[2] Hình 1.5 Sơ đồ hoạt động của phương pháp đo giao thoa laser 1.3 Tổng quan một số phương pháp đo, hệ thống hiệu chuẩn thước vạch MIA đã được nghiên cứu và ứng dụng ở nước ngoài 1.3.
Khái quát về thước vạch MIA
Thước vạch MIA
Thước vạch MIA (level staff/levelling rod) thường được làm bằng gỗ hoặc nhôm, có các vạch khắc chính xác trên thân để đo độ cao Nó được sử dụng cùng với các thiết bị đo đạc như máy thủy bình để xác định chênh lệch độ cao giữa hai bề mặt trong lĩnh vực trắc địa Ngoài ra, trong một số trường hợp, thước vạch MIA còn giúp xác định khoảng cách từ máy đo tới vị trí đặt thước, hỗ trợ quá trình đo đạc chính xác hơn.
Thước vạch MIA có phạm vi đo phổ biến từ 1 đến 5 mét, dễ dàng bảo quản và vận chuyển nhờ tính năng gập, trượt hoặc khớp nối Độ chính xác tối đa của thước vạch MIA trên thị trường đạt trên 0,02 + 0,02L mm, với [L] tính bằng mét, phù hợp cho ngành xây dựng, chế tạo máy, khai thác mỏ và trắc địa Do nhu cầu đo đạc, thiết kế và đánh giá thành phẩm ngày càng cao, các loại thước vạch MIA được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực trắc địa và cần được hiệu chuẩn thường xuyên Một số quốc gia đã nghiên cứu, chế tạo hệ thống chuẩn đo lường để hiệu chuẩn thước vạch MIA theo nhiều phương pháp khác nhau, nhằm đáp ứng tốt hơn các yêu cầu thực tiễn.
Các loại thước vạch MIA thông dụng và cách sử dụng
Thước vạch MIA có 3 dạng khắc vạch phổ biến nhất là: vạch thường, vạch chữ
E và vạch dạng mã vạch.
Vạch thường có hình dạng như các loại vạch thường thấy ở các loại thước vạch thông dụng như hình dưới đây.
Hình 1.1Thước vạch MIA dạng vạch thường
Khi sử dụng thiết bị đo để ngắm và đọc vạch trên thước MIA, cách đọc vạch dạng vạch thường tương tự như các loại thước vạch thông thường khác Khoảng cách giữa hai vạch trên thước MIA thường là khoảng cách giữa các tâm của hai vạch hoặc mép cùng phía của chúng Trong một số trường hợp, người dùng cần kết hợp việc đọc vạch với việc xác định giá trị từ micrometer gắn trên thiết bị đo để đảm bảo độ chính xác cao hơn.
Vạch chữ E có hình dạng và được bố trí dọc theo thân thước như trên Hình1.2 Thước vạch MIA dạng vạch chữ Edưới đây.
Hình 1.2Thước vạch MIA dạng vạch chữE
Cách đọc thước vạch MIA dạng vạch chữ E tương tự như cách đọc thước vạch dạng vạch thường Khoảng cách giữa hai vạch trên thước MIA dạng chữ E là khoảng cách giữa các tâm hoặc mép cùng phía của hai vạch đó Mỗi khoảng sáng hoặc tối trên thước biểu thị giá trị độ chia nhỏ nhất của thước, thường là 10mm.
Thước vạch MIA dạng vạch chữ E giúp người dùng dễ dàng xác định khoảng cách từ vị trí đặt thước đến máy đo thủy bình Bằng cách quan sát số đọc chỉ trên và dưới của máy thủy bình, người dùng có thể tính toán chính xác khoảng cách cần đo Đây là phương pháp tiện dụng và hiệu quả trong các công trình đo đạc, đảm bảo độ chính xác và tiết kiệm thời gian.
Hình 1.3 Ví dụ đo khoảng cách bằng máy thủy bình trên thước vạch MIA vạch dạng chữE
Khoảng cách từ máy tới vị trí đặt thước được tính bằng công thức: ܦ ൌ ሺܽ െ ܾሻ ൈ ͳͲͲ (1.1)
D: khoảng cách từ máy tới vị trí đặt thước vạch MIA a: số đọc chỉ trên b: số đọc chỉ dưới
Ví dụ trong Hình 1.3 Ví dụ đo khoảng cách bằng máy thủy bình trên thước vạch MIA, ta có a= 1205 mm, b= 995 mm
Vì vậy kết quả đo khoảng cách trong trường hợp này: ܦ ൌ ሺͳʹͲͷ െ ͻͻͷሻ ൈ ͳͲͲ ൌ ʹͳͲͲͲ݉݉ ൌ ʹͳ݉
Dạng vạch này có hình dáng tương tự như những mã vạch thường gặp Chúng được bố trí dọc theo thân thước MIA như trên hình.
Hình 1.4Thước vạch MIA dạng mã vạch
Thước vạch MIA dạng mã vạch được sử dụng kết hợp với các thiết bị đo đạc kỹ thuật số tích hợp chức năng quét mã vạch, giúp quá trình đo đạt trở nên nhanh chóng và chính xác hơn Thiết bị đọc kỹ thuật số không yêu cầu người dùng phải trực tiếp đọc hoặc lưu trữ dữ liệu thủ công, giảm thiểu khả năng sai sót Ngoài ra, công nghệ này còn giúp loại bỏ lỗi do khúc xạ ánh sáng trong quá trình đo, nâng cao độ chính xác của kết quả đo đạc.
Hiệu chuẩn thước vạch MIA
Khái niệm hiệu chuẩn phương tiện đo
Theo Luật Đo lường Việt Nam, hiệu chuẩn là hoạt động xác định, thiết lập mối quan hệ giữa giá trị đo của chuẩn đo lường, phương tiện đo với giá trị đo của đại lượng cần đo Về mặt kỹ thuật, hiệu chuẩn chính là so sánh phương tiện đo với chuẩn để đánh giá sai số và những đặc trưng kỹ thuật, đo lường khác của nó Hiệu chuẩn là biện pháp dùng để dẫn xuất đơn vị đo lường từ chuẩn có độ chính xác cao hơn tới những phương tiện đo có độ chính xác thấp hơn Hiệu chuẩn có tác dụng đảm bảo tính thống nhất và độ chính xác cần thiết của tất cả các phương tiện đo.
Mục đích nghiên cứu hiệu chuẩn thước vạch MIA
Thước vạch MIA là phương tiện đo dùng để hiệu chuẩn các thiết bị đo nhóm 2 theo quy định tại Thông tư 07/2019 của Bộ Khoa học và Công nghệ Các loại thước vạch MIA được sử dụng phổ biến trong quá trình kiểm định các máy thủy bình trong lĩnh vực trắc địa, góp phần nâng cao độ chính xác của các thiết bị đo đạc Nhu cầu hiệu chuẩn thước vạch MIA ngày càng tăng theo sự phát triển của kinh tế và xã hội Việt Nam Với xu hướng số lượng thước vạch MIA gia tăng, việc cải tiến và nâng cấp phương pháp hiệu chuẩn luôn là nhiệm vụ cấp thiết nhằm đảm bảo tính chính xác và ổn định của các thiết bị đo lường.
Việc tích hợp camera có độ chính xác cao cùng phần mềm xử lý ảnh vào công tác hiệu chuẩn giúp nâng cao độ chính xác của phép hiệu chuẩn các loại thước vạch MIA trên băng máy 3 m, đồng thời tiết kiệm thời gian và công sức lao động Thành công của đề tài này sẽ là bước đệm vững chắc để phát triển hệ thống đo và hiệu chuẩn các loại thước vạch khác trong tương lai.
Phương pháp đo/hiệu chuẩn thước vạch MIA bằng giao thoa kế laser
Trong phương pháp đo khoảng dịch chuyển bằng giao thoa laser, chùm tia laser được phát ra từ một nguồn, phân tách thành hai chùm tia bằng gương giao thoa (spliter) Hai chùm tia này đi theo hai quang trình khác nhau, giao thoa và được thu về cảm biến giao thoa (detector) Sự lệch pha của hai chùm tia này được xử lý tính toán và đưa ra chênh lệch trong độ dài quang trình giữa chùm tia tới và chùm tia tham chiếu, từ đó xác định được khoảng cách dịch chuyển của gương phản xạ [2]
Hình 1.5 Sơ đồ hoạt động của phương pháp đo giao thoa laser
Tổng quan một số phương pháp đo, hệ thống hiệu chuẩn thước vạch MIA đã được nghiên cứu và ứng dụng ở nước ngoài
Viện Đo lường Quốc gia Trung Quốc (NIM)
Tại Viện Đo lường Quốc gia Trung Quốc, hệ thống hiệu chuẩn thước vạch MIA được xây dựng trên cơ sở hệ thống hiệu chuẩn thước cuộn (phạm vi đo lên đến 80 m) đã có sẵn, hoạt động theo nguyên lý đo bằng giao thoa kế laser Thước MIA được đặt trên băng máy, gương phản xạ của hệ thống laser đo được đặt trên bàn máy có thể trượt dọc theo băng máy cùng với hệ thống ngắm đọc, xác định
7 vạch thước MIA Hệ thống chuẩn bao gồm nguồn laser đo, hệ gương, hệ thống theo dõi điều kiện môi trường, băng trượt, kính hiển vi ngắm đọc vạch…
Hình 1.6 Hệ thống hiệu chuẩn thước vạch MIA tại NIM
Trong điều kiện môi trường duy trì nhiệt độ (20 ± 0.5) ℃ và thay đổi nhiệt độ mỗi giờ không quá 0,3 ℃, hệ thống chuẩn này có độ không đảm bảo đo (ĐKĐBĐ) là U = (3 + 2E-06L) μm, trong đó [L] tính bằng mét (k = 2) Hệ thống hiệu chuẩn này sử dụng giao thoa kế laser để đo trực tiếp khoảng cách của các vị trí cần đo, được dẫn xuất theo sơ đồ thiết kế đã đề ra.
Hình 1.7 Sơ đồ dẫn xuất chuẩn của hệ thống hiệu chuẩn thước vạch MIA tại NIM
Sau khi căn chỉnh thước song song với trục dịch chuyển của bàn máy và cân bằng các yếu tố môi trường như nhiệt độ, độ ẩm, độ rung, quá trình đo đạc được tiến hành một cách chính xác Trong quá trình đo, kính hiển vi dùng để xác định các vị trí cần đo dọc theo thân thước và thu thập kết quả tại từng vị trí đo Kết quả đo của thước tại 20°C được tính theo phương trình: (L - L₀) = L₀ + ΔL = L₀ + (α × (T - 20°C)) + các yếu tố ảnh hưởng khác, giúp đảm bảo độ chính xác và độ tin cậy của kết quả đo đạc trong các ứng dụng kỹ thuật và phòng thí nghiệm.
