Nghiên cứu khả năng ứng dụng thiết bị đo đạc điện tử phục vụ xây dựng các công trình đặc trưng trên vùng mỏ quảng ninh

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ ĐỊA CHẤT

ĐOÀN SỸ QUỐC

NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG THIẾT BỊ ĐO ĐẠC
ĐIỆN TỬ PHỤC VỤ XÂY DỰNG CÁC CƠNG TRÌNH
ĐẶC TRƯNG TRÊN VÙNG MỎ QUẢNG NINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI - 2013


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ ĐỊA CHẤT

ĐOÀN SỸ QUỐC

NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG THIẾT BỊ ĐO ĐẠC
ĐIỆN TỬ PHỤC VỤ XÂY DỰNG CÁC CƠNG TRÌNH
ĐẶC TRƯNG TRÊN VÙNG MỎ QUẢNG NINH

Chuyên nghành: Kỹ thuật Trắc địa
Mã số : 60.52.85

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

GS.TS VÕ CHÍ MỸ

HÀ NỘI - 2013


LỜI CAM ĐOAN

Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu riêng của tôi. Các số liệu, kết
quả nghiên cứu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai cơng bố trong bất
kỳ cơng trình nào khác.
Hà Nội, ngày

tháng

năm 2013

Tác giả luận văn

Đoàn Sỹ Quốc


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN .............................................................................................. 101
MỞ ĐẦU................................................................................................................7
CHƯƠNG 1 .........................................................................................................10
NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG ..............................................................................10
VÀ CẤU TẠO CÁC THIẾT BỊ ĐO ĐẠC ĐIỆN TỬ.........................................10
1.1. Sơ đồ tổng quát và các chức năng của máy toàn đạc điện tử........................10
1.2. Máy đo khoảng cách điện tử (Eletronic Distance Meter- EDM)...................11
1.2.1. Nguyên lý đo khoảng cách bằng máy đo dài điện tử.....................................11
1.2.2 Nguyên tắc hoạt động của máy đo dài điện tử theo phương pháp xung:........14

1.3. Máy kinh vĩ kỹ thuật số (Digital Theodolite – DT) ........................................16
1.3.1 Cấu tạo của máy kinh vĩ điện tử...................................................................16
1.3.2 Bàn độ điện tử mã hóa ..................................................................................17
1.4. Tính năng kỹ thuật chủ yếu của một số máy toàn đạc điện tử thông dụng của
Việt Nam...............................................................................................................18
1.4.1.Các thông số kỹ thuật cơ bản của máy toàn đạc điện tử FLEXLINE TS-06
ULTRA ..................................................................................................................18
1.4.2. Các đặc trưng của máy toàn đạc điện tử FLEXLINE TS06 ULTRA..............22
1.4.3. Các bộ phận quan trọng của máy FLEXLINE TS06 ULTRA ........................23
1.4.4. Các phím chức năng của máy FLEXLINE TS06 ULTRA ..............................24
1.4.4.1. Cấu trúc bàn phí .....................................................................................24
1.4.4.2. Cấu trúc màn hình...................................................................................24
1.4.4.3. Các phím chức năng của máy..................................................................25
1.4.4.4. Phím chức năng [FNC] ...........................................................................28
1.4.5. Một số tính năng nổi bật của dòng máy Flexline..........................................33
1.4.5.1 Chức năng định tâm bằng laser và cân bằng bọt thuỷ điện tử .................33
1.4.5.2 Chức năng của hệ thống dẫn hướng bằng ánh sáng ...............................34
1.4.6. Bảng chọn chính (Main menu) .....................................................................37


1.4.7. Cây thư mục của máy toàn đạc điện tử FLEXLINE TS06 ULTRA (Menu
Tree)......................................................................................................................38
1.5 Quá trình cài đặt cho máy (SETTING) .........................................................38
1.5.1. Cài đặt chung ..............................................................................................39
1.5.2. Cài đặt thông số liên quan đến đo khoảng cách (EDM) ...............................41
1.6. Các chương trình ứng dụng của máy tồn đạc điện tử FLEXLINE TS06
ULTRA .................................................................................................................42
1.6.1 Surveying (Khảo sát, đo địa hình).................................................................43
16.2. Stake Out (Chuyển điểm thiết kế ra thực địa)................................................52
1.6.3. Free Station (Chương trình đo giao hội nghịch) ..........................................53

