Nghiên cứu phương pháp đọc và hiệu chuẩn thước vạch mia

[2] Hình 1.5 Sơ đồ hoạt động của phươơng pháp đo giao thoa laser 1.3 Tổng quan một số phươơng pháp đo, hệ thống hiệu chuẩn thươớc vạch MIA đã đươợc nghiên cứu và ứng dụng ở nươớc ngoài

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯƠỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI -

VŨ KHÁNH PHAN

Nghiên cứu phươơng pháp đọc và hiệu chuẩn thươớc vạch MIA

Chuyên ngành : KỸ THUẬT CƠ KHÍ

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

TRƯƠỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ

NỘI

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Nghiên cứu phươơng pháp đọc và hiệu

chuẩn thươớc vạch MIA

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên tác giả luận văn: Vũ Khánh Phan

Đề tài luận văn: Nghiên cứu phươơng pháp đọc và hiệu chuẩn thươớc vạch MIA Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí

Mã số SV: 20202163M

Tác giả, Ngươời hươớng dẫn khoa học và Hội đồng chấm luận văn xác nhậntác giả đã sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên bản họp Hội đồng ngày 29/10/2022với các nội dung sau:

1 Việt hóa các hình ảnh và bảng biểu trong luận văn

2 Chỉnh sửa lại các công thức 4.6, 4.7, 4.12, 4.15

ĐỀ TÀI LUẬN VĂN

“Nghiên cứu phươơng pháp đọc và hiệu chuẩn thươớc vạch

MIA”

Giáo viên hươớng dẫn

hỗ trợ trong quá trình làm việc

Ngoài ra trong suốt quá trình nghiên cứu, em cũng đã nhận đươợc những sự giúp đỡ,

hỗ trợ của bạn sinh viên tại phòng thí nghiệm C4,5-307 Em xin đươợc gửi lời cảm ơn các bạn và ban chủ nhiệm bộ môn Cuối cùng em xin gửi lời cảm ơn đến gia đình và bạn

bè đã giúp đỡ,chiasẻ cùng em trong quá trình học tập và hoàn thành luận văn của mình

Em xin chân thành cảm ơn

Tóm tắt nội dung luận văn

Luận văn gồm 66 trang đươợc trình bày trong 4 chươơng bao gồm: 1) Tổng quan vềphươơng pháp hiệu chuẩn thươớc vạch MIA; 2) Cơ sở lý thuyết xây dựng hệ thống hiệuchuẩn thươớc vạch MIA; 3) Sử dụng camera và thiết kế phần mềm đọc vạch; 4) Hiệu chuẩn thươớc vạch MIA sử dụng hệ thống đã chế tạo và Kết luận

Luận văn nghiên cứu dựa trên nguyên lý hoạt động của giao thoa kế laser để hiệuchuẩn thươớc vạch MIA Luận văn nghiên cứu chế tạo cụm đồ gá camera, và phát triểnphần mềm xử lý ảnh để kết hợp với hệ thống sẵn có tại Phòng Đo lươờng Độ dài – Viện

Đo lươờng Việt Nam

Kết quả của luận văn có ý nghĩa khoa học quan trọng giúp nâng cao tính chính xác của phép hiệu chuẩn thươớc vạch MIA, bên cạnh đó là cải tiến thao tác đo, giúp giảm bớt thời gian và công sức trong quá trình đo Sự thành công của đề tài này cũng sẽ là tiền đềvững chắc để xây dựng hệ thống đo/hiệu chuẩn các loại thươớc vạch khác

HỌC VIÊN

7ʺ
,IÈOI
1IBO

MỤC LỤC

CHƯƠƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ PHƯƠƠNG PHÁP HIỆU CHUẨN THƯƠỚC

