X بستن تبلیغات
X بستن تبلیغات
header
متن مورد نظر

طولیابهای الکترونیکی

- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

اندازه گیری طول وزاویه اساس اکثر عملیات نقشه برداری را تشکیل می دهد اندازه گیری مستقیم فاصله یکی از دشوارترین عملیات از نقطه نظر اجرایی است خصوصا اینکه دقت بالایی هم مورد نیاز باشد  در نتیجه روشهای مختلفی برای اندازه گیری غیر مستقیم طول ابداع شده است که یکی از آنها بکارگیری  طولابهای الکترونیکی است .

 امروزه عملا نوارهای متر کشی و روشهای دیگر اندازه گیری غیر مستقیم طول مانند سیر بارلاکتیک وغیره در غالب عملیات نقشه برداری جای خودرا به طولیا بهای  الکترونیکی داده اند همان گونه که با ساخت نوارهای فلزی متر کشی زنجیرهای مساحتی و واحدهای مربوطه وقواعد استفاده از آنها رفته رفته منسوخ شدند با پیدایش طولیا بهای الکترونیکی نیز سر نوشتی مشابه برای نوارهای مترکشی رقم خورد.

 

<!–[if gte mso 9]> Normal 0 false false false EN-US X-NONE AR-SA MicrosoftInternetExplorer4 <!–[if gte mso 9]> <!–[if gte mso 10]> <!–[endif] –><!–[if !mso]> <!–[endif] –><!–[if gte mso 9]> Normal 0 false false false EN-US X-NONE AR-SA MicrosoftInternetExplorer4 <!–[if gte mso 9]> <!–[if gte mso 10]> <!–[endif] –>

طولیابهای الکترونیکی

مقدمه وتاریخچه

۱ـ مقدمه :

اندازه گیری طول وزاویه اساس اکثر عملیات نقشه برداری را تشکیل می دهد اندازه گیری مستقیم فاصله یکی از دشوارترین عملیات از نقطه نظر اجرایی است خصوصا اینکه دقت بالایی هم مورد نیاز باشد  در نتیجه روشهای مختلفی برای اندازه گیری غیر مستقیم طول ابداع شده است که یکی از آنها بکارگیری  طولابهای الکترونیکی است .

         امروزه عملا نوارهای متر کشی و روشهای دیگر اندازه گیری غیر مستقیم طول مانند سیر بارلاکتیک وغیره در غالب عملیات نقشه برداری جای خودرا به طولیا بهای  الکترونیکی داده اند همان گونه که با ساخت نوارهای فلزی متر کشی زنجیرهای مساحتی و واحدهای مربوطه وقواعد استفاده از آنها رفته رفته منسوخ شدند با پیدایش طولیا بهای الکترونیکی نیز سر نوشتی مشابه برای نوارهای مترکشی رقم خورد.

          با پیشرفت علوم الکترونیکی تجهیزات نقشه برداری نیز چهره کاملا جدیدی پیدا کردند اما ارمغان تکنولوژی نوین بیش از آنکه بر اندازه گیری زاویه اثر بگذارد بطور فاحشی نحوه اندازه گیری طول را دگرگون کرد.

          روند پیشرفت فنی تجهیزات نقشه برداری با ساخت طولیابهای الکترونیکی پایان نیافت بلکه با ساخت طولیابهای نسبتا کوچک امکان الحاق آنها به تئودولیتهای اپتیکس و الکترونیکی فراهم آمد.محصول جدید را که توتال استیشن می نامند بتدریج در حال جایگزینی طولیابهای منفرد است با روند موجود یعنی با عرضه روبه تزاید سیستمهای تعیین موقیت جغرافیایی (جی پی اس) از یک سو و ساخت توتال  استیشن ها از سوی دیگر خط تولید اکثر طولیابهای مستقل ومنفرد روبه تعطیلی دارد.

