Đo đạc điện tử

Chia sẻ: Bui Van Cuong | Ngày: | Loại File: DOC | Số trang:101

Thêm vào BST

Báo xấu

135
lượt xem 50
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Tham khảo tài liệu 'đo đạc điện tử', kỹ thuật - công nghệ, điện - điện tử phục vụ nhu cầu học tập, nghiên cứu và làm việc hiệu quả

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Đo đạc điện tử

Lêi nãi ®Çu HiÖn nay víi viÖc ¸p dông c¸c thµnh tùu khoa häc c«ng nghÖ tiªn tiÕn, c¸c thiÕt bÞ ®o ®¹c ®· ® îc tù ®éng ho¸ b»ng c¸c m¸y ®o ®iÖn tö, bao gåm c¸c thiÕt bÞ ®o c¹nh, ®o gãc vµ ®o cao ®iÖn tö. §Ó t¹o ®iÒu kiÖn thuËn lîi cho c«ng t¸c gi¶ng d¹y vµ häc tËp m«n häc “ §o ®¹c ®iÖn tö ” trong ch¬ng tr×nh ®µo t¹o kü s chuyªn ngµnh Tr¾c ®Þa ë hÖ §¹i häc vµ hÖ cao ®¼ng, chóng t«i ®· tiÕn hµnh biªn so¹n cuèn bµi gi¶ng m«n häc “§o ®¹c ®iÖn tö ”. “§o ®¹c ®iÖn tö ” lµ mét m«n häc cÇn ph¶i kÕt hîp kiÕn thøc cña chuyªn ngµnh Tr¾c ®Þa víi mét sè ngµnh khoa häc kh¸c nh: VËt lý, kü ®iÖn - ®iÖn tö, thuËt sè, v.v… ChÝnh v× vËy, mµ trong qu¸ tr×nh biªn so¹n bµi gi¶ng, chóng t«i cè g¾ng tr×nh bµy c¸c vÊn ®Ò nguyªn lý thËt ®¬n gi¶n vµ dÔ hiÓu bªn c¹nh ®ã cè g¾ng cËp nhËt c¸c th«ng tin khoa häc hiÖn ®¹i, ®Ó néi dung cña bµi gi¶ng cã thÓ ®¸p øng kÞp thêi c¸c yªu cÇu cÇn thiÕt ë ngoµi thùc tÕ s¶n xuÊt.V× ®©y lµ lÇn ®Çu tiªn biªn so¹n nªn néi dung cuèn s¸ch kh«ng thÓ tr¸nh khái nh÷ng khiÕm khuyÕt. RÊt mong nhËn ® îc sù ®ãng gãp ý kiÕn cña c¸c nhµ khoa häc chuyªn ngµnh vµ c¸c b¹n ®éc gi¶ quan t©m. Mäi ý kiÕn ®ãng gãp xin göi vÒ: Bé m«n Tr¾c ®Þa c«ng tr×nh - Khoa Tr¾c ®Þa Trêng ®¹i häc Má - §Þa chÊt, §«ng Ng¹c, Tõ Liªm, Hµ néi §iÖn tho¹i: 048384004 Chóng t«i xin ch©n thµnh c¶m ¬n. Nhãm biªn so¹n 1
Ch¬ng 1: Lý thuyÕt c¬ së cña ph¬ng ph¸p ®o xa ®iÖn tö § 1.1 lÞch sö ph¸t triÓn cña kü thuËt ®o kho¶ng c¸ch §o kho¶ng c¸ch lµ mét phÐp ®o quan träng trong Tr¾c ®Þa. Tuy nhiªn viÖc ®o kho¶ng c¸ch lµ mét viÖc khã kh¨n, khi yªu cÇu ®é chÝnh x¸c cµng cao th× møc ®é khã kh¨n cµng lín. I. C¸c ph¬ng ph¸p ®o kho¶ng c¸ch 1. Ph¬ng ph¸p ®o trùc tiÕp Chän mét chiÒu dµi chuÈn l A 3 n-1 n 1 2 R D H×nh 1.1: Qu¸ tr×nh ®o cña ph¬ng ph¸p ®o kho¶ng c¸ch trùc tiÕp Chän mét chiÒu dµi chuÈn l, x¸c ®Þnh chÝnh x¸c chiÒu dµi cña thíc ®o d©y. LÇn lît ®Æt thíc ®o lªn kho¶ng c¸ch cÇn ®o vµ ®Õm sè lÇn ®Æt thíc. §é dµi cña kho¶ng c¸ch cÇn ®o lµ D, khi ®ã D= n.l + R (1.1) Trong ®ã: D: lµ kho¶ng c¸ch cÇn ®o n: lµ sè lÇn ®Æt thíc R: lµ sè lÎ 2