VẠCH MIA 1

1.1 Khái quát về thươớc vạch MIA 1

1.1.1 Thươớc vạch MIA 1

1.1.2 Các loại thươớc vạch MIA thông dụng và cách sử dụng 1

1.2 Hiệu chuẩn thươớc vạch MIA 5

1.2.1 Khái niệm hiệu chuẩn phươơng tiện đo 5

1.2.2 Mục đích nghiên cứu hiệu chuẩn thươớc vạch MIA 6

1.2.3 Phươơng pháp đo/hiệu chuẩn thươớc vạch MIA bằng giao thoa kế laser 6

1.3 Tổng quan một số phươơng pháp đo, hệ thống hiệu chuẩn thươớc vạch MIA đã đươợc nghiên cứu và ứng dụng ởnươớc ngoài 6

1.3.1 Viện Đo lươờng Quốc gia Trung Quốc (NIM) 6

1.3.2 Phòng thí nghiệm Đo lươờng Quốc gia Đài Loan (NML) 9

1.3.3 Đại học Công nghệ Graz, Áo 11

1.3.4 Viện Trắc địa và Địa tin học, trươờng Đại học Môi trươờng và Khoa học Đời sống Wroclaw, Ba Lan 11

1.4 Hệ thống hiệu chuẩn thươớc vạch MIA trên băng máy đo chiều dài vạn năng tại Viện Đo lươờng Việt Nam 16

CHƯƠƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT XÂY DỰNG HỆ THỐNG HIỆU CHUẨN THƯƠỚC VẠCH MIA 18

2.1 Giao thoa kế laser 18

2.1.1 Giao thoa kế laser hai tần số 18

2.1.2 Hệ thống giao thoa kế laser tại Viện Đo lươờng Việt Nam 19

2.2 Nguyên lý hệ thống 20

2.2.1 Hệ thống hiệu chuẩn cũ 20

2.2.2 Hệ thống hiệu chuẩn đươợc nghiên cứu xây dựng (mới) 21

2.3 Những yếu tố ảnh hươởng tới độ chính xác của hệ thống hiệu chuẩn thươớc vạch MIA: 22

2.3.1 Bươớc sóng laser 22

2.3.2 Sai số điện tử 23

2.3.3 Sai số phi tuyến tính quang học 23

2.3.4 Sai số giãn nở nhiệt 24

2.3.5 Sai số do chênh lệch thông số môi trươờng 24

2.3.6 Sai số Deadpath 25

2.3.7 Sai số Abbé 26

2.3.8 Sai số Cosin 27

2.3.9 Sai số xác định vị trí vạch 27

CHƯƠƠNG 3 THIẾT KẾ, XÂY DỰNG HỆ THỐNG HIỆU CHUẨN THƯƠỚC VẠCH MIA SỬ DỤNG CAMERA 28

3.1 Thiết kế, xây dựng hệ thống 28

3.1.1 Giao thoa kế laser 29

3.1.2 Cụm đồ gá camera 31

3.2 Tính toán và lựa chọn camera 36

3.2.1 Tính toán vùng đo của camera 36

3.2.2 Lựa chọn camera 40

3.3 Phần mềm đọc vạch và xử lý ảnh 41

CHƯƠƠNG 4 THỰC NGHIỆM HIỆU CHUẨN THƯƠỚC VẠCH MIA 45

4.1 Phươơng pháp hiệu chuẩn thươớc vạch MIA 45

4.1.1 Điều kiện và phươơng tiện hiệu chuẩn thươớc vạch MIA 45

4.1.2 Các bươớc hiệu chuẩn thươớc vạch MIA 46

4.1.3 Mô hình toán học 46

4.1.4 ƯƠớc lươợng ĐKĐBĐ thành phần 47

4.2 Kết quả thực nghiệm và so sánh 48

4.2.1 Hệ thống hiệu chuẩn cũ 48

4.2.1 Hệ thống hiệu chuẩn mới 51

KẾT LUẬN 55

TÀI LIỆU THAM KHẢO 56

PHỤ LỤC 58

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Thươớc vạch MIA dạng vạch thươờng 2

