ĐỀ CƯƠNG ĐO ĐẠC ĐIỆN TỬ 2017

ĐO ĐẠC ĐIỆN TỬ 2017
câu1. nguyên lý cấu tạo của máy thủy chuẩn điện tử ?so sánh máy thủy chuẩn điện
tử vớí máy thủy chuẩn quang hoc.
a. 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, hệ thống lăng kính phân chia ánh sáng, kính
mắt...
Phần 3: Bộ phận xử lý tín hiệu điện của máy thuỷ chuẩn kỹ thuật số. Trong đó,
quan trọng là bộ cảm biến CCD (Charge Couple Device) biến tín hiệu ánh sáng thành tín
hiệu điện.
1* so sánh máy thủy chuẩn điện tử vớí máy thủy chuẩn quang hoc.
+ Giống nhau:
-

Máy thủy chuẩn chủ yếu để xác định độ chênh giữa các điểm.
Máy được sử dụng trong lĩnh vực trắc địa, khảo sát, xây dựng.
Máy được phân theo độ chính xác và loại máy.
Hai máy thủy chuẩn này đều có thể sử dụng mia mã vạch Invar đối với máy có độ
chính xác cao.
Cấu tạo gồm 3 bộ phận chính.

+ Khác nhau:
Nội dung
Cấu tạo máy
thủy chuẩn

Máy thủy chuẩn điện tử

- Mia mã vạch Sokkia RAB
( Random Bi-directional Code)
Mã định hướng ngẫu nhiên hai
chiều.
- Hệ thống ống kính: Giống như
ống kính của máy thuỷ chuẩn
thông thường. Gồm có kính vật,
kính điều quang, hệ thống lăng
kính phân chia ánh sáng, kính
mắt..
-Bộ phận xử lý tín hiệu điện của
máy thuỷ chuẩn kỹ thuật số.

Máy thủy chuẩn quang học

Gồm 3 bộ phận chính bao gồm:
- Ống kính gồm có: vật kính, thị
kính, ống điều quang, kính điều
quang
- Ống thủy gồm có: ống thủy tròn
dùng để cân máy sơ bộ, ống thủy
dài dùng để cân máy chính xác.


Nguyên lý
hoạt động

Độ chính xác
Sử dụng mia

Trong đó, quan trọng là bộ cảm
biến CCD (Charge Couple
Device) biến tín hiệu ánh sáng
thành tín hiệu điện.

- Đế máy gồm có: các ốc cân, ốc
hãm, ốc vi đông và ốc điều chỉnh

Máy thủy chuẩn tự động có khả
năng tự cân bằng trục ngăm.
Hoạt động được khi đảm bảo đủ
điều kiện là: bộ mã vạch trên mia.
Hình ảnh đọc được sẽ chuyển hóa
thành dữ liệu dạng số nhờ bộ cảm
biến hình ảnh. Thông tin dạng số
được xử lí hiển thị hoặc lưu trữ
trong máy tính thông qua bộ xử lí
trung tâm CPU.
Đạt được đcx cao
Mia mã vạch thường

Phải dùng tay để cân bằng trục
ngắm.
Dùng mắt thường thực hiện việc
ngắm và đo đạc, sau đó đọc các
số liệu đo được trên mia của thiết
bị.
Ghi chép vào sổ và tính toán dựa
vào các số liệu đã thu thập được.
Thấp

Mia thường (gỗ, nhôm)

câu2. nguyên lý cấu tạo của máy toàn đạc điện tử ?so sánh máy toàn đạc điện tử với
kinh vĩ quang học .

a. Nguyên lý cấu tạo máy TĐĐT

Hình thức máy TĐ ĐT cũng giống như máy kinh vĩ quang học thông
thường, 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 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 đo khoảng
cách nghiêng D từ tâm máy đến tâm gương phản xạ ( hoặc đến điểm ngắm trên bề
mặt phản xạ)
- Khối kinh vĩ số ( DT) đo hướng hoặc đo góc bằng, góc đứng ( góc thiên
đỉnh)
- khối vi xử lý trung tâm 3: cài đặt các phần mềm tiện ích để giải các bài
toán trắc địa. Dựa vào dữ liệu đo của khối EDM và DT cùng với các 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 vào kết 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 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 .
2* so sánh máy toàn đạc điện tử với kinh vĩ quang học .
* Giống nhau:
- Được dùng trong xây dựng và đo đạc, để đo chiều dài, đo góc bằng, đo góc đứng và độ

chênh lệch theo phương pháp đo cao lượng giác.
- Đo vẽ bản đồ địa hình, địa chính, bố trí điểm..
- Cấu tạo đều có: tay cầm, núm điều quang, ống ngắm, các ốc vi động, đế máy...
* Khác nhau
Nội dung
Cấu tạo