l: chiÒu dµi chuÈn ®· ®îc x¸c ®Þnh. §é chÝnh x¸c cña ph¬ng ph¸p ®o trùc tiÕp phô thuéc vµo ®é chÝnh x¸c cña chiÒu dµi chuÈn cña thíc ®o. TÝnh æn ®Þnh cña chiÒu dµi thíc chuÈn- phô thuéc vµo chÊt liÖu chÕ t¹o th íc. Th«ng thêng trong tr¾c ®Þa, ngêi ta dïng thíc thÐp ®Ó ®o kho¶ng c¸ch, khi cÇn ®o c¹nh víi ®é chÝnh x¸c cao, nªn dïng thíc Invar (65% lµ thÐp, ~ 35% Ni, 0.5% Cr ). Invar lµ mét lo¹i hîp kim cã ®é gi·n në rÊt nhá, th íc Invar cã thÓ ®o kho¶ng c¸ch víi ®é chÝnh x¸c tõ 1/10 5 dÕn 1/106. Ph¬ng ph¸p ®o kho¶ng c¸ch trùc tiÕp cã u ®iÓm lµ :§¬n gi¶n, dÔ thùc hiÖn. Ph¬ng ph¸p nµy cho phÐp ®o kho¶ng c¸ch víi ®é tin cËy cao (nÕu dïng thíc Invar ®é chÝnh x¸c cã thÓ ®¹t tíi 1/10 6). Tuy nhiªn ph¬ng ph¸p cã nhîc ®iÓm lµ kh«ng ®o ®îc kho¶ng c¸ch trong ®iÒu kiÖn thêi tiÕt vµ ®Þa h×nh phøc t¹p, tæ chøc ®o ®¹c rÊt cång kÒnh, n¨ng suÊt lao ®éng thÊp. 2. Ph¬ng ph¸p ®o dµi quang häc Lµ ph¬ng ph¸p ®o kho¶ng c¸ch b»ng c¸c m¸y quang häc vµ c¸c mia ®Æc biÖt .Ph¬ng ph¸p nµy cho phÐp x¸c ®Þnh kho¶ng c¸ch nhanh chãng trong ®iÒu kiÖn ®Þa h×nh t¬ng ®èi phøc t¹p (m¸y kinh vÜ vµ mia ®Þa h×nh). Nhîc ®iÓm cña ph¬ng ph¸p lµ chØ cho phÐp ®o kho¶ng c¸ch ng¾n, ®é chÝnh x¸c kh«ng cao. 3. Ph¬ng ph¸p giao thoa Dùa vµo hiÖn tîng giao thoa cña sãng ¸nh s¸ng hoÆc sãng ®iÖn tõ ®Ó ®o kho¶ng c¸ch. Ph ¬ng ph¸p giao thoa ®¹t ®é chÝnh x¸c ®o kho¶ng c¸ch rÊt cao( cã thÓ ®¹t tíi 1/ 10-7). Tuy nhiªn, thiÕt bÞ ®o ®¹c cång vµ ph¹m vi ®o c¹nh ng¾n nªn ph ¬ng ph¸p ®o nµy chØ ®îc dïng trong c¸c phßng thÝ nghiÖm. 4. Ph¬ng ph¸p ®o xa ®iÖn tö 3
Lµ ph¬ng ph¸p x¸c ®Þnh kho¶ng c¸ch gi¸n tiÕp qua thêi gian lan truyÒn sãng ®iÖn tõ trªn kho¶ng c¸ch cÇn ®o. Do ®ã ph ¬ng ph¸p ®o xa ®iÖn tö cã u ®iÓm gän nhÑ, n¨ng suÊt lao ®éng cao, lµm viÖc trong mäi ®iÒu kiÖn thêi tiÕt ®Þa h×nh, cho kÕt qu¶ ®o nhanh chãng vµ chÝnh x¸c cao. TÊt c¶ qu¸ tr×nh ®o ®¹c tù ®éng, c¸c sè liÖu ®o ® îc ghi vµo trong bé nhí cña m¸y. II. §èi tîng nghiªn cøu cña m«n häc - Nghiªn cøu nguyªn lý cÊu t¹o c¸c thiÕt bÞ ®iÖn tö dïng trong ®o ®¹c. - Nghiªn cøu c¸c ph¬ng ph¸p ®o vµ xö lý kÕt qu¶ ®o. - Nghiªn cøu ¶nh hëng cña ®iÒu kiÖn ngo¹i c¶nh ®Õn kÕt qu¶ ®o. III. Mèi liÖn hÖ cña m«n häc víi c¸c m«n häc kh¸c M«n häc nµy cã mèi liªn hÖ chÆt chÏ víi c¸c m«n häc kh¸c trong lÜnh vùc ®iÖn tö nh: Kü thuËt ®iÖn- ®iÖn tö, vËt liÖu b¸n dÉn, kü thuËt sè… Ngoµi ra cßn cã liªn quan ®Õn c¸c m«n häc chuyªn m«n nh : Tr¾c ®Þa phæ th«ng, tr¾c ®Þa cao cÊp, tr¾c ®Þa c«ng tr×nh. § 1.2. Kh¸i niÖm vÒ dao ®éng vµ sãng ®iÖn tõ 1.C¸c kh¸i niÖm c¬ b¶n vµ ®Þnh nghÜa Dao ®éng tuÇn hoµn ®îc biÓu diÔn b»ng ph¬ng tr×nh y(t) = y( t+ NT ) (1.2) Trong ®ã : y(t) lµ gi¸ trÞ cña dao ®éng; t lµ thêi gian; N lµ sè nguyªn tuú ý; T lµ kho¶ng thêi gian nhá nhÊt mµ sau ®ã lÆp l¹i tÊt c¶ c¸c ®¹i l - îng vËt lý ®Æc trng cho chuyÓn ®éng cña dao ®éng. Kho¶ng thêi gian ®ã ®îc gäi lµ chu kú cña dao ®éng. §¹i lîng tû lÖ nghÞch víi chu kú ® îc gäi lµ tÇn sè, ®ã chÝnh lµ sè dao ®éng trong mét ®¬n vÞ thêi gian ký hiÖu lµ f. 4