L:chiều dài của thước, đơn vị là m;
T:nhiệt độ trung bình của môi trường đo;
P:áp suất không khí của môi trường đo;
F:độ ẩm tuyệt đối của môi trường đo; Α: hệ số giãn nở nhiệt của thước;
T 1 :nhiệt độ của thước. ĐKĐBĐ của phép đo được thể hiện trong bảng sau:
Bảng 1.1ĐKĐBĐcủa phép hiệu chuẩn thước vạch MIA tại NIM ĐKĐBĐ u ( x i ) Nguồn ĐKĐBĐ ĐKĐBĐ tiêu chuẩn c i = i
Dưới đây là các yếu tố quan trọng liên quan đến thành phần, bước sóng và độ ổn định của laser, gồm thành phần u(L) với bước sóng laser 1,6 × 10⁻⁸ L và sai lệch khoảng 1,25 × 10⁻⁸ L Độ ổn định của bước sóng laser đạt 1,0 × 10⁻⁸ L, góp phần nâng cao chính xác trong các ứng dụng đo lường quang học Nhiệt độ môi trường trung bình là 93,0 × 10⁻⁸ L/℃, và áp suất môi trường là 20 Pa, với độ nhạy tương ứng là 0,2684 × 10⁻⁸ Pa⁻¹ Độ ẩm tuyệt đối trong môi trường là 23,4 Pa, có độ biến thiên là 0,0363 × 10⁻⁸ Pa⁻¹ Thiết bị đo được sử dụng có độ chính xác cao, trong đó thiết bị GL 1 có sai số 0,88 × 10⁻⁸ L, còn thiết bị GL 2 có bước đo 1,09 μm và sai số đọc vạch là 0,29 μm Ngoài ra, sai số căn chỉnh thước trong quá trình đo là 1,05 μm, đảm bảo các kết quả đo lường đạt độ chính xác yêu cầu trong các ứng dụng quang học và đo lường kích thước chính xác.
Sai số do hệ số giãn nở nhiệt của thước 3 × 10 -8 ℃ -1 0,5 ℃ 0,9×10 -8 L u(T 1) Nhiệt độ của thước 0,082 ℃ 1,0 × 10 -8 ℃ -1 8,2 × 10 -8 L u 1(T 1) Nhiệt độ của hệ thống chuẩn 0,058 ℃ u 2(T 1) Chênh lệch nhiệt độ giữa thước và môi trường
Vì Hệ thống hiệu chuẩn thước vạch MIA là một phần của Hệ thống hiệu chuẩn thước cuộn (đã có sẵn và có ĐKĐBĐ rất nhỏ U = (3 + 2E-06L) μm, [L]: m, (k = 2) nên ĐKĐBĐ của phép hiệu chuẩn thước vạch MIA khi đó phụ thuộc rất lớn vào độ chính xác của việc xác định vị trí các vạch cần đo trên thước vạch MIA cần hiệu chuẩn [3]
Phòng thí nghiệm Đo lường Quốc gia Đài Loan (NML)
Tại Phòng thí nghiệm Đo lường Quốc gia Đài Loan (NML), hệ thống hiệu chuẩn thước vạch MIA bao gồm nguồn laser, thiết bị theo dõi điều kiện môi trường, màn hình kính hiển vi (CCD) và hệ thống băng trượt Hệ thống hiệu chuẩn cũng sử dụng giao thoa kế laser để đo khoảng cách các vạch cần đo và sử dụng kính hiển vi CCD để xác định các vị trí vạch cần đo Sơ đồ hệ thống hiệu chuẩn và sơ đồ dẫn xuất của đơn vị mét được mô tả trong các hình dưới đây
Hình 1.8 Sơ đồ hệ thống hiệu chuẩn thước vạch MIA tại NML
Hình 1.9 Hình ảnh thực tế bộ phận đọc vạch thước vạch MIA tại NML Ống kính hiển vi Ống kính hiển vi Ống kính hiển vi
Theo dõi điều kiện môi trường Nguồn laser
Tương tự như trong phép hiệu chuẩn thước vạch chính xác thông thường, khoảng cách giữa các vạch trên thước vạch MIA được xác định bằng giao thoa laser; vị trí các vạch trên thước vạch MIA được xác định bằng kính hiển vi có màn hình CCD Dẫn xuất chuẩn của Hệ thống hiệu chuẩn này được đưa ra theo hình dưới đây [4]
Hình 1.10 Sơ đồ dẫn xuất chuẩn của hệ thống hiệu chuẩn thước vạch MIA tại NML ĐKĐBĐ của phép đo được thể hiện trong bảng sau:
Bảng 1.2 ĐKĐBĐ của phép hiệu chuẩn thước vạch MIA tại NML
Nguồn ĐKĐBĐ x i Sai số ước lượng Hệ số ĐKĐBĐ tiêu chuẩn u ( x i ) ĐKĐBĐ thành phần
Bước sóng laser (λ 0 ) ͳȀξ͵ 1.15 nm 1.15 nm
Khúc xạ ánh sáng (n tpf ) 3 × 10 –8 ͳȀξ͵ 1.732 × 10 –8 0.0173 × 10 –6 L
Nhiệt độ (t) 0.5°C ͳȀξ͵ 0.289°C 0.275 × 10 –6 L Áp suất (p) 263 Pascal ͳȀξ͵ 151.87 Pascal 0.407 × 10 –6 L Độ ẩm (f) 10% ͳȀξ͵ 5.77% 0.049 × 10 –6 L
Hệ số giãn nở nhiệt (α s ) 1.5 × 10 –6 °C –1 ͳȀξ͵ 0.87 × 10 –6 °C –1 0.261 × 10 –6 L Nhiệt độ môi trường
Sai số vị trí băng trượt
Đại học Công nghệ Graz, Áo
Tại trường Đại học Công nghệ Graz, Áo, hệ thống hiệu chuẩn thước vạch MIA bao gồm nguồn laser, máy thủy bình điện tử, thiết bị theo dõi điều kiện môi trường, hệ thống gá đứng… Khác với 2 hệ thống tại NIM và NML, hệ thống hiệu chuẩn thước vạch MIA tại đây được xây dựng theo phương thẳng đứng Bên cạnh đó, thước vạch MIA cũng được thiết kế để di chuyển dọc theo trục đỡ, thay vì dùng camera hay kính hiển vi di chuyển
Hình 1.11 Hệ thống hiệu chuẩn thước vạch MIA tại trường Đại học Công nghệ Graz, Áo
Hệ thống này được thiết kế riêng biệt để hiệu chuẩn các loại thước vạch MIA dạng mã vạch, sử dụng máy thủy bình điện tử chuyên dụng Nó có khả năng hiệu chuẩn các thương hiệu thước như Leica, Topcon và Trimble, cùng với các máy thủy bình điện tử tương ứng Hệ thống vận hành trong điều kiện nhiệt độ 22,0 ± 0,5°C và độ ẩm 50 ± 10 %, đảm bảo độ chính xác cao, với sai số dịch chuyển thẳng đứng là ± 4μm Quá trình hiệu chuẩn được thực hiện dựa trên sơ đồ dẫn xuất đơn vị đo và cách xác định Điều kiện Đặc Biệt Đặc Trưng (ĐKĐBĐ), phù hợp với các phương pháp đã áp dụng trong các trường hợp trước.
Viện Trắc địa và Địa tin học, trường Đại học Môi trường và Khoa học Đời sống Wroclaw, Ba Lan
Hệ thống hiệu chuẩn thước vạch MIA tại Viện Trắc địa và Địa tin học, Trường Đại học Môi trường và Khoa học Đời sống Wroclaw, Ba Lan, được vận hành cùng với giao thoa kế laser để đo khoảng cách các vạch cần hiệu chuẩn và máy thủy bình điện tử để xác định chính xác vị trí các vạch Tại Trường Đại học Công nghệ Graz, Áo, hệ thống thước vạch MIA cũng được lắp đặt theo phương thẳng đứng để đảm bảo độ chính xác cao trong quá trình hiệu chuẩn.
Giao thoa kế Máy thủy bình
Thiết bị sử dụng để ngắm đọc, bao gồm máy thủy bình điện tử, được cố định chắc chắn để đảm bảo chính xác trong công tác đo đạc Quá trình xác định Điều kiện độ lệch trung tâm đầu (ĐKĐBĐ) tuân theo sơ đồ dẫn xuất và phương pháp phân tích tương tự như các trường hợp đã đề cập trước đó Các bước này giúp đảm bảo độ chính xác cao trong quá trình đo đạc địa hình hoặc thi công xây dựng.
Hình 1.12 Sơ đồ hệ thống hiệu chuẩn thước vạch MIA tại trường Đại học Môi trường và
Khoa học Đời sống Wroclaw, Ba Lan
Hình 1.13 Cấu tạo hệ thống hiệu chuẩn thước vạch MIA tại Trường Đại học Wroclaw,
1 Cảm biến độ nghiêng điện tử Leica Nivel220, 2 Máy thủy bình điện tử, 3 Bệ gá trên,
4 Bệ gá dưới, 5 Khung so sánh, 6 Trục thẳng đứng, 7 Khung cố định, 8 Cảm biến độ nghiêng điện tử Leica Nivel220, 9 Bệ đỡ thước vạch MIA, 10 Thước vạch MIA, 11 Hộp thu nhận dữ liệu, 12 Động cơ bước, 13 Nguồn laser, 14 Giao thoa kế laser, 15
Gương phản xạ, 16 Cảm biến nhiệt độ, 17 Nguồn điện
Hình 1.14 Nguyên lý vận hành của hệ thống hiệu chuẩn thước vạch MIA tại trường Đại học Wroclaw, Balan
Hệ gá máy thủy bình điện tử (1) và hệ gá thước vạch MIA, DL (2) là các thiết bị quan trọng trong đo đạc chính xác, trong đó máy thủy bình điện tử ILS thường được sử dụng để đo độ cao chính xác, còn thước vạch MIA, DL giúp xác định vị trí và độ chính xác của các phép đo Nguồn laser LH cung cấp tia laser chính xác để xác định các điểm, trong khi gương giao thoa IL1 và gương phản xạ RL1 hỗ trợ quá trình phản xạ, tạo ra hệ thống đo chính xác Vị trí “0” của thước H0 và vị trí “i” của thước Hi cho phép người dùng đọc giá trị đo tại các điểm khác nhau, với L0 và Li lần lượt là các giá trị đo tại vị trí “0” và “i” của thước đảm bảo độ chính xác trong quá trình đo đạc.