Máy kinh vĩ quang cơ
-Các bộ phận của máy kinh vĩ có
cấu tạo chung gồm phần trục
chính, trục phụ, trục ngắm và bộ
phận đọc số.
-Với bộ phận ngắm hay còn gọi là
ống kính ngắm gồm kính vật, kính
mắt, ốc điều chỉnh. . Còn phần
đọc số thì gồm có kính hiển vi đọc
số. Sau cùng là bộ phận cân bằng
kiểu ống bọt nước (tròn, dài).
Ngoài ra không thể bỏ qua các ốc
hãm và ốc vi động.

Máy toàn đạc điện tử
Máy toàn đạc điện tử tích hợp
giữa máy kinh vĩ điện tử và máy
đo dài.
Máy toàn đạc điện tử được cấu
tạo từ 11 bộ phận có liên hệ chặt
chẽ và ảnh hưởng trực tiếp đến
khả năng hoạt động của máy.
Giống với bộ phận của máy

quang cơ nhưng máy toàn đạc
điện tự còn có thêm bộ phận: Màn
hiển thị và bàn phím, Núm bấm
tháo pin.


Nguyên lý
hoạt động

Sai số
Chức năng

Theo phương pháp đo cao lượng
giác là dựa vào mối tương quan
hàm lượng giác trong tam giác tạo
bởi tia ngắm nghiêng, khoảng
cách giữa 2 điểm cấn xác định

Hoạt động dựa trên nguyên lý đo xa

được thực hiện bằng phương
thức: một đầu sẽ đặt bộ phận thu
phát đó chính là điểm đặt máy
toàn đạc điện tử còn một đầu là
hệ thống phản hồi tín hiệu đó
chính là gương. Bộ phận phát tín
hiệu sẽ phát tín hiệu về phía hệ
thống phản hồi, hệ thống phản hồi
sẽ phản hồi lại hệ thống thu của
máy

Lớn
Nhỏ
- Ngoài công tác đo góc cạnh ,
- Đo góc: Máy kinh vĩ quang khoảng cách thì máy toàn đạc
học có thể đo góc đứng và góc điện tử có thể sử dụng khảo sát
bằng.
thi công, thi công trình xây dựng,
giao thông vận tải.
- Đo đạc nhanh chóng.
- Đo khoảng cách: Máy sẽ kết hợp
với mia đo khoảng cách và trên
cao.

câu 3. nguyên lý chung đo khoảng cách 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 t:
D =v.

τ

τ

Trong thực tế để xác định khoảng thời gian , 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:
(2.1)


Như vậy, độ chính xác xác định D phụ thuộc vào độ chính xác xác định v

(hay n) trong môi trường đo và độ chính xác đo thời gian. Theo lý thuyết
sai số

(2.2)
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
với m

τ

τ

là cực kỳ nhỏ và phải xác định

rất cao
Bản chất vật lý của các phương pháp đo khoảng cách là so sánh để xác định
độ chênh lệch 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. 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 được tạo 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.
Như trên đã nói, việc chọn một tham số nào đó để tiến hành so sánh tín hiệu
gốc và tín hiệu phản hồi sẽ xác định một phương pháp đo khoảng cách. Có ba
phương pháp chủ yếu là: phương pháp thời gian (phương pháp xung), phương pháp

tần số và phương pháp pha.
câu 4. nội dung của phuong pháp xung đo khoảng cách

Bản chất của phương pháp xung là quan hệ giữa khoảng cách D với số lượng xung
phát đi m trong khoảng thời gian giữa hai thời điểm phát (tp) và thu (tt).
Giả sử số lượng xung đếm được là m. Chu kỳ xung T X tỷ lệ nghich với tần
số f nên thời gian lan truyền xung trên khoảng cách 2D là:


τ 2 D = m.TX =

m
f

(2.3)

