất ổn định

Như vậy, tín hiệu đo từ bộ phận (5) của máy truyền đi đến bộ phản xạ (6) rồi quay trở về máy vẫn là dưới dạng sóng điện từ điều biên và tại bộ phận thu (7) nó lại được chuyển hoá thành các xung tương ứng Và, ta biết rằng các xung làm điều biến từ bộ tạo xung (3) cũng như các xung nhận được sau bộ phận thu (7) đều được đưa vào bộ đo thời gian (8)

Trong các máy đo xa dùng xung laser thì thời điểm bức xạ của xung được thực hiện bằng bộ chuẩn thời gian là đồng hồ thạch anh hoặc đồng hồ nguyên tử (1) Một phần xung laser (2) này được tách ra làm “xung xuất phát” bằn g cách dẫn nó qua quang tuyến (3) trong máy đến bộ thu nhận ánh sáng (4), và tại đây được chuyển thành xung điện để đi vào bộ đếm thời gian (5) Phần kia của xung laser (2) được truyền đến bộ phản xạ (6) rối trở về bộ thu nhận ánh sáng (4) cũng biến thành xung điện gọi là “xung tới đích” hoặc “xung dừng” và cũng đi vào bộ đếm thời gian (5) Khoảng thời gian giữa “xung xuất phát” và “xung tới đích” chính là đại lượng

t2D cần xác định trong công thức ( 4 ) [2]

b Nguyên lý của phương pháp pha

Cho đến nay, trong công tác trắc địa trên mặt đất, phương pháp pha đo khoảng cách được áp dụng phổ biến nhất

Phương pháp pha là phương pháp đo độ lệch pha của các sóng liên tiếp để đo khoảng cách Vì pha là hàm tuyến tính của thời gian, nên độ thay đổi pha trong một khoảng thời gian lại là hàm tuyến tính của khoảng cách mà sóng điện từ truyền trên

nó Theo sơ đồ nguyên lý của phương pháp đó pha ở Hình 7 ta có thể lý giải nó như

sau:

Hình 7 Sơ đồ nguyên lý của phương pháp đo pha

Giả sử bộ phận phát tín hiệu (1) bức xạ sóng điện từ điều hòa tần số ω = 2πfđ với pha:

Sau khi truyền đến bộ phản xạ (2) sóng này được đưa trở lại bộ thu nhận tín hiệu (3) với pha lúc này là:

Trong đó t 2D τ là thời gian truyền sóng điện từ qua hai lần khoảng cách 2D

Bộ đo pha (4) sẽ đo hiệu pha giữa hai thời điểm phát và thu

Trong đó: N là số nguyên dương (0,1,2,3… ) còn 0 <  < 2

Bộ đo pha chỉ xác định được đại lượng , còn N là ẩn số cần tìm

Thay ( 10 ) vào ( 9 ) ta được phương trình cơ bản của phương pháp đo pha khoảng cách:

1.3 Một số loại máy toàn đạc điện tử thông dụng ở Việt Nam

1.3.1 Tính chất chung

Máy toàn đạc điện tử là thiết bị dựa trên cơ sở ghép nối giữa 3 khối chính, đó

là máy đo xa điện tử EDM (Electro-Optical Distance Meter), máy kinh vĩ điện tử

DT (Digital Theodolite) và bộ xử lý trung tâm CPU

a Khối 1 (Máy đo xa quang điện tử)

Máy đo xa quang điện tử (Electro-Optical Distance Meter viết tắt là EDM) làm nhiệm vụ đo khoảng cách từ máy tới gương phản xạ

Các máy toàn đạc điện tử hiện nay thường được trang bị một máy EDM có tầm hoạt động xa từ 2–4 Km Độ chính xác đo khoảng cách tùy thuộc từng loại máy, nhưng các máy thông dụng hiện nay thường cho phép đo khoảng cách với độ chính xác mD = 2mm+2ppm D Toàn bộ quá trình đo khoảng cách được thực hiện tự động, kết quả đo được thể hiện trên màn hình tinh thể lỏng LCD

Hình 8 Nguyên lý hoạt động chung của các máy toàn đạc điện tử

b Khối 2 (Máy kinh vĩ số)