          تکنولوژی ساخت طولیابهای الکترونیکی در انحصار کشورهای پیشرفته صنعتی قرار دارد واز اینرو بنابه علل اقتصادی وفنی تولید اینگونه تجهیزات در اکثر کشورهای دیگر مقرون به صرفه نیست در حال حاضر کشورهای ایالات متحده آمریکا ژاپن سوئد سوئیس آلمان فرانسه بریتالیا وآفریقای جنوبی وروسیه عمده ترین سازندگان طولیابهای الکترونیک هستند با  افزایش لوح رقابتهای تجاری چندی است شرکتهای مشهور اقدام به انتقال کارخانجات خود به چین کرده اند به این ترتیب چین نیز به جرگه تولید کنندگان طولیابهای الکترونیکی پیوسته است .


۲ـ طبقه بندی طولیابها

طولیابها را می توان به روشهای مختلف طبقه بندی کرد یکی از این راها میتوانند براساس طول موجی باشد که آنها ارسال ودریافت میکنند به این ترتیب این طولیابها دردو دسته بزرگ قرار می گیرند :

الف- طولیابهای الکترواپتیکی :به آندسته از دستگاههای اطلاق می شود که نور با محدوده مادون قرمز مجاور نور مرئی ویا لیزر استفاده میکنند .

ب- طولیابهای میکروویو (ورادیویی):به آندسته از دستگاهها اطلاق می شود که از امواج رادیویی و مایکرو وویو (با فرکانسهای بمراتب پائینتر نسبت به دسته اول ) استفاده میکنند .راه دیگر دسته بندی طولیابها برپایه برد موثر آنهاست براین اساس میتوان آنها را در دو گروه بزرگ طبقه بندی کرد.

الف) کوتاه برد : دستگاههای این دسته بردی حداکثر ۵کیلومتر دارند وعموما اندازه آنها در حدی است که می توان آنها برروی یک تئوولیت نصب کرد محدوده فرکانسی آنها در محدوده مادون قرمز و نور مرئی قرار می گیرد اکثر کاربرد این دستگاه ها در کارهای نقشه برداری موضعی است .

ب ) متوسط / دوریرد : حداکثر برد این دستگاه ها قریب به ۱۰۰ کیلومتر می رسد ولی برد عملیاتی آنها در حد ۴۰-۵۰ کیلومتر قراردارد معمولا حجیم و سنگین هستند وبیشتر برای عملیات ژنودری آبنکاری و اقیانوس نگاری ویا ناویری دریایی هوائی استفاده می شود سیستم های که از لیزر استفاده می کنند اگرچه در طبقه بندی قبل در میان سیستم های الکترو اپتیکی قرار گرفتند لیکن نظر به برد آنها دراین نوع طبقه بندی در کنار سیستم های میکروویو قرار می گیرند .

 

 

 

۳ـ تاریخچه

تسلادر سال ۱۸۸۹ استفاده از بازتاب امواج میکروویو را جهت اندازه گیری طول پیش بینی کرده بود نخستین ثبت اختراع در طولیاب با کاربرد امواج الکترو مغناطیسی در سال ۱۹۲۳ توسط نوری انجام گرفت نخستین طولیاب مایکروویو که براساس اصول تداخل کار می کرد در سال ۱۹۲۶ سه دانشمند روسی بنامهای شگولف برورشکو وریلر در ننینگراد ساخته شد.

          فاصله یابی الکترونیکی غیر نقشه برداری در اوایل دهه ۱۹۳۰میلادی ابداع وبطور عملی برای نخستین بار در طول جنگ جهانی دوم توسط نیروهای نظامی آلمان و بریتانیا با کمک امواج رادار انجام می گرفت نحوه اندازه گیری فاصله به این ترتیب بود که امواج رادیویی پس از برخورد با بدنه فلزی هواپیما به فرستنده باز می گشت وبرمبنای جهت آنتن وزمان رفت وبرگشت موج امکان تعیین فاصله جهت حرکت و سرعت تقریبی هواپیمای مورد نظر میسر می شد دقت حاصله اگر چه برای رهگیری هوایی وامور نظامی کفایت   می کرد اما درحد دقتهای مورد عملیات نقشه برداری نبود .

