اندازه گیری طول وزاویه اساس اكثر عملیات نقشه برداری را تشكیل می دهد اندازه گیری مستقیم فاصله یكی از دشوارترین عملیات از نقطه نظر اجرایی است خصوصا اینكه دقت بالایی هم مورد نیاز باشد در نتیجه روشهای مختلفی برای اندازه گیری غیر مستقیم طول ابداع شده است كه یكی از آنها بكارگیری طولابهای الكترونیكی است .
امروزه عملا نوارهای متر كشی و روشهای دیگر اندازه گیری غیر مستقیم طول مانند سیر بارلاكتیك وغیره در غالب عملیات نقشه برداری جای خودرا به طولیابهای الكترونیكیداده اند همان گونه كه با ساخت نوارهای فلزی متر كشی زنجیرهای مساحتی و واحدهای مربوطه وقواعد استفاده از آنها رفته رفته منسوخ شدند با پیدایش طولیا بهای الكترونیكی نیز سر نوشتی مشابه برای نوارهای متركشی رقم خورد.
1 - مقدمه :
اندازه گیری طول وزاویه اساس اكثر عملیات نقشه برداری را تشكیل می دهد اندازه گیری مستقیم فاصله یكی از دشوارترین عملیات از نقطه نظر اجرایی است خصوصا اینكه دقت بالایی هم مورد نیاز باشد در نتیجه روشهای مختلفی برای اندازه گیری غیر مستقیم طول ابداع شده است كه یكی از آنها بكارگیری طولابهای الكترونیكی است .
امروزه عملا نوارهای متر كشی و روشهای دیگر اندازه گیری غیر مستقیم طول مانند سیر بارلاكتیك وغیره در غالب عملیات نقشه برداری جای خودرا به طولیا بهای الكترونیكی داده اند همان گونه كه با ساخت نوارهای فلزی متر كشی زنجیرهای مساحتی و واحدهای مربوطه وقواعد استفاده از آنها رفته رفته منسوخ شدند با پیدایش طولیا بهای الكترونیكی نیز سر نوشتی مشابه برای نوارهای متركشی رقم خورد.
با پیشرفت علوم الكترونیكی تجهیزات نقشه برداری نیز چهره كاملا جدیدی پیدا كردند اما ارمغان تكنولوژی نوین بیش از آنكه بر اندازه گیری زاویه اثر بگذارد بطور فاحشی نحوه اندازه گیری طول را دگرگون كرد.
روند پیشرفت فنی تجهیزات نقشه برداری با ساخت طولیابهای الكترونیكی پایان نیافت بلكه با ساخت طولیابهای نسبتا كوچك امكان الحاق آنها به تئودولیتهای اپتیكس و الكترونیكی فراهم آمد.محصول جدید را كه 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 یك سو و ساخت توتال استیشن ها از سوی دیگر خط تولید اكثر طولیابهای مستقل ومنفرد روبه تعطیلی دارد.
تكنولوژی ساخت طولیابهای الكترونیكی در انحصار كشورهای پیشرفته صنعتی قرار دارد واز اینرو بنابه علل اقتصادی وفنی تولید اینگونه تجهیزات در اكثر كشورهای دیگر مقرون به صرفه نیست در حال حاضر كشورهای ایالات متحده آمریكا ژاپن سوئد سوئیس آلمان فرانسه بریتالیا وآفریقای جنوبی وروسیه عمده ترین سازندگان طولیابهای الكترونیك هستند با افزایش لوح رقابتهای تجاری چندی است شركتهای مشهور اقدام به انتقال كارخانجات خود به چین كرده اند به این ترتیب چین نیز به جرگه تولید كنندگان طولیابهای الكترونیكی پیوسته است .
2- طبقه بندی طولیابها
طولیابها را می توان به روشهای مختلف طبقه بندی كرد یكی از این راها میتوانند براساس طول موجی باشد كه آنها ارسال ودریافت میكنند به این ترتیب این طولیابها دردو دسته بزرگ قرار می گیرند :
الف- طولیابهای الكترواپتیكی :به آندسته از دستگاههای اطلاق می شود كه نور با محدوده مادون قرمز مجاور نور مرئی ویا لیزر استفاده میكنند .