Máy kinh vĩ số (Digital Theodolite viết tắt là DT) có cấu tạo tương tự như máy kinh vĩ kinh điển, chỉ khác một điều là khi đo góc không phải thực hiện các thao tác thông thường như chập vạch hoặc đọc số trên thang số mà số đọc sẽ tự động hiện lên trên màn hình tinh thể lỏng của máy

Để thực hiện việc tự động hóa quá trình đo góc người ta có thể sử dụng hai phương án Phương án mã hóa đĩa chia độ và phương án xung Các máy kinh vĩ số

sử dụng phương án mã hóa đĩa chia độ được gọi là các máy kinh vĩ mã hóa, còn các

máy sử dụng phương án xung được gọi là các máy loại xung

Trong các máy kinh vĩ mã hóa đĩa chia độ đứng và đĩa chia độ ngang không được chia vạch như các máy thông thường Phần ngoài của đĩa chia 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 Đĩa chia độ của một máy kinh vĩ mã hóa có dạng như

Hình 9a

Hình 9 Đĩa chia độ điện tử mã hóa

Đối với một đĩa chia độ như thế này thì mỗi vị trí đĩa chia 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 đĩa chia độ sẽ được dẫn tới bộ giải mã và số đọc sẽ được hiện trên màn hình của máy

Ưu điểm của phương pháp mã hóa đĩa chia độ là có thể dễ dàng nâng cao độ phân giải của đĩa chia độ để nâng cao độ chính xác đọc số Việc này có thể thực hiện được bằng cách tăng số vòng tròn (strack) trên đĩa chia 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 của phương pháp mã hóa đĩa chia độ là đĩa chia độ phải được gia công với độ chính xác rất cao nên rất khó chế tạo

Trong phương pháp xung vùng khắc vạch của đĩa chia độ được chia thành

các vạch trong suốt và không trong suốt xen kẽ nhau như Hình 9b Các xung này

sau khi đi qua một Photodiode sẽ được biến thành các xung điện

Nếu đánh dấu một trong các xung của đĩa chia độ ngang như một xung khởi đầu thì mỗi một vị trí đĩa chia độ sẽ tương ứng với một số xung nhất định tính từ xung khởi đầu, điều đó có nghĩa là nếu dùng một máy đếm xung để đếm số xung từ vạch khởi đầu đến vị trí hiện thời của đĩa chia độ, chúng ta sẽ xác định được góc hợp bởi vạch khởi đầu và vị trí hiện thời của đĩa chia độ Nhờ CPU mà trị số hướng ngắm khởi đầu và góc ngang hiện thị trên màn hình tinh thể lỏng của máy điện tử hoặc toàn đạc điện tử

Đĩa chia độ của máy kinh vĩ loại xung đơn giản và dễ chế tạo hơn nhiều so với đĩa chia độ mã hóa, vì vậy phương án xung hiện nay được sử dụng rất rộng rãi

c Khối 3 (Các chương trình tiện ích và phần mềm xử lý)

Trong khối này người ta cài đặt các chương trình tiện ích để xử lý các bài toán trắc địa đơn giản như cải chính khoảng cách nghiêng về khoảng cách bằng, tính lượng hiệu chỉnh các yếu tố khí tượng, hiệu chỉnh do chiết quang và do độ cong của trái đất, tính chênh cao giữa hai điểm theo công thức của đo cao lượng giác, chương trình tính tọa độ của các điểm theo chiều dài cạnh và phương vị, chương trình tính diện tích của một hình khép kín, chương trình tính giao hội nghịch … Ngoài ra để máy có thể trao đổi được với máy tính như trút số liệu từ bộ nhớ của máy vào máy tính để tiếp tục quá trình vẽ bản đồ hoặc nhận một file số liệu nào đó

từ máy tính vào bộ nhớ của máy người ta còn cài đặt cho máy những phần mềm thông dụng như MSDOS Để tăng dung lượng bộ nhớ, một số máy toàn đạc điện

tử được trang bị thêm field book (sổ đo điện tử)

Như vậy, kết hợp 3 khối trên đây lại với nhau chúng ta được một máy đa chức năng rất linh hoạt có thể đo đạc các đại lượng cần thiết và giải được hầu hết các bài toán trắc địa thông dụng