Thay vào (2.1) ta có:
D=

v
.m
2f

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 cần xác định.
D=

v
v 2
m = . .m = m

2f
2 v

(2.4)
Do sự phát triển của kỹ thuật điện tử nên khối EDM loại xung có hai dạng.
Trước đây sử dụng xung điều biến và dùng đồng hồ thạch anh, đồng hồ nguyên tử,

τ

hoặc ống tia điện tử để đo khoang thời gian . Sau khi kỹ thuật điện tử tạo xung
σ =

τX

TX
τX

laser có độ dài
hẹp, chu kỳ TX lớn và độ rỗng
lớn, đồng thời dùng khóa
điện tử và bộ đếm xung thì khoảng cách D được xác định theo công thức (2.4). Tuy
nhiên, sử dụng phương pháp này thì tầm hoạt động của máy đo xa điện tử bị hạn
chế ( khoảng 4 - 5 km)
E

t

TX

τX

t

Hiện nay khối EDM của nhiều máy TĐ ĐT hoạt động theo phương pháp
xung.
*Sơ đồ nguyên lý chung của máy đo xa loại xung


Sóng điện từ (sóng mang) từ nguồn bức xạ (1) đi vào bộ điều biến (2). Dưới
tác dụng của xung điều biến được biến thành các xung điều biên hoặc điều tần.
Trong đó các xung làm điều biến được lấy từ bộ tạo xung (3). (3) là kết quả của
quá trình chuyển hóa từ các dao động hình sin có tần số ổn định cao tạo ra bộ phát
sóng cao tần thạch anh (4)
Xung (2) qua bộ phát tín hiệu (5) truyền đến bộ phản xạ (6) rồi quay về (7)
vẫn là xung điện từ điều biên tương ứng.
Trong quá trình đó bộ đo thời gian (8) đếm thời gian từ lúc phát xung làm
điều biến và thu tín hiệu đếm khoảng thời gian.
câu 5. câu tạo máy thu gps

* Cấu trúc
Để định vị GPS phải có máy thu GPS, có nhiều loại máy thu GPS, mỗi loại
được thiết kế theo yêu cầu định vị đặc thù như định vị dẫn đường, đo đạc… Mặc
dù chúng khác nhau song các máy thu có nguyên tắc chung trong cấu tạo.
Sơ đồ cấu tạo của máy thu GPS được thể hiện theo hình sau:
An ten

Thiết bị điều khiển

Bộ tần số radio (RF)
Bộ vi xử lý

Bộ nguồn

Thiết bị ghi


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 quan trọng trong thiế kế anten
là bảo đảm chính xác tâm anten. Tâm điện tử của anten phải khép kín và trùng với
tâm hình học đồng thời không bị tác động của hiện tượng quay và nghiêng. Yêu
cầu này cần thiết cho trường 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 có góc
cao thấp và tín hiệu đa đường dẫn. Điều này có thể thực hiện được nhờ anten có
dạng hình nón xoáy tròn. Hiện nay phổ biến nhất là loại anten nhỏ để trần.
Tín hiệu từ anten sau đó được truyền tới bộ tần số radio (RF _Bộ tần số RF
được giới thiệu sau). Những giá trị tín hiệu ghi lại bị hạn chế khi xử lý code tựa
ngẫu nhiên đối với mỗi vệ tinh do các tương quan chéo rất thấp, các tín hiệu này
cần được khuếch đại. Anten được thiết kế đối với sóng tải L1 hoặc cả hai sóng tải
L1, L2.
b. Bộ tần số radio (RF) được coi là trái tim của máy thu GPS. Sau khi tín hiệu thu
vào anten sẽ được xem xét phân biệt để giữa lại C/A code. Các tín hiệu chuẩn đã
được sắp xếp trước thành các đơn vị đối với mỗi vệ tinh. 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 hiệu L1 và L2. Các số liệu
nhận được bởi máy thu 2 tần sẽ được phối hợp để tính toán và loại bỏ khúc 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 đồng thời.
Kết quả là trong tín hiệu y chứa cả các tần số thấp và tần số cao. Sau khi sử
dụng lọc dải thấp, phần tần số cao được loại bỏ. Phần tần số thấp còn lại được sử

dụng để xử lý. Hiệu số giữa (f1 - f2) giữa các tần số thường được gọi là tần số trung
gian hay tần số phách.
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.
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 năng như vào số hiệu điểm đo, độ cao
anten… Ngoài các phím "cứng" máy thu còn có các 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 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 máy thu sẽ quyết định thời gian thu 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 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 6 đến 20 vôn.

câu 6. nội dung thiêt bị phát quang học lượng tử laser ngoại khí hene ở máy đo xa.