1.6.4 Reference Element – Reference line (Định vị cơng trình theo đường thẳng
tham chiếu)............................................................................................................57
1.6.4.1. Định nghĩa đường tham chiếu (Đường chuẩn)......................................58
1.6.4.2. Định vị cơng trình theo đường tham chiếu..............................................59
1.6.5. Tie Distance (Đo khoảng cách gián tiếp) .....................................................65
1.6.6. Area & Volume (Tính diện tích và khối luợng) ............................................67
1.6.7. Remote Hieght (Đo cao từ xa ).....................................................................70
1.6.8. Construction (Chương trình ứng dụng trong xây dựng) ...............................72
1.6.8.1. Tạo mới trục cơng trình ...........................................................................72
1.6.8.2. Sử dụng trục đã tạo trước........................................................................74
1.6.9. Reference Element- Reference Arc (Định vị cơng trình theo cung tham chiếu).
..............................................................................................................................74
1.6.9.1. Định nghĩa cung tham chiếu ...................................................................74
1.6.9.2. Ứng dụng Line & Offset ..........................................................................75
1.6.9.3. Stake Out (Chuyển điểm thiết kế ra thực địa)..........................................76
1.6.10. CoGo (Các chương trình tiện ích)..............................................................77
1.6.10.1. Inverse (bài toán nghịch) và Traverse (bài toán thuận) ........................77
1.6.10.2. Intersections (Giao điểm).......................................................................78
1.6.10.3. Offset......................................................................................................80


1.6.10.4. Extension (Sự mở rộng).........................................................................81
1.6.11. Road 2D (Đường 2D) ................................................................................81
1.6.12. Reference Plane (Mặt phẳng tham chiếu) ..................................................83
1.7. Các nguồn sai số do máy gây ra ....................................................................84
1.7.1. Sai số do các trục máy gây ra ......................................................................84
1.7.2. Sai số đo dài bằng EDM ..............................................................................86
2.1. Khái niệm.......................................................................................................87
2.2. Xác định các yếu tố công trình từ thiết kế .....................................................87
2.3. Bố trí các yếu tố cơng trình từ thiết kế ra thực địa. .......................................90

2.3.1. Bố trí chiều dài bằng ...................................................................................90
2.3.2. Bố trí góc bằng ............................................................................................91
2.3.3. Bố trí điểm đã biết tọa độ.............................................................................92
2.3.4. Bố trí điểm đã biết độ cao............................................................................95
2.3.5. Bố trí trục thẳng và trục nghiêng ra thực địa ...............................................95
2.4. Qui hoạch mặt bằng công nghiệp..................................................................97
2.5. Cơng tác bố trí chi tiết cơng trình .................................................................99
CHƯƠNG 3 .......................................................................................................102
NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG THIẾT BỊ ĐO ĐẠC ĐIỆN TỬ PHỤC VỤ ......102
THI CƠNG CÁC CỒNG TRÌNH XÂY DỰNG TRÊN VÙNG MỎ ...............102
3.1. Bố trí cơng trình đường giao thông .............................................................103
3.1.1 Nhu cầu phát triển mạng lưới đường giao thơng trên vùng mỏ ...................103
3.2. Phục vụ bố trí cơng trình cao tầng .............................................................. 113
3.2.1. Trắc địa phục vụ thi cơng các cơng trình nhà cao tầng ...............................113
3.2.1.1. Các điểm đặc trưng và các cơng việc chính của cơng tác trắc địa trong
xây dựng nhà cao tầng trên vùng mỏ................................................................113
3.2.1.2 Các thiết bị đo đạc điện tử và khả năng ứng dụng trong công tác trắc
địa phục vụ thi công xây dựng nhà cao tầng trên vùng mỏ. ............................116
3.2.1.3. Các cơng tác trắc địa phục vụ thi cơng cơng trình nhà cao tầng ........121


3.2.2 Cơng tác bố trí chi tiết và đo kiểm tra trong thi công xây dựng các tầng nhà
............................................................................................................................137
3.3 Trắc địa phục vụ xây dựng tháp giếng .........................................................140
3.3.1 Các yếu tổ hình học của tháp giếng...........................................................140
3.3.2 Ứng dụng máy tồn đạc điện tử phục vụ dựng tháp ....................................144
3.3.3 Kiểm tra lắp ráp ròng rọc ...........................................................................147
3.4 Đo dịch chuyển biến dạng cơng trình trên vùng mỏ ...................................149
3.4.1 Mục đích, ý nghĩa đo biến dạng cơng trình trên vùng mỏ............................149
3.4.2 Xác định dịch chuyển ngang cơng trình bằng máy tồn đạc điện tử ............150

3.4.3 Đo độ nghiêng nhà cao tầng .......................................................................156
KẾT LUẬN........................................................................................................160
TÀI LIỆU THAM KHẢO.................................................................................162


1

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
Hình 1.1. Sơ đồ tổng qt của máy tồn đạc điện tử
Hình 1.2. Sơ đồ lan truyền tín đi và về
Hình 1.3. Sơ đồ khối chức năng của các bộ phận của máy tồn đạc điện tử
Hình 1.4. Hình dạng và cấu tạo bên ngồi máy UltraFlexline TS-06
Hình 1.5. Sơ đồ bàn độ mã hóa
Hình 1.6: Các bộ phận quan trọng của máy FLEXLINE TS06 ULTRA
Hình 1.7. Cấu trúc bàn phím
Hình 1.8. Cấu trúc màn hình
Hình 1.9. Vị trí đứng máy và gương
Hình 1.11. Nhập các số liệu để đo offset
Hình1.12. Truyền độ cao
Hình 1.13. Cách đo điểm ẩn
Hình 1.14. Màn hình 2 của [FNC]
Hình 1.15. Chức năng đo điểm ẩn
Hình 1.16: Kết quả đo điểm ẩn
Hình 1.17. Cách đặt máy đo kiểm tra gián tiếp
Hình 1.18 Trạng thái máy đã được cân bằng
Hình 1.19 Thay đổi cường độ dọi tâm bằng laser
Hình 1.20. Trường nhìn của máy ở trường nhìn 100m
Hình 1.21. Hệ thống bù tứ cực
Hình 1.22. Bảng main menu
Hình 1.23. Màn hình cài đặt trang 1