Bảng 1.3 Thông số kỹ thuật của hệ thống hiệu chuẩn thước vạch MIA tại trường Đại học Wroclaw
Tia laser Laser khí He-Ne ổn định tần số kép
Thời gian khởi động Khoảng 5 phút
Bước sóng (chân không) 632.990566 nm
(λ) 632.992031 nm Độ chính xác bước sóng ±0.005 ppm Độ ổn định ±0.001 ppm (1 h)
Công suất ra 900 – 1000 μW Đường kính tia 8 mm
Cảm biến theo dõi môi trường
Phạm vi đo: 0 – 50 ℃ Giá trị độ chia: 0.01 ℃ Độ chính xác: ±0.15 ℃ Áp suất (p)
Phạm vi đo: 940–1060 hPa Giá trị độ chia: 0.1 hPa Độ chính xác: ±1 hPa Độ ẩm (h)
Giá trị độ chia: 1% Độ chính xác: ±10%
Thông số khác Đo khoảng cách
Phạm vi đo: 0 – 30 m Giá trị độ chia: 0,1 nm Độ chính xác: ± 0,4 μm/m
Hệ thống hiệu chuẩn thước vạch MIA đã được nghiên cứu và xây dựng tại nhiều quốc gia và phòng thí nghiệm đo lường trên thế giới, sử dụng các phương pháp và giải pháp tương tự Các địa điểm nổi bật như tại Brazil – Phòng thí nghiệm Thiết bị Trắc địa của Trường Đại học Liên Bang Paraná; tại Trung Quốc – Phòng thí nghiệm Kỹ thuật Đo đạc Quang điện của Trường Đại học Công nghệ Xi’an; tại Cộng hòa Séc – Phòng Địa lý học của Trường Đại học Công nghệ Prague và Trường Đại học Kỹ thuật Ostrava; tại Phần Lan – Viện Trắc địa Phần Lan tại Masala; tại Đức – các phòng trắc địa của Trường Đại học Kỹ thuật Munich, Viện Trắc địa và Thông tin Địa lý; tại Nhật Bản – Viện Khảo sát Địa lý; tại Malaysia – Cục Khảo sát và Bản đồ Kuala Lumpur; tại Serbia – Phòng Đo lường Độ dài và Góc của Viện Trắc địa và Thông tin Địa lý, Khoa Kỹ sư dân dụng, Trường Đại học Belgrade; tại Slovenia – Trường Đại học Ljubljana; tại Thụy Sĩ – Viện Trắc địa và Phép đo quang ETH Zurich; và tại Hoa Kỳ – Trung tâm gia tốc tuyến tính Stanford, Trường Đại học Stanford.
Hệ thống hiệu chuẩn MIA của các phòng thí nghiệm đo lường chủ yếu dựa trên hệ thống hiệu chuẩn thước vạch, thước cuộn, cho độ chính xác và ĐKĐBĐ rất cao, nhờ vào nguồn laser hoặc hệ dịch chuyển đạt hiệu quả cao Tuy nhiên, độ chính xác khi hiệu chuẩn phụ thuộc lớn vào phương pháp xác định điểm đo, đặc biệt là cách ngắm chỉnh và bắt nét vạch Độ chính xác của máy thủy bình điện tử thường chỉ trong khoảng 0,7 – 1,5 mm, gây ảnh hưởng lớn đến kết quả và ĐKĐBĐ của hệ thống Việc sử dụng camera, ống kính hiển vi cũ hoặc không phù hợp có thể làm giảm độ chính xác Vì vậy, kết hợp camera với phần mềm xử lý hình ảnh giúp nâng cao đáng kể độ chính xác của phép đo và hiệu chuẩn thước vạch MIA.
Hệ thống hiệu chuẩn thước vạch MIA trên băng máy đo chiều dài vạn năng tại Viện Đo lường Việt Nam
Hình 1.15 Hệ thống hiệu chuẩn thước vạch MIA hiện có trên băng máy đo chiều dài vạn năng tại Viện Đo lường Việt Nam
Thước vạch MIA hiện đang được hiệu chuẩn tại Phòng Đo lường Độ dài, Viện Đo lường Việt Nam, bằng phương pháp sử dụng giao thoa kế laser kết hợp ống kính hiển vi, phù hợp với tiêu chuẩn đo lường chính xác Hệ thống có phạm vi đo lên đến 5 mét và độ chính xác sai số không nhỏ hơn (0,3 + 0,3L) mm, đảm bảo độ tin cậy cao trong các ứng dụng đo lường độ dài Điều kiện môi trường để hiệu chuẩn đạt chuẩn bao gồm nhiệt độ (20 ± 1) ℃ và độ ẩm (60 ± 20) % RH, giúp duy trì tính ổn định và chính xác của quá trình hiệu chuẩn.
Thực tế cho thấy, thước vạch MIA được sử dụng tại Việt Nam rất đa dạng về chủng loại và kích thước, cụ thể hơn là chiều rộng và chiều dày của các loại thước rất khác nhau Do đó việc gá lắp thước vạch MIA khi đo/hiệu chuẩn gặp rất nhiều khó khăn, đặc biệt là khi khoảng cách cho phép từ bề mặt thước tới ống kính hiển vi quá nhỏ Hơn thế nữa, do vạch của các thước vạch nói chung và của thước MIA nói riêng luôn là những đường kẻ, nét khắc không sắc nét (do công nghệ in, khắc vạch thước) nên khi ngắm chúng qua thị kính, kính hiển vi rìa của các vạch đó luôn là những đường không phải đường thẳng, việc xác định chính xác rìa hay tâm các vạch của thước rất khó khăn, không chính xác, ổn định Một trong các giải pháp có thể khắc phục được những khó khăn khi đo/hiệu chuẩn thước vạch MIA trên hệ thống đo hiện tại là sử dụng camera thay thế cho kính hiển vi dùng để xác định vị trí các vạch cần đo Camera có trường nhìn rộng và tiêu cự thích hợp có thể sẽ cải thiện khả năng làm việc của hệ thống đo Bên cạnh đó khả năng tính toán khoảng cách tự động của phương
Sử dụng camera kết hợp với phần mềm phù hợp có thể nâng cao độ chính xác và độ ổn định của quá trình đo và hiệu chuẩn thước vạch chính xác Đặc biệt, công nghệ này giúp tăng tính chính xác trong việc hiệu chuẩn thước vạch MIA, đảm bảo các phép đo diễn ra một cách tin cậy và hiệu quả hơn Áp dụng các giải pháp này góp phần tối ưu hóa quá trình kiểm tra độ chính xác của thước vạch, phù hợp với yêu cầu khắt khe trong các ứng dụng công nghiệp và kỹ thuật.
Phương pháp hiệu chuẩn thước vạch chính xác, đặc biệt là thước vạch MIA, có thể được nâng cao độ chính xác bằng cách tích hợp camera thay cho ống kính hiển vi truyền thống Việc sử dụng camera hiện đại tại Phòng Đo lường Độ dài của Viện đo lường Việt Nam giúp cải tiến quy trình hiệu chuẩn, nâng cao độ tin cậy và chính xác của các kết quả đo lường Đây là giải pháp tiềm năng để hiện đại hóa công nghệ đo lường và nâng cao hiệu quả của hoạt động kiểm tra, hiệu chuẩn thiết bị đo lường dài.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT XÂY DỰNG HỆ THỐNG HIỆU CHUẨN THƯỚC VẠCH MIA
Giao thoa kế laser
Có nhiều phương pháp đo độ dài, đặc biệt là đo khoảng cách dịch chuyển dựa trên hiện tượng giao thoa của các nguồn laser, tạo ra các loại giao thoa kế laser đa dạng Giao thoa kế laser được sử dụng rộng rãi trong khoa học và công nghiệp không chỉ để đo các chuyển vị nhỏ mà còn để xác định thay đổi chỉ số khúc xạ, biên dạng và nhám bề mặt Trong đó, giao thoa kế laser dùng để đo khoảng cách dịch chuyển của vật mang gương động là phương pháp phổ biến trong đo lường và hiệu chuẩn thước vạch.
2.1.1 Giao thoa kế laser hai tần số Để xác định hướng dịch chuyển của gương động trong phương pháp đo theo tần số, sử dụng nguồn phát laser có hai tần số f 1 và f 2 với f 2 - f 1 = 'f
Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lý của hệ giao thoa laser
Khi gương động Gđ dịch chuyển, tần số của tia phản xạ f₁ thay đổi một lượng nhỏ, gọi là 'f₁, ảnh hưởng đến tần số phách giao thoa nhận được là f₂ - (f₁ + 'f₁) = 'f_r + 'f₁ Điều này khiến cường độ sáng trên cảm biến Cb₂ biến đổi theo công thức ∆I = ∆I₅ + ∆I₆ + (∆I₅ + ∆I₆) / 2, phản ánh sự thay đổi trong hiện tượng giao thoa khi gương chuyển động.
- Cảm biến Cb1 với tần số phách 'f
- Tín hiệu đo ' f r'f1 và tín hiệu chuẩn 'f được đưa vào bộ xử lý đếm tần số
Vận tốc dịch chuyển gương động Gđ ܸ ൌ ߣ ଵ ο݂ ଵ Ȁʹ݊ (2.3) Độ lớn của độ dài đo ݔ ൌ ܸǤ ݐ ൌ ߣ ଵ ο݂ ଵ Ǥ ݐȀʹ݊ (2.4)
Khi đo theo vi phân quãng đường dịch chuyển thì ݔ ൌ ߣ ଵ ο݂ ଵ Ǥ οݐ Ȁʹ݊ (2.5)
Dấu của thành phần 'f 1 cho biết chiều biến đổi kích thước đo:
- Dấu cộng tương ứng với chiều dịch chuyển của gương động lại gần tấm phân chùm CP làm giảm hiệu quang lộ giữa hai chùm tia giao thoa
- Dấu trừ tương ứng với chiều dịch chuyển của gương động đi xa tấm phân chùm CP làm tăng hiệu quang lộ
- Việc xác định dấu dịch chuyển này thực hiện thông qua sự biến đổi của giá trị tuyệt đối của sự biến thiên tần số 'f r'f 1 [7]
Sơ đồ giao thoa kế đo sử dụng nguồn laser hai tần số có độ nhạy thấp hơn so với nguồn laser một tần số, giúp nâng cao tốc độ dịch chuyển của đầu đo Công nghệ này còn giảm thiểu ảnh hưởng của rung động và sự biến động của cường độ sáng trong ảnh giao thoa Hiện nay, sơ đồ nguyên lý này đang được ứng dụng rộng rãi trong các máy đo công nghiệp, mang lại hiệu quả chính xác và ổn định cao trong quá trình đo lường.
Hệ thống hiệu chuẩn truyền thống và hệ thống hiệu chuẩn mới đều dựa trên nguyên lý giao thoa kế laser Tuy nhiên, hệ thống hiệu chuẩn mới bổ sung bước đo khoảng cách từ vật cần đo đến tâm camera, giúp nâng cao độ chính xác của kết quả Quá trình này được tính toán tự động và xuất ra kết quả đo trực tiếp trên file Excel, tối ưu hóa quy trình hiệu chuẩn và đảm bảo độ chính xác cao hơn.
2.1.2 Hệ thống giao thoa kế laser tại Viện Đo lường Việt Nam
Hệ thống đo sử dụng phương pháp đo giao thoa laser – phương pháp đo khoảng cách có độ chính xác rất cao, cỡ nanomet Trong phương pháp này, chùm tia laser được phát ra từ một nguồn, phân tách thành hai chùm tia bằng gương giao thoa (splitter) Hai chùm tia này đi theo hai quang trình khác nhau, cuối cùng giao thoa và được thu về một cảm biến giao thoa (detector) Sự lệch pha của hai chùm tia này được xử lý tính toán để đưa ra chênh lệch trong độ dài quang trình
Hình 2.2 Nguyên lý hoạt động của hệ thống giao thoa kế laser tại VMI
Hệ thống hoạt động dựa trên nguyên tắc đo khoảng cách tương đối giữa các vạch cần đo và vạch 0 trên thước Thước vạch MIA được cố định nằm ngang, song song với trục dịch chuyển của bàn trượt để đảm bảo độ chính xác cao Trên bàn trượt có gắn gương phản xạ và ống kính viễn vọng hoặc camera giúp quan sát chính xác các vạch đo Sau khi xác định giá trị “0” tại vạch chuẩn, hệ thống có thể đo chính xác khoảng cách đến các vạch khác, đảm bảo độ chính xác trong quá trình đo.