Hiện nay nhiều nước trên thế giới có thể chế tạo được máy toàn đạc điện tử Tuy nhiên hai cường quốc lớn nhất trong lĩnh vực này là Nhật Bản và Thụy Sỹ Đa

số các máy đang được sử dụng ở nước ta hiện nay là của các hãng SOKKIA, PENTAX, TOPCON, NIKON của Nhật Bản hoặc của hãng LEICA của Thụy Sỹ …

1.3.2 Một số loại máy EDM của các hãng trên thế giới sử dụng nhiều ở Việt

Nam hiện nay

Hình 10 Máy toàn đạc điện tử

Hình 11 Máy toàn đạc điện tử

Hình 13 Máy toàn đạc điện tử

1.4 Yêu cầu về xây dựng phương pháp đánh giá độ chính xác và độ tin cậy của máy đo xa EDM

Các máy đo xa EDM được sử dụng rất nhiều trong các ngành xây dựng, giao thông, lắp máy … (xây dựng và quan trắc đập thủy điện, nhà cao tầng, xây dựng cầu lớn, lắp ráp, chế tạo cần cẩu …) Chúng có phạm vi đo đến vài km, độ chính xác khi

đo 1 km đến 2 mm Với độ chính xác rất cao của máy, để đảm bảo độ chính xác, độ tin cậy và tính liên kết đo lường, các máy đo xa EDM cần phải được thực hiện kiểm định/hiệu chuẩn đo lường trước khi sử dụng và trong quá trình sử dụng Do đó, việc xây dựng phương pháp đánh giá độ chính xác và độ tin cậy của máy đo xa EDM thông qua các phép kiểm định/hiệu chuẩn chúng là rất cần thiết

Các thiết bị đo nói chung và EDM nói riêng, trước khi đưa vào sử dụng hoặc trong quá trình sử dụng cần phải được kiểm định/hiệu chuẩn đo lường nhằm đảm bảo độ chính xác, độ tin cậy và tính liên kết đo lường của chúng Để thực hiện việc kiểm định/hiệu chuẩn đo lường cho các máy đo xa EDM, hiện tại Việt Nam chưa có

hệ thống chuẩn đo lường (hệ thống cột mốc, điểm chuẩn hay đường chuẩn quốc gia

…) nào đủ tiêu chuẩn đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật đối với các máy đo xa EDM hiện nay Xuất phát từ nhu cầu thực tiễn đó, nhiệm vụ khoa học công nghệ: tiến hành nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố đến độ chính xác của máy đo xa EDM; nghiên cứu các phương pháp đánh giá độ chính xác của máy đo xa EDM của các nước trên thế giới; từ đó tính toán, lựa chọn phương pháp, thiết lập Hệ thống chuẩn

đo lường để kiểm định/hiệu chuẩn EDM phù hợp với hoàn cảnh tại Việt nam đã được đề xuất thực hiện

Tại các Viện đo lường quốc gia của các nước trên thế giới tùy theo điều kiện thực tế của mình đều tự nghiên cứu thiết kế và xây dựng Hệ thống chuẩn đo lường

để hiệu chuẩn các máy đo xa EDM Hệ thống chuẩn đo lường đó thường là các mốc

chuẩn thẳng hàng tạo thành đường chuẩn – đường chuẩn EDM (Hình 15)

Số lượng các mốc chuẩn, khoảng cách giữa các mốc chuẩn, khoảng cách lớn nhất giữa các mốc chuẩn của đường chuẩn được tính toán thiết kế dựa trên điều kiện thực tế nơi xây dựng đường chuẩn, đặc trưng kỹ thuật của thiết bị đo xa, … Diện tích để xây dựng đường chuẩn phải đủ lớn đảm bảo không có vật chắn giữa các mốc chuẩn Đặc trưng cơ bản của đường chuẩn EDM được thiết lập ở một số quốc gia

dựng phương pháp đánh giá độ chính xác và độ tin cậy của máy đo xa EDM sẽ trình bày cụ thể và rõ ràng phương pháp thiết lập đường chuẩn EDM để đánh giá độ chính xác, độ tin cậy thông qua kiểm định/hiệu chuẩn hiệu chuẩn chúng Các cột mốc chuẩn dự kiến sẽ được xây dựng tại khu R&D của Khu công nghệ cao Hòa Lạc, trên khuôn viên mới của Viện Đo lường Việt Nam (VMI) Trên khuôn viên được cấp của VMI, khoảng cách lớn nhất có thể xây dựng các cột mốc (không bị chắn giữa các cột mốc) khoảng 300 m.