Hình 1.24: Màn hình cài đặt trang 2
Hình 1.25. Màn hình cài đặt trang 3
Hình 1.26. Màn hình cài đặt trang 4
Hình 1.27. Màn hình cài đặt trang 5
Hình 1.28 Màn hình (EDM)
Hình 1.29. Các chức năng cài đặt (EDM)


2

Hình 1.30. Màn hình bảng chọn chính (Main menu)
Hình1.31. Các chương trình đo ở trang 1
Hình 1.32. Chương trình đo Surveying
Hình 1.33. Đặt tên cơng việc
Hình 1.34. Nhập tên cơng việc
Hình 1.35. Bước tạo Job đã hồn thành
Hình 1.36. Cài đặt trạm máy
Hình 1.37. Lấy điểm trong máy
Hình 1.38. Nhập toạ độ trực tiếp
Hình 1.39. Quá trình cài đặt trạm máy hồn thành
Hình 1.40. Thiết lập điểm định hướng
Hình 1.41. Định hướng bằng nhập góc
Hình 1.42. Q trình cài đặt điểm định hướng hồn thành
Hình 1.43. Nhập toạ độ điểm định hướng
Hình 1.44. Tên điểm định hướng
Hình 1.45 Nhập toạ độ trực tiếp
Hình 1.46. Các thơng số cài đặt điểm định hướng
Hình 1.47 Gọi điểm trong bộ nhớ
Hình1.48 Màn hình khi định hướng xong
Hình 1.49 Màn hình định hướng lúc hồn thành

Hình 1.50 Màn hình đo nhanh
Hình1.51. Màn hình chương trình Stake out
Hình 1.52. Các thơng số Stake out
Hình 1.53. Chương trình giao hội nghịch
Hình 1.54. Màn hình main menu
Hình 1.55. Tên trạm máy
Hình 1.56. Tên điểm định hướng
Hình 1.57. Nhập toạ độ điểm định hướng
Hình 1.58. Lấy điểm trong bộ nhớ máy


3

Hình 1.59. Đường thẳng tham chiếu
Hình1.60. Màn hình vào định vị cơng trình
Hình 1.61 Màn hình định vị cơng trình
Hình 1.62. Chương trình định vị cơng trình theo đường thẳng
Hình 1.63. Đo điểm thứ nhất
Hình 1.64. Đo điểm thứ hai
Hình 1.65. Đo hai điểm hồn thành
Hình 1.66. ứng dụng Line & Offset
Hình 1.67. Chênh cao giữa các điểm so với độ cao tham chiếu
Hình 1.68. Các thơng số hiển thị trong chuyển điểm thiết kế ra thực địa
Hình 1.69. Thơng số để bố trí
Hình 1.70 Bố trí lưới dựa vào đường tham chiếu
Hình 1.71. Chia đoạn thẳng thành nhiều phần bằng nhau
Hình 1.72. Cách vào đo khoảng cách gián tiếp
Hình 1.73. Chương trình đo khoảng cách gián tiếp
Hình 1.77. Điểm đo đầu tiên
Hình 1.78. Đo điểm thứ hai

Hình 1.79. Chương trình đo diện tích
Hình 1.80. Đo diện tích
Hình 1.81. Menu đo diện tích
Hình 1.82. Diện tích 3D
Hình 1.83. Bảng kết quả tính diện tích và khối lượng
Hình 1.84. Đo cao từ xa
Hình 1.85. Màn hình đo cao từ xa
Hình 1.86. Đo điểm thứ nhất
Hình 1.87. Tên điểm đo thứ hai
Hình 1.88 Màn hình ứng dụng trong xây dựng
Hình 1.89. Đo điểm thứ nhất
Hình 1.90. Màn hình hiển thị sơ đồ đo


4

Hình 1.91. Sơ đồ trạm máy
Hình 1.92. Giao diện cung tham chiếu
Hình 1.93. Vị trí đặt máy và gương
Hình 1.94. Điểm ngồi thực địa
Hình 1.95. Cung tham chiếu
Hình 1.96. Phương pháp dây cung
Hình 1.97. Phương pháp góc
Hình 1.98. Bố trí điểm giao hội
Hình 1.99. Điểm giao hội thuận
Hình 1.100. Tìm tọa độ dựa vào phương vị
Hình 1.101. Cách tìm toạ độ
Hình 1.102. Tìm toạ độ theo khoảng cách
Hình 1.103. Tìm toạ độ giao điểm
Hình 1.104. Khoảng cách offset