          همانطور که درقسمت عنوان شد دستگاهای طولیاب الکترونیکی دردو دسته بزرگ دستگاههای الکترواپتیکی  و مایکروویو / رادیویی طبقه بندی می شوند لذا از نقطه نظر تاریخی نیز تحولات انجام گرفته در این دودسته بطور جداگانه بررسی می شود با توجه به تقدم و تاخر زمانی ابتدا تاریخچه سیستم های الکترواپتیکی ذکر می شوند.

 در زمینه طولیابهای با کاربرد نقشه برداری در سال ۱۹۳۶سه دانشمند روسی بنامهای لبدیف، بالا کوف و وافیادی از انسستیتو اپتیک اتحاد جماهیر شوروی مدعی ساخت نخستین طولیاب الکترواپتیکی دنیا شدند در پی آن در سال ۱۹۴۰هوتل آلمانی مقاله ای را منتشر کرد که در آن ازیک سلول کر دوبخش ارسال و یک فوتولوله دربخش دریافت استفاده شده بود این مقاله موجب شد تا دانشمند سوئدی اریک برگشترند برانگیخته شود تا براساس این مقاله آزمایشی رادر زمینه اندازه گیری سرعت نور انجام دهد دستگاه ساخته اودر سال ۱۹۴۳ تکمیل شد و ژئودیمتر نام گرفت.

           درآن زمان تعیین دقیق سرعت نور مورد توجه بسیاری از دانشمندان بود ودر وهله اول تصور نمی شد این وسیله کاربردی در نقشه برداری اما در سال ۱۹۳۷ برگ اشترند به کمک شرکت آگا ساخته اش را بصورت یک محصول تجاری بعنوان نخستین طولیاب تجاری جهان با نام ان اس ام ۲ به بازار فروش ارائه کرد این دستگاه با استفاده از نور مرئی قادر بود فواصل تا۴۰کیلومتر را (فقط در شب ها ) اندازه گیری کند از آن به بعد شرکت آگا    ژئودیمتر همواره با ساخت دستگاههای جدیدتر در ردیف شرکتهای معتبر سازنده تجهیزات الکترونیکی نقشه برداری قرار داشته است.

            رخداد مهم دیگر در زمینه دستگاههای الکترواپتیکی در سال ۱۹۵۴ اتفاق افتاد وآن کشف تکنیک هترودین بود که امکان تعیین اختلاف زاویه فاز را تحت فرکانسهای پائینتر مممکن ساخت نخستین دستگاهی که از این روش استفاده کرد دستگاه ژئودیمتر مدل ۱۶بود سیستمهای لیزری ازسال ۱۹۶۸ اندک اندک در میان طولیابهای الکترواپتیکی ظاهر شدند و نخستین آنها ژئودیمتر مدل ۸بابرد ۶۰کیلومتر بود.

            اما نخستین طولیاب ساخته شده براساس استفاده از امواج مایکروویو و اندازه گیری اختلاف فاز توسط دکتر وادلی در سال ۱۹۵۴ساخته شد .

            تا آن زمان برای حصول دقت وبرد بالای سیستمهای الکترواپتیکی اندازه گیری طول می بایست الزاما در شب انجام می گرفت که با استفاده از امواج مایکروویو این اشکال مرتفع شد. در سال ۱۹۵۷ دکتر وادلی ساخته اش رادر آفریقای جنوبی بصورت تجاری با نام تئورومتر عرضه کرد که بلافاصله جهت شبکه درجه یک ژئودزی استرالیا بکار گرفته شد این ساخته با استفاده از امواج نامرئی مایکروویو به بردی معادل ۸۰کیلومتر دست یافته شرایط محیطی از قبیل شب وروز وحتی به تاثیر اندک و یا حداقل اثر قابل محاسبه ای داشت تئورومترها  کاربردی وسیع در عملیات ژئودزی یافتند وبعد از مدتی به همین سبب به هر طولیاب الکترونیکی که از امواج مایکروویو استفاده می کرد به اشتباه تئورومتر نام می دادند حتی اگر ساخت شرکت دیگری مانند زیمنس بود باید توجه داشت که تئورومتر تنها یک نام تجاری است.

