Principiul de bază al tahimetrelor
electronice este acela că toate aparatele emit o undă electromagnetică de la un
emiţător spre un reflector, care după reflexie ajunge la un receptor şi apoi
este prelucrată. Preponderent se folosesc unde electromagnetice cu lungimea de
undă 0,5 mm – 1,0 mm. Se pot formula trei principii de
măsurare, două dintre ele folosesc unda emisă ca şi semnal pe care se fac
măsurătorile, iar al treilea principiu
modulează unda emisă suprapunând acesteia un alt semnal pe care se execută
măsurătoarea. Pot fi astfel enumerate următoarele procedee:
è procedeul cu impulsuri – la care
emiţătorul emite în intervale foarte
scurte de timp semnale, iar fascicolul serveşte şi la măsurarea distanţei;
è procedeul prin interferenţă – semnalul
emis este folosit şi ca semnal pe care se face măsurătoarea;
è procedeul fazic – semnalului continuu
emis i se modulează un semnal pe care se face măsurătoarea.
În
prezent cel mai des utilizat procedeu este cel fazic.Procedeul cu impulsuri:
Măsurarea
distanţei se bazează pe determinarea timpului de propagare.Dacă se
măsoară timpul t al unui impuls, care
străbate distanţa emiţător – reflector şi înapoi, atunci se poate obţine direct
distanţa căutată D.
Măsurarea
timpului de propagare se realizează cu ajutorul unui contor electronic.
La
emiterea impulsului, o mică parte a acestuia este deviată pe receptor, care
pune în funcţiune contorul. Contorul înregistrează atâta timp, până când
semnalul reflectat de reflector stopează înregistrarea. Viteza luminii având o
valoare foarte mare se pun condiţii deosebite la precizia cu care trebuie
măsurat timpul de propagare. Pornind de la relaţia de calcul a distanţei, având
t = 2D/c, rezultă precizia măsurării timpului st la o precizie
pentru măsurarea distanţei.Dacă
trebuie măsurată cu o precizie de ±5mm, rezultă precizia de măsurare a timpului de
propagare st= 0,33*10-10s = 0,033ns. Este de remarcat
faptul, că cerinţele de precizie foarte ridicată pentru măsurarea timpului de
propagare sunt independente de distanţă. Pentru a răspunde la cerinţele de
precizie foarte ridicate pentru măsurarea timpului de propagare, la
instrumentele geodezice se folosesc două procedee: procedeul digital şi
procedeul analog – digital.La
aparatele cu măsurare digitală a timpului de propagare, se folosesc oscilatoare
cu frecvenţă foarte mare: 300MHz. Impulsul emis porneşte oscilatorul, care
contorizează tactul până când impulsul reflectat de reflector închide
contorizarea.Oscilaţiile contorizate pe durata
timpului de propagare corespund distanţei parcurse de undă. Cu această tehnică
a frecvenţei ridicate se ajunge la o rezoluţie în domeniul decimetric.Prin
măsurători repetate şi efectuarea mediilor, creşte potenţialul de precizie până
la domeniul milimetric.
Măsurarea
analog – digitală a timpului este executată cu un oscilator cu o frecvenţă de
15MHz. Pe durata timpului de propagare este contorizat numărul n al
oscilaţiilor complete. Nu sunt măsurate fracţiunile dintr-o oscilaţie. Dacă
frecvenţa este de 15MHz, rezultă că rezoluţia în m pentru măsurarea distanţei
este de 10m, care trebuie evident îmbunătăţită.Acest
procedeu analog – digital permite o rezoluţie în domeniul milimetric deja de la
o singură măsurătoare. Şi la acest procedeu, pentru creşterea rezoluţiei, sunt
generate şi prelucrate un număr mare de impulsuri într-un interval de timp.
Frecvenţa de generare a acetor impulsuri este şi ea limitată. Pentru a efectua
o măsurătoare univocă, este necesar ca impulsul emis să fie recepţionat şi
prelucrat, înainte de emiterea unui nou impuls.
Avantajele procedeului cu impulsuri sunt:
è pot fi
realizate măsurători univoce, cu rezoluţii foarte mari, în intervale de timp
scurte;
è pot fi
măsurate distanţe mari întrucât impulsurile au o energie destul de ridicată;
è există
posibilitatea măsurării unor distanţe reduse fără receptor special, chiar spre
obiecte inaccesibile din teren;
Dezavantajele procedeului cu impulsuri sunt:
èdin
motive de securitate, energia impulsului nu poate fi mărită peste limita admisă
de măsurători;
è sunt
necesare realizări tehnice deosebite, pentru a putea cuprinde efectul
perturbator al parametrilor atmosferici asupra impulsului.
Procedeul cu interferenta:
Acest
procedeu presupune suprapunerea a două unde luminoase de aceeaşi lungime de
undă. Generarea celor două unde luminoase este realizată cu un laser, a cărui
radiaţie coerentă (cu frecvenţă
constantă şi faze egale) este descompusă de un interferometru în două raze de
aceeaşi intensitate. Dacă aceste două raze parcurg drumuri optice diferite şi
ulterior sunt suprapuse, ele se vor amplifica sau diminua funcţie de diferenţa
de fază dintre ele.Dacă
ambele semnale sunt de aceeaşi fază se obţine cea mai mare amplificare, iar
dacă sunt defazate cu l/2 ele se
anulează.Diferenţa
de fază depinde de drumul optic parcurs de cele două raze. Dacă ambele raze
sunt dirijate spre un fotodetector şi se variază continuu drumul optic al uneia
dintre raze, fotodetectorul va înregistra o serie de alternanţe întunecat –
luminos. Numărul acestor alternanţe, reprezintă o măsură pentru variaţia
distanţei. Acest procedeu este utilizat la interferometrul Michelson. Aici
lumina coerentă de lungime de undă l emisă de un laser este descompusă de un
interferometru în două radiaţii, una dintre ele fiind dirijată spre un
reflector fix în spaţiu, iar cealaltă spre unul mobil. Razele reflectate sunt
recepţionate de acelaşi interferometru unde sunt suprapuse şi dirijate spre un
fotodetector.