Hình 1.2 Thươớc vạch MIA dạng vạch chữ E 3

Hình 1.3 Ví dụ đo khoảng cách bằng máy thủy bình trên thươớc vạch MIA 4

Hình 1.4 Thươớc vạch MIA dạng mã vạch 5

Hình 1.5 Sơ đồ hoạt động của phươơng pháp đo giao thoa laser 6

Hình 1.6 Hệ thống hiệu chuẩn thươớc vạch MIA tại NIM 7

Hình 1.7 Sơ đồ dẫn xuất chuẩn của hệ thống hiệu chuẩn thươớc vạch MIA tại NIM 7

Hình 1.8 Sơ đồ hệ thống hiệu chuẩn thươớc vạch MIA tại NML 9

Hình 1.9 Hình ảnh thực tế bộ phận đọc vạch thươớc vạch MIA tại NML 9

Hình 1.10 Sơ đồ dẫn xuất chuẩn của hệ thống hiệu chuẩn thươớc vạch MIA tại NML

10Hình 1.11 Hệ thống hiệu chuẩn tại trươờng Đại học Công nghệ Graz, Áo 11

Hình 1.12 Sơ đồ hệ thống hiệu chuẩn tại trươờng Wroclaw, Ba Lan 12

Hình 1.13 Cấu tạo hệ thống hiệu chuẩn tại trươờng Đại học Wroclaw, Balan 12

Hình 1.14 Nguyên lý vận hành của hệ thống tại trươờng Đại học Wroclaw, Balan 13

Hình 1.15 Hệ thống hiệu chuẩn hiện có tại Viện Đo lươờng Việt Nam 16

Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lý của hệ giao thoa laser 18

Hình 2.2 Nguyên lý hoạt động của hệ thống giao thoa kế laser tại VMI 19

Hình 2.3 Sơ đồ nguyên lý hệ thống hiệu chuẩn cũ 20

Hình 2.4 Hình ảnh tổng quan hệ thống hiệu chuẩn cũ tại VMI 21

Hình 2.5 Sơ đồ nguyên lý hệ thống hiệu chuẩn mới 22

Hình 2.6 Biểu đồ sai số phi tuyến tính quang học 24

Hình 2.7 Sai số Deadpath khi di chuyển gươơng phản xạ 25

Hình 2.8 Phươơng pháp giảm thiểu sai số Deadpath 26

Hình 2.9 Sai số Abbé 26

Hình 2.10 Sai số Cosin 27

Hình 3.1 Hình ảnh tổng quan hệ thống trên phần mềm thiết kế 28

Hình 3.2 Hình ảnh thực tế hệ thống tại VMI 28

Hình 3.3 Kích thươớc nguồn laser HP 5519A 29

Hình 3.4 Hình ảnh thực tế nguồn laser 5519A 30

Hình 3.5 Kích thươớc gươơng phản xạ 10767A 30

Hình 3.6 Gươơng phản xạ 10767A 30

Hình 3.7 Kích thươớc gươơng giao thoa 10766A 31

Hình 3.8 Gươơng giao thoa 10766A 31

Hình 3.9 Kích thươớc trục kim loại trên băng trươợt của hệ thống 32

Hình 3.10 Cụm đồ gá camera trên phần mềm thiết kế 32

Hình 3.11 Cụm vi chỉnh trục X, Y, Z trên phần mềm thiết kế 33

Hình 3.12 Cụm vi chỉnh trục X, Y 33

Hình 3.13 Cụm vi chỉnh trục Z 34

Hình 3.14 Hình ảnh thực tế cụm vi chỉnh trục X, Y, Z 35

Hình 3.15 Hình ảnh cụm gá lắp camera trên phần mềm thiết kế 35

Hình 3.16 Hình ảnh thực tế cụm đồ gá camera 36

Hình 3.17 Sơ đồ xác định giới hạn vùng đo của hệ thống 36

Hình 3.18 Sơ đồ tạo ảnh qua thấu kính 37

Hình 3.19 Camera CS165CU1/M của Thorlab 40

Hình 3.20 Sơ đồ khối quá trình phần mềm xử lý thông tin từ camera 42

Hình 3.21 Hình ảnh vạch thươớc thu đươợc trên camera 43

Hình 3.22 Phần mềm đo giao thoa kế laser (trái) và phần mềm xử lý ảnh (phải) 44

Hình 4.1 Độ lệch trung bình của thươớc theo phươơng pháp cũ 49

Hình 4.2 Giao diện phần mềm tại vị trí 0 trên thươớc 51

Hình 4.3 Độ lệch trung bình của thươớc theo phươơng pháp mới 53

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 ĐKĐBĐ của phép hiệu chuẩn thươớc vạch MIA tại NIM 8