            در اواخر دهه ۱۹۶۰استفاده از لیزر در محدوده امواج مایکروویو نیز عملی شد وبا پیشرفت فنون الکترونیکی امکان ساخت طولیابهای جمع و جورتری مانند سی ای ۱۰۰۰ ساخت شرکت تلورومتر فراهم شد .

            شوق نقشه بردارها در نتیجه امکان اندازه گیری مستقیم فواصل طولانی و رهائی از کار توانفرسای کشیدن  نوارهای مترکشی و تمهیدات دست و پاگیر حصول  دقتهای مورد نیاز بسیار زیاد بود لذا این امر باعث  شد تا در روزهای اولیه طولیابهای  الکترونیکی به خستگی ناشی از محاسبات عدیده برای استخراج مقدار طول از میان انبوهی از اعداد مشاهداتی توجه چندانی نشود اما بزودی نیاز به افزایش دقت و فزونی سرعت اندازه گیری و حذف روشهای مطول محاسبه طول به امری اجتناب ناپذیر جلوه گر شد و کار تا آنجا پیش رفت که امروزه اغلب دستگاهها تنها با زدن یک کلید طول تصحیح شده را به دست می دهند .

در اواسط دهه ۱۹۶۰ میلادی تکنولوژی ساخت نیمه هادیها ودر پی ساخت آن ساخت مدارهای مجتمع یا (آی سی )ها باعث شد تا شرکتها موفق به تولید انبوه طولیابهای کوچک الکترونیک شوند. به این ترتیب دستگاههائی که تنها کاربردی محدود در زمینه ژئودزی داشتند وفقط توسط کاربران ماهر قابل استفاده بودند کاربردی وسیع وعام تر یافتند دیگر نتیجه موج نوین الکترونیک این بود که تعداد سازندگان طولیابهای الکترونیک که زمانی از تعداد انگشتان یک دست فراتر نمیرفت به یکباره به بیش از دهها  شرکت افزایش یابد در فصول بعد ضمن آشنایی با تعداد بیشتری از دستگاههای طولیاب الکترونیکی تاریخچه هریک به تفصیل ذکر خواهد شد .

 

 

 4 ـ اصول اولیه کار طولیابها

گرچه برای درک اصولی و عمیق کارکرد یک طولیاب باید اطلاعاتی در زمینه فیزیک الکترونیک، مخابرات و… داشت لیکن آگاهی از اصول کار دستگاههای طولیاب بشکلی کلی حتی با دانش علم و دروس دبیرستانی میسر است لذا قبل از آنکه اساس اصلی ترین روش های اندازه گیری طول یعنی روش اندازه گیری اختلاف فاز و روش پالس میان جزئیات مبهم بماند در قدم اول این روشها مورد توجه قرار می گیرند طبیعی است با آشنائی بیشتر با مباحث فصول بعدی ایده های خام اولیه کامل و کاملتر شده و علت وجودی هر جزء طولیاب بهتر دانست  همانطور که در دروس اولیه نقشه برداری گفته شده طولیاب موجی را ارسال می کند و پس از بازتاب آنرا دریافت می کند در برخی از دستگاهها این موج توسط دستگاهی مشابه دریافت و پس از تقویت باز پس فرستاده می شود (دستگاههای تلورومتر ) به عبارت دیگر برای اندازه گیری نیاز به دو دستگاه وجود دارد در دسته دیگر موج ارسالی توسط یک مانع  مانند آینه بازتاب کننده یا رفلکتور (در دستگاههای مادون قرمز ) ویا سطح یک جسم (برخی از دستگاههای لیزری ) به دستگاه باز می گردد با نخستین فرمول دانش فیزیک در زمینه سرعت یکنواخت با در دست داشتن سرعت امواج وزمان طی مسیر میتوان طول را بدست آورد البته باید توجه داشت چون موج  مسیر مورد نیاز اندازه گیری را یکبار هنگام ارسال و یکبار هنگام بازگشت پیمود طول بدست آمده راباید بر۲تقسیم کرد.