1 f= (1.3) T Dao ®éng ®iÒu hoµ ®¬n gi¶n nhÊt lµ dao ®éng ®iÒu hoµ h×nh sin cã ph¬ng tr×nh: y = A. sin(ωt +ϕ0) (1.4) y = A.cos (ωt +ϕ0) hoÆc Trong ®ã : A: lµ biªn ®é dao ®éng biÓu thÞ cho gi¸ trÞ cùc ®¹i ®é lín cña dao ®éng h×nh sin; ϕ = (ωt +ϕ0): lµ pha cña dao ®éng, biÓu thÞ tr¹ng th¸i (®é lín vµ ph¬ng chiÒu) cña dao ®éng h×nh sin tai thêi ®iÓm t; ϕ0 : pha ban ®Çu, biÓu thÞ tr¹ng th¸i ban ®Çu (khi t= 0) cña dao ®éng h×nh sin; ω: lµ tÇn sè gãc; 2π ω= = 2πf (1.5) T Dao ®éng víi tÇn sè f ®îc truyÒn trong kh«ng gian víi vËn tèc v ®- îc ®Æc trng bëi ®¹i lîng λ ®îc gäi lµ bíc sãng cña dao ®éng v λ= (1.6) f 2. Sãng ®iÖn tõ Dao ®éng ®iÒu hoµ cña cña c êng ®é ®iÖn trêng vµ tõ trêng t¹o ra mét trêng ®iÖn tõ biÕn thiªn. Sù lan truyÒn cña tr êng ®iÖn tõ trong 5
kh«ng gian gäi lµ sãng ®iÖn tõ. Sãng ®iÖn tõ lµ sãng ngang, nghÜa lµ nã cã vec-t¬ cêng ®é ®iÖn trêng vµ cêng ®é tõ trêng vu«ng gãc víi E H nhau vµ n»m trong mét mÆt ph¼ng vu«ng gãc víi ph ¬ng truyÒn sãng x (h×nh 1.2). §Æc tÝnh lan truyÒn cña sãng ®iÖn tõ phô thuéc chñ yÕu vµo b - íc sãng λ (hay tÇn sè) cña nã . Ngêi ta chia sãng ®iÖn tõ ra thµnh c¸c lo¹i nh (h×nh 1.3). Sãng ®iÖn tõ ®îc chia thµnh c¸c d¶i sãng s¾p xÕp theo tÇn sè t¨ng dÇn trong c¸c m¸y ®o xa ®iÖn tõ dïng d¶i sãng cã tÇn sè f tõ 10 13 ®Õn 1015 (Hz) lµm sãng mang vµ sãng cã tÇn sè tõ 10 ®Õn 500MHz víi ®é æn ®Þnh cao lµm sãng ®o. TÇn Sãng Hång Tö R¬nghen thÊp R adio H×nh 1.2 ngo¹i ngo¹i f(Hz) 102 105 1010 3.1011 4.1014 7.5101 4 H× 1.3: Thang tÇn sè cña sãng nh ®iÖn tõ Mét trong nh÷ng tÝnh chÊt quan träng cña sãng ®iÖn tõ lµ tÝnh ph©n cùc, nghÜa lµ vec-t¬ E cã kh¶ n¨ng chØ truyÒn theo mét ph ¬ng trong mét mÆt ph¼ng cè ®Þnh. - NÕu vec-t¬ cêng ®é ®iÖn trêng x¶y ra mét c¸ch hçn lo¹n trong mÆt ph¼ng vu«ng gãc víi ph¬ng truyÒn sãng ®îc gäi lµ sãng ph©n cùc tù nhiªn hay sãng cha ph©n cùc. - NÕu vec-t¬ cêng ®é ®iÖn trêng x¶y ra trong mét mÆt ph¼ng nhÊt ®Þnh th× 6
dao ®éng ®îc gäi lµ dao ®éng ph©n cùc th¼ng trong ®ã mÆt ph¼ng chøa vec-t¬ cêng ®é ®iÖn trêng ®îc gäi lµ mÆt dao ®éng. MÆt ph¼ng vu«ng gãc chøa vec-t¬ cêng ®é tõ trêng gäi lµ mÆt ph©n cùc Ph¬ng tr×nh cña sãng ®iÖn tõ ph©n cùc th¼ng truyÒn trªn trôc x - víi vËn tèc v cã d¹ng : y = Acos [ω(t-x/v)+ ϕ0] (1.7) MÆt ph¼ng chøa E gäi lµ mÆt ph¼ng dao ®éng, cßn mÆt ph¼ng chøa H lµ mÆt ph¼ng ph©n cùc. Trong kÜ thuËt ®o xa ®iÖn tö thêng sö dông sãng ®iÖn tõ ph©n cùc th¼ng . MÆt h×nh häc chøa c¸c ®iÓm cña dao ®éng cã cïng pha gäi lµ mÆt ®Çu sãng hay mÆt ®Çu pha. MÆt ®Çu sãng cã thÓ lµ mÆt cÇu hoÆc mÆt ph¼ng. Sãng ®iÖn tõ ®¬n s¾c lµ sãng cã tÇn sè kh«ng ®æi. C¸c sãng ®¬n s¾c cã tÇn sè kh¸c nhau sÏ truyÒn víi vËn tèc kh¸c nhau. Sù phô thuéc tèc ®é truyÒn sãng vµo tÇn sè ®îc gäi lµ sù t¸n s¾c . Trong thùc tÕ kh«ng tån t¹i sãng ®iÖn tõ ®¬n s¾c mµ nã lµ tËp hîp nhiÒu sãng cã tÇn sè kh¸c nhau. § I.3. ¸nh s¸ng tù nhiªn, ¸nh s¸ng ph©n cùc hiÖn tîng lìng chiÕt vµ hiÖu øng ®iÖn quang 1. Kh¸i niÖm vÒ ¸nh s¸ng tù nhiªn Tr¹ng th¸i tù nhiªn cña c¸c nguyªn tö vµ ph©n tö lµ ph©n bè ë møc n¨ng lîng thÊp h¬n, sau ®ã ph©n bè lªn møc n¨ng lîng cao h¬n, ®ã chÝnh lµ tr¹ng th¸i ph©n bè thuËn theo c¸c møc n¨ng l îng, tr¹ng th¸i nµy chØ hÊp thô n¨ng lîng chø kh«ng bøc x¹. Muèn ® a ®iÖn tö tõ møc n¨ng lîng thÊp lªn møc n¨ng lîng cao th× ta ph¶i cung cÊp n¨ng lîng. ¸nh s¸ng lµ do c¸c nguyªn tö vµ ph©n tö bÞ kÝch thÝch ph¸t ra d íi d¹ng c¸c líp sãng liªn tiÕp trong ®ã c¸c vec-t¬ E, H, S vu«ng gãc víi nhau 7