Bảng 1.2 ĐKĐBĐ của phép hiệu chuẩn thươớc vạch MIA tại NML 10

Bảng 1.3 Thông số kỹ thuật của hệ thống hiệu chuẩn tại trươờng Đại học Wroclaw 14

Bảng 3.1 Thông số kỹ thuật nguồn laser 5519A của hãng Agilent HP 29

Bảng 3.2 Thông số kỹ thuật cụm vi chỉnh trục X, Y 34

Bảng 3.3 Thông số kỹ thuật cụm vi chỉnh trục Z 34

Bảng 3.4 Bảng thông số kỹ thuật camera CS165CU1/M 40

Bảng 4.1 Hệ thống hiệu chuẩn thươớc vạch MIA 45

Bảng 4.2 Kết quả hiệu chuẩn của phươơng pháp cũ 48

Bảng 4.3 Tính toán độ không đảm bảo đo theo phươơng pháp cũ 49

Bảng 4.4 Bảng tổng hợp độ không đảm bảo đo theo phươơng pháp cũ 50

Bảng 4.5 Giá trị đo của laser trên phần mềm 51

Bảng 4.6 Giá trị đo của camera trên phần mềm 52

Bảng 4.7 Kết quả hiệu chuẩn của phươơng pháp mới 52

Bảng 4.8 Tính toán độ không đảm bảo đo theo phươơng pháp mới 53

Bảng 4.9 Bảng tổng hợp độ không đảm bảo đo theo phươơng pháp mới 53

CHƯƠƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ PHƯƠƠNG PHÁP HIỆU

1.1 Khái quát về thươớc vạch MIA

1.1.1 Thươớc vạch MIA

Thươớc vạch MIA (level staff/levelling rod) là loại thươớc bằng gỗ hoặc nhôm, đươợc khắc vạch trên thân thươớc, đươợc sử dụng cùng với một thiết bị đo đạc khác (máy thủy bình…) để xác định chênh lệch độ cao giữa 2 bề mặt trong lĩnh vực trắc địa Với một số loại thiết bị đo đạc, thươớc vạch MIA còn đươợc dùng

để xác định khoảng cách từ máy đo tới vị trí đặt thươớc

Phạm vi đo phổ biến của thươớc vạch MIA ở trong khoảng (1 đến 5) m Để dễdàng hơn trong việc bảo quản và vận chuyển, thươớc vạch MIA thươờng có khảnăng gập, trươợt hoặc có khớp nối Thươớc vạch MIA có thểđươợc khắc vạch

ở 1 mặt hoặc ở 2 mặt với 2 loại vạch khác nhau Độ chính xác tốt nhất của thươớc

vạch MIA trên thịtrươờng là (0,02 + 0,02L) mm, [L]: m

Đối với một nươớc có các ngành công nghiệp nhươ xây dựng, chế tạo & lắp đặt máy, khai thác mỏ… phát triển, ngành trắc địa cũng bắt buộc phát triển theo

để đáp ứng nhu cầu đo đạc, thiết kế và đánh giá thành phẩm Các loại thươớc vạch MIA là phươơng tiện đo đươợc sử dụng rất rộng rãi trong lĩnh vực trắc địa, chính

vì vậy nhu cầu hiệu chuẩn các loại thươớc vạch MIA trong thực tế là tươơng đối lớn Hiện nay một số quốc gia trên thế giới đã nghiên cứu, chế tạo và xây dựng đươợc các hệ thống chuẩn đo lươờng dùng để hiệu chuẩn thươớc vạch MIA theo nhiều cách khác nhau để đáp ứng nhu cầu của thực tế

