Elektronische Meßverfahren in der Geodäsie
Grundlagen und Anwendungen
VON
0
DR.-ING. HERIBERT KAHMEN
Mit 331 Abbildungen
HERBERT WICHMANN VERLAG KARLSRUHE
1977
I n h a l t s v e r z e i c h n i s
1 Vorwort
1Teil I: Grundlagen der Elektronik 3 2 Einige wichtige Grundlagen der Gleich- und Wechselstrom-
technik
2.1 Aktive und passive Zweipole" und elektrische Netzwerke 3 2.1.1 Aktive Zweipole 3 2.1.2 Passive Zweipole 4 2.1.3 Stromkreis 6 2.1.4 Wirkschaltplan, Stromlaufplan , Blockschaltbild 6 2.2 Berechnung von Gleichstromnetzen 7 2.2.1 Kirchhoffsche Regeln 7 2.2.2 Spannungsteiler (Potentiometer), belasteter Spannungsteiler 9 2.2.3 Parallelwiderstände 12 2.2.4 Wheatstonesche Meßbrücke, Nul 1abgleich , Ausschlagverfahren 12 2.3 Anwendungen: Elektrische Temperaturmessung im Zusammenhang mit der
elektronischen Entfernungsmessung 15 2.4 Nennleistung, Leistungsanpassung 16 2.4.1 Berücksichtigung der Nennleistung und Nennspannung beim Einsatz
elektronischer Geräte 16
2.4.2 Nutzung von Spannungsquellen, Leistungsanpassung 17
2.5 Wechsel ströme,.Wechsel Spannungen 20
2.5.1 Periodische Schwingungen, harmonische Schwingungen 20
2.5.2 Die Zeigerbilddarstellung des Wechselstroms 21
2.5.3 Die komplexe Berechnung 24
VI
2.6 Wechselstromgrößen • 27 2.6.1 Wechselstromwiderstand, Wechselstromleitwert 27 2.6.2 Wechselstromwiderstände: Wirkwiderstand, induktiver Widerstand,
kapazitiver Widerstand 28
2.7 Berechnung von Wechselstromnetzen 30 2.7.1 Kirchhoffsche Regeln, Reihenschaltung, Parallelschaltung 30 2.7.2 Wheatstonesche Wechselstrombrücke 31
2.8 Erzeugung und Filterung von Frequenzen 31 2.8.1 Resonanz 31 2.8.2 Erzeugung von elektrischen Schwingungen 38 2.8.3 Filter 39 2.9 Modulation harmonischer Schwingungen 41 2.9.1 Amplitudenmodulation 42 2.9.2 Frequenzmodulation 43 2.10 Phasenschieber 45 2.10.1 Resolver als Phasenschieber 45
3 Halbleiterelektronik 50
3.1 Leitungsmechanismen 50 3.1.1 Das Bändermodell der Leiter, Halbleiter und Isolatoren 50 3.1.2 Elektrische Leitfähigkeit, Driftstrom, Diffusionsstrom 52 3.1.3 Eigenleitung 53 3.1.4 Unipolares und bi.polares Stromverhalten 54 3.1.5 Störleitung: p-Leitung, n-Leitung 55
3.2 Die Halbleiterdiode 57 3.2.1 Der pn-übergang 57 3.2.2 Der pn-übergang als Gleichrichter 58 3.2.3 Die Z-Diode 60 3.2.4 Gleichrichtung von Wechsel Spannungen 60 ,3.2.5 Phasendetektoren 61
VI I
3.3 Vom T r a n s i s t o r zur i n t e g r i e r t e n Schaltung 63 3 . 3 . 1 F u n k t i o n s p r i n z i p der npn- bzw. p n p - T r a n s i s t o r e n 63 3 . 3 . 2 F e l d e f f e k t - T r a n s i s t o r e n (FET) 69 3.3.3 O p e r a t i o n s v e r s t ä r k e r 71 3 . 3 . 4 I n t e g r i e r t e Schaltungen 75