tõng ®«i mét. Do chuyÓn ®éng hçn lo¹n ë trong nguyªn tö, cho nªn c¸c líp sãng do nguyªn tö ph¸t ra cã vÐc-t¬ c êng ®é ®iÖn trêng E kh¸c nhau nhng vu«ng gãc víi tia s¸ng. MÆt kh¸c khi chóng ta xÐt mét nguån sãng nµo ®ã dï rÊt nhá th× nã còng bao gåm do nhiÒu nguyªn tö, bëi vËy, trong tr êng hîp chung vec-t¬ cêng ®é ®iÖn trêng (E) lu«n lu«n dao ®éng hçn lo¹n xung quanh tia s¸ng S vµ lu«n ®¶m b¶o E vu«ng gãc S. ¸nh s¸ng nh vËy gäi lµ ¸nh sang tù nhiªn. 2. ¸nh s¸ng ph©n cùc Tuú theo ®iÒu kiÖn ph¸t vµ truyÒn ¸nh s¸ng trong m«i tr êng chóng ta cã thÓ t¹o ra ®îc mét tia s¸ng mµ E chØ dao ®éng trong mét mÆt ph¼ng nhÊt ®Þnh( theo mét ph ¬ng nhÊt ®Þnh) ®ã lµ ¸nh s¸ng ph©n cùc. - MÆt ph¼ng P chøa E gäi lµ mÆt ph¼ng dao ®éng. - MÆt ph¼ng Q⊥ P gäi lµ mÆt ph¼ng ph©n cùc (h×nh 1.2) Qu¸ tr×nh biÕn ®æi ¸nh s¸ng tù nhiªn thµnh ¸ng s¸ng ph©n cùc gäi lµ qu¸ tr×nh ph©n cùc ¸nh s¸ng. Dông cô ®Ó biÕn ®æi ¸nh s¸ng tù nhiªn thµnh ¸nh s¸ng ph©n cùc lµ kÝnh ph©n cùc. 3. HiÖn tîng lìng chiÕt a. Kh¸i niÖm vÒ chÊt lìng chiÕt ¸nh s¸ng ®¬n s¾c lan truyÒn trong m«i tr êng víi vËn tèc kh¸c nhau tuú thuéc vµo tÇn sè f. Sù phô thuéc gi÷a tèc ®é truyÒn sãng vµ tÇn sè f gäi lµ hiÖn tîng t¸n s¾c cña m«i trêng. Trong ch©n kh«ng tÊt c¶ c¸c sãng ®Òu lan truyÒn víi vËn tèc gièng nhau. V× vËy, ch©n kh«ng lµ m«i trêng kh«ng t¸n s¾c. Trong mét sè m«i trêng, tèc ®é cña ¸nh s¸ng kh«ng phô thuéc vµo híng cña tia tíi, ¸nh s¸ng lan truyÒn theo mäi h íng víi tèc ®é nh nhau (m«i trêng ®¼ng híng quang häc). Tuy nhiªn cã mét sè chÊt: b¨ng lan, th¹ch anh… cã tÝnh chÊt ®Æc biÖt lµ: vËn tèc cña ¸nh s¸ng kh«ng ph¶i 8
lµ mét ®¹i lîng cè ®Þnh mµ biÕn ®æi theo h íng cña tia tíi, ¸nh s¸ng lan truyÒn theo c¸c híng kh¸c nhau víi tèc ®é kh¸c nhau. HiÖn tîng nµy gäi lµ hiÖn tîng lìng chiÕt. Gi¶ sö chiÕu mét tia s¸ng vu«ng gãc víi tÝnh chÊt CaCO 3 (b¨ng lan) t¹i bÒ mÆt CaCO 3 sÏ cã hai tia: - S0: tia thêng - Se: tia dÞ thêng Sau khi ra khái tinh thÓ CaCO3 c¸c tia cã tÝnh chÊt sau : - C¶ hai tia ph©n cùc th¼ng toµn phÇn vµ song song víi nhau - Gi÷a hai tia cã ®é lÖch pha ψ S0 Se H×nh 1.4 - NÕu thay ®æi gãc tíi :VËn tèc cña S 0 kh«ng thay ®æi , vËn tèc cña Se thay ®æi. §èi víi mçi mét chÊt lìng chiÕt cã tån t¹i mét h íng, mµ nÕu chóng ta chiÕu s¸ng th× vËn tèc cña tia th êng b»ng vËn tèc cña tia dÞ th êng ve=v0 , ®êng th¼ng song song híng nµy gäi lµ quang trôc cña chÊt l ìng chiÕt, kÝ hiÖu lµ (∆ ). MÆt ph¼ng chøa quang trôc vµ tia s¸ng nµo ®ã gäi lµ mÆt ph¼ng tiÕt diÖn chÝnh cña tia Êy. C¸c chÊt l ìng chiÕt cã mét quang trôc gäi lµ chÊt lìng chiÕt ®¬n trôc, c¸c chÊt lìng chiÕt cã nhiÒu quang trôc gäi lµ chÊt lìng chiÕt ®a trôc. b. øng dông cña chÊt lìng chiÕt 9