Trong quá trình đo, thước và bàn trượt được dịch chuyển đến vị trí vạch cần đo, sau đó ống kính hiển vi hoặc camera xác định chính xác vị trí của vạch tại điểm đo Ống kính hiển vi giúp ngắm và định vị vạch chính xác, trong khi camera thu hình ảnh của vạch đó để xử lý số liệu Phần mềm laser hiển thị khoảng cách tương đối dựa trên vị trí của vạch và các dữ liệu thu thập được, quá trình này được lặp lại ở các vị trí đo tiếp theo để đảm bảo độ chính xác của kết quả.
Nguyên lý hệ thống
2.2.1 Hệ thống hiệu chuẩn cũ
Thời điểm hiện tại, thước vạch MIA đang được hiệu chuẩn tại Phòng Đo lường Độ dài, Viện Đo lường Việt Nam trên Hệ thống hiệu chuẩn thước vạch chính xác sẵn có trên băng máy của máy đo độ dài vạn năng 3 m, sử dụng giao thoa kế laser cùng ống kính hiển vi ngắm đọc vạch Phạm vi đo của hệ thống hiệu chuẩn thước vạch là 3 m và có độ không đảm bảo đo (ĐKĐBĐ) là ≤10 μm
Hệ thống hiệu chuẩn bao gồm:
- Băng máy cùng hệ thống gá, hệ thống trượt
- Thiết bị theo dõi điều kiện môi trường Điều kiện môi trường hiệu chuẩn của hệ thống chuẩn:
Nhiệt độ: (20 ± 1) ℃ Độ ẩm: (60 ± 20) % RH
Hình 2.3 Sơ đồ nguyên lý hệ thống hiệu chuẩn cũ
Hình 2.4 Hình ảnh tổng quan hệ thống hiệu chuẩn cũ tại VMI
Dựa trên các nghiên cứu về khả năng hoạt động và ứng dụng của một số loại camera, cùng điều kiện tại Viện Đo lường Việt Nam, phương pháp hiệu chuẩn thước vạch MIA có thể được nâng cao độ chính xác bằng cách tích hợp camera thay cho ống kính hiển vi hiện tại Thực tế, các thước vạch MIA rất đa dạng về kích thước như chiều rộng và chiều dày, gây khó khăn trong việc gá lắp khi sử dụng ống kính hiển vi do khoảng cách hạn chế giữa thước và ống kính Trong khi đó, camera sở hữu trường nhìn rộng và tiêu cự phù hợp, giúp cải thiện hiệu quả làm việc của hệ thống chuẩn Bên cạnh đó, khả năng tính toán tự động khoảng cách của phần mềm sẽ nâng cao độ chính xác của phép đo và tối ưu hóa quá trình hiệu chuẩn.
2.2.2 Hệ thống hiệu chuẩn được nghiên cứu xây dựng (mới) Ở nguyên lý hệ thống hiệu chuẩn mới, ta thay thế cụm ống kính hiển vi bằng cụm camera có kết nối với máy tính đã tích hợp sẵn chương trình xử lý ảnh, sau đó tính toán và đưa ra kết quả dưới dạng file excel Từ đó, giúp quá trình hiệu chuẩn diễn ra nhanh chóng và giảm bớt sai số không đáng có
Hình 2.5 Sơ đồ nguyên lý hệ thống hiệu chuẩn mới
Nguyên lý hoạt động của hệ thống là đo khoảng cách tương đối của mỗi vạch cần đo với vạch 0 trên thước Thước vạch MIA được gá cố định nằm ngang, song song với trục dịch chuyển của bàn trượt Trên bàn trượt có gá gương phản xạ và camera dùng để ngắm vạch Sau khi lấy giá trị “0” tại vạch 0 của thước, bàn trượt dịch chuyển đến vị trí vạch cần đo, camera thu ảnh vạch tại vị trí này, tính toán khoảng cách từ vạch tới tâm ảnh, cùng với số hiển thị trên phần mềm laser đưa ra khoảng cách tương đối cần tính toán Quá trình này được lặp lại với mỗi vị trí đo tiếp theo.
Những yếu tố ảnh hưởng tới độ chính xác của hệ thống hiệu chuẩn thước vạch MIA
Hệ thống giao thoa kế tạo ra các vân quang học dựa trên chuyển động tương đối giữa các vị trí đo, trong đó mỗi vân thể hiện độ dịch chuyển của một phần nhỏ bước sóng laser Các vân này cũng sẽ xuất hiện khi bước sóng laser thay đổi, gây ra hiện tượng đo sai lệch ngay cả khi không có sự dịch chuyển thực tế, dẫn đến sai số trong phép đo Nguồn laser trong hệ thống giao thoa kế luôn có các tần số ổn định để đảm bảo độ chính xác và lặp lại của bước sóng, trong đó độ chính xác dựa trên độ chính xác của bước sóng, còn độ lặp lại phụ thuộc vào sự ổn định này Độ chính xác và độ ổn định của laser được đo bằng phần triệu (ppm) của tần số laser, và sai số này phụ thuộc vào khoảng cách cần đo Tất cả các nguồn laser đối với hệ thống đầu dò laser của Agilent đều có cùng mức độ chính xác bước sóng và thông số kỹ thuật ổn định, đã được xác định trong môi trường chân không để đảm bảo hiệu suất cao.
23 Độ ổn định của bước sóng laser: ±0,02 ppm (dài hạn)
Sai số độ ổn định của bước sóng laser = ሺേͲǡͲʹ ൈ ͳͲ ି ሻ ൌ േͲǡͲʹߤ݉Ȁ݉ Độ chính xác của bước sóng laser: ±0,02 ppm
Sai số độ chính xác của bước sóng laser = ሺേͲǡͲʹ ൈ ͳͲ ି ሻ ൌ േͲǡͲʹߤ݉Ȁ݉
Sai số điện tử bắt nguồn từ phương pháp sử dụng để mở rộng độ phân giải cơ bản của phép đo trong hệ giao thoa kế Độ phân giải cơ bản của hệ giao thoa kế là λ/2 và có thể được mở rộng bằng điện tử hoặc quang học vượt λ/2 Trong hệ thống đo lường laser hãng Agilent, sai số điện tử bằng độ không đảm bảo đo của độ phân giải nhỏ nhất Sai số điện tử chính là lỗi lượng tử hóa của bộ đếm điện tử trong hệ thống
Thuật ngữ sai số điện tử là một sai số cố định bằng với độ phân giải nhỏ nhất trên hệ thống Agilent [8]
2.3.3 Sai số phi tuyến tính quang học
Sự phi tuyến tính quang học xảy ra do sự rò rỉ quang học của một thành phần phân cực Thành phần quang học của hệ giao thoa kế laser có thể ảnh hưởng tới độ không đảm bảo đo do khả năng không thể tách hai thành phần chùm tia laser một cách chính xác tuyệt đối (phân cực theo trục dọc và ngang)
Sai số phi tuyến tính trong quang học có tính chu kỳ, phản ánh sự thay đổi chu kỳ quang học của một bước sóng hoặc sự dịch chuyển pha 360° giữa tần số tham chiếu và tần số đo Tính phi tuyến này xuất phát từ rò rỉ quang học, ảnh hưởng đến tất cả các hệ thống giao thoa kế, bất kể nguồn laser là tần số đơn hay tần số kép Hiểu rõ về sai số phi tuyến tính giúp tối ưu hóa độ chính xác của các ứng dụng khảo sát quang học.
Rò rỉ của một thành phần chùm tia laser sang thành phần kia xảy ra do hai nguyên nhân chính Thứ nhất, chùm ánh sáng từ bất kỳ nguồn laser nào cũng mang hình elip do không thể phân cực tuyến tính hoàn toàn chính xác Thứ hai, hệ giao thoa kế không thể phân tách hai chùm tia laser một cách hoàn hảo, gây ra hiện tượng rò rỉ tia laser giữa các thành phần.
Hình dưới cho thấy một biểu đồ sai số phi tuyến tính quang học tương ứng với khoảng cách độ dài thay đổi với các điều kiện trong trường hợp xấu nhất (khi sử dụng giao thoa kế tuyến tính) Sử dụng mô hình tính toán thống kê, giá trị RSS (Tổng bình phương gốc) là ± 4,2 nanomet Sai số phi tuyến tính quang là giá trị cố định và khác nhau đối với mỗi hệ giao thoa kế [8]
Hình 2.6 Biểu đồ sai số phi tuyến tính quang học
2.3.4 Sai số giãn nở nhiệt
Sai số giãn nở nhiệt ảnh hưởng đến tất cả các phép đo kích thước vì mỗi thông số đều phụ thuộc vào nhiệt độ Số hiệu chính xác của giãn nở nhiệt được xác định dựa trên việc đo nhiệt độ môi trường tại thời điểm đo và hệ số giãn nở nhiệt của vật liệu, đặc biệt trong điều kiện tiêu chuẩn là 20 °C (68 °F) Việc kiểm soát và tính toán sai số này là yếu tố quan trọng để đảm bảo độ chính xác của các phép đo trong nghiên cứu và ứng dụng kỹ thuật.
Số hiệu chính nhiệt độ vật liệu = 1 − α(ΔT) (2.6) Trong đó: α = hệ số giãn nở nhiệt ΔT = T – 20 °C
L 2 = kích thước tại nhiệt độ T
Sai số giãn nở nhiệt phụ thuộc vào hệ số giãn nở nhiệt đã biết, phản ánh độ chính xác và độ lặp lại của cảm biến nhiệt độ Hãng Agilent sử dụng cảm biến nhiệt độ có độ chính xác đạt ±0,1 °C và độ lặp lại cũng là ±0,1 °C, đảm bảo độ tin cậy trong các phép đo nhiệt độ.
2.3.5 Sai số do chênh lệch thông số môi trường
Chênh lệch giữa thông số môi trường thực tế với thông số môi trường tiêu chuẩn của nguồn laser gây ảnh hưởng lớn tới độ chính xác của phép đo Sai số của sự chênh lệch này phụ thuộc vào độ chính xác của phương pháp bù trừ, điều kiện môi trường khi tiến hành đo, và cường độ thay đổi của môi trường trong suốt quá trình đo
Trong môi trường chân không, bước sóng của laser là cố định và không đổi, nhưng khi hoạt động trong không khí, bước sóng của laser lại phụ thuộc lớn vào chỉ số khúc xạ của môi trường Chỉ số khúc xạ ảnh hưởng trực tiếp đến sự biến đổi của bước sóng, làm thay đổi đặc tính truyền sóng của laser trong không khí Hiểu rõ mối liên hệ giữa bước sóng laser và chỉ số khúc xạ giúp tối ưu hóa ứng dụng của laser trong các lĩnh vực như y học, truyền thông và đo lường kỹ thuật Chính vì vậy, việc nghiên cứu và điều chỉnh các yếu tố môi trường ảnh hưởng đến bước sóng laser là rất cần thiết để đảm bảo hiệu quả và độ chính xác của các ứng dụng laser trong thực tế.