Presupunem,
pentru început, că cele două semnale luminoase care ajung la fotodetector au
aceeaşi fază. Fotodetectorul va oferi o tensiune maximă, corespunzătoare
luminozităţii maxime obţinute din suprapunerea celor două semnale. Dacă
reflectorul mobil se va deplasa cu o valoare de l/4, al doilea semnal va parcurge un drum optic mai
lung cu l/2.
Compunerea celor două semnale în fotodetector va genera o anulare a semnalului
compus, întrucât cele două semnale sunt defazate cu l/2. La o nouă deplasare a reflectorului mobil cu l/4, va apare din nou un maxim de luminozitate deci
şi de tensiune. Dacă aceste variaţii de maxime N sunt contorizate,
rezultă pentru deplasarea totală a reflectorului mobil distanţa dată de: D=N*(l/2).
Rezoluţia
acestui procedeu este de l/2. La o lungime de undă de 0,6mm vom avea o rezoluţie de 0,3mm. Chiar şi această rezoluţie poate fi mărită prin
interpolare electronică.
Acest
procedeu oferă o rezoluţie superioară care poate fi mărită până la 0,1mm, însă numai pentru distanţe foarte scurte, întrucât
parametrii atmosferici influenţează rezultatul. La o distanţă de 50m se poate
atinge o precizie de 5*10-7.
Avantajele
procedeului interferometric sunt:
è este
metoda cea mai precisă pentru determinarea distanţelor;
è are
rezoluţia cea mai ridicată pentru măsurarea distanţelor.
Dezavantajele
acestei metode sunt următoarele:
è
aparatura bazată pe această tehnică este foarte costisitoare, iar măsurătoarea
este foarte laborioasă;
è
procedeul poate fi aplicat numai dacă reflectorul mobil se deplasează riguros
în lungul axei optice a laserului;
è
procedeul se poate aplica raţional numai pentru lungimi de 50m.
è pentru
realizarea interferenţei sunt necesare reglaje de precizie deosebit de
ridicate;
è prin
acest procedeu nu se obţin informaţii referitoare la direcţia de deplasare a
reflectorului mobil.
În concluzie,
procedeul interferometric îşi găseşte aplicaţie mai mult în laboratoarele de
etalonare şi calibrare şi mai puţin în practica geodezică.
Procedeul fazic:
La acest
procedeu, o undă purtătoare este modulată cu un semnal sinusoidal ce serveşte
la măsurarea distanţelor.Frecvenţa de modulare este a
priori fixată şi se consideră stabilă, astfel încât lungimea de undă a
semnalului modulat va fi: l=c/f .
Unda
modulată este emisă spre un reflector, care reflectă semnalul înapoi la un
receptor.După
parcurgerea distanţei dus – întors, unda va fi defazată faţă de cea emisă.Dublul
distanţei va fi dat de un multiplu de N lungimi de undă l a undei modulate şi diferenţa de fază Dl.
În
continuare trebuie determinate fracţiunile de lungimi de undă Dl şi numărul total de lungimi de undă N.Într-o
primă fază se determină fracţiunea de lungime de undă Dl prin măsurarea diferenţei de fază dintre semnalul
emis şi cel reflectat.Semnalul emis
este de forma: YA
= A*sinwt
Prin
determinarea fracţiunii de lungime de undă Dl, măsurătoarea nu este însă univocă, întrucât
numărul de lungimi de undă N rămâne necunoscut. Un rezultat univoc ar pute fi
obţinut doar dacă lungimea de undă ar fi mai mare decât dublul distanţei de
măsurat. Rezoluţia la procedeul fazic fiind însă doar în limita de 1:5 000 până
la 1:10 000 din lungimea de undă, rezultă o precizie foarte scăzută. La o
lungime de undă de 10 km, precizia de determinare a distanţei ar fi limitată la
1¸2 m, şi în consecinţă ar fi posibilă doar
determinarea unei distanţe aproximative. Dacă se doreşte o precizie superioară
trebuie lucrat practic cu două lungimi de undă, una pentru determinarea valorii
aproximative şi alta pentru măsurătoarea de precizie. Măsurătoarea de precizie
cu o lungime de undă scurtă l1 ar oferi prin rezoluţia Dl1 rezultatul dorit. Valoarea Dl2 al măsurătorii grosiere cu lungimea de undă l2 (cu l2> 2D) serveşte în această situaţie doar la
determinarea numărului întreg de lungimi de undă N pentru l1. Pentru distanţa căutată vom putea scrie relaţiile:
2D = Nl1 + Dl1
2D@ Dl2
La
aparatele moderne compunerea măsurătorii grosiere şi a celei fine este
realizată de un microprocesor.
Pentru
determinarea diferenţei de fază sunt utilizate în prezent trei tehnici
diferite:
-măsurarea
analogică a fazei;
-măsurarea
fazei cu frecvenţă de modulaţie variabilă;
-măsurarea
digitală a fazei;
Avantajele
procedeului fazic sunt:
è este un
procedeu bine testat, utilizat astăzi la foarte multe tahimetre electronice;
è
procedeul nu este sensibil la întreruperea temporară a undei.
Dezavantajele
metodei sunt:
è o
măsurătoare univocă nu este posibilă cu un singur semnal, deci cu o singură lungime de undă;
è este
procedeul ce necesită o optică complexă
şi sofisticată;
è
alimentarea cu energie necesită baterii puternice şi durabile;