ChÊt lìng chiÕt ®îc sö dông trong kü thuËt ®o xa ®iÖn tö ®Ó chÕ t¹o nh÷ng dông cô cã nhiÖm vô biÕn ®æi tia s¸ng tù nhiªn thµnh tia s¸ng ph©n cùc (gäi lµ kÝnh ph©n cùc) - L¨ng kÝnh Nikol Gåm mét tinh thÓ b¨ng lan ®îc ghÐp nh (h×nh 1.5) H×nh 1.5 Khi chiÕu ¸nh s¸ng ®Õn l¨ng kÝnh Nikol ta thÊy ¸nh s¸ng ® îc t¸ch thµnh 2 tia: tia thêng S0 vµ tia dÞ thêng Se. NÕu chän gãc tíi thÝch hîp, tia s0 bÞ ph¶n x¹ ë líp nhùa vµ sau ®ã bÞ hÊp thô hÕt, cßn l¹i ta thu ® îc tia dÞ thêng sau khi ®i qua kÝnh ph©n cùc ®îc ph©n cùc th¼ng toµn phÇn. Nh vËy, tõ tia s¸ng tù nhiªn khi ®i qua l¨ng kÝnh Nikol ta thu ® îc mét tia s¸ng ph©n cùc L¨ng kÝnh Nikol cã u ®iÓm lµ: lµm viÖc víi ®é tin cËy cao, ph©n cùc ¸nh s¸ng gÇn nh hoµn toµn. Tuy nhiªn thiÕt bÞ nµy còng cã nh÷ng nhîc ®iÓm: bÞ nãng ch¶y ë nhiÖt ®é cao, vµ lîng tiªu hao n¨ng lîng lín. Th«ng thêng ngêi ta thêng sö dông 1 cÆp l¨ng kÝnh Nikol nh (h×nh (1.6) P : kÝnh ph©n cùc; A : kÝnh ph©n tÝch . P A H×nh 1.6 10
Cêng ®é ¸nh s¸ng sau khi ®i qua hÖ hai l¨ng kÝnh nµy phô thuéc vµo gãc hîp bëi quang trôc cña P vµ A J2 = A22 = A1 cos2α (I.11) Trong ®ã: A1 vµ A2 biªn ®é dao ®éng cña ¸nh s¸ng sau khi ®i qua P vµ A; J : cêng ®é ¸nh s¸ng α : gãc hîp bëi quang trôc cña kÝnh ph©n cùc vµ kÝnh ph©n tÝch NÕu α = 0 khi ®ã P song song víi A vµ ¸nh s¸ng ®i qua hoµn toµn NÕu α = 900 khi ®ã P vu«ng gãc víi A vµ ¸nh s¸ng bÞ ng¨n l¹i hoµn toµn - B¶n Polaroid Lµ mét mµng xenlulo trong suèt trªn ®ã ngêi ta phñ mét líp gäi lµ herapatit (líp lìng chiÕt) d¹ng tinh thÓ rÊt nhá bÒ dµy kho¶ng 0.1 mm. §Æc tÝnh lµ hÊp thô kh«ng ®ång ®Òu ®èi víi tia th êng vµ tia dÞ thêng. Líp herapatit cã bÒ dµy 0.1 (mm) hÊp thô hoµn toµn tia th êng vµ cho tia dÞ thêng gäi lµ tÝnh nhiÔm s¾c. B¶n Palaroid cã u ®iÓm lµ gän nhÑ, cã t¸c dông ph©n cùc ¸nh s¸ng gÇn nh toµn phÇn. Tuy nhiªn rÊt dÔ bÞ ch¸y. 4. HiÖu øng ®iÖn quang B¶n chÊt cña hiÖu øng ®iÖn quang lµ mét sè chÊt ë ®iÒu kiÖn b×nh thêng kh«ng ph¶i lµ chÊt lìng chiÕt, nhng khi ®Æt vµo trong mét ®iÖn trêng m¹nh th× nã trë thµnh chÊt lìng chiÕt. TÝnh chÊt lìng chiÕt cña nã m¹nh hay yÕu phô thuéc vµo êng ®é ®iÖn trêng . a. HiÖu øng Kerr CÊu t¹o tÕ bµo Kerr :Lµ mét b×nh thuû tinh kÝn trong cã ®ùng chÊt láng (rîu hoÆc Nitroben zen) trong cã ®Æt 1 tô ®iÖn( h×nh 1.7) 11