25 xạ n là tỉ lệ giữa λV (bước sóng laser trong chân không) và λA (bước sóng laser trong không khí) ݊ ൌߣ ߣ
Mọi sự thay đổi về mật độ không khí – một hàm của nhiệt độ, áp suất và độ ẩm không khí đều ảnh hưởng tới chỉ số khúc xạ
Công thức tính sai số chênh lệch thông số môi trường của hãng Agilent: േ ͲǡͲ݉ ͲǡͲ݉ ¯ዒܥ ൈ οܶ ͲǡͲͲʹ݉ ݉݉ܪ݃ ൈ οܲ൨ (2.9)
Sai số Deadpath xuất hiện do độ dài không được bù đắp của chùm tia laser giữa gương giao thoa và gương phản xạ tại vị trí “0” của hệ thống, nơi nguồn laser được thiết lập lại Khoảng cách Deadpath chính là chênh lệch độ dài quang trình của tia tham chiếu và tia đo khi ở vị trí “0”, điều này có thể gây ra sai số đo nếu không được điều chỉnh phù hợp Trong điều kiện môi trường thay đổi, các thành phần chùm tia không bằng nhau có thể làm tăng sai số do sự chênh lệch này không được bù đắp đúng cách.
Hình 2.7 Sai số Deadpath khi di chuyển gương phản xạ
Sai số Deadpath có thể được biểu diễn như sau:
Deadpath Error = Khoảng cách Deadpath × ΔWCN (2.10) Trong đó: ΔWCN = Thay đổi số bù bước sóng trong thời gian đo đạc
Hình 2.8 Phương pháp giảm thiểu sai số Deadpath
Trong quá trình đo đạc, việc thiết lập điểm "0" gần vị trí của Deadpath = 0 giúp giảm thiểu sai số Deadpath Phương pháp này liên quan đến việc di chuyển gương phản xạ hoặc gương dịch chuyển tới gần hơn vị trí điểm "0", từ đó nâng cao độ chính xác của kết quả đo đạc.
Sai số Abbé lần đầu tiên được nhắc đến bởi TS Ernst Abbé của Zeiss, liên quan đến độ chính xác của phép đo khi kích thước cần đo không nằm cùng một trục với kích thước mẫu Sai số này phát sinh do sai số chuyển động góc trong hệ dịch chuyển, dẫn đến kết quả đo ngắn hơn hoặc dài hơn kích thước thực của vật thể Công thức tính sai số Abbé giúp xác định mức độ sai lệch này để nâng cao độ chính xác trong các phép đo kỹ thuật.
Sai số Abbé được tính bằng tích của khoảng cách lệch và tan của góc lệch, cụ thể là Sai số Abbé = khoảng cách lệch × tan góc lệch Thông thường, sai số Abbé ước lượng khoảng 0,1 μm cho mỗi 20 mm khoảng cách lệch trục cùng với mỗi giây của góc lệch, giúp đảm bảo độ chính xác trong quá trình đo lường và gia công cơ khí.
Sai số Cosin xảy ra khi trục đo (trục của tia laser) lệch so với trục dịch chuyển của hệ Sai số này khiến cho khoảng cách đo được sai lệch so với khoảng cách thực đã di chuyển Giá trị của sai số này tỉ lệ thuận với cos của góc lệch [7]
2.3.9 Sai số xác định vị trí vạch
THIẾT KẾ, XÂY DỰNG HỆ THỐNG HIỆU CHUẨN THƯỚC VẠCH
Thiết kế, xây dựng hệ thống
Hệ thống hiệu chuẩn thước vạch MIA được nghiên cứu xây dựng dựa trên hệ thống sẵn có tại Phòng Đo lường Độ dài, Viện Đo lường Việt Nam Cụ thể, hệ giao thoa kế laser cùng hệ thống đồ gá và băng máy đo chiều dài vạn năng là nền tảng cốt lõi của hệ thống hiệu chuẩn thước vạch MIA được xây dựng
Hình 3.1 Hình ảnh tổng quan hệ thống trên phần mềm thiết kế
Hình 3.2 Hình ảnh thực tế hệ thống tại VMI
Nguồn laser được hệ thống sử dụng là model 5519A của hãng Agilent HP Thông số kỹ thuật của nguồn laser được thể hiện trong bảng sau:
Bảng 3.1 Thông số kỹ thuật nguồn laser 5519A của hãng Agilent HP
Tia laser Laser khí He-Ne ổn định tần số kép
Thời gian khởi động Dưới 10 phút
Bước sóng (chân không) 632,991354 nm
(λ) 632,992031 nm Độ chính xác bước sóng ±0,02 ppm Độ ổn định ±0,002 ppm (1 h) ±0,02 ppm (dài hạn)
Công suất ra >180 μW Đường kính tia 6 mm
Hình 3.3 Kích thước nguồn laser HP 5519A
Hình 3.4 Hình ảnh thực tế nguồn laser 5519A
Gương phản xạ và gương giao thoa được sử dụng là 10767A và 10766A của hãng Agilent
Hình 3.5 Kích thước gương phản xạ 10767A
Hình 3.7 Kích thước gương giao thoa 10766A
Với hệ thống đồ gá đang có sẵn tại Viện Đo lường Việt Nam, cụm đồ gá camera được lắp trên một trục kim loại được gá chặt trên băng trượt của băng máy 3 m Trục kim loại này được dùng để gá gương phản xạ của hệ giao thoa kế laser, có kích thước như Hình 3.9 Kích thước trục kim loại trên băng trượt của hệ thốngdưới đây:
Hình 3.9 Kích thước trục kim loại trên băng trượt của hệ thống
Hình 3.10 Cụm đồ gá camera trên phần mềm thiết kế
Cụm đồ gá bao gồm 7 chi tiết chính:
Trục kim loại trong hệ thống camera đóng vai trò chính trong việc hỗ trợ toàn bộ cụm camera, hệ gương phản xạ và kết nối với bàn dịch chuyển đã được tích hợp sẵn của hệ hiệu chuẩn Điều này giúp đảm bảo sự ổn định và chính xác trong quá trình hiệu chuẩn, tối ưu hóa hiệu suất và độ chính xác của hệ thống.
- Chi tiết 2 & 4: có chức năng gá đặt và kết nối cụm vi chỉnh XYZ và camera với các chi tiết còn lại trong hệ
Cụm vi chỉnh XYZ có vai trò quan trọng trong việc điều chỉnh chính xác vị trí giữa Camera và thước MIA, giúp đảm bảo hình ảnh các vạch trên thước được hiển thị rõ nét nhất Tinh chỉnh chính xác này nhằm tối ưu hóa khả năng thu nhận hình ảnh, nâng cao độ chính xác trong quá trình đo lường Việc điều chỉnh chính xác vị trí của cụm vi chỉnh XYZ giúp cải thiện chất lượng hình ảnh và đảm bảo kết quả đo lường đạt độ chính xác cao nhất.
- Chi tiết 5: camera và đồ gá gương phản xạ
- Chi tiết 6 (trục ren nối): được tiện ren hai đầu để kết nối trục chính với hệ gương phản xạ
- Chi tiết 7: đồ gá gương phản xạ của hệ giao thoa kế laser
33 Để đáp ứng đầy đủ yêu cầu thực tế của hệ thống, bệ gá camera cần phải đáp ứng được các yếu tố sau:
- Cố định chắc chắn, tránh rung lắc trong quá trình băng trượt di chuyển
- Hạn chế tối đa khối lượng không cần thiết, tránh gây biến dạng, tổn hại cho trục kim loại
Bệ gá có khả năng điều chỉnh linh hoạt theo ba trục X, Y, Z, giúp đảm bảo độ chính xác cao trong quá trình đo lường Tính năng vi chỉnh của bệ gá đóng vai trò rất quan trọng, hỗ trợ việc gắn kết chính xác và dễ dàng căn chỉnh thước vạch MIA Nhờ đó, quá trình đo đạt và gá thước trở nên hiệu quả, chính xác hơn, đáp ứng tiêu chuẩn kiểm tra kỹ thuật cao.
- Có nhiều tùy chỉnh gá lắp để tương thích với nhiều loại camera khác nhau
Hình 3.11 Cụm vi chỉnh trục X, Y, Z trên phần mềm thiết kế
Hình 3.12 Cụm vi chỉnh trục X, Y
Hình 3.13 Cụm vi chỉnh trục Z
Bảng 3.2 Thông số kỹ thuật cụm vi chỉnh trục X, Y [11]
(mm) 41 - 60 Kích thước chiều rộng W
Khoảng cách dịch chuyển (trục Y) (mm) ±10 Khoảng cách dịch chuyển (trục X) (mm) ±10
Xử lý bề mặt Anodize đen Vật liệu Hợp kim nhôm
(mm) 40 Tải trọng (N) 30,1 - 50 Độ thẳng (μm) 3 Độ song song (μm) 20
Bảng 3.3 Thông số kỹ thuật cụm vi chỉnh trục Z [12]
(mm) 41 - 60 Kích thước chiều rộng W
Khoảng cách dịch chuyển (mm) ±10 Tải trọng (N) 5 - 30
Xử lý bề mặt Anodize đen Vật liệu Hợp kim nhôm
Hình 3.14 Hình ảnh thực tế cụm vi chỉnh trục X, Y, Z
Hình 3.15 Hình ảnh cụm gá lắp camera trên phần mềm thiết kế
Hình 3.16 Hình ảnh thực tế cụm đồ gá camera
Tính toán và lựa chọn camera
3.2.1 Tính toán vùng đo của camera
Vùng đo của camera chủ yếu phụ thuộc vào các thông số của hệ thống, như khoảng cách L để đạt kích thước vùng đo theo phương ngang (w) và phương dọc (h) Thông thường, kích thước vùng chiếu theo phương dọc nhỏ hơn so với phương ngang, do đó, trong quá trình thực nghiệm tối ưu, chúng tôi sẽ lấy kích thước vùng chiếu nhỏ hơn để đảm bảo độ chính xác cao nhất.
Hình 3.17 Sơ đồ xác định giới hạn vùng đo của hệ thống
Xác định vùng không gian chiếu của camera là yếu tố quan trọng để tối ưu hóa khả năng giám sát Góc E và J thể hiện góc chiếu theo phương ngang và phương dọc, giúp người dùng định hướng phù hợp Với khả năng zoom của ống kính camera, phạm vi quan sát có thể linh hoạt điều chỉnh để bao phủ khu vực cần thiết, đảm bảo hình ảnh rõ nét và toàn diện Việc hiểu rõ các góc chiếu này góp phần nâng cao hiệu quả giám sát và an ninh cho không gian quan tâm.
Chọn tỷ lệ phóng hình phù hợp là yếu tố cần thiết để đảm bảo ảnh chiếu rõ nét trên mặt phẳng tham chiếu, đồng thời giúp xác định mối quan hệ giữa khoảng cách chiếu và phạm vi vùng chiếu Độ sâu trường là khoảng cách dọc theo quang trục của thấu kính, xác định phạm vi vùng đo có thể tạo ra hình ảnh chính xác trên cảm biến Vì ống kính chỉ có thể lấy nét rõ ở một khoảng cách vật duy nhất, nên độ sắc nét sẽ giảm dần bên ngoài tiêu cự, ảnh hưởng đến độ chính xác của phép đo Việc xác định đúng vùng sâu của chi tiết đo giúp duy trì độ nét ảnh, từ đó nâng cao chính xác của hệ thống đo lường.