Hình 1.105. Cách tính toạ độ
Hình 1.106. Tính toạ độ và độ cao
Hình 1.107. Tính điểm phóng tới
Hình 1.108. Đường giao thơng
Hình 1.109. Bố trí trong giao thơng
Hình 1.110. Ứng dụng trong giao thơng
Hình 1.111. Các trục xây dựng
Hình 1.112 Bảng tọa độ và sai số
Hình 1.113. Mơ phỏng các nguồn sai số
Hình 1.114. Sai số MO
Hình 1.115. Cách hiệu chỉnh
Hình 1.116. Cách quay máy
Hình 2.1. Xác định góc bằng
Hình 2.2. Xác định tọa độ điểm giao nhau của hai đường thẳng
Hình 2.3. Xác định góc bằng phương pháp tg của góc


5

Hình 2.4. Xác định góc bằng phương pháp dây cung
Hình 2.6. Bố trí góc bằng ra thực địa
Hình 2.7. Bố trí điểm đã biết tọa độ bằng phương pháp tọa độ cực
Hình 2.8. Bố trí điểm đã biết tọa độ bằng phương pháp giao hội góc
Hình 2.9. Bố trí điểm đã biết tọa độ bằng phương pháp giao hội cạnh
Hình 2.10. Bố trí điểm đã biết độ cao ra thực địa
Hình 2.11. Bố trí trục thẳng trên thực địa
Hình 2.12. Bố trí trục nghiêng ra thực địa
Hình 2.14. Sơ đồ bố trí móng nhà
Hình 2.15. Đánh dấu đường biên móng nhà
Hình 3.1. Đường sắt phục vụ vận chuyển than

Hình 3.2 Sơ đồ bố trí đỉnh tuyến đường giao thơng đã biết tọa độ
Hình 3.3 Sơ đồ bố trí đỉnh tuyến đường giao thơng chưa biết tọa độ
Hình 3.4 Sơ đồ xác định góc chựyển hướng, khoảng cách giữa các đỉnh tuyến đường
Hình 3.5 Sơ đồ bố trí các điểm chủ yểu và chi tiết của đường cong trịn
Hình 3.9 Sơ đồ tỉnh toạ độ các điểm chi tiết trên phần đường cong chuyển tiếp
Hình 3.10 Sơ đồ toạ độ các điểm chỉ tiết trên phần đường cong trịn
Hình 3.11a Khả năng đo khơng gương máy tốn đạc điện tử
Hình 3.11b Khả năng đo khơng gương của máy tồn đạc điện tử
Hình 3.12 Kiểm tra tọa độ trục tim gửi tầng trệt
Hình 3.13 Sơ đồ lưới bố trí cơ sở phía trong cơng trình
Hình 3.14a, b Dùng mảy tồn đạc điện từ chuyến trục lên tầng
Hình 3.15a, b Dùng 2 máy tồn đạc điện tử để chuyển trục lên tầng
Hình 3.16 Chiếu các điểm bằng mậy chiếu đứng
Hình 3. 18 Chuyền độ cao bằng phương pháp đo cao lượng giác
Hình 3.19 Chuyển độ cao lên tầng bằng máy chiếu đứng
Hình 3.23 Chuyển trục giếng lên khung rịng rọc.
Hình 3.27 Kiểm tra khi lắp
Hình 3.28 Đo dịch chuyển theo hướng ngắm chuẩn


6

Hình 3.31 Quan trắc biến dạng theophươngpháp đo cạnh
Hình 3. 32 Đo nghiêng bằngphươngpháp đo góc bằng
Hình 3.33 Chiếu đứng bên cạnh bằng TĐĐT lazer