B×nh thêng nÕu hai b¶n cùc kh«ng cã ®iÖn tr êng th×, dung dÞch C6H5NO2 kh«ng ph¶i lµ chÊt lìng chiÕt. Khi gi÷a hai b¶n cña tô ®iÖn cã ®iÖn trêng th× dung dÞch C6H5NO2 trë thµnh chÊt lìng chiÕt. H×nh 1.7 BiÓu thøc to¸n häc cña hiÖu øng Kerr NÕu gäi no lµ chiÕt suÊt cña tia thêng; ne lµ chiÕt suÊt cña tia dÞ thêng th× mèi quan hÖ gi÷a chiÕt suÊt cña tia th êng vµ tia dÞ thêng ®îc x¸c ®Þnh bëi c«ng thøc ne= n0+k1.E2 (I.12) Trong ®ã: E: lµ cêng ®é ®iÖn trêng. K1: lµ h»ng sè Kerr, phô thuéc vµo b¶n chÊt cña chÊt láng vµ nhiÖt ®é cña nã. TÕ bµo Kerr cã u ®iÓm lµ lµm viÖc víi ®é tin cËy cao, qu¸n tÝnh cña hiÖu øng Kerr rÊt nhá cì 10 -10 ®Õn 10-11 gi©y, dÔ chÕ t¹o vµ cã ®é bÒn c¬ häc cao. Tuy nhiªn khi sö dông tÕ bµo Kerr trong c¸c bé ®iÒu biÕn ¸nh s¸ng ta thÊy hiÖu øng nµy tiªu tèn nhiÒu n¨ng l îng vµ cã kÝch thíc t¬ng ®èi cång kÒnh. 12
b. HiÖu øng Pokelx¬ CÊu t¹o: Gåm mét tô ®iÖn, ®Æt gi÷a hai b¶n cùc cña tô ®iÖn lµ tinh thÓ muèi (muèi KDP hoÆc muèi ADP - KH 2PO4 ). HiÖu øng Pokelx¬ cßn gäi lµ hiÖu øng tuyÕn tÝnh v× ¸nh s¸ng chiÕu däc theo chiÒu cña ®iÖn trêng H×nh 1.8 NÕu gäi no lµ chiÕt suÊt cña tia thêng; ne lµ chiÕt suÊt cña tia dÞ thêng th× mèi quan hÖ gi÷a chiÕt suÊt cña tia th êng vµ tia dÞ thêng trong hiÖu øng Pokelx¬ ®îc x¸c ®Þnh bëi c«ng thøc ne= n0+k2.E (1.13) Trong ®ã: E: lµ cêng ®é ®iÖn trêng; K2: lµ h»ng sè Pokelx¬. HÖu øng Pokelx¬ cã u ®iÓm lµ cã qu¸n tÝnh nhá h¬n qu¸n tÝnh cña hiÖu øng Kerr cì 10 lÇn, ®iÖn ¸p tíi h¹n nhá cì vµi tr¨m v«n nªn tiªu thô Ýt n¨ng lîng. Nhîc ®iÓm cña hiÖu øng nµy lµ khã chÕ t¹o h¬n tÕ bµo kerr v× tinh thÓ muèi dÔ hót Èm vµ khã b¶o qu¶n. §I.4 Nguyªn lý c¬ b¶n cña ph¬ng ph¸p ®o xa ®iÖn tö I. C¬ së vËt lý cña ph¬ng ph¸p ®o xa ®iÖn tö Ph¬ng ph¸p ®o xa ®iÖn tö dùa vµo nguyªn lý x¸c ®Þnh qu·ng ®- êng khi biÕt thêi gian vµ vËn tèc truyÒn sãng ®iÖn tõ . §o xa ®iÖn tö lµ ph¬ng ph¸p x¸c ®Þnh chiÒu dµi mét c¸ch gi¸n tiÕp qua thêi gian truyÒn sãng ®iÖn tõ trªn kho¶ng c¸ch cÇn ®o A B 13
HÖ thèng thu ph¸t tÝn hiÖu HÖ thèng ph¶n håi tÝn hiÖu H×nh 1.9. S¬ ®å nguyªn lý cña ph¬ng ph¸p ®o xa ®iÖn tö Gi¶ thiÕt r»ng sãng ®iÖn tõ ®îc lan truyÒn theo ®êng th¼ng víi tèc ®é ®· biÕt tríc, ta cÇn ph¶i x¸c ®Þnh ®îc kho¶ng thêi gian τ mµ sãng ®iÖn tõ lan truyÒn tõ A ®Õn B T¹i A ®Æt tr¹m thu ph¸t sãng liªn tôc ph¸t tÝn hiÖu vÒ B .T¹i B ®Æt hÖ thèng ph¶n x¹ nh»m ph¶n x¹ tÝn hiÖu. NÕu ®Æt thiÕt bÞ nh»m x¸c ®Þnh thêi ®iÓm tÝn hiÖu rêi m¸y ph¸t (t1) vµ thêi ®iÓm tÝn hiÖu quay trë l¹i (t2) t¹i ®iÓm A vµ gäi τ lµ thêi gian tÝn hiÖu ®i qua kho¶ng c¸ch 2D (h×nh 1.9) th× ta cã 1 D= v.τ (I.14) 2 Víi v lµ vËn tèc lan truyÒn tÝn hiÖu TÝn hiÖu cã thÓ sö dông lµ sãng ©m thanh, sãng ®iÖn tö, sãng siªu ©m. NÕu sö dông sãng ©m th× ®é chÝnh x¸c kh«ng cao v× tèc ®é lan truyÒn sãng chËm vµ nã phô thuéc vµo c¸c ngo¹i c¶nh ®Æc biÖt lµ nhiÖt ®é. Trong c¸c m¸y ®o xa ®iÖn tö dïng trong Tr¾c ®Þa kh«ng dïng sãng ©m, mµ dïng sãng ®iÖn tõ (bao gåm sãng ¸nh s¸ng vµ sãng radio). V× tèc ®é truyÒn sãng ®iÖn tõ trong kh«ng khÝ lµ rÊt lín (v ≈ 3.108 m/s) cho nªn thêi gian τ rÊt nhá. NÕu D = 30km th× τ = 0.2 µs §Ó x¸c ®Þnh ®é chÝnh x¸c x¸c ®Þnh thêi gian τ, dùa vµo c«ng thøc (1.14) vi ph©n vµ chuyÓn sang sai sè trung ph¬ng ta cã 1 mD = (I.15) v.mt 2 Gi¶ sö cÇn ®o kho¶ng c¸ch D víi sai sè mD = ≤ ± 1.5 (cm) th× sai sè ®o thêi gian (mt) ph¶i ®¹t 10-10s. 14