CHƯƠNG 2: CÁC SAI SỐ CHÍNH ẢNH HƯỞNG ĐẾN ĐỘ

CHÍNH XÁC CỦA MÁY ĐO XA EDM

2.1 Các sai số ảnh hưởng đến độ chính xác của máy EDM

Tất cả các máy đo khoảng cách quang điện tử phải chịu một số lượng lớn các sai số, dù đó là thiết bị sử dụng nguyên tắc đo xung hay nguyên tắc đo pha Sai số

có thể là do phần điện, quang hay phần cơ khí của máy Độ lớn của những sai số này được các nhà sản xuất cố gắng đưa xuống giá trị nhỏ nhất có thể và thường được thể hiện trong độ chính xác công bố của thiết bị Trên thực tế, một số sai số của máy EDM có thể được ước tính bởi người sử dụng và những sai số đó thường vượt quá độ chính xác được công bố và có thể thay đổi theo thời gian Do vậy, người sử dụng phải nhận thức được hậu quả của các sai số đó và hiệu chính chúng

Các sai số máy EDM hay gặp là sai số điểm 0, sai số thang đo và sai số chu kỳ [3]

Nguyên nhân dẫn tới các sai số khi sử dụng máy đo xa EDM thường được chia ra làm 2 loại: Sai số do thiết bị và sai số không thuộc về thiết bị

- Sai số không tuyến tính phụ thuộc vào khoảng cách

+ Sai số không thuộc về thiết bị:

- Sai số chỉnh tâm của bộ phản xạ và máy đo xa EDM,

- Sai số độ cao của bộ phản xạ và máy đo xa EDM,

- Chỉ hướng bộ phản xạ,

- Do nhiệt độ, áp suất khí quyển, độ ẩm

- Phản xạ ra từ các vật chiếu sáng chứ không phải bộ phản xạ

- Nhiễu loạn khí quyển

Để hiểu rõ hơn về mức độ ảnh hưởng của các sai số lên độ chính xác, độ tin cậy của máy đo xa EDM chúng ta sẽ phân tích một số sai số chính

2.2 Sai số điểm 0 (Zero error)

Bắt nguồn từ việc không thể kiểm soát được các sai số quang điện có nguồn gốc phát sinh trên trục dọc của thiết bị, nên điểm “0” thực sự của phép đo độ dài cần phải được hiệu chỉnh Giá trị hiệu chỉnh này thường được gọi là sai số điểm 0 và bù cho sai số do trễ tín hiệu trên dây cáp điện cũng như chiều dài đường quang (quang lộ) Việc hiệu chỉnh kết hợp giữa sai số điểm 0 của thiết bị đo khoảng cách và hệ số của bộ gương phản xạ thường được xác định bởi nhà sản xuất và được kết hợp trong thiết bị Việc hiệu chỉnh này thường là chính xác đến 1 hoặc 2 mm đối với thiết bị với độ chính xác 5 mm tại thời điểm hiệu chỉnh tại nhà máy và khi sử dụng hệ gương phản xạ quy định Hệ số này có thể lên tới vài xăng-ti-mét Sai số điểm 0 có thể thay đổi theo thời gian trong quá trình làm việc hoặc do sửa chữa Do đó, hệ số này nên được xác định định kỳ và áp dụng cho tất cả các khoảng cách được đo Việc đo thử nghiệm đã chỉ ra rằng sai số điểm 0 cũng có thể bị ảnh hưởng bởi các thông số khác Ví dụ, các sai số điểm 0 của hầu hết các thiết bị đo khoảng cách có phụ thuộc nhiệt độ Tuy nhiên, ảnh hưởng của nhiệt độ thường rất nhỏ Hệ

số nhiệt độ lớn khác thường +0,19 mm/0C [3] Vì sự tồn tại của tính không đồng nhất pha trong việc phát của đi-ốt quang điện, sai số điểm 0 có thể thay đổi do thay đổi bộ suy giảm hoặc sơ đồ cài đặt hoặc khi thay đổi số lượng lăng kính Việc sử dụng bộ suy giảm bằng thủy tinh hoặc nhựa làm trễ tín hiệu EDM do tác dụng của chỉ số khúc xạ và độ dày của vật liệu (tương tự với chậm phản xạ)