 گرچه در کل این تغییر میتواند قابل قبول باشد لیکن در بررسی جزئیات امر در   می یابیم که این گونه برداشت تنها در مورد بخش کوچکی از طولیابها یعنی طولیابهای مبتنی یر روش پالس صحیح است و تعمیم آن اشتباهی بزرگ است زیرا اصولا در اکثر طولیابها بهیچ وجه اندازه گیری زمان رفت وبرگشت بطور مستقیم انجام نمی گیرد علت اصلی این کار وابستگی شدید اندازه گیری زمان است برای وقوف کامل ازاین واقعیت مثال زیرا مورد بررسی قرار می دهیم .

مثال ۱- سرعت امواج مادون قرمز در یک دستگاه طولیاب ۳×108 متر برثانیه است

الف- مطلوب است خطای طول اگر دقت اندازه گیری زمان ۱۰ثانیه باشد .

ب- مطلوب است دقت اندازه گیری در صورتیکه دقتی در حد یک متر لازم باشد .

پاسخ الف)                                                                                                                                                                        x=n

dx=ndt

                                                                                                                                    dx=3310310=33102m!! 

 

ب)                                            dt = dx/ n =1/3310≈10-8 sec                        

 

            جالب است بدانیم تنها ساعتهای اتمی با ابعاد قابل توجه دارای دقتهای چنین هستند در عمل نیز آندسته از طولیابهاکه از اندازه گیری زمان استفاده می کنند بطورغیر مستقیم زمان واز طریق شمارش پالس زمان را بدست می آورند این روش را روشی پالسی  تعیین فاصله می نامند روش دیگر روش اختلاف فاز است که اکثر طولیابهای امروزی از این روش استفاده می کنند ودر ادامه به آن پرداخته می شود.

 

که در آن D طول مورد نظر اندازه گیری X طول موج n مضارب صحیح طول موجود در D وP جزء کسری طول موج است در عمل طولیابها با استفاده ازمدارات الکترونیکی خود قادر به اندازه گیری مقدار P هستند ولی مقدار n بصورت مبهم باقی می ماند لذا تنها بکمک یک موج نمی توان هدو مجهول  Dوn را بدست آورد دستگاههای طولیاب راههای مختلفی را برای بدست آوردن طول و حصول مجازی مقدار مبهم n (به تعبیری رفع ابهام) اتخاذ می کنند یکی از این معمول ترین راهها استفاده از چند موج (۲-۶فرکانس ) است .

اصطلاحا مقدار P را اختلاف زاویه فاز موج می گویند ومقدار آن بستگی به اختلاف زاویه فاز موج ارسالی وبرگشتی دارد مفهوم فیزیکی و توضیحات بیشتر درمورد مفهوم زاویه فاز در فصل بعد خواهد آمد در عمل رابطه اساسی طولیابی را بصورت زیر مورد استفاده قرار می دهند .

معادله ۱-۱                                               S=  ½(nl+φλ/360)

 

مثال ۲- یکی از طولیابهای ساخته شرکت هیولت پاکارد از ۴فرکانس استفاده می کنند با توجه به جدول زیر فاصله اندازه گیری شده بدست آمده است .

 

 

 

فرکانس

اختلاف فازφ

طول موج(متر)

۱/۲(φl/360)

۱۴٫۹۸۹۶۲۵MHz

۲۵۷°

۲۰

۷٫۱۳۹

۱٫۴۹۸۹۶۲۵MHz

۶۲°

۲۰۰

۱۷

۱۴۹٫۸۹۶۲۵KHz

۱۵۰°

۲۰۰۰

۴۱۶

۱۴٫۹۸۹۶۲۵KHz

۱۲۳°

۲۰,۰۰۰

۳۴۱۶

    طول نهایی:۱۳۹ر۳۴۱۷

 

منبع : بزرگترین مرجع علمی ایران

ارسال نظر