ب- طولیابهای میكروویو (ورادیویی):به آندسته از دستگاهها اطلاق می شود كه از امواج رادیویی و مایكرو وویو (با فركانسهای بمراتب پائینتر نسبت به دسته اول ) استفاده میكنند .راه دیگر دسته بندی طولیابها برپایه برد موثر آنهاست براین اساس میتوان آنها را در دو گروه بزرگ طبقه بندی كرد.
الف) كوتاه برد : دستگاههای این دسته بردی حداكثر 5كیلومتر دارند وعموما اندازه آنها در حدی است كه می توان آنها برروی یك تئوولیت نصب كرد محدوده فركانسی آنها در محدوده مادون قرمز و نور مرئی قرار می گیرد اكثر كاربرد این دستگاه ها در كارهای نقشه برداری موضعی است .
ب ) متوسط / دوریرد : حداكثر برد این دستگاه ها قریب به 100 كیلومتر می رسد ولی برد عملیاتی آنها در حد 40-50 كیلومتر قراردارد معمولا حجیم و سنگین هستند وبیشتر برای عملیات ژنودری آبنكاری و اقیانوس نگاری ویا ناویری دریایی هوائی استفاده می شود سیستم های كه از لیزر استفاده می كنند اگرچه در طبقه بندی قبل در میان سیستم های الكترو اپتیكی قرار گرفتند لیكن نظر به برد آنها دراین نوع طبقه بندی در كنار سیستم های میكروویو قرار می گیرند .
3- تاریخچه
تسلادر سال 1889 استفاده از بازتاب امواج میكروویو را جهت اندازه گیری طول پیش بینی كرده بود نخستین ثبت اختراع در طولیاب با كاربرد امواج الكترو مغناطیسی در سال 1923 توسط نوری انجام گرفت نخستین طولیاب مایكروویو كه براساس اصول تداخل كار می كرد در سال 1926 سه دانشمند روسی بنامهای شگولف برورشكو وریلر در ننینگراد ساخته شد.
فاصله یابی الكترونیكی غیر نقشه برداری در اوایل دهه 1930میلادی ابداع وبطور عملی برای نخستین بار در طول جنگ جهانی دوم توسط نیروهای نظامی آلمان و بریتانیا با كمك امواج رادار انجام می گرفت نحوه اندازه گیری فاصله به این ترتیب بود كه امواج رادیویی پس از برخورد با بدنه فلزی هواپیما به فرستنده باز می گشت وبرمبنای جهت آنتن وزمان رفت وبرگشت موج امكان تعیین فاصله جهت حركت و سرعت تقریبی هواپیمای مورد نظر میسر می شد دقت حاصله اگر چه برای رهگیری هوایی وامور نظامی كفایت می كرد اما درحد دقتهای مورد عملیات نقشه برداری نبود .
همانطور كه درقسمت عنوان شد دستگاهای طولیاب الكترونیكی دردو دسته بزرگ دستگاههای الكترواپتیكی و مایكروویو / 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 الكترواپتیكی ذكر می شوند.