Ở một số thiết bị, có sự phụ thuộc của sai số điểm 0 vào điện áp hoặc cường

độ tín hiệu Cường độ tín hiệu trở về phụ thuộc vào điều kiện môi trường xung quanh cũng như độ suy giảm và sơ đồ và sự cài đặt bộ lọc số bên trong Một số thiết

bị cũ cũng biểu lộ những thay đổi theo ngày - đêm của sai số điểm 0 do thay đổi điểm hoạt động của đi-ốt quang Trong trường hợp máy đo xa EDM được gắn kính

viễn vọng, sai số điểm 0 có thể thay đổi trong khoảng cách do việc gắn trên máy kinh vĩ chủ khác nhau [3]

2.3 Sai số thang đo (Scale error)

Sai số thang đo của máy EDM được gây ra chủ yếu do bộ tạo dao động và bằng cách phát ra và nhận tín hiệu của đi-ốt Một số yếu tố khác góp phần tạo nên sai số thang đo Các nguồn chính của sai số thang đo bên ngoài thiết bị này là cách hiệu chỉnh vận tốc ban đầu không chính xác Phân tích 2 yếu tố cơ bản nhất của sai

số thang đo:

+ Sai số do bộ tạo dao động

Các sai số do bộ tạo dao động quan trọng nhất là sự phụ thuộc vào nhiệt độ Khoảng cách ngắn nhất mét, khoảng cách có nhiệt độ bồi thường dao động tinh thể

là căn cứ thời gian Tần số so với nhiệt độ đặc trưng của dao động tinh thể thạch anh

có thể được mô hình hóa bởi một đa thức bậc ba Vì hiện tượng này, tầm ngắn khoảng cách mét cũng bị ảnh hưởng bởi hiệu ứng ấm lên Nó có nghĩa là một tần số dao động phụ thuộc vào thời gian đo khoảng cách đã hoạt động Trong quá trình hoạt động, đo khoảng cách sản phẩm nhiệt mà ấm lên dao động và gây ra một sự thay đổi tần số Sự ổn định ngắn hạn dao động thường là rất tốt nhưng sự ổn định dài hạn có thể lên đến 1 ppm mỗi năm [1]

+ Sai số do việc phát và nhận tín hiệu của đi-ốt

Sai số do việc phát và nhận tín hiệu của điốt có thể ảnh hưởng đến thang đo của một khoảng cách theo nhiều cách Một bước sóng mang của đi-ốt phát ra có thể khác với giá trị danh nghĩa Nó gây ra sai số trong tính toán điều chỉnh vận tốc đầu tiên Bước sóng mang có thể phụ thuộc vào nhiệt độ và ảnh hưởng tới thang đo tương tự như bộ tạo dao động phụ thuộc vào nhiệt độ Cuối cùng, thành phần tuyến tính do ảnh hưởng của tính không đồng nhất pha trong cách phát ra và nhận tín hiệu của đi-ốt chính là nguyên nhân gây ra sai số của máy đo xa EDM Vì tất cả những nguồn của các sai số trên, hiệu chỉnh thang đo phải được xác định theo định kỳ trong hiệu chuẩn [1]

2.4 Sai số chu kỳ (Cyclic error)

Sai số chu kỳ có thể được quan sát thấy trong các máy EDM dựa trên nguyên tắc đo pha Sai số với bước sóng tương đương với chiều dài đơn vị của máy (sai số chu kỳ đầu tiên) và điều hòa nó (sai số chu kỳ bậc cao) chủ yếu được gây ra bởi sự nhiễu tín hiệu điện hoặc quang qua sự quy chiếu và các tín hiệu đo Sai số chu kỳ có thể phụ thuộc vào khoảng cách, cường độ tín hiệu, thời gian và những nguyên nhân khác Một số yếu tố tạo nên các sai số này có thể được giải thích theo quy luật tự nhiên nhưng chắc chắn không phải tất cả trong số đó Các sai số chu kỳ cuối cùng là một hỗn hợp của một số sai số khác nhau Các nhà sản xuất giảm độ lớn của các sai

số này bằng cách chắn điện, tách kênh quang học và phủ lớp chống phản xạ đặc biệt Khi xác định được số lượng, các sai số này có thể được loại bỏ với một cách hiệu chỉnh tương ứng phù hợp Hàm sin và cosin chức năng được sử dụng để phân tích các mô hình của sai số [3]