Hình 3.18 Sơ đồ tạo ảnh qua thấu kính Độ sâu trường phụ thuộc vào đường kính khẩu độ D Mỗi ống kính chỉ có tiêu cự ở một khoảng cách duy nhất, ở khoảng cách đó một điểm trên chi tiết đo sẽ tạo ra một điểm ảnh, độ rõ nét sẽ giảm dần ở mỗi bên của khoảng cách hội tụ Để xác định độ sâu này, trước tiên chúng ta phải xác định vòng tán xạ c (là một vùng mờ nhỏ có thể thu được bởi cảm biến ảnh CCD) Khi các điểm trên chi tiết đo ở các khoảng cách L max và L min sẽ tạo ảnh rõ nét ở các khoảng cách hình ảnh tương ứng là L’ max và L’ min Ở khoảng cách vật L, các điểm này sẽ tạo ảnh như các điểm mờ Khi lấy đường kính điểm mờ tạo ảnh bằng với kích thước vòng tán xạ c thì xác định được độ sâu giới hạn vùng đo d = L max - L mim Chiều rộng của vùng d sẽ
38 phụ thuộc vào kích thước của vòng tán xạ c, khoảng cách vùng này đến thấu kính
Từ các tam giác đồng dạng ta có: ܿ ܦൌ ܮ ᇱ ௫ െ ܮ ᇱ ܮ ᇱ ௫ (3.2)
Với mô hình máy ảnh lỗ nhỏ khoảng các vật và khoảng cách ảnh có mối quan hệ: ͳ ܮ ͳ ܮ ᇱ ൌ ͳ ݂ (3.3) ͳ ܮ ͳ ܮ ᇱ ௫ ൌ ͳ ݂ (3.4) ͳ ܮ ᇱ ͳ ܮ ௫ ൌ ͳ ݂ (3.5)
Các ống kính máy ảnh thường có khẩu độ cực đại và cực tiểu, được thể hiện qua thông số f trong kỹ thuật Trong đó, chỉ số khẩu độ cực đại thường được ghi rõ để người dùng dễ dàng lựa chọn phù hợp Đối với các ống kính có độ dài tiêu cự cố định, đường kính khẩu độ D có mối quan hệ nghịch đảo với hệ số khẩu độ N theo công thức: Ɲ = Ƒ / D, giúp xác định khả năng thu sáng của ống kính một cách chính xác.
Trong các ống kính hiện đại, chỉ số khẩu độ thường sử dụng thang đo là số f chuẩn, thể hiện mức độ mở của khẩu độ và được cung cấp bởi nhà sản xuất Chỉ số N được thiết lập bằng cách quay vòng điều chỉnh khẩu độ, thể hiện lượng ánh sáng đi vào so với đường kính khẩu độ hoặc pupin, với N tăng theo lũy thừa của ξʹ làm giảm diện tích khẩu độ và lượng ánh sáng truyền qua hệ thống Các ống kính có N nhỏ cho phép nhiều ánh sáng đi qua hơn, trong khi các ống kính có N lớn giảm lượng sáng truyền qua, giúp điều chỉnh độ sáng phù hợp và nâng cao chất lượng hình ảnh Thông thường, chỉ số N của ống kính máy ảnh nằm trong dạng f/N, ví dụ như f/1.4, phản ánh khẩu độ lớn hơn hoặc nhỏ hơn phù hợp với điều kiện chụp ảnh.
2, 2.8, 4, 5.6, 8, 11, 16, 22… Ngoài ra thông số N còn liên quan đến độ phân giải và độ tương phản lý thuyết
Giới hạn độ sâu trường thu được thông qua biến đổi các công thức từ (3.2) đến (3.6): ܮ ൌ ܮǤ ݂ ଶ ݂ ଶ ܰǤ ܿǤ ሺܮ െ ݂ሻ (3.7)
Theo công thức (3.7) và (3.8), giới hạn độ sâu trường đo được xác định: ݀ ൌ οܮ ൌ ܮ ௫ െ ܮ ൌ ଶǤேǤǤ మ మ (3.9)
Độ sâu vùng đo trong hệ thống quang học được xác định bởi các yếu tố: tiêu cự của ống kính máy ảnh (f), khẩu độ của ống kính (D), và khoảng cách từ máy ảnh đến chi tiết đo (L) Khi kích thước vòng tán xạ (c) tăng lên, phạm vi độ sâu (d) cũng sẽ tăng theo do kích thước mờ cho phép của hệ thống lớn hơn Trong đó, khi c có giá trị nhỏ vừa đủ, mối quan hệ giữa d và c là tuyến tính, nhưng khi c quá lớn, quan hệ này trở nên phi tuyến và công thức tính độ sâu không còn chính xác nữa Để lựa chọn phù hợp, nên thiết lập kích thước đường kính vòng tán xạ bằng kích thước của một điểm ảnh (P c).
Khi chiều dài tiêu cự giảm, độ sâu trường ảnh tăng rõ rệt nhờ vào sự xuất hiện của tiêu cự f trong mẫu số với giá trị bình phương Độ sâu vùng đo tỉ lệ nghịch với chiều dài tiêu cự của thấu kính, có nghĩa là khi f giảm, độ sâu vùng đo sẽ tăng lên Ngoài ra, độ sâu vùng đo còn phụ thuộc vào khoảng cách vật L; khi L tăng, độ sâu cũng tăng theo, vì L xuất hiện ở tử số và có giá trị bình phương Tuy nhiên, nếu L quá lớn, độ phân giải của điểm ảnh vật sẽ giảm, do đó, cần chọn khoảng cách L phù hợp để cân bằng giữa độ sâu vùng đo và độ phân giải của hệ thống đo.
Trong hệ quang lý tưởng không có nhiễu xạ và quang sai, độ phân giải phụ thuộc vào kích thước điểm ảnh và kích thước chi tiết đo Khi kích thước điểm ảnh giảm, độ phân giải sẽ tăng lên, giúp cải thiện khả năng phân biệt các chi tiết nhỏ hơn Độ phân giải không gian ảnh được xác định bởi độ phân giải của máy ảnh, trong khi độ phân giải không gian chi tiết đo liên quan đến độ phóng đại chính của thấu kính hoặc hệ thống nhằm phóng đại chi tiết đo Việc tính toán tỷ lệ giữa trường nhìn và kích thước cảm biến ảnh rất quan trọng để đảm bảo độ chính xác trong quá trình đo lường, theo công thức được trình bày trong công thức (3.10) Độ phân giải không gian chi tiết đo được xác định theo hai phương chính, đó là phương ngang và phương dọc, thể hiện qua các công thức (3.11) giúp xác định khả năng phân biệt các chi tiết theo các hướng khác nhau trong không gian đo.
Độ phân giải của hệ thống phụ thuộc vào kích thước vùng chiếu theo hai phương cơ bản của các công thức đã đề cập Cụ thể, khi vật thể ở càng gần đầu đo, thì độ phân giải sẽ tăng lên, mang lại khả năng phân biệt các chi tiết nhỏ hơn Ngược lại, khi vật thể càng xa, độ phân giải sẽ giảm, hạn chế khả năng phân biệt các chi tiết trên vật thể.
Camera được lựa chọn sử dụng cho hệ hiệu chuẩn thước vạch là cam CS165CU1/M của hãng Thorlab
Hình 3.19 Camera CS165CU1/M của Thorlab Bảng 3.4 Bảng thông số kỹ thuật camera CS165CU1/M [14]
Số lượng điểm ảnh (ngang × dọc) 1440 × 1228 (pixels)
Vùng ảnh (ngang × dọc) 4,968 × 3,726 (mm)
Kích thước pixel 3,45 × 3,45 (μm) Độ phân giải ADC 10 bits
Loại sensor shutter Global Độ nhiễu < 4,0 e RMS -
Thời gian phơi sáng 0,040 ms – 26843 ms bước 0,025 ms
Region of interest (ROI) 80 × 4 tới 1440 × 1800 (pixels) hình chữ nhật
Dải động (dynamic range) tới 69 dB
Tiêu thụ điện năng USB 1,17 W
Nhiệt độ vận hành 10 – 40 (ºC)
Nhiệt độ bảo quản 0 – 50 (ºC)
Tốc độ khung hình tại 1 ms thời gian phơi sáng
ROI (pixels) Tốc độ khung hình (fps)
Theo bảng thông số kỹ thuật của cam ta thấy được kích thước thực của cam theo phương ngang và phương dọc (C u × C v ) là (4,968 mm × 3,726 mm) Vùng thu
41 ảnh mong muốn của hệ thống (h × w) là (50 mm × 70 mm) và L max = 200 mm Qua đó ta có thể tính sơ bộ tiêu cự của ống kính là: ݂ ൌ ܮǤ ܥ ௩ ܥ ௩ ݄ ൌ ʹͲͲǤ͵ǡʹ ͵ǡʹ ͷͲൌ ͳ͵ǡͺ݉݉ (3.12)
Chọn thấu kính máy ảnh có tiêu cự là 12 mm
Trong hệ thống thực nghiệm này chọn ܦ ൌ ݂ ͳʹΤ tức là ܰ ൌ ͳʹ Độ lớn của đường kính vòng tán xạ c để đạt được độ sắc nét chấp nhận được phụ thuộc vào kích thước của cảm biến ảnh Trong trường hợp này lấy đường kính vòng tán xạ chấp nhận được có kích thước là một điểm ảnh của CCD ܿ ൌ ܲ ൌ ͵ǡͶͷߤ݉ Như vậy độ sâu trường sẽ được xác định theo công thức (3.9) với khoảng cách L = 200 mm, tiêu cự f = 12 mm ݀ ൌ ʹǤ ܰǤ ܿǤ ܮ ଶ ݂ ଶ ൌʹǤͳʹǤ͵ǡͶͷǤ ͳͲ ିଷ Ǥ ʹͲͲ ଶ ͳʹ ଶ ൌ ʹ͵݉݉ (3.13)
Như vậy, vùng không gian đo giới hạn của hệ thống là (w × h × d) = 70 × 50 × 23 (mm) với tiêu cự thấu kính f mm, và khoảng cách từ tâm vùng đo tới đầu đo là L max = 200 mm, chi tiết đo đặt trong vùng này sẽ thu được độ chính xác cao
Qua các thông số tính toán sơ bộ bên trên chọn được thấu kính cho hệ đo là
MVL12M23 của hãng Thorlab với các thông số kỹ thuật như sau:
Bảng 3.5 Thông số kỹ thuật của thấu kính MVL12M23 [14]
Số model MVL12M23 Khoảng cách làm việc tối thiểu 150 mm
Trường nhìn góc 26,6º Khoảng cách làm việc 150 mm
Trường nhìn chéo 71 mm Độ phóng đại 0,08
Trường nhìn H 57 mm Khoảng cách tiêu cự 12 mm
Trường nhìn V 43 mm Kích thước nhỏ nhất có thể nhìn 0,09 mm
Phần mềm đọc vạch và xử lý ảnh
Phần mềm đọc vạch và xử lý ảnh là thành phần then chốt trong hệ thống hiệu chuẩn, giúp hiển thị hình ảnh từ camera và thu nhận dữ liệu đo từ giao thoa kế laser Nhờ đó, phần mềm đảm bảo độ chính xác của phép đo và tối ưu hóa quá trình hiệu chuẩn thước vạch MIA, giảm thiểu thời gian và công đoạn thủ công Việc sử dụng phần mềm hiệu quả góp phần nâng cao hiệu suất và độ tin cậy của hệ thống đo lường, mang lại kết quả chính xác và nhanh chóng hơn.
