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

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TÀO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
--------------------------------------

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
CHẾ TẠO MÁY

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
1.

TS. VŨ KHÁNH XUÂN

2.

TS. NGUYỄN VĂN VINH

Hà Nội - 2013


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

1


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

2


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

3


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CỤM TỪ VIẾT TẮT

Ký hiệu
EDM
VMI
BIPM
KRISS
m
D

v
t
mD
mv
mt

τx
Fx
ω
0
fđ
Hz
V
L
U
IC
s
δ
A
C0
B0
B
D
n

Ý nghĩa
Electro-Optical Distance Meter
Viện Đo lường Việt Nam
Viện Đo lường Quốc tế
Viện nghiên cứu khoa học và chuẩn Hàn Quốc

Đơn vị độ dài
Khoảng cách
Tốc độ
Thời gian
Sai số do khoảng cách
Sai số do tốc độ
Sai số do thời gian
Độ rỗng của xung
Độ dài (rộng) của xung
Tần số xung
Tần số góc
Pha ban đầu
Tần số
Bước sóng
Góc bằng
Góc đứng
Chiều dài đơn vị
Độ dài đơn vị của EDM
Góc pha
Instrument correction
Độ lệch chuẩn
Số hiệu chỉnh điểm 0
Khoảng cách ngắn nhất trên đường chuẩn
Khoảng cách lớn nhất của đường chuẩn
Ước tính của tham số thứ nhất
Giá trị cuối cùng của tham số thiết kế thứ nhất
Tham số thiết kế thứ hai
Số cột mốc của đường chuẩn

4

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 B0 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 B0 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

5


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 (y3)
đến tín hiệu nhận được (y2).................................................................... 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

6


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

7


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
8


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

9

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
10


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.

11


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].

12


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
13


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
dữ liệu [1].

1.2 Các phương pháp đo khoảng cách dùng trong máy đo xa EDM
1.2.1 Nguyên lý chung
Nguyên lý chung xác định khoảng cách dùng trong máy đo xa EDM là ứng
dụng vận tốc truyền không đổi – một tính chất của sóng điện từ. Thực chất đó là bài
toán chuyển động đều, nghĩa là mối tương quan giữa khoảng cách D với tốc độ v và
thời gian t:
D = vt
(1)
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:
vt
(2)
2
Như vậy, độ chính xác xác định D phụ thuộc vào độ chính xác xác định v
t=

−

vàD =

trong môi trường đo và độ chính xác đo thời gian t. Theo lý thuyết sai số, từ (2) ta
có :
=

+

(3)

Vì tốc độ truyền sóng điện tử rất lớn (  3.108 m / s ) nên để nhận được
khoảng cách D với độ chính xác theo yêu cầu mD thì trị số t là cực kỳ nhỏ và phải

14


xác định với

rất cao. Ví dụ, để đo D với yêu cầu m D < 3 cm (tương đương với D

= 30 km đạt

mD
-4
 1.10 6 ) thì theo công thức ( 3 ) có thể tính được t  2.10 s và mt
D

 2.10-10 s.
Để đạt được độ chính xác này cần có những phương pháp đo đặc biệt. Các
phương pháp này hoặc là đo trực tiếp thời gian (phương pháp xung) hoặc là đo một
đại lượng là tham số của sóng điện từ (phương pháp pha) [2].

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.

15


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=

(4)
2
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 ).
=

(5)

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,

16


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).

17


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

18

Giả sử bộ phận phát tín hiệu (1) bức xạ sóng điện từ điều hòa tần số ω = 2πfđ
với pha:
(6)
=
+
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:
)+
(7)
= ( −
Trong đó t2D 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.
=( − )=
=2 đ
(8)
Nếu biết tốc độ truyền sóng điện từ là v thì khoảng cách D theo công thức
( 4 ) sẽ là:
=

=
2
4 đ
Như vậy, nếu máy đo được độ lệch pha

(9)
trên tần số

đ

(với v đã biết) thì

xác định được khoảng cách D.
Vì đại lượng

có thể là góc lớn hơn 2 , nên nó được biểu thị dưới dạng

tổng quát:
=2
+
Trong đó: N là số nguyên dương (0,1,2,3…..) còn 0 <  < 2

( 10 )

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:
=

2

+
đ

2

( 11 )

Hoặc dưới dạng:

=

λ
2

+

2

( 12 )

Hay:
λ
( 13 )
( +∆ )
2
là độ dài bước sóng, còn 0 < ΔN < 1 là một số thập phân.
=

Trong đó: λ =
đ

19


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

20


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".
21


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).

22


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

Đặc trưng kỹ thuật:
+ Đo góc:


Phạm vi đo: ( Hz × V ) : ( 0  360 0 )



Giá trị độ chia nhỏ nhất: 0.1"



Độ chính xác (Standard deviation, ISO
17123-3): ± 0.5"

+ Đo khoảng cách:

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



Phạm vi đo: ( 1.5  2500 ) m



Giá trị độ chia nhỏ nhất: 0.01 mm



Độ chính xác (Standard deviation, ISO
17123-4): ± (1 mm + 1 ppm D); [D]: mm

23


Đặc trưng kỹ thuật:
+ Đo góc:


Phạm vi đo: ( Hz × V ) : ( 0  360 0 )



Giá trị độ chia nhỏ nhất: 0.5"



Độ chính xác (Standard deviation, ISO
17123-3): ± 1"

+ Đo khoảng cách:

Hình 11. Máy toàn đạc điện tử



Phạm vi đo: ( 1.3  5000 ) m



Giá trị độ chia nhỏ nhất: 1 mm



Độ chính xác (Standard deviation, ISO

Sokkia CX-101

17123-4): ± (2 mm + 2 ppm D); [D]: mm

Đặc trưng kỹ thuật:
+ Đo góc:


Phạm vi đo: ( Hz × V ) : ( 0  3600 )



Giá trị độ chia nhỏ nhất: 1"



Độ chính xác (Standard deviation, ISO
17123-3): ± 1"

+ Đo khoảng cách:

Hình 12. Máy toàn đạc điện tử

Topcon GTS-250 Series



Phạm vi đo: ( 1.3  2700 ) m



Giá trị độ chia nhỏ nhất: 1 mm



Độ chính xác (Standard deviation, ISO
17123-4): ± (2 mm + 2 ppm D); [D]: mm

24