7

MỞ ĐẦU

1. Tính cấp thiết của đề tài:
Quảng Ninh nằm ở phía Đơng Bắc Việt Nam, là tỉnh có ngành cơng nghiệp
khai khống tập trung nhất ở nước ta. Cùng với sự phát triển của ngành than, các
ngành công nghiệp liên quan khác cũng lần lượt ra đời biến toàn bộ vùng than thành
một khu công nghiệp lớn với quá trình cơng nghiệp hóa và đơ thị hóa nhanh chóng.
Nhiều cơng trình xây dựng lớn nhanh chóng được xây dựng. Từ ý nghĩa ứng dụng,
có thể chia các cơng trình khu vực Quảng Ninh làm hai loại, bao gồm : (i). Cơng
trình xây dựng dân dụng, cơng nghiệp, giao thơng và (ii). Cơng trình xây dựng phục
vụ hoạt động khai thác mỏ. Quảng Ninh là một trong ba đỉnh của tam giác kinh tế
phía Bắc. Những năm gần đây, thực hiện chính sách đổi mới, Nhà nước đã và đang
tập trung đầu tư mạnh mẽ xây dựng cơ sở hạ tầng trên vùng mỏ Quảng Ninh. Nhiều
cơng trình bao gồm đường giao thông, các chung cư, khách sạn cao tầng v.v… đã
được xây dựng mới hoặc nâng cấp theo hướng cơng nghiệp hóa, hiện đại hóa, với
tiêu chuẩn kỹ thuật công nghệ tiên tiến. Cùng với sự mở rộng và phát triển cơng
nghiệp mỏ, q trình hiện đại hóa dây chuyền sản xuất mỏ đã và đang hình thành
các cơng trình phục vụ trực tiếp cơng nghiệp mỏ như tổ hợp nhà sàn, bến cảng, hệ
thống tháp giếng, trục nâng, hệ thống băng tải v.v…ngày càng được xây dựng.
Công tác đo đạc trắc địa tham gia xuyên suốt trong quá trình từ thiết kế, thi
cơng, khai thác cơng trình. Khơng thể có các cơng trình xây dựng hồn thiện nếu
khơng có sự tham gia của cơng tác trắc địa. Cho đến những năm gần đây, công tác
trắc địa phục vụ xây dựng và khai thác cơng trình chủ yếu đều được thực hiện bằng
các thiết bị quang cơ. Công nghệ và phương pháp cổ điện có độ chính xác thấp và
chiếm nhiều công sức, thời gian. Trong những năm gần đây, các thiết bị điện tử lần
lượt ra đời và cải tiến khơng ngừng. Cơng nghệ mới đó làm thay đổi các quy trình
cơng nghệ truyền thống làm giảm thời gian và cơng sức, nâng cao độ chính xác và
hiệu quả phục vụ xây dựng cơng trình.


8

Hoạt động của khai thác hầm lò làm thay đổi trạng thái ững lực tự nhiên của
khối đất đã mỏ, làm mất trạng thái cân bằng bân đầu, dẫn đến sự dịch chuyển và
biến dạng các lớp đất đá. Trong các vùng riêng biệt, sự xuất hiện ững lực sẽ gây ra
sự phá hủy, phá vỡ tính liên tục của các lớp đất đá theo các bề mặt yếu và mặt tiếp
xúc giữa các lớp, phá vỡ cấu trúc tự nhiên của đất đá làm dịch chuyển dẫn đến sự
biến dạng bể mặt, gây ra hậu quả nghiêm trọng đối với các cơng trình, đặc biệt đối
với các cơng trình có chiều cao lớn như nhà cao tầng, tháp giếng mỏ, ống khói
v.v… Đây chính là điểm đặc trưng của các cơng trình xây dựng trên vùng mỏ. Tính
chất biến dạng cơng trình là yếu tố rất quan trọng khi xem xét các cơng trình xây
dựng trên vùng mỏ. Trắc địa phải tiến hành quan trắc xác định quy luật dịch chuyển
đất đá và biến dạng bề mặt để từ đó xác định các đại lượng dự báo độ ổn định của
các cơng trình.
Từ luận giải trên đây, cho thấy rằng, việc lựa chọn đề tài luận văn thạc sỹ:
“Nghiên cứu khả năng ứng dụng thiết bị do đạc điện tử phục vụ xây dựng các
cơng trình đặc trưng trên vùng mỏ Quảng Ninh”. được lựa chọn là xuất phát từ
nhu cầu thực tế và có ý nghĩa thực tiễn.
2. Mục tiêu nghiên cứu đề tài
Xác lập cơ sở ứng dụng các thiết bị đo đạc điện tử phù hợp đối với các loại
hình cơng trình xây dựng đặc trưng trên vùng mỏ Quảng Ninh.
3. Phương pháp nghiên cứu
Thu thập tổng hợp các thơng tin về các loại hình cơng trình xây dựng trên
vùng mỏ. Nghiên cứu khảo sát các tính năng kỹ thuật một số các thiết bị điện tử và
lựa chọn các giải pháp công nghệ phù hợp phục vụ xây dựng cơng trình, đặc biệt
đối với các cơng trình có chiều cao lớn, nhạy cảm với q trình dịch chuyển đất đa
và biến dạng quá trình khai thác mỏ.


9

4. Nội dung nghiên cứu

- Khảo sát các loại công trình xây dựng trên vùng mỏ.
- Nghiên cứu các đặc điểm và điều kiện ảnh hưởng của quá trình khia thác mỏ
đối với các cơng trình trên bề mặt.
- Khảo sát các tính năng kỹ thuật của các thiết bị điện tử
- Lựa chọn và ứng dụng các giải pháp công nghệ bằng các thiết bị điện tử
trong xây dựng các cơng trình nhạy cảm với ảnh hưởng của q trình khai thác ở,
mà trọng tâm là các cơng trình có chiều dài lớn hơn( đường giao thơng) và có độ
cao lớn( nhà cao tầng, tháp giếng mỏ v.v…)
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
Lần đầu tiên ở Việt Nam có một cơng trình nghiên cứu đầy đủ về khả năng
ứng dụng và khai thác các tính năng kỹ thuật của các thiết bị điện tử phục vụ các
công trình xây dựng trên vùng mỏ.
Kết quả nghiên cứu sẽ đóng góp cho thực tế sản xuất ứng dụng các thiết bị
điện tử trong công tác xây dựng các công trình trên vùng mỏ nhằm nâng cao độ
chính xác, giảm thời gian, công sức và nâng cao mức độ an toàn lao động.