1. Laser khí He-Ne
a. Cấu tạo
Mặc dù những năm gần đây đã xuất hiện một số dạng laser khí CO2,
Ar…nhƣng trong các máy đo xa điện quang vẫn sử dụng thông dụng laser hỗn
hợpkhí trơ He (Heli)và Ne (Neon). Cấu tạo của nó (hình 2.1) gồm một ống nhỏ bằng

thạch anh hoặc kim loại (1) ở giữa hẹp với đường kính gần 3mm hai đầu hơi phình,
dài khoảng 25cm, chứa He và Ne theo tỷ lệ khoảng 1:10 đạt áp suất 1mmHg. Hai
đầu ống được gắn hai tấm kính (2), chúng được đặt nghiêng so với ống (1) một góc
Briuter (3) nhằm tạo ra điều kiện phân cực toàn phần cho tia laser (góc
nghiêng Briuter: i = arctg(n1/n2), trong đó: n1,n2 là hệ số chiết xuất của hai môi
trường, ánh sáng phản xạ dưới góc i trở thành ánh sáng phân cực thẳng).
5 2

7

1

8

2


3

4

6

Hình 2.1 - Nguồn laser He-Ne

Hốc cộng hưởng quang học của laser là gương phẳng (4) và gương cầu (5)
có hệ số phản xạ  100% (phản xạ toàn phần) đặt vuông góc với trục của ống (1).
Hệ số thoát sáng của gương phẳng  0.5% và gương cầu  0.05%. Nguồn
nuôi của laser là nguồn điện áp một chiều (6) đặt vào hai điện cực anot (7) và
katot (8) (khi kích thích bằng nguồn cao tần thì các điện cực bố trí bên ngoài ống

laser) để phóng điện qua hỗn hợp He và Ne.
b. Nguyên lý hoạt động
Dựa vào thuyết miền năng lượng của cơ học lượng tử, có thể giải thích nguyên lý
tạo thành chùm tia laser He – Ne sơ lược như sau (hình 2.2).

Khi nguồn nuôi (6) phóng điện vào ống (1) sẽ kích thích làm các nguyên tử
khí He nhảy từ mức E1lên 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
ứng với mức năng lượng cao nhất E4. 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 đây xẩy ra hiện tượng bức xạ tự kích làm cho chúng liên tục nhảy xuống
mức năng 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 dòng foton ánh sáng lượng tử) với
vận tốc:
E  E3
v= 2
h
Hay 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 tạo thành 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 lần trong ống (1). Vì thế, sự va chạm giữa các
thành phần trong (1) tăng lên dần và các dòng foton tự khuếch đại mỗi lúc một lớn.
Và, cho đến một 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 là chùm tia laser.
c. Ưu nhược điểm
Mặc dù ống (1) có kích thƣớc ngắn và công suất tiêu thụ bé nên tia laser He
– Ne có công suất bức xạ không lớn như sóng radio cực ngắn (2-5mw) hạn chế tầm

truyền xa, đồng thời có hệ số hiệu suất thấp ( 0.05%) nhưng vẫn được sử dụng rất
phổ biến, vì nó có một loạt ưu điểm sau:
Là chùm tia màu đỏ (>30 tia) rất dễ quan sát khi đo ngắm;
Là chùm sóng kết hợp đơn sắc có tần số f ổn định cao (≈0.6328
km);
Là chùm tia phân cực thẳng, với góc loe rất nhỏ (2-10‟) không bị tán
xạ, nhiễu xạ… truyền dọc theo đường đo;
Có mật độ năng lượng tương đối lớn (gấp 107 lần tia mặt trời), ít bị khí
quyển hấp thụ, truyền xa (≈ 50km) và cho phép đo ngắm trong điều kiện ban ngày;
Thích hợp với bộ lọc ánh sáng dải hẹp và bộ thu nhận tín hiệu là ống nhân
quang điện;
Cấu tạo gọn nhẹ và có tuổi thọ cao v.v…