+ Sai số do nhiễu tín hiệu điện hoặc quang:

Sai số chu kỳ có thể gây ra bởi việc nối điện giữa tín hiệu tham khảo và tín hiệu đo và bởi nhiễu tín hiệu điện giữa quang truyền và nhận trong thiết bị đo khoảng cách quang điện Xuất hiện trong tất cả thiết bị đo khoảng cách tới mức độ lớn hơn hoặc nhỏ hơn, và độc lập về loại hệ thống đo pha Biên độ của sai số chu kỳ trong thiết bị phạm vi ngắn với độ chính xác bên trong 5 mm thường là nhỏ hơn 5mm

Xét tín hiệu được truyền y1 và tín hiệu trở về y2 có thể được viết như sau

Hình 16 Sai số chu kỳ ( ) gây ra bởi bổ sung véctơ của tín hiệu xuyên âm (y 3 ) đến tín hiệu nhận được (y 2 )

Thiết bị đo khoảng cách sử dụng tín hiệu kết hợp và sai số (y) khác với tín hiệu trở về đúng (y 2 ) và vì thế đo pha sai số () khác với pha đúng ()

Thành phần y3 của tín hiệu được truyền y1 được xếp chồng lên tín hiệu trở về

y2 Tín hiệu không tinh khiết y3 có cùng pha và tần số như tín hiệu được truyền, nhưng biên độ nhỏ hơn nhiều

trong đó A3  A1 Tín hiệu trở về được xếp chồng trong kênh nhận sau đó trở thành:

= + = sin(t) + sin(t + ∆) ( 17 )

Vì hai sóng của tần số tương đương được xếp chồng, sóng kết quả có cùng tần số nhưng pha và biên độ khác nhau

Theo điều kiện A3  A2, công thức ( 18 ) có thể được viết như sau:

Công thức ( 19 ) theo dõi dễ dàng từ Hình 16 Trong hình này, biên độ của chức

năng định kỳ trong công thức ( 19 ) được biểu thị bởi A’ và sai số chu kỳ bởi 

Vì máy đo xa EDM dựa trên cơ sở đo sự khác pha, chỉ thời hạn cuối cùng

+ U = chiều dài đơn vị của máy đo xa EDM

+ A2 = biên độ của tín hiệu trở về

+ A3 = biên độ của phần tín hiệu tham khảo không tinh khiết

Số hạng thứ hai trong công thức ( 21 ) gọi là sai số chu kỳ lệnh đầu tiên vì đó chính là chức năng của phần chiều dài đơn vị và vì vậy lặp lại từng mét U Tuy nhiên sai số cũng là chức năng của cường độ tín hiệu trở về A2 giảm đi với việc tăng khoảng cách Phụ thuộc vào thiết kế của thiết bị đo khoảng cách và điểm xuất hiện xuyên âm, sai số chu kỳ hạn lệnh đầu tiên có thể hoặc không thể tăng cùng với khoảng cách Giả

sử chiều dài đơn vị U là 10m và biên độ tín hiệu không tinh khiết A3 = 0.003 A2 biên

độ của sai số chu kỳ sẽ là:

AA

U2π = 0.003

10 m

Ví dụ, sai số chu kỳ lệnh đầu tiên có thể là khoảng cách phụ thuộc nếu xuyên

âm xuất hiện giữa bộ suy giảm quang (bộ lọc mật độ trung tính đặc biệt) và bộ phản

xạ, nghĩa là trước khi tín hiệu trở về bị làm suy giảm tới mức độ thích hợp Trong trường hợp này, tín hiệu bất biến bổ sung vào tín hiệu trở về trở nên yếu hơn với khoảng cách tăng: Hiệu ứng của việc tăng nhiễu tín hiệu cùng với khoảng cách Nói cách khác, nếu việc nhiễu tín hiệu xuất hiện sau khi tín hiệu trở về đã được làm suy giảm tới mức độ thích hợp, sau đó tỉ lệ giữ hai tín hiệu cũng như sai số là bất biến [3]