Nh vËy ®Ó ®¹t ®îc ®é chÝnh x¸c ®o kho¶ng c¸ch ®¶m b¶o yªu cÇu trong c«ng t¸c tr¾c ®Þa, th× ®é chÝnh x¸c ®o thêi gian τ ®ßi hái rÊt cao, v× vËy ph¶i cÇn nh÷ng ph ¬ng ph¸p vµ thiÕt bÞ ®o ®Æc biÖt th× míi ®¸p øng ®îc yªu cÇu nµy. HiÖn nay cã nhiÒu nhiÒu ph ¬ng ph¸p x¸c ®Þnh thêi gian τ nhng nãi chung c¸c ph¬ng ph¸p ®Òu dùa trªn mét nguyªn lý: so s¸nh mét tham sè nµo ®ã cña dao ®éng ®iÖn tõ tr íc vµ sau khi dao ®éng ®ã ®i qua kho¶ng c¸ch cÇn ®o. Khi ®ã tÝn hiÖu tõ bé phËn ph¸t tíi bé phËn thu cña m¸y theo hai ®êng riªng biÖt - Mét ®êng ®i trùc tiÕp trong m¸y ®ã lµ tÝn hiÖu gèc - Mét ®êng ®i qua kho¶ng c¸ch cÇn ®o (h×nh 1.10) D Bé phËn ph¸t TÝn hiÖu tíi hÖ thèng ph¶n x¹ HÖ thèng TÝn hiÖu d ph¶n x¹ gèc Bé phËn thu TÝn hiÖu ph¶n x¹ trë vÒ H×nh 1.10 T¹i bé phËn thu tiÕn hµnh so s¸nh tÝn hiÖu gèc vµ tÝn hiÖu ph¶n x¹ theo tham sè ®· lùa chän cña hai tÝn hiÖu lµ hµm cña cña hiÖu qu·ng ®êng 2D- d ta sÏ x¸c ®Þnh ®îc D nÕu biÕt tríc d. II.Ph©n lo¹i c¸c ph¬ng ph¸p ®o xa ®iÖn tö Tuú thuéc vµo tham sè ®îc chän cña sãng ®iÖn tõ ®Ó so s¸nh tÝn hiÖu gèc vµ tÝn hiÖu ph¶n x¹ ngêi ta tiÕn hµnh ph©n lo¹i c¸c ph ¬ng ph¸p ®o xa ®iÖn tö . 15
- Ph¬ng ph¸p xung: Lµ m¸y mµ tÝn hiÖu do bé phËn thu ph¸t ph¸t ra lµ c¸c xung. Thêi gian ®îc x¸c ®Þnh trùc tiÕp b»ng c¸ch ®Õm xung. - Ph¬ng ph¸p tÇn sè - Ph¬ng ph¸p pha: TÝn hiÖu lµ c¸c dao ®éng ®iÒu hoµ h×nh sin liªn tôc. Thêi gian ®îc x¸c ®Þnh gi¸n tiÕp qua hiÖu pha gi÷a tÝn hiÖu gèc vµ tÝn hiÖu ph¶n håi. Ph¬ng ph¸p pha ®îc chia lµm hai lo¹i + Ph¬ng ph¸p ®o hiÖu pha trªn tÇn sè sãng t¶i ®îc gäi lµ ph¬ng ph¸p giao thoa ®îc øng dông cho d¶i tÇn lµ sãng quang häc + §o hiÖu pha trªn tÇn sè ®iÒu biÕn §I.5. ®o kho¶ng c¸ch b»ng Ph¬ng ph¸p xung 1.Kh¸i niÖm xung ®iÖn tö vµ c¸c tham sè cña nã N¨ng lîng ®iÖn tõ thêng ®îc ph¸t ®i chñ yªó díi hai d¹ng: nÕu ph¸t liªn tôc theo thêi gian, nã lµ sãng ®iÖn tõ h×nh sin. NÕu ph¸t ng¾t qu·ng lµ c¸c xung ®iÖn tö. Nh÷ng tham sè ®Æc trng cho mét dao ®éng xung gåm - H×nh d¹ng cña xung : xung h×nh ch÷ nhËt, xung h×nh sin, xung h×nh r¨ng ca Tx τn τx 16
H×nh 1.11 - Chu kú cña xung Tx : khoang thêi gian xuÊt hiÖn cña hai xung kÒ nhau - TÇn sè xung Fx : sè xung xuÊt hiÖn trong mét gi©y Fx = 1/Tx (I.16) - §é dµi cña xung τx : lµ kho¶ng thêi gian tån t¹i cña xung - Kho¶ng thêi gian dõng nghØ cña xung τn:lµ kho¶ng thêi gian t¾t xung thø nhÊt ®Õn thêi ®iÓm xuÊt hiÖn xung thø hai. 2.Nguyªn lý ®o kho¶ng c¸ch b»ng ph¬ng ph¸p xung Khi ®o kho¶ng c¸ch b»ng ph¬ng ph¸p xung ngêi ta ®o trùc tiÕp kho¶ng thêi gian lan truyÒn ng¾n, ®Òu ®Æn cña c¸c xung ph¸t so víi kho¶ng thêi gian dõng kh«ng ph¸t c¸c xung, ® îc ph¸t tõ m¸y ph¸t ®Æt ë ®Çu ®o¹n ®o qua kho¶ng c¸ch cÇn ®o vµ ph¶n x¹ trë l¹i m¸y thu. Kho¶ng c¸ch cÇn ®o ®îc tÝnh theo c«ng thøc. 1 (I.17) D= vτ 2 D 2 Bøc x¹ c¸c xung ph¸t ®i chØ lµm viÖc trong kho¶ng thêi gian rÊt ng¾n b»ng ®é dµi cña xung. (a) (b) (c) 17