10

CHƯƠNG 1
NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG
VÀ CẤU TẠO CÁC THIẾT BỊ ĐO ĐẠC ĐIỆN TỬ
1.1. Sơ đồ tổng quát và các chức năng của máy toàn đạc điện tử
Cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, công nghệ và thiết bị trong lĩnh
vự trắc địa-bản đồ cũng không ngừng đổi mới. Máy toàn đạc điện tử (total station)
ra đời là sự kết hợp các chức năng đo đạc bao gồm: đo góc, đo chiều dài và đo độ
cao trong một thiết bị (unit). Sơ đồ thiết bị toàn đạc điện tử được mơ tả tóm tắt như sau:

Máy đo
dài điện tử

(EDM)
Gương
phản xạ

Phần mềm
(Software)

Máy kinh
vĩ điện tử
(DT)

Hình 1.1. Sơ đồ tổng quát của máy toàn đạc điện tử
*Khối 1: Máy đo xa điện tử (Electronic Distance Meter – EDM)
Chức năng: Thực hiện việc đo khoảng cách từ điểm đặt máy đến gương( hoặc
các bề mặt phản xạ). Độ chính xác đo khoảng cách tùy thuộc từng loại máy nhưng
các máy thông dụng hiện nay cho phép đo khoảng cách với độ chính xác: 3mm 3.106D. Tồn bộ q trình đo khoảng cách được thực hiện tự động, kết quả đo được
thể hiện trên màn hình hoặc chuyển vào bộ nhớ của máy toàn đạc điện tử.


11

*Khối 2: Máy kinh vĩ điện tử (Digital Theodolite-DT)
Chức năng:
- Xử lý các số liệu đo góc, đo cạnh để tính tốn đại lượng cần thiết.
- Thực hiện chức năng giao tiếp giữa máy toàn đạc điện tử và máy tính và
ngược lại.
- Thực hiện chức năng quản lý dự liệu.
Như vậy, sự kết hợp của 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 thơng dụng.

Các modul thành phần trong máy tồn đạc điện tử được mô tả như sau:
1.2. Máy đo khoảng cách điện tử (Eletronic Distance Meter- EDM)
1.2.1. Nguyên lý đo khoảng cách bằng máy đo dài điện tử.
Giả sử cần đo khoảng cách AB=D, người ta đặt tại một đầu của khoảng cách
cần đo bộ phận thu - phát tín hiệu (Transmiter- recerver TR) cịn đầu kia đặt hệ
thơng phản hồi tín hiệu( Reflector R). Bộ phận phát tín hiệu của máy phát tín hiệu
về phía hệ thống phản hồi, hệ thống phản hồi sẽ phản hồi tín hiệu quay trở lại bộ
phận thu của máy (hình 2.2)
Nếu đo được thời gian tín hiệu lan truyền đi và về trên khoảng cách cần đo 
chúng ta sẽ xác định được khoảng cách theo cơng thức:
D=

1
v
2

(1.1)

Trong đó:
D- Khoảng cách cần đo
v- Vận tóc lan truyền tín hiệu
 - Thời gian tín hiệu lan truyền đi và về trên khoảng cách cần đo


12

Hình 1.2. Sơ đồ lan truyền tín đi và về
Tín hiệu sử dụng để đo khoảng cách có thể là sóng âm hoặc đo sóng điện từ.
Tuy nhiên, vận tốc của sóng âm trong khơng khí phụ thuộc rất nhiều vào các yếu tố
khí tượng. Vì vậy, sóng âm chỉ được sử dụng để chế tạo các thiết bị để đo khoảng

cách độ chính xác khơng cao. Ví dụ, dựng trong các mục đích quân sự. Để đo được
các khoảng cách với độ chính xác cao dùng trong trắc địa (sai số trung phương cỡ
vài mm đến vài cm) người ta thực hiện song điện từ. Vì lý do đó nên các máy đo xa
loại này được gọi là các máy đo xa điện tử.
Tất cả các máy đo xa điện tử đều xác định thời gian lan truyền tới hiệu  cịn
tốc độ lan truyền tín hiệu v trong trường hợp này chúng ta giả thiết là đã biết. Thực
tế, tốc độ lan truyền tín hiệu v được xác định thông qua vận tốc ánh sáng trong chân
không và chiết suất mơi trường.
Vì vận tốc lan truyền sóng điện từ trong khơng gian có trị số rất lớn nó xấp xỉ
bằng 3.108m/s. Vì vậy việc xác định thời gian  là phải rất chính xác nếu khơng sẽ
gây ra sai số rất lớn trong kết quả đo khoảng cách. Để khảo sát việc đo xác định độ
chính xác thời gian  chúng ta xét ví dụ sau:
Giả sử cần đo một khoảng cách với độ chính xác 1,5cm thì việc xác định độ
chính xác đo thời gian  là bao nhiêu:
Từ cơng thức D=

1
v
2

Tính đạo hàm và chuyển về sai số trung phương và coi v là hằng số ta được:


13

mD 

Ta được: mt 

2m D

1
v.mt  mt 
2
v

Với v= 3.108m/s; mD=1,5.10-2

2.1,5.10 2
1
 10 (một phần 10 tỷ giây)
8
3.10
10

Độ chính xác xác định thời gian t ( Bảng 1.1)
Bảng 1.1. Độ chính xác xác định thời gian t
Sai số thời gian t (s)

Sai số đo khoảng cách m D (cm)

1.0

1.5.10 10

0.01

1.5.10 8

0.001

1.5.10 7

0.00001

1.5.10 5

0.0000001

1.5.10 2

0.00000000001

1.5

Như vậy, chúng ta thấy, để đo được khoảng cách với độ chính xác khoảng
1,5cm, một độ chính xác khơng phải là q cao trong trắc địa cần phải đo thời gian
lan truyền sóng điện từ với độ chính xác cỡ 10 -10s (một phần mười tỉ giây) một độ
chính xác rất cao phải dùng các thiết bị và phương pháp đặc biệt mới có thể đạt
được. Dưới đây chúng ta sẽ nghiên cứu các phương pháp này.
Thời gian lan truyền tín hiệu có thể được đo một cách trực tiếp hoặc gián tiếp
thông qua một tham số nào đó của dao động điện từ (ví dụ như pha hoặc tần số của
dao đông). Tùy thuộc vào cách đo thời gian người ta chia các máy đo xa điện tử
thành các loại khác nhau như máy loại xung (đo trực tiếp thời gian). Máy loại pha
(đo thời gian thơng qua hiệu pha giữa tín hiệu gốc và tín hiệu phản hồi)


14

Hiện nay, trên thực tế ngưởi ta chủ yếu sử dụng máy loại xung với lý do chủ
yếu là những tiến bộ vượt bậc của khoa học công nghệ trong các lĩnh vực lỹ thuật

xung và kỹ thuật số trong những năm gần đây.
Dưới đây xin giới thiệu nguyên tắc hoạt động của máy đo xa điện tử theo
phương pháp xung.
1.2.2 Nguyên tắc hoạt động của máy đo dài điện tử theo phương pháp xung:
Sơ đồ khối của phương pháp có thể được tóm tắc như sau:

Hình 1-3. Sơ đồ khối chức năng của các bộ phận của máy toàn đạc điện tử
*Khối 1: Bộ phát tín hiệu
Chức năng: Phát tín hiệu để đo khoảng cách. Tín hiệu là các xung ánh sáng
cực ngắn.
*Khối 2: Bộ phân thu tín hiệu:
Chức năng: Thu tín hiệu phản hồi từ gương
*Khối 3: Gương phản hổi
Chức năng: Phản hổi tín hiều
* Khối 4,5,6,7,8: Đồng hồ đo thời gian, dùng để đo thời gian lan truyền tín
hiệu từ bộ phận phát tín hiệu tới gương và quay trở về.


15

Hoạt động của máy có thể được trình bày vắn tắt như sau:
Bộ phát tín hiệu phát các xung ánh sáng cực ngắng về phía gương phản hồi.
Tín hiệu do gương phản hồi trở lại sẽ được bộ phận thu tín hiệu của máy thu lại.
Thời gian lan truyền sóng điện từ( sóng ánh sáng) đi và về trên khoảng cách cần đo
sẽ được đồng hồ đo thời gian( gồm các khối 4,5,6,7,8)
Sau khi rời bộ phận tạo xung, các xung được dẫn tới máy đếm xung. Trước
khi vào máy đếm, các xung phải qua khóa điện từ. Việc đóng mở khóa điện tử được
điều khiển bởi các xung phát và xung phản hổi. Xung phát làm nhiệm vụ mở khóa
điện tử, xung phản hồi làm nhiệm vụ đóng khóa điện tử. Như vậy kháo điện tử chỉ
mở trong khoảng thời gian từ khi xung rời bộ phần phát của máy tới gương và qua

trở lại. Khoảng cách từ máy tới gương càng lớn thì thời gian này càng lớn, số xung
đếm được càng lớn. Kết quả là giữa số xung đếm được và khoảng cách từ máy tời
gương( khoảng cách cần đo) có quan hệ hàm số.
D=f(x)

(1-2)

Trong đó: f: là hàm quan hệ
Bây giờ chúng ta xác định xem hàm f có dạng thế nào. Giả sử vận tốc lan
truyền tín hiệu( ánh sáng) là vf thì khoảng cách từ máy đến gương được xác định
theo cơng thức:
D=
Trong đó:

1
v
2

(1-3)

là thời gian lan truyền song điện từ đi và về trên khoảng cách cần đo.