3.4 Schwingungserzeugung durch Q u a r z o s z i l l a t o r e n 77 3 . 4 . 1 G r u n d p r i n z i p 77 3.4.2 F r e q u e n z s t a b i l i t a t 78 3.5 F r e q u e n z t r a n s f o r m a t i o n : F r e q u e n z v e r v i e l f a c h u n g , Mischstufen 82 3.6 Demodulation 85 3 . 6 . 1 Demodulation a m p l i t u d e n m o d u l i e r t e r Signale 85 3.6.2 Demodulation f r e q u e n z m o d u l i e r t e r Signale 86
Optoelektronik 91
4.1 Inkohärente Strahlungssender 91 4.1.1 Thermische Strahler 91 4.1.2 Nichtthermische Strahler 91 4.1.3 Lumineszenzdioden (Sub-Laser) 92 4.2 Kohärente Strahlungssender, Laser 94 4.2.1 Kohärenz 94
4 . 2 . 2 A b s o r p t i o n , Emission und Verstärkung bei der L a s e r s t r a h l u n g 95 4 . 2 . 3 Vom L a s e r v e r s t ä r k e r zum L a s e r o s z i l l a t o r 98 4 . 2 . 4 F e s t k ö r p e r - L a s e r / 99 4 . 2 . 5 Gas-Laser / 102 4 . 2 . 6 H a l b l e i t e r - L a s e r 104
V I I I
4.3 S t r a h l u n g s m o d u l a t i o n 105 4 . 3 . 1 D i r e k t e M o d u l a t i o n 105 4 . 3 . 2 I n d i r e k t e S t r a h l u n g s m o d u l a t i o n k o n t i n u i e r l i c h e r S t r a h l u n g s q u e l l e n 105 4 . 3 . 3 P o c k e l s - E f f e k t , K e r r - E f f e k t 106 4 . 3 . 4 A m p l i t u d e n m o d u l a t i o n von L i c h t m i t H i l f e des l i n e a r e n e l e k t r o -
o p t i s c h e n E f f e k t e s (KDP-, ADP-Modulatoren) 108 4 . 3 . 5 A m p l i t u d e n m o d u l a t i o n des L i c h t e s m i t H i l f e des q u a d r a t i s c h e n
e l e k t r o o p t i s e h e n E f f e k t e s ( K e r r z e l 1 e n - M o d u l a t o r e n ) 114 4 . 3 . 6 U l t r a s c h a l l - M o d u l a t o r e n 116 4 . 3 . 7 M o d u l a t i o n s v e r f a h r e n f ü r I m p u l s l a s e r 116
4.4 F o t o d e t e k t o r e n 119 4 . 4 . 1 Der äußere l i c h t e l e k t r i s c h e E f f e k t , Vakuum-Fotodioden, Sekundär-
e l e k t r o n e n v e r v i e l f a c h e r 120 4 . 4 . 2 Der i n n e r e l i c h t e l e k t r i s c h e E f f e k t , H a l b l e i t e r - F o t o d i o d e n ohne
und m i t S p e r r s c h i c h t 124 4 . 4 . 3 Fotoelemente 126
5 Grundlagen der Digitaltechnik 130
5.1 Analoge und binäre Signale 130
5.2 Zahlen-Codes in digitalen Meßgeräten 131
5.3 Logik-Schaltungen 133
5.3.1 Logische Gatter 133
5.3.2 Elektronische Speicher 137
5.3.3 Zählelemente 138
5.4 Elektronische ZäKler, Frequenzteiler 139
5.4.1 Dualzähler, Frequenzteiler, Vor-Rückwärts-Zähler "" 139
5.4.2 Dual-dekadische Zähler 141
5.4.3 Prinzip des digitalen Phasenmeßtorsystems 142
5.4.4 Codeumsetzung 144
I X
5.5 Analog-Digital-Umsetzer 145 5.5.1 Der Schmitt-Trigger 145 5.5.2 Winkel- und Streckenmessung nach dem Code-Abtastverfahren 146 5.5.3 Winkel- und Streckenmessung nach dem Inkremental- oder Zähl-
verfahren 147 5.5.4 Vertikalwinkelmessung über Widerstandsmessungen 151 5.6 Digitale integrierte Bausteine 154
6 Mikrowellenelektronik "' ise