+ Sai số Đo pha tương tự

Một số hệ thống đo pha tương tự có thể hiển thị sai số chu kỳ không hình sin đối với một chiều dài đơn vị U của thiết bị Thiết bị đo khoảng cách Hewlett-Packard (HP 3800B) thuộc loại này Kern Mekometer ME 3000 là một thiết bị có loại khác của hệ thống đo pha “tương tự” Hệ thống đo pha quang-cơ ME 3000 thỉnh thoảng được phát hiện để biểu thị sai số tuyến tính nhỏ trong chiều dài đơn vị 0,3m

Máy đo xa EDM nói chung sử dụng thiết bị phân tích chuyển pha để đo pha tương tự Những thiết bị này thường hiển thị sai số hình sin có bước sóng tương đương 1 1/2 chiều dài đơn vị của thiết bị đo khoảng cách, hoặc sai số chu kỳ hạn lệnh đầu tiên [3] Biên độ của tất cả sai số chu kỳ gây ra bởi hệ thống đo pha tương

tự là bất biến, và vì vậy độc lập khoảng cách [3]

2.5 Sai số không tuyến tính phụ thuộc vào khoảng cách

Tất cả các sai số hệ thống phụ thuộc vào khoảng cách có thể lặp lại và tái lặp lại được nhưng không rơi vào loại nào trong các loại sai số ở trên có thể gọi là sai số phụ thuộc vào khoảng cách không tuyến tính và bao gồm những sai số không theo chu kỳ cũng như những sai số có chu kỳ dài Những sai số này có thể được sinh ra bởi sự không đồng nhất pha ở cả đi-ốt phát và nhận

Nguyên khối pha được chất tải sẽ phụ thuộc vào khoảng cách ngay sau khi cường độ của kiểu pha không đồng nhất Kết quả là các sai số tạo ra sẽ phụ thuộc và hình dạng, kích cỡ và số bộ phản chiếu được sử dụng

Các nguồn sai số đóng góp khác có thể là: những thay đổi về việc đặt màng ngăn, những thay đổi từng bước trong việc cài đặt bộ suy giảm, những thay đổi của điểm hoạt động của đi-ốt quang thác lũ (ví dụ: sự biến đổi từng bước của hệ số nhân thác lũ) và các ảnh hưởng của cường độ trường khác

Hình 17 Các sai số hệ thống của máy đo khoảng cách hồng ngoại được xác

định giữa khoảng cách 3 m và 68 m đối với giao thoa kế laser

Chủ yếu là sai số chu kỳ 10 m (bậc nhất) và sai số không tuyến tính phụ thuộc

khoảng cách (thay đổi 7 mm trong 20 m đầu tiên) Giá trị tung độ thể hiện các

khoảng cách đo được trừ đi các khoảng cách thực Các đại lượng đo được vẽ bằng

các dấu chấm và được khớp bình phương tối thiểu với đa thức bậc 4 Lưu ý là

đường cong khớp có dấu cùng với dấu của sai số, còn việc hiệu chỉnh tương ứng (trong công thức ( 24 )) có dấu ngược lại

Các sai số phụ thuộc vào khoảng cách không tuyến tính thường được mô hình hóa như là một đa thức bậc n (trong hình ví dụ minh họa trên n = 4) và khi đó

có thể được gọi là các sai số không chu kỳ [3] Các đại lượng đo thể hiện rằng các sai số không chu kỳ xuất hiện đầu tiên ở khoảng cách gần, thường là ở 20 m Những sai số không chu kỳ 5 mm đến 20 mm được báo cáo trong một số trường hợp trong

phạm vi cự ly này Hình 17 là ví dụ sai số không chu kỳ trong biên độ gần kết hợp

với sai số chu kỳ chu kỳ quan trọng nhất Phương trình để hiệu chỉnh thiết bị (ký

hiệu là IC) của đường cong khớp bình phương tối thiểu trong Hình 17 có dạng:

IC = CONST − 167.8 (D/100) + 679.0(D/100)2 − 1239.9 (D/100)3 ( 24 )

+ 820.1 (D/100)4 − 2.5 SIN (2πD/10) − 1.6 COS(2πD/10)

Trong đó: IC = số hiệu chính thiết bị (mm)

D = khoảng cách (m) CONST = hằng số cộng (mm)

Trong một số ví dụ, các kiểu sai số có thể được mô hình hóa tốt hơn bằng các sai số được gọi là sai số chu kỳ dài Chiều dài bước sóng của các sai số chu kỳ dài đôi khi thống nhất với chiều dài bước sóng của đại lượng đo thô sử dụng bởi máy

đo khoảng cách (ví dụ: 1 km, 2 km) Trong các trường hợp khác, chiều dài bước sóng của những sai số chu kỳ dài như vậy có thể đo được bằng kỹ thuật phân tích tần số Các sai số chu kỳ dài biên độ 5 m và chiều dài bước sóng 1000 m đã được đưa ra cho một số thiết bị

2.6 Tóm lược và mô hình toán của các sai số

Từ những phân tích các sai số ở trên ta có một bản tóm lược ngắn gọn về các

sai số thuộc về thiết bị và không thuộc về thiết bị được đưa ra trong Bảng 2

Bảng 2 : Các sai số xảy ra trong các đại lượng đo khoảng cách với máy đo xa

EDM sử dụng các đi-ốt phát IR và đi-ốt quang

Các sai số thuộc về thiết bị

2 Sai số do nhiễu tín hiệu điện hoặc quang x x

4 Tính không đồng nhất pha trong đi-ốt phát IR

6 Đại lượng đo pha

- Chỉ hướng quang chỉ với một máy đo xa

EDM được lắp vào kính viễn vọng bị hiệu

chỉnh sai

11 Sự biến đổi của bộ phản xạ liên tục (cho một

Các sai số không thuộc về thiết bị

15 Sai số chỉnh tâm của bộ phản xạ và máy đo

Những loại sai số sau đây được phân biệt: Loại C: sai số ngẫu nhiên; Loại D: sai số hệ thống nhưng liên tục; Loại E: sai số hệ thống, định kỳ với khoảng cách; Loại F: sai số hệ thống, tuyến tính với khoảng cách; Loại G: sai số hệ thống, không tuyến tính, phụ thuộc vào khoảng cách; Loại H: phụ thuộc vào nhiệt độ; Loại I: phụ thuộc vào thời gian; Loại K: phụ thuộc vào điện áp

Qua Bảng 2 và các phân tích sai số ở trên ta rút ra được biểu thức của những

sai số như sau:

U + (C + C D)sin

4πD U +(B + B D)cos 6πD

U + (C + C D)sin

6πD U +(B + B D)cos 8πD

U + (C + C D)sin

8πD

Trong đó: IC = hiệu chỉnh thiết bị

A, B, C = hệ số không biết (được hiệu chỉnh)

D = khoảng cách

t = thời gian chạy từ khi công tắc được bật lên

T = nhiệt độ

U = chiều dài đơn vị của máy đo khoảng cách

Y = năm (chạy từ khi mua thiết bị)

Ba số hạng đầu tiên trong biểu thức ( 25 ) thể hiện ba thành phần của sai số điểm 0, đó là các hằng số, phụ thuộc nhiệt độ và nóng lên Hệ số A10 đến A15 làm cơ

sở hiệu chỉnh thang đo Hệ số A14 và A15 liên quan tới những ảnh hưởng ổn định hoá và nóng lên Đa thức bậc năm (hệ số A20 đến A50) thể hiện những sai số phụ thuộc vào khoảng cách không tuyến tính hoặc sự không tuyến tính của việc hiệu chỉnh thiết bị Bốn đường thẳng cuối cùng của biểu thức ( 25 ) tạo thành một chuỗi Fourier với chiều dài đơn vị U và làm cơ sở của các sai số chu kỳ Biên độ của các sai số chu kỳ phục vụ cho một sự thay đổi với khoảng cách (đó là hệ số B12) Chiều