در زمینه طولیابهای با كاربرد نقشه برداری در سال 1936سه دانشمند روسی بنامهای لبدیف، بالا كوف و وافیادی از انسستیتو اپتیك اتحاد جماهیر شوروی مدعی ساخت نخستین طولیاب الكترواپتیكی دنیا شدند در پی آن در سال 1940هوتل آلمانی مقاله ای را منتشر كرد كه در آن ازیك سلول كر دوبخش ارسال و یك فوتولوله دربخش دریافت استفاده شده بود این مقاله موجب شد تا دانشمند سوئدی اریك برگشترند برانگیخته شود تا براساس این مقاله آزمایشی رادر زمینه اندازه گیری سرعت نور انجام دهد دستگاه ساخته اودر سال 1943 تكمیل 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 كاربردی در نقشه برداری اما در سال 1937 برگ اشترند به كمك شركت آگا ساخته اش را بصورت یك محصول تجاری بعنوان نخستین طولیاب تجاری جهان با نام ان اس ام 2 به بازار فروش ارائه كرد این دستگاه با استفاده از نور مرئی قادر بود فواصل تا40كیلومتر را (فقط در شب ها ) اندازه گیری كند از آن به بعد شركت آگا – ژئودیمتر همواره با ساخت دستگاههای جدیدتر در ردیف شركتهای معتبر سازنده تجهیزات الكترونیكی نقشه برداری قرار داشته است.
رخداد مهم دیگر در زمینه دستگاههای الكترواپتیكی در سال 1954 اتفاق افتاد وآن كشف تكنیك هترودین بود كه امكان تعیین اختلاف زاویه فاز را تحت فركانسهای پائینتر مممكن ساخت نخستین دستگاهی كه از این روش استفاده كرد دستگاه ژئودیمتر مدل 16بود سیستمهای لیزری ازسال 1968 اندك اندك در میان طولیابهای الكترواپتیكی ظاهر شدند و نخستین آنها ژئودیمتر مدل 8بابرد 60كیلومتر بود.
اما نخستین طولیاب ساخته شده براساس استفاده از امواج مایكروویو و اندازه گیری اختلاف فاز توسط دكتر وادلی در سال 1954ساخته شد .
تا آن زمان برای حصول دقت وبرد بالای سیستمهای الكترواپتیكی اندازه گیری طول می بایست الزاما در شب انجام می گرفت كه با استفاده از امواج مایكروویو این اشكال مرتفع شد. در سال 1957 دكتر وادلی ساخته اش رادر آفریقای جنوبی بصورت تجاری با نام تئورومتر عرضه كرد كه بلافاصله جهت شبكه درجه یك ژئودزی استرالیا بكار گرفته شد این ساخته با استفاده از امواج نامرئی مایكروویو به بردی معادل 80كیلومتر دست یافته شرایط محیطی از قبیل شب وروز وحتی به تاثیر اندك و یا حداقل اثر قابل محاسبه ای داشت تئورومترها كاربردی وسیع در عملیات ژئودزی یافتند وبعد از مدتی به همین سبب به هر طولیاب الكترونیكی كه از امواج مایكروویو استفاده می كرد به اشتباه تئورومتر نام می دادند حتی اگر ساخت شركت دیگری مانند زیمنس بود باید توجه داشت كه تئورومتر تنها یك نام تجاری است.
در اواخر دهه 1960استفاده از لیزر در محدوده امواج مایكروویو نیز عملی شد وبا پیشرفت فنون الكترونیكی امكان ساخت طولیابهای جمع و جورتری مانند سی ای 1000 ساخت شركت تلورومتر فراهم شد .
شوق نقشه بردارها در نتیجه امكان اندازه گیری مستقیم فواصل طولانی و رهائی از كار توانفرسای كشیدن نوارهای متركشی و تمهیدات دست و پاگیر حصول دقتهای مورد نیاز بسیار زیاد بود لذا این امر باعث شد تا در روزهای اولیه طولیابهای الكترونیكی 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 كار تا آنجا پیش رفت كه امروزه اغلب دستگاهها تنها با زدن یك كلید طول تصحیح شده را به دست می دهند .
در اواسط دهه 1960 میلادی تكنولوژی ساخت نیمه هادیها ودر پی ساخت آن ساخت مدارهای مجتمع یا (آی سی )ها باعث شد تا شركتها موفق به تولید انبوه طولیابهای كوچك الكترونیك شوند. به این ترتیب دستگاههائی كه تنها كاربردی محدود در زمینه ژئودزی داشتند وفقط توسط كاربران ماهر قابل استفاده بودند كاربردی وسیع وعام تر یافتند دیگر نتیجه موج نوین الكترونیك این بود كه تعداد سازندگان طولیابهای الكترونیك كه زمانی از تعداد انگشتان یك دست فراتر نمیرفت به یكباره به بیش از دهها شركت افزایش یابد در فصول بعد ضمن آشنایی با تعداد بیشتری از دستگاههای طولیاب الكترونیكی تاریخچه هریك به تفصیل ذكر خواهد شد .