Giả sử số xung máy đếm được là x, vì chu kỳ của xung như chúng ta đã trình
bày ở trên Tx=

1
fd

do đó thời gian lan truyền song điện từ đì và về sẽ là:

T=x, Tx=x

1
fd

(1.4)


16

Thay t từ (4) vào (3) ta được:
1
2

D= .v x

1
fd

(1.5)

Để tiện cho việc tính tốn xác định khoảng cách người thiết kế máy thường
chọn fd có trị số bằng

v
trong trường hợp này số xung x đếm được sẽ chính là
2

khoảng cách cần đo. Nghĩa là D=x
1.3. Máy kinh vĩ kỹ thuật số (Digital Theodolite – DT)

1.3.1 Cấu tạo của máy kinh vĩ điện tử
Máy kinh vĩ điện tử hay còn gọi là mãy kinh vĩ số DT (Digital Theodolite)
xuất hiện từ những năm 1970. Nó là một thiết bị được ghép nối bằng bộ phận quang
– cơ học chính xác như máy kinh vĩ quang học, nhưng thay cho ban độ khắc vạch là
bàn độ được mã hóa chính xác đến 0,01” và nhờ có bộ vi xử lý (Central Processing
Unit – Micro Processor) mà trị số của hướng đo được hiện lên màn hình tinh thể
lỏng (LCD) hoặc được lưu giữ trong bộ nhớ của máy, khi cần xử lý có thể gọi ra và
trút vào máy tính.

Hình 1.4 Hình dạng và cấu tạo bên ngồi của máy Ultra Flexline TS-06


17

Mô tả chi tiết về cấu tạo cũng như nguyên lý hoạt động của máy kinh vĩ điện
tử khá phức tạp vì nó liên quan đến kiến thức điện tử - tin học, do đó dưới đây chỉ
trình bày khái lược bộ phận quan trọng nhât là bàn độ điện tử mã hóa.
1.3.2 Bàn độ điện tử mã hóa

Hình 1.5. Sơ đồ bàn độ mã hóa
Thiết bị mã hóa được mơ tả trên hình 2-6a, nó bao gồm một bóng đèn Z, một
tụ điện, hai diod quang điện A và B và hệ lăng thấu kính 01, 02, P1, P2, P3, P4, P5 và P6.
Bằng thiết bị này đã tạo ra trên bàn độ pha lê các vòng tròn đồng tâm, trên
mỗi vịng trịn đồng tâm lại có khoảng đen-trắng. Khoảng trắng cho ánh sáng đi qua
còn khoảng đen chắn ánh sáng. Nếu gọi n là số vịng trịn thì toàn bộ bàn độ được
chia làm 2n vùng mã. Mỗi vùng mã ứng với n các khoảng đen – trắng cho một số
đọc mã hóa theo hệ số đếm 2. Với hình vẽ trên có 16 vùng đánh số từ 0 đến 15. Có
thể coi mỗi khoảng chia trên bàn độ hay là giá mỗi khoảng khắc bàn độ t. Ví dụ,
trên hình vẽ ta có t=360o/16=22,5o

18

Vì phía dưới bàn độ có đèn Z và hai diot quang điện A và B nên khi có ánh
sáng đi quan khoảng trắng sẽ tạo ra dòng quang điện mạnh, cịn khi khơng có ánh
sáng đi qua khoảng sẽ tạo ra dòng điện yếu. Nếu gán cho trạng thái có ánh sáng đi
qua ứng với 1 và ngược lại ứng với 0 sẽ nhận được mỗi vùng mã ứng với cong số
đếm trong hệ 2. Nối các vùng mã với máy đếm xung điện tử và giải mã ta sẽ nhận
được trị số hướng đo và thông qua vi xử lý, bằng các lệnh tương ứng trên bàn phím
điều khiển trị số này hoặc được hiển thị trên màn hình tinh thể lỏng hoặc ghi vào bộ
nhớ trong của máy hoặc đĩa mềm.
Hiện nay với sự phát triển của khoa học kỹ thuật đặc biệt trong nghành điện tử
máy kinh vĩ điện tử được gộp nối với máy đo xa điện tử và bộ vi xử lý có cải đặt
các chương trình tiện ích tạo thành máy tồn đạc điện tử.
1.4. Tính năng kỹ thuật chủ yếu của một số máy tồn đạc điện tử thơng dụng
của Việt Nam
Ở nước ta hiện nay, các máy toàn đạc điện tử đang được sử dụng rất rộng rãi
trong các đơn vị sản xuất. Mỗi loại máy đó các giao diện khác nhau nhưng chúng
đều có các chương trình ứng dụng giống nhau. Dưới đây, xin giới thiệu một số
chương trình của máy toàn đạc điện tử Ultra-Flexline TS-06 được xây dựng trên hệ
điều hành Windows CE, màn hình màu rộng, cảm ứng, với khả năng đo xa không
gương đến 2000(m), phần mềm ưu việt giúp cho công tác trắc địa thuận lợi và chính
xác hơn.
1.4.1.Các thơng số kỹ thuật cơ bản của máy toàn đạc điện tử FLEXLINE TS-06
ULTRA
Bảng 1.2. Các thơng số kỹ thuật của máy tồn đạc điện tử FLEXLINE TS-06
ULTRA
Ống kính
(Telescope)

Truyền qua hồn tồn
Độ phóng đại
30 lần
Độ mở ống kính