Hình 3.20 Sơ đồ khối quá trình phần mềm xử lý thông tin từ camera
Phần mềm sử dụng thư viện OpenCV để đọc ảnh và xử lý các công đoạn như tách biên (xây dựng vạch) và tính toán khoảng cách từ vạch thước đến tâm ảnh trên camera Phương pháp nhận diện và tách vạch khỏi nền thước được xây dựng dựa trên các hàm cvtColor, GaussianBlur và thuật toán Threshold, giúp chuyển đổi ảnh màu sang dạng ảnh xám, lọc bỏ nhiễu và xử lý tách vạch khỏi nền hiệu quả.
Hàm cvtColor trong OpenCV được sử dụng để chuyển đổi ảnh màu sang ảnh xám, như cú pháp: gray = cv2.cvtColor(image, cv2.COLOR_BGR2GRAY) Ảnh xám, hay còn gọi là ảnh đơn sắc, thể hiện các mức xám khác nhau trên một phạm vi nhất định Với ảnh có 8 mức xám, mỗi điểm ảnh sẽ có giá trị trong khoảng từ 0 đến 7, trong khi ảnh có 256 mức xám sẽ có giá trị trong khoảng từ 0 đến 255, giúp giảm độ phức tạp của dữ liệu hình ảnh để phục vụ các ứng dụng xử lý ảnh khác nhau.
255] Bản chất của việc chuyển đổi ảnh xám ở đây là vì mỗi pixel ở ảnh thường (ảnh màu) cung cấp ba trường thông tin, còn mỗi pixel ở ảnh xám chỉ tương ứng với một trường thông tin mà vẫn đảm bảo tác vụ cần thiết trong việc xử lý Hơn nữa, việc giảm bớt thông tin giúp tăng tốc độ phản hồi và xử lý của phần mềm Mỗi ảnh xám được xây dựng sau bước trên, còn nhiều nhiễu do tính không đồng đều của các điểm ảnh, vì thế ở bước này phần mềm sử dụng thuật toán GaussianBlur để lọc bỏ nhiễu, làm mịn ảnh Bộ lọc Gass được thực hiện bằng cách nhân chập ảnh đầu vào với một ma trận lọc Gauss sau đó cộng chúng lại để tạo thành ảnh đầu ra Câu lệnh được dùng như sau: gray1 = cv2.GaussianBlur(gray,
Sau khi lọc, hình ảnh được xử lý bằng thuật toán Threshold để phân ngưỡng các điểm ảnh, trong đó các pixel có giá trị lớn hơn hoặc bằng 120 sẽ được gán giá trị 255, còn các pixel còn lại sẽ tự động thành 0 Thuật toán này chia ảnh thành hai phần dựa trên ngưỡng 120, đã được chọn qua nhiều quá trình thử nghiệm và kiểm thử Cụ thể, hàm threshold trong OpenCV được sử dụng như sau: thresh = cv2.threshold(gray1, 120, 255, cv2.THRESH_BINARY_INV).
Thuật toán Contour tập hợp các pixel có cùng độ sáng để tạo thành đường biên phù hợp với đường biên của vạch, giúp xác định chính xác hình dạng của đối tượng Đường biên này được phần mềm tính toán dựa trên khoảng cách từ đường tâm ảnh trên camera đến đường biên, đo bằng đơn vị pixel Sau khi nhập vào giá trị độ dài của mỗi pixel, phần mềm sẽ chuyển đổi khoảng cách này từ đơn vị pixel sang millimeter (D1), cung cấp kết quả chính xác hơn trong các ứng dụng đo lường và phân tích ảnh.
Cnts = cv2.findContours(thresh, cv2.RETR_EXTERNAL, cv2.CHAIN_APPROX_SIMPLE) cnts = imutils.grab_contours(cnts) for c in cnts: cv2.drawContours(image_vien, [c], -1, (255, 0, 0), 1) cv2.drawContours(image, [c], -1, (255, 0, 0), 1)
Hình 3.21 Hình ảnh vạch thước thu được trên camera
1) Đường biên; 2) Khoảng cách từ đường biên tới đường tâm camera (258 pixels)
Phần mềm thu thập kết quả đo trên hệ thống laser (D2) kết hợp với thông số khoảng cách D1 để xác định chính xác khoảng cách tương đối tại vị trí vạch đang đo (D) Tại mỗi điểm đo, phần mềm tự động thực hiện 5 lần đo liên tiếp và cung cấp 5 kết quả riêng biệt, đảm bảo độ chính xác và độ tin cậy cao Kết quả đo được xuất dưới dạng file Excel, hiển thị các giá trị quan trọng như giá trị của laser (mm), giá trị của camera (pixel), và khoảng cách tương đối từ vị trí đo đến vạch 0 (mm), giúp người sử dụng dễ dàng phân tích và kiểm tra dữ liệu.
Hình 3.22 Phần mềm đo giao thoa kế laser (trái) và phần mềm xử lý ảnh (phải) tại vị trí
300 mm Ta có D1 300 = 300,752 mm và D2 300 = 191 pixels
Phương pháp đọc vạch này giảm thiểu tối đa chủ quan khi thực hiện nhờ vào phần mềm tự động phân tích dựa trên chênh lệch độ sáng giữa vạch và nền Ngoài ra, việc tính toán bù trừ khoảng cách từ vạch đến đường tâm camera giúp quá trình đọc vạch nhanh hơn, không còn phải mất thời gian căn chỉnh thủ công như các phương pháp truyền thống.
THỰC NGHIỆM HIỆU CHUẨN THƯỚC VẠCH MIA
Phương pháp hiệu chuẩn thước vạch MIA
4.1.1 Điều kiện và phương tiện hiệu chuẩn thước vạch MIA
Bảng 4.1 Hệ thống hiệu chuẩn thước vạch MIA
TT Tên phương tiện hiệu chuẩn Đặc trưng kỹ thuật đo lường cơ bản
1.1 Hệ thống đo độ dài bằng giao thoa kế laser
Phạm vi đo: ≥ 2000 mm Độ không đảm bảo đo: ≤ 10 μm
2.1 Thiết bị đo nhiệt độ, độ ẩm
Phạm vi đo: phù hợp với điều kiện môi trường hiệu chuẩn Độ phân giải: ≤ 0,1 qC; ≤ 10 %RH
Dung dịch vệ sinh thước và gương chuyên dụng
Khăn lau chuyên dụng 2.2 Bộ phận đọc vạch Trường nhìn: phù hợp với thước vạch MIA
– Khi tiến hành hiệu chuẩn, phải đảm bảo điều kiện môi trường sau đây: Nhiệt độ: (20 ± 1) ℃ Độ ẩm: (60 ± 20) %RH
4.1.2 ሺݑ ǡݒ ሻ݂ ௨ Các bước hiệu chuẩn thước vạch MIA
Khởi động nguồn laser và các thiết bị đi kèm;
Vệ sinh sạch sẽ thước cần hiệu chuẩn bằng dung dịch và khăn lau chuyên dụng Thao tác này giúp giảm thiểu sai số trong quá trình đọc vạch do các vết ố, bẩn trên mặt thước
Căn chỉnh sao cho đường quang của tia laser song song với trục chuyển động của hệ thống đọc vạch
Lắp đặt thước lên bàn đỡ và điều chỉnh cho bộ phận đọc vạch đọc rõ nét vạch khắc trên thước trong toàn phạm vi đo của thước Thao tác này giúp đảm bảo bề mặt thước song song với tiêu diện của thấu kính của bộ phận đọc vạch
Căn chỉnh sao cho thước nằm thẳng và song song với trục chuyển động của bộ phận đọc vạch Thao tác này giúp loại trừ ảnh hưởng của sai số Cosin tới kết quả đo
Để đảm bảo độ chính xác trong quá trình đo, thước cần ổn định trong môi trường ít nhất 2 giờ trước khi hiệu chuẩn nhằm giảm thiểu ảnh hưởng của biến đổi nhiệt độ Đối với hệ thống hiệu chuẩn mới tích hợp camera và phần mềm đi kèm, các thông số nội tại của camera như tiêu cự, điểm chiếu vuông góc và kích thước pixel phải được hiệu chuẩn trước khi đo, đảm bảo kết quả đo chính xác Ma trận A biểu diễn các thông số nội tại của camera được xác định dựa trên các biểu thức và phép tính cụ thể trong quy trình hiệu chuẩn.
Tọa độ của điểm chiếu vuông góc được xác định là vị trí ảnh khi trục quang học giao với mặt phẳng ảnh, giúp xác định chính xác vị trí của ảnh trên cảm biến camera Các tham số ὔ ݑ ǡ ݒ ὔ là khoảng cách tiêu cự của camera theo các trục u và v của mặt phẳng ảnh, tính bằng đơn vị pixels để đảm bảo độ chính xác cao trong xử lý hình ảnh Ngoài ra, góc γ thể hiện độ nghiêng của hai trục ảnh, ảnh hưởng đến khả năng chỉnh sửa và phân tích dữ liệu hình ảnh một cách chính xác.
Thước được hiệu chuẩn với bước đo 200 mm, cho tới hết chiều dài 1800 mm của thước
Xác định giá trị khoảng cách của từng thước tại nhiệt độ tiêu chuẩn 20℃ theo công thức: ܮ ଶ ൌ ܦ െ ሺοܶ ൈ ߙ ൈ ܮሻ (4.2) Trong đó: ܮ ଶ - Kết quả đo của thước vạch MIA
(Chiều dài của thước tại nhiệt độ tiêu chuẩn là 20 Ԩ) ܦ - Giá trị của thước tại nhiệt độ T ሺܦ ൌ ܦͳ ܦʹሻ
47 οܶ - Chênh lệch nhiệt độ của thước với nhiệt độ tiêu chuẩn
(οܶ ൌ ܶ െ ʹͲԨሻ ߙ - Hệ số giãn nở nhiệt của thước vạch MIA ܮ - Giá trị danh nghĩa trên thước vạch MIA
4.1.4 Ước lượng ĐKĐBĐ thành phần
4.1.4.1 ĐKĐBĐ của nguồn laser (ݑ ௦ ) (ĐKĐBĐ loại B) ݑ ௦ ൌܷ ௦ ʹ (4.3)
Trong đó: ܷ ௦ - Độ không đảm bảo đo của chuẩn trên GCN hiệu chuẩn
4.1.4.2 ĐKĐBĐ do độ lặp lại của phép đo lặp (ݑ ݎ݁ )(ĐKĐBĐ loại A) ݑ ݎ݁ ൌ ݎ݁ ξ݊ Ǣ ዔ ݎ݁ ൌ ඨσ ୀଵ ሺݔ െ ݔҧሻ ଶ ݊ െ ͳ (4.4)
Trong đó: ݔ - Giá trị đọc được trên chuẩn tại lần đọc thứ i ݊ - Số lần đo lặp
4.1.4.3 ĐKĐBĐ do độ phân giải của chuẩn (ݑ ௦ )(ĐKĐBĐ loại B) ݑ ௦ ൌ ݀ ʹξ͵ (4.5)
Trong đó: ݀ - Độ phân giải của chuẩn
4.1.4.4 ĐKĐBĐ do độ không ổn định nhiệt độ của thước vạch MIA với nhiệt độ tiêu chuẩn (ݑ ο் ) (ĐKĐBĐ loại B) ݑ ο் ൌοܶ ξ͵ (4.6)
4.1.4.5 ĐKĐBĐ đo do hệ số giãn nở nhiệt của thước vạch MIA (ݑ ఈ ) (ĐKĐBĐ loại B) [15] ݑ ఈ ൌ οߙ ʹξ͵ (4.7)
Trong đó: οߙ - Dung sai hệ số giãn nở nhiệt của thước vạch MIA
4.1.4.6 ĐKĐBĐ xác định vị trí vạch (ݑ ௩ )(ĐKĐBĐ loại B) Đối với hệ thống cũ: ݑ ௩ ൌ ܾ ʹξ͵ (4.8)
Trong đó: ܾ - Chênh lệch kết quả đo lớn nhất giữa các lần đo tại mỗi vị trí vạch Đối với hệ thống mới: ݑ ௩ ൌܾ ௫ ʹξ͵ (4.9)
Trong đó: ܾ ௫ - Kích thước của mỗi pixel trên ảnh thu được từ camera
Kết quả thực nghiệm và so sánh
Tiến hành hiệu chuẩn thước vạch MIA số serial 68424 của hãng Leica tại Phòng Đo lường Độ dài – Viện Đo lường Việt Nam, sử dụng cả hệ thống hiệu chuẩn cũ (kỹ thuật ống ngắm hiển vi) và hệ thống mới (camera và phần mềm đọc vạch) Các điều kiện môi trường và cách gá lắp thước được duy trì đồng bộ ở cả hai phương pháp để đảm bảo độ chính xác và đáng tin cậy của quá trình hiệu chuẩn.