4 ـ اصول اولیه كار طولیابها
گرچه برای درك اصولی و عمیق كاركرد یك طولیاب باید اطلاعاتی در زمینه فیزیـــــــك الكترونیك، مخابرات و... داشت لیكن آگاهی از اصول كار دستگاههای طولیاب بشكـــلی كلی حتی با دانش علم و دروس دبیرستانی میسر است لذا قبل از آنكه 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 كامل و كاملتر شده و علت وجودی هر جزء طولیاب بهتر دانست همانطور كه در دروس اولیه نقشه برداری گفته شده طولیاب موجی را ارسال می كند و پس از بازتاب آنرا دریافت می كند 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 یك مانع مانند آینه بازتاب كننده یا رفلكتور (در دستگاههای مادون قرمز ) ویا سطح یك جسم (برخی از دستگاههای لیزری ) به دستگاه باز می گردد با نخستین فرمول دانش فیزیك در زمینه سرعت یكنواخت 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 یكبار هنگام ارسال و یكبار هنگام بازگشت پیمود طول بدست آمده راباید بر2تقسیم كرد.
گرچه در كل این تغییر میتواند قابل قبول باشد لیكن در بررسی جزئیات امر در می یابیم كه این گونه برداشت تنها در مورد بخش كوچكی از طولیابها یعنی طولیابهای مبتنی یر روش پالس صحیح است و تعمیم آن اشتباهی بزرگ است زیرا اصولا در اكثر طولیابها بهیچ وجه اندازه گیری زمان رفت وبرگشت بطور مستقیم انجام نمی گیرد علت اصلی این كار وابستگی شدید اندازه گیری زمان است برای وقوف كامل ازاین واقعیت مثال زیرا مورد بررسی قرار می دهیم .
مثال 1- سرعت امواج مادون قرمز در یك دستگاه طولیاب 3×108 متر برثانیه است:
الف- مطلوب است خطای طول اگر دقت اندازه گیری زمان 10ثانیه باشد .
ب- مطلوب است دقت اندازه گیری در صورتیكه دقتی در حد یك متر لازم باشد .
پاسخ الف) x=nt
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 طولیابهاكه از اندازه گیری زمان استفاده می كنند 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 كه اكثر طولیابهای امروزی از این روش استفاده می كنند ودر ادامه به آن پرداخته می شود.
بطور كلی با توجه به رابطه طول موج وفاصله مورد اندازه گیری میتوان نوشت: D=nl+Pλ
كه در آن D طول مورد نظر اندازه گیری X طول موج n مضارب صحیح طول موجود در D وP جزء كسری طول موج است در عمل طولیابها با استفاده ازمدارات الكترونیكی خود قادر به اندازه گیری مقدار P هستند ولی مقدار n بصورت مبهم باقی می ماند لذا تنها بكمك یك 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 كنند یكی از این معمول ترین راهها استفاده از چند موج (2-6فركانس ) است .
اصطلاحا مقدار P را اختلاف زاویه فاز موج می گویند ومقدار آن بستگی به اختلاف زاویه فاز موج ارسالی وبرگشتی دارد مفهوم فیزیكی 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 1-1 S= ½(nl+φλ/360)
مثال 2- یكی از طولیابهای ساخته شركت هیولت پاكارد از 4فركانس استفاده می كنند با توجه به جدول زیر فاصله اندازه گیری شده بدست آمده است.
لطفا بر روی آیکن گوگل پلاس (g+1) کلیک نمایید و ما را در گوگل محبوب کنید.
عضو شوید
عضویت سریع
آمار مطالب
آمار بازدید