1.1.2 Các loại thươớc vạch MIA thông dụng và cách sử dụng

Thươớc vạch MIA có 3 dạng khắc vạch phổ biến nhất là: vạch thươờng, vạch chữ E và vạch dạng mã vạch

1.1.2.1 Vạch thươờng:

Vạch thươờng có hình dạng nhươ các loại vạch thươờng thấy ở các loại

thươớc vạch thông dụng nhươ hình dươới đây

Hình 1.1 Thươớc vạch MIA dạng vạch thươờng

Khi sử dụng một thiết bị đo để ngắm, đọc vạch trên thươớc MIA, cách đọc vạch trên thươớc vạch MIA dạng vạch thươờng tươơng tự nhươ cách đọc vạch trên các loại thươớc vạch thông thươờng khác Cụ thể, khoảng cách giữa hai vạch trên thươớc vạch MIA có dạng vạch thươờng là khoảng cách giữa các tâm của hai vạch đó hoặc là khoảng cách giữa mép cùng phía của hai vạch đó Đối với một số thươớc vạch MIA, đôi khi cần kết hợp với đọc giá trị micrometer đươợc gắn trên thiết bị đo

1.1.2.2 Vạch chữ E:

Vạch chữ E có hình dạng và đươợc bố trí dọc theo thân thươớc nhươ trên

Hình1.2 Thươớc vạch MIA dạng vạch chữ Edươới đây.

Hình 1.2 Thươớc vạch MIA dạng vạch chữ E

Cách đọc thươớc vạch MIA dạng vạch chữ E cũng tươơng tự với cách đọc thươớc vạch MIA dạng vạch thươờng Cụ thể, khoảng cách giữa hai vạch trên thươớc vạch MIA có dạng vạch chữ E là khoảng cách giữa các tâm của hai vạch đó hoặc là khoảng cách giữa mép cùng phía của hai vạch đó Mỗi

khoảng sáng/tối trên thươớc đặc trương cho giá trị độ chia nhỏ nhất của thươớc (thươờng là 10mm)

Ngoài ra, khi sử dụng thươớc vạch MIA dạng vạch chữ E ta còn có thể tính toán khoảng cách tính từ vị trí đặt thươớc tới vị trí đặt máy đo Trong trươờng hợpnày ta dựa vào số đọc chỉ trên và chỉ dươới của máy thủy bình để đươa ra khoảngcách

1.1.2.3 Vạch dạng mã vạch:

Dạng vạch này có hình dáng tươơng tự nhươ những mã vạch thươờng gặp

Chúng đươợc bố trí dọc theo thân thươớc MIA nhươ trên hình .

Hình 1.4 Thươớc vạch MIA dạng mã vạch

Thươớc vạch MIA dạng mã vạch đươợc sử dụng với các thiết bị đo đạc kỹthuật số có tích hợp chức năng đọc vạch phù hợp Dạng thươớc này không yêu cầu ngươời đọc phải trực tiếp đọc vạch hay lươu trữ dữ liệu Thiết bịđọc kỹ thuật

số cũng giúp loại bỏ sai số do khúc xạ ánh sáng trong quá trình đo

1.2 Hiệu chuẩn thươớc vạch MIA

1.2.1 Khái niệm hiệu chuẩn phươơng tiện đo

Theo Luật Đo lươờng Việt Nam, hiệu chuẩn là hoạt động xác định, thiết lập mối quan hệ giữa giá trị đo của chuẩn đo lươờng, phươơng tiện đo với giá trị đo của đại lươợng cần đo Về mặt kỹ thuật, hiệu chuẩn chính là so sánh phươơng tiện

đo với chuẩn để đánh giá sai số và những đặc trương kỹ thuật, đo lươờng khác của nó Hiệu chuẩn là biện pháp dùng để dẫn xuất đơn vị đo lươờng từ chuẩn có

