II. Các loại bộ điều biến trong các máy đo xa điện quang
b. Đối với các máy đo dài điện quang hiện đại: Ngời ta dùng đèn nhân quang điện bán dẫn Nguyên tắc hoạt động của nó ngợc với quang đi ôt.
điện bán dẫn. Nguyên tắc hoạt động của nó ngợc với quang đi ôt.
Nếu ta chiếu ánh sáng vào vùng chuyển tiếp p-n trong mạch sẽ xuất hiện dòng điện tỷ lệ với cờng độ ánh sáng ở lối vào
u điểm: Gọn nhẹ, sử dụng ít năng lợng, quán tính nhỏ nên đợc sử dụng rất rộng rãi.
⇓2.5 bộ phận thu nhận ánh sáng phản xạ
Tín hiệu phát sau khi đã điều biến đợc phát về phía gơng phản xạ, sau khi đi qua khoảng cách 2D trở về đợc tiếp nhận ở bộ phận thu ánh sáng phản xạ
1.Thu nhận ánh sáng bằng ống nhân quang điện
Nguyên lý làm việc của ống nhân quang điện là dựa trên hiện tợng phát xạ quang điện tử. Cấu tạo của ống nhân quang điện nh (hình ): bao gồm một Anot kim loại, một katot sơ cấp đợc tráng bạc và một số katot thứ cấp cũng đợc tráng bạc và oxitsezi (CS2O). Giữa các cực phát đợc phân bố các điện áp gia tốc sao cho đủ lớn để tăng vận tốc bắn phá các điện tử.
Hoạt động của ống nhân quang điện: khi có dòng
ánh sáng thích hợp chiếu vào katot sơ cấp của ống nhân quang điện sẽ làm phát xạ ra các quang điện tử. Vì có điện áp gia tốc
nên một quang điện tử sẽ chuyển động với vận tốc lớn đến bắn phá cực phát toạ nên nhiều quang điện tử . Quá trình cứ thế diễn ra ở các cực phát tiếp theo và số lợng quang điện tử tăng gần nh cấp số nhân (≈109 lần). Kết quả sau anot ta thu đợc dòng quang điện đã đợc khuyếch đại nhiều lần.
Tính phi tuyến và hệ số khuyếch đại của ống nhân quang điện cho phép thực hiện một số phép biến đổi tín hiệu trong các máy đo dài điện quang
Làm nhiệm vụ của bộ giải điều pha
Để thực hiện các phép biến đổi này ngời ta chỉ cần sử dụng một trong các tầng của ống nhân quang điện (thờng điều khiển ở tầng thứ nhất vì tại thời điểm đó dòng quang điện còn yếu)
Mối tơng quan giữa độ nhạy tích phân của ống nhân quang điện và điện áp giữa katot và điện cực phụ thứ nhất đợc xác định theo công thức.
γ = a0 + a1u + a2u2 (2.24) Trong đó :
a0,a1,a2 là các hệ số
u : là điện áp giữa katot và điện cực phụ thứ nhất
u = u0 + um sin (ωφt + ϕ1) (2.25) Nếu gọi quang thông của ánh sáng chiếu vào katot là φ ta có φ = φ0 + φm sin (ωt + ϕφ) (2.26)
thì dòng quang điện xuất hiện ở lối ra của mạch anot là i = γφ (2.27)
Thay các giá trị từ biểu thức (2.24), (2.25),(2.26) vào biểu thức (2.27) biến đổi và lọc giữ lại các thành phần cần thiết, khi đo ta có:
i = 0.5(a1um φm + 2a2u0umφm) cos [(ωφ -ω )t +(ϕφ -ϕ)] (2.28)
Công thức (2.28) cho thấy: ống nhân quang điện làm nhiệm vụ của bộ phân tạo phách (hạ thấp tần số).
Khi điện áp dẫn đến điện cực phụ thứ nhất có tần số bằng tần số của quang thông ánh sáng tức là
ωφ = ω (2.29)
lúc đó tín hiệu ở lối ra của ống nhân quang điện phụ thuộc vào đại lợng (ϕφ -ϕ)
khi đó ống nhân quang điện sẽ làm nhiệm vụ của bộ giải điều.
2.Thu nhận ánh sáng bằng điot quang điện
Hiện nay có nhiều nguồn tạo sóng tải của máy đo xa điện quang sử dụng laser nên để thu nhânj ánh sáng phải dùng điot quang điện.
Nguyên lý hoạt động của điot quang điện nh sau: khi chiếu ánh sáng vào vùng tiếp giáp (p-n) do sự hút các photon sẽ sinh ra các cặp điện tử và lỗ trống, dới tác dụng của điện trờng E chúng sẽ tạo thành dòng điện có thể ghi nhận bằng miliAmpe kế.
Hình 2.11
So với ống nhân quang điện, quang điot có u điểm là kích thớc rất bé, nguồn nuôi ít (15-30v), tần số làm việc rất cao, nhng có nhợc điểm tín hiệu ra yếu, cần phải khuyếch đại. Tuy nhiên điot quang điện đợc dùng chủ yếu trong các máy đo xa điện quang có tầm hoạt động ngắn.
⇓2.5. Hệ thống quang học thu-phát tín hiệu
Đợc lắp ráp từ các linh kiện quang học khác nhau giống nh các máy kinh vĩ thông thờng tức là các thấu kính lồi, lõm và lăng kính. Có các phơng án sau:
Lắp ráp hệ thống quang học phát và thu tách biệt nhau Ví dụ: máy TC.600 của hãng Leica
Hình 2.12
Lắp ráp hệ thống quang học phát và thu đồng trục (sử dụng hệ thống ống kính đồng trục)
Hình 2.13
Tích hợp hệ thống quang học phát và thu và máy kinh vĩ vào cùng một hệ thống (đo số các máy hiện nay dùng phơng án này)
Ví dụ: TCR.303 phát và thu hồng ngoại phát và thu laser
ống kính máy kinh vĩ.
Đối với các máy sử dụng tụ Kerr (Pokerxơ) thì mặt cắt phía sau của tụ điện Kerr (Pokeixơ) sẽ đợc đặt ở tiêu điểm của hệ thống quang học phát. Còn ở tiêu điểm của hệ thống quang học thu ngời ta đặt hệ thống quang điện. Đối với các máy có nguồn sáng là đèn LED thì đèn LED đợc đặt đúng ở tiêu điểm của hệ thống quang học phát, ở điêu điểm của hệ thống quang học thu ngời ta đặt hệ thống Fotodiode. Cả đèn LED và Fotodiode là những thiết bị nhỏ và rất đắt tiền nên đối với hệ thống quang học có đèn LED không đợc ngóc ống kính nhìn lên mặt trời để tránh làm hỏng.
Để phát và thu dòng ánh sáng điều biến đạt hiệu quả cao nhất, hệ thống các lăng thấu kính phải đảm bảo tạo đợc chùm tia song song và không hấp thụ ánh sáng.
ống kính phát
ống kính phát tín hiệu
⇓.6 Gơng phản xạ
Để phản xạ ánh sáng quay trở lại bộ phận thu của máy, gơng phản xạ phải có hệ số phản xạ lớn (tiết kiệm năng lợng của tín hiệu và tăng tẩm hoạt động) và không đòi hỏi pahri định hớng với độ chính xác cao (vì khi đo khoảng cách lớn khó định hớng gơng.