H×nh 1.12 Trong thùc tÕ n¨ng lîng bøc x¹ thêng lµ sãng mang cã tÇn sè cao vµ c¸c xung ®îc lång vµo c¸c sãng mang ®ã. §Ó ®¹t ®îc ®iÒu nµy ta tiÕn hµnh ®iÒu biÕn theo biªn ®é hoÆc theo tÇn sè. Th«ng thêng ngêi ta tiÕn hµnh theo biªn ®é. Trong thêi gian ph¸t xung, tiÕn hµnh ph¸t c¸c dao ®éng cã biªn ®é kh«ng ®æi cßn trong thêi gian t¹m nghØ gi÷a c¸c xung th× kh«ng cã bøc x¹ (h×nh 1.12 - a). Khi ®iÒu biÕn theo tÇn sè biªn ®é cña c¸c xung dao ®éng bøc x¹ sÏ kh«ng thay ®æi cßn tÇn sè sÏ biÕn ®æi theo ®é dµi cña xung (h×nh 1.12-b). §Ó nhËn ®îc kÕt qu¶ ®o kho¶ng c¸ch D víi gi¸ trÞ ®¬n trÞ th× chu kú ph¸t xung gi÷a hai xung liªn tiÕp cÇn ph¶i lín h¬n thêi gian hµnh tr×nh cña xung τ2D khi ®i qua kho¶ng c¸ch cÇn ®o vµ quay trë l¹i, khi ®ã tÝn hiÖu ph¶n x¹ sÏ ®Õn m¸y sím h¬n so víi bøc x¹ cña xung tiÕp theo. §é chÝnh x¸c yªu cÇu ®o thêi gian τ2D x¸c ®Þnh theo c«ng thøc. 2m D m mD = τ2D τ = (1.18) 2D v D m §Ó nhËn ®îc kho¶ng c¸ch D ®o víi ®é chÝnh x¸c cì cm th× τ 2 D ph¶i ®¹t cì nano gi©y (10-10 s) 3. S¬ ®å chung cña m¸y ®o kho¶ng c¸ch b»ng ph¬ng ph¸p xung M¸y ph¸t bøc Bé ®iÒu Ph¸t tÝn x¹ Cao tÇn biÕn hiÖu Bé t¹o Bé t¹o xung sãng Bé ph¶n §o thêi Thu tÝn x¹ gian hiÖu 18
H×nh 1.13: S¬ ®å khèi cña m¸y lo¹i xung Sãng ®iÖn tõ ®îc ph¸t ra tõ nguån bøc x¹ nhê bé ®iÒu biÕn ® îc biÕn ®æi thµnh c¸c xung ®iÒu biÕn theo biªn ®é hoÆc ®iÒu biÕn theo tÇn sè. C¸c xung ®iÒu biÕn ®Õn bé ®iÒu biÕn tõ bé t¹o xung. Bé t¹o xung cã nhiÖm vô biÕn ®æi nh÷ng dao ®éng h×nh sin tõ bé t¹o sãng thµnh c¸c xung liªn tiÕp víi víi tÇn sè cè ®Þnh lÆp theo chu kú Tx. Bé t¹o xung bao gåm m¹ch h¹n chÕ biªn ®é vµ m¹ch vi ph©n H×nh 1.14 Sau khi ®i qua m¹ch h¹n chÕ biªn ®é tÝn hiÖu h×nh sin biÕn thµnh tÝn hiÖu h×nh thang, qua m¹ch vi ph©n chØ lÊy c¸c xung cã ®Æc tÝnh d¬ng ta cã c¸c xung h×nh mòi gai. TÝn hiÖu cao tÇn ® îc ®iÒu biÕn bëi c¸c xung ®îc ph¸t vÒ hÖ thèng ph¶n x¹ anten thu bøc x¹ cao tÇn vµ t¸ch lÊy c¸c xung ®Ó ® a ®Õn bé ®o thêi gian. 19
Bé ®o thêi gian cã thÓ lµ èng phãng ®iÖn tö hoÆc bé ®Õm xung. a. èng phãng ®iÖn tö - Y A1 A2 XX - + + Mµn huúnh quang (hiÖn s¸ng) M A1 A2 Y Sãng ®iÖn tö Bé phËn ph© híng n H×nh 1.15 K : Katèt; M : Mµn ®iÒu khiÓn; A1,A2 lµ hai Anèt t¨ng tèc vµ ®iÒu tiªu. X,Y: lµ hai tÊm ®iÒu khiÓn däc vµ ngang. Ho¹t ®éng bé ®o thêi gian - K ph¸t sinh ra ®iÖn tö, luång ®iÖn tö ® îc ®iÒu khiÓn bëi mµn ch¾n M, Anèt A1vµ A2 cã nhiÖm vô gia tèc vµ héi tô c¸c ®iÖn tö khi ®ã trªn mµn h×nh cã mét chÊm s¸ng. - T¹o thÕ hiÖu quÐt ®Ó ®a dÕn tÊm ®iÒu khiÓn ngang. TÝn hiÖu quÐt ®îc t¹o. bëi m¹ch h¹n chÕ biªn ®é vµ m¹ch tÝch ph©n, thu ® îc tÝn hiÖu h×nh r¨ng ca ®Ó ®a ®Õn tÊm ®iÒu khiÓn ngang (h×nh 1.16) 20