6.1 E l e k t r i s c h e Resonatoren 156 6 . 1 . 1 Lecherleitung 156 6.1.2 A/4-Resonatoren und x/2-Resonatoren i n der K o a x i a l l e i t e r t e c h n i k 162 6.2 Erzeugung, Verstärkung und Modulation von Mikrowellen 163 6 . 2 . 1 Das K l y s t r o n 163 6.2.2 Das R e f l e x k l y s t r o n 165 6.2.3 Gunn-Oszi11atoren, L a w i n e n l a u f z e i t - D i o d e n - O s z i l l a t o r e n 165 6.3 Abstrahlung und Ausbreitung von Mikrowellen 166 6 . 3 . 1 Antennen 166 6.3.2 Bodenreflexionen 169
Teil II: Meßprinzipien
1757 Prinzipien der elektronischen Entfernungs-
und Entfernungsdifferenzmessungen
1757.1 Entfernungsdifferenzmessung durch Interferenz 175 7.1.1 Interferenz 175 7.1.2 Michelson Interferometer 177
7.2 E l e k t r o n i s c h e E n t f e r n u n g s m e s s u n g m i t P h a s e n v e r g l e i c h s v e r f a h r e n 178 7.2.1 E n t f e r n u n g s m e s s u n g mit passivem R e f l e k t o r , d a r g e s t e l l t am
Beispiel d e r e l e k t r o o p t i s e h e n E n t f e r n u n g s m e s s u n g 178 7.2.2 E n t f e r n u n g s m e s s u n g m i t a k t i v e r G e g e n s t a t i o n , d a r g e s t e l l t am
Beispiel d e r M i k r o w e l l e n e n t f e r n u n g s m e s s u n g 180 7.2.3 Direkte Erzeugung der G r o b m a ß s t ä b e 182 7.2.4 Indirekte Erzeugung der G r o b m a ß s t ä b e m i t festen Frequenzen 183 7.2.5 Indirekte E r z e u g u n g der G r o b m a ß s t ä b e m i t v a r i a b l e n Frequenzen 187 7.2.6 M e t h o d e n d e r P h a s e n v e r g l e i c h s m e s s u n g 189 7.2.7 P h y s i k a l i s c h e R e a l i s i e r u n g d e r E n t f e r n u n g s m e ß v e r f a h r e n 192 7.3 S i m u l t a n e E n t f e r n u n g s m e s s u n g m i t zwei oder drei Trägern 194 7.4 Prinzip d e r I m p u l s e n t f e r n u n g s m e s s u n g 199 7.5 E n t f e r n u n g s d i f f e r e n z m e s s u n g e n m i t Hilfe des D o p p l e r e f f e k t e s 200
Teil I I I : Instrumentelle Entwicklungen und Meßverfahren 204
8 Übertragung von Richtungen mit Lasern
2048.1 Verwendung von Lasern bei der Fluchtungsprüfung und -Steuerung
sowie beim Nivellement 204
9 Ausmessung kleiner Längen-, Höhen- und Neigungs- änderungen durch Umwandlung in elektrische Größen (Spannung, Strom,Frequenz...) für Anwendungen in der
Ingenieurvermessung
21°
9.1 M e ß g r ö ß e n u m w a n d l u n g m i t D e h n u n g s m e ß s t r e i f e n 212
9.2 M e ß g r ö ß e n u m w a n d l u n g m i t induktiven Gebern 215
9.3 M e ß g r ö ß e n u m f o r m u n g m i t k a p a z i t i v e n Gebern 221
9.4 M e ß g r ö ß e n u m f o r m u n g m i t S c h w i n g s a i t e n g e b e r n 224
9.5 M e ß g r ö ß e n u m f o r m u n g mit e l e k t r o o p t i s e h e n M e ß w e r t g e b e r n 226
XI