Nhiệt độ môi trường phòng thí nghiệm: (20 ± 0,5) ºC Độ ẩm: (65 ± 5) %RH
Nhiệt độ của thước vạch MIA: (20 ± 0,1) ºC
Hệ số giãn nở nhiệt của thước nhôm: (23 ± 3) 10 -6 K -1
4.2.1 Hệ thống hiệu chuẩn cũ
Quá trình thao tác hiệu chuẩn:
Dịch chuyển bàn trượt tới vị trí 0 của thước, dùng ống kính hiển vi ngắm vạch tại vị trí này và set 0 trên phần mềm giao thoa kế laser
Dịch chuyển bàn đo tới vị trí 200 mm, ngắm vạch tại vị trí này và lưu lại giá trị hiển thị trên phần mềm giao thoa kế laser
Lặp lại thao tác trên với các vị trí tiếp theo dọc theo chiều dài thước Mỗi vị trí thực hiện thao tác đo lặp lại 5 lần
Bảng 4.2 Kết quả hiệu chuẩn của phương pháp cũ
KẾT QUẢ ĐO (phương pháp cũ)
Kết quả đo (mm) Độ lệch (mm)
Dựa trên năm bộ số liệu đo tại các vị trí kiểm dọc theo thân thước, chúng tôi đã tính toán độ lệch trung bình tại từng điểm đo, trong đó độ lệch lớn nhất là 0,055 mm tại vị trí 1800 mm Ngoài ra, chênh lệch giữa kết quả đo lớn nhất và nhỏ nhất tại mỗi vị trí kiểm cũng khá lớn, nổi bật nhất là chênh lệch 0,034 mm tại vị trí 800 mm.
Hình 4.1 Độ lệch trung bình của thước theo phương pháp cũ
Bảng 4.3 Tính toán độ không đảm bảo đo theo phương pháp cũ
Dựa trên phương pháp ước lượng ĐKĐBĐ trình bày tại mục 4.1.4, ta có thể ước lượng giá trị ĐKĐBĐ theo phương pháp cũ tại các vị trí kiểm trong phạm vi hiệu chuẩn từ 0 đến 1800 mm Trong đó, tại vị trí 800 mm, giá trị ĐKĐBĐ đạt mức lớn nhất là 43,0 μm, tương đương 0,0430 mm.
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 Đ ộ lệ ch tr ung bì nh (m m )
Bảng 4.4 Bảng tổng hợp độ không đảm bảo đo theo phương pháp cũ
Với phương pháp cũ, ta có ĐKĐBĐ tổng hợp: ݑ ଵ ൌ ටݑ ݏ ଶ ݑ ݎ݁ ଶ ݑ ݎ݁ݏ ଶ ݑ οܶ ଶ ݑ οߙ ଶ ݑ ݒ ଶ (4.10)
Và ĐKĐBĐ mở rộng: ܷ ଵ ൌ ݇ ൈ ݑ ଵ (4.11) với k = 2; P | 95 % [16]
TT Nguồn ĐKĐBĐ Ký hiệu ĐKĐBĐ tiêu chuẩn |c i | ĐKĐBĐ thành phần
2 Độ lặp lại của phép đo lặp ݑ 8,2 μm 1 8,2 μm
3 Độ phân giải của chuẩn ݑ ௦ 0,003 μm 1 0,003 μm
4 Độ không ổn định nhiệt độ của thước vạch MIA với nhiệt độ tiêu chuẩn ݑ ο் 0,058 ºC 23×10 -6 ℃ -1 1,3×10 -6 L
5 Hệ số giãn nở nhiệt của thước vạch MIA ݑ οఈ 0,87×10 -6 ℃ -1 0,1 ℃ 0,087×10 -6 L
6 Xác định vị trí vạch ݑ ௩ 9,9 μm ͳ 9,9 μm
4.2.1 Hệ thống hiệu chuẩn mới
Quá trình thao tác hiệu chuẩn:
Để thiết lập điểm chuẩn trên hệ thống, bạn cần dịch chuyển bàn trượt đến vị trí 0 của thước đo, sau đó điều chỉnh camera để đường tâm trục Y hiển thị gần với mép vạch trên màn hình Tiếp theo, đặt số 0 trên phần mềm giao thoa kế laser để đảm bảo độ chính xác của phép đo Cuối cùng, lưu lại kết quả đo tại vị trí 0 để sử dụng cho các bước tiếp theo trong quá trình kiểm tra hoặc phân tích.
Hình 4.2 Giao diện phần mềm tại vị trí 0 trên thước
Dịch chuyển bàn đo tới vị trí 200 mm, dùng camera ngắm vạch tại vị trí này Lưu lại kết quả đo tại vị trí 200 mm
Lặp lại bước trên với các vị trí tiếp theo dọc theo chiều dài thước Mỗi vị trí thực hiện thao tác đo lặp lại 5 lần
Bảng 4.5 Giá trị đo của laser trên phần mềm
Bảng 4.6 Giá trị đo của camera trên phần mềm
Sau thao tác tính toán thông số nội tại của camera, ta có giá trị độ dài của mỗi pixel: 0,0032 mm
Bảng 4.7 Kết quả hiệu chuẩn của phương pháp mới
KẾT QUẢ ĐO (phương pháp mới)
Kết quả đo (mm) Độ lệch
Với 5 bộ số liệu kết quả đo đầy đủ các vị trí kiểm dọc theo thân thước, ta tính được độ lệch trung bình của thước tại từng vị trí, với độ lệch lớn nhất là 0,025 mm tại vị trí 1800 mm Bên cạnh đó, chênh lệch giữa kết quả đo lớn nhất và nhỏ nhất tại mỗi vị trí kiểm là rất nhỏ so với phương pháp cũ
Hình 4.3 Độ lệch trung bình của thước theo phương pháp mới
Hình 4.1 và Hình 4.3 cho thấy độ lệch trung bình của thước theo cả phương pháp cũ và phương pháp mới, đều có xu hướng tương đồng tại các vị trí kiểm tra Tuy nhiên, độ lệch trung bình theo phương pháp mới thấp hơn so với phương pháp cũ, cho thấy tính chính xác và hiệu quả của phương pháp mới trong đo lường.
Bảng 4.8 Tính toán độ không đảm bảo đo theo phương pháp mới
Với phương pháp ước lượng ĐKĐBĐ đã trình bày tại mục 4.1.4, ta ước lượng được giá trị ĐKĐBĐ theo phương pháp mới tại từng vị trí kiểm trong phạm vi hiệu chuẩn (0 – 1800) mm Tại vị trí 1800 mm, ĐKĐBĐ đạt giá trị lớn nhất là 5,9 μm = 0,0059 mm
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 Đ ộ lệ ch tr ung bì nh (m m )
Bảng 4.9 Bảng tổng hợp độ không đảm bảo đo theo phương pháp mới
Với phương pháp mới, ta có ĐKĐBĐ tổng hợp: ݑ ଶ ൌ ටݑ ݏ ଶ ݑ ݎ݁ ଶ ݑ ݎ݁ݏ ଶ ݑ οܶ ଶ ݑ οߙ ଶ ݑ ݒ ଶ (4.13)
Và ĐKĐBĐ mở rộng: ܷ ଶ ൌ ݇ ൈ ݑ ଶ (4.14) với k = 2; P | 95 % [16]
Kết quả hiệu chuẩn của 5 lần tiến hành đo theo phương pháp cũ và 5 lần tiến hành đo theo phương pháp mới cho thấy sự ổn định của hệ thống sử dụng camera và phần mềm xử lý ảnh Đối với phương pháp cũ, ĐKĐBĐ do độ lặp lại của phép đo là tương đối lớn so với phương pháp mới Ngoài ra, ĐKĐBĐ do phương pháp xác định vị trí vạch đã được cải thiện đáng kể Ngoài hai ĐKĐBĐ trên, tất cả các ĐKĐBĐ còn lại của cả hai phương pháp là xấp xỉ nhau, vì vậy ta có thể thấy tính chính xác của phép hiệu chuẩn thước vạch MIA đã được cải thiện Ngoài ra trong quá trình đo, việc sử dụng camera và phần mềm xử lý ảnh đã giúp giảm bớt thời gian tiến hành và thao tác đo Tại mỗi điểm cần đo, thay vì phải dùng mắt để đưa tâm ống ngắm tới sát mép vạch, với camera ta chỉ cần đưa đường tâm camera tới gần vạch thước Khả năng tính toán tự động và đưa kết quả ra file excel của phần mềm cũng giảm đáng kể thời gian xử lý số liệu
TT Nguồn ĐKĐBĐ Ký hiệu ĐKĐBĐ tiêu chuẩn |c i | ĐKĐBĐ thành phần
2 Độ lặp lại của phép đo lặp ݑ 1,0 μm 1 1,0 μm
3 Độ phân giải của chuẩn ݑ ௦ 0,003 μm 1 0,003 μm
4 Độ không ổn định nhiệt độ của thước vạch MIA với nhiệt độ tiêu chuẩn ݑ ο் 0,058 ºC 23×10 -6 ℃ -1 1,3×10 -6 L
5 Hệ số giãn nở nhiệt của thước vạch MIA ݑ οఈ 0,87×10 -6 ℃ -1 0,1 ℃ 0,087×10 -6 L
6 Xác định vị trí vạch ݑ ௩ 0,9 μm ͳ 0,9 μm