9.6 M e s s u n g k l e i n e r N e i g u n g s ä n d e r u n g e n m i t e l e k t r o n i s c h e n L i b e l l e n 2 2 8 9.7 A n w e n d u n g e n in d e r I n g e n i e u r v e r m e s s u n g 2 2 9
10 Laser Interferometer 235
10.1 Die M e t e r - D e f i n i t i o n , sekundäre Längennormale 235 10.2 L a s e r - I n t e r f e r o m e t e r mit d i r e k t e r Zählung der I n t e r f e r e n z s t r e i f e n 235 10.3 L a s e r - D o p p l e r - I n t e r f e r o m e t e r 241
11 Elektrooptische Entfernungsmesser, die mit d e m Phasenvergleichsverfahren arbeiten
und elektronische Tachymeter 250
11.1 A l l g e m e i n e G r u n d l a g e n 2 5 0 11.2 U r s p r ü n g l i c h e E n t w i c k l u n g e n 2 5 1 11.3 E l e k t r o o p t i s c h e E n t f e r n u n g s m e s s e r g r o ß e r und m i t t l e r e r R e i c h w e i t e 2 5 4 11.3.1 E l e k t r o o p t i s c h e E n t f e r n u n g s m e s s e r m i t h o c h f r e q u e n t e m P h a s e n v e r -
g l e i c h s v e r f a h r e n 2 5 4 11.3.2 E l e k t r o o p t i s c h e E n t f e r n u n g s m e s s e r m i t n i e d e r f r e q u e n t e m P h a s e n -
v e r g l e i c h s v e r f a h r e n 2 5 8 11.4 E n t f e r n u n g s m e s s e r , die s i m u l t a n m i t zwei o d e r drei Trägern
arbeiten 2 6 4 11.5 N a h b e r e i c h s e n t f e r n u n g s m e s s e r 2 7 0 11.5.1 Geräte mit analo'ger P h a s e n m e s s u n g 273 11.5.2 Geräte m i t d i g i t a l e r P h a s e n m e s s u n g 283 11.5.3 K r i t e r i e n für den p r a k t i s c h e n E i n s a t z der N a h b e r e i c h s e n t f e r n u n g s -
m e s s e r 291
XI I
11.6 Genauigkeitskriterien elektrooptischer Entfernungsmesser 293 11.6.1 Einfluß von Fehlern des für die Strecke repräsentativen
Brechungsindexes * 293 11.6.2 Einfluß von Fehlern der Modulationsfrequenz 296 11.6.3 Zyklische Phasenfehler 296 11.6.4 Phaseninhomogenität der Strahlungssender und Photodetektoren 300 11.6.5 Einfluß der Signalstärke 301 11.6.6 Einfluß der Betriebsspannung 302 11.6.7 Prüfung des Gerätenullpunktes , 303 11.7 Registrierende elektronische Tachymeter 306 11.7.1 Ursprüngliche Entwicklungen 306 11.7.2 Registrierende elektronische Tachymeter, die für die Winkel-
messung eine Code-Abtast- oder Inkrementalverfahren und für
die Streckenmessung ein Phasenvergleichsverfahren nutzen 307
12 Mikrowellenentfernungsmesser 322
12.1 Allgemeine Grundlagen 322 12.2 Die Tellurometer 322 12.3 Weitere Mikrowellenentfernungsmesser, die nach dem Tel 1urometer-
prinzip arbeiten - 330 12.4 Genauigkeit der Mi krowe.l 1 enmessungen 336
13 Positionsbestimmung auf dem Meer 341 /
13.1 Anwendungsgebiete der Positionsbestimmung und die unterschied-
lichen Anforderungen _ 341 13.2 Verfahren der Positionsbestimmung 342 13.2.1 Funkortungsverfahren 342 13.2.2 Weitere Verfahren für die Positionsbestimmung 358
X I I I