độ chính xác cao hơn tới những phươơng 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 cảcác phươơng tiện đo

6

1.2.2 Mục đích nghiên cứu hiệu chuẩn thươớc vạch MIA

Thươớc vạch MIA đươợc quy định là phươơng tiện đo dùng để hiệu chuẩn các phươơng tiện đo nhóm 2, theo thông tươ 07/2019 của Bộ Khoa học và Công nghệ Các loại thươớc vạch MIA đươợc sử dụng trong quá trình hiệu chuẩn các loại máy thủy bình trong lĩnh vực trắc địa, chính vì vậy nên nhu cầu hiệu chuẩn thươớc vạch luôn gia tăng theo sự phát triển của kinh tế và xã hội Với tình hình

số lươợng các loại thươớc vạch MIA xu hươớng ngày càng tăng tại Việt Nam nhươ hiện nay, việc cải thiện và nâng cấp phươơng pháp hiệu chuẩn thươớc vạch MIA luôn là nhiệm vụ thươờng xuyên, cấp thiết đối với các tổ chức, cơ quan đo lươờng [1]

Với sự tích hợp camera có độ chính xác cao và phần mềm xử lý ảnh vào công tác hiệu chuẩn, phép hiệu chuẩn các loại thươớc vạch MIA trên băng máy 3 m sẽnâng cao đươợc độ chính xác, song song với đó là tiết kiệm thời gian và sức lao động trong từng thao tác đo Sự thành công của đề tài này cũng sẽ là tiền đề vững chắc để xây dựng hệ thống đo/hiệu chuẩn các loại thươớc vạch khác

1.2.3 Phươơng pháp đo/hiệu chuẩn thươớc vạch MIA bằng giao thoa

kế laser

Trong phươơng pháp đo khoảng dịch chuyển bằng giao thoa laser, chùm tia laser đươợc phát ra từ một nguồn, phân tách thành hai chùm tia bằng gươơng giao thoa (spliter) Hai chùm tia này đi theo hai quang trình khác nhau, giao thoa và đươợc thu về cảm biến giao thoa (detector) Sự lệch pha của hai chùm tia này đươợc xử

lý tính toán và đươa ra chênh lệch trong độ dài quang trình giữa chùm tia tới và chùm tia tham chiếu, từ đó xác định đươợc khoảng cách dịch chuyển của gươơng phản xạ [2]

Hình 1.5 Sơ đồ hoạt động của phươơng pháp đo giao thoa laser 1.3

Tổng quan một số phươơng pháp đo, hệ thống hiệu chuẩn thươớc vạch

MIA đã đươợc nghiên cứu và ứng dụng ở nươớc ngoài 1.3.1 Viện Đo lươờng Quốc gia Trung Quốc (NIM)

Tại Viện Đo lươờng Quốc gia Trung Quốc, hệ thống hiệu chuẩn thươớc vạch MIA đươợc xây dựng trên cơ sở hệ thống hiệu chuẩn thươớc cuộn (phạm

vi đo lên đến 80 m) đã có sẵn, hoạt động theo nguyên lý đo bằng giao thoa kếlaser Thươớc MIA đươợc đặt trên băng máy, gươơng phản xạ của hệ thống laser

đo đươợc đặt trên bàn máy có thể trươợt dọc theo băng máy cùng với hệ thống ngắm đọc, xác định

7

vạch thươớc MIA Hệ thống chuẩn bao gồm nguồn laser đo, hệ gươơng, hệthống theo dõi điều kiện môi trươờng, băng trươợt, kính hiển vi ngắm đọc

vạch…

Hình 1.6 Hệ thống hiệu chuẩn thươớc vạch MIA tại NIM

Trong điều kiện môi trươờng với nhiệt độ đươợc duy trì (20 ± 0.5) ℃, thay đổi nhiệt độ mỗi giờ không quá 0,3 ℃, độ không đảm bảo đo (ĐKĐBĐ)

của hệ thống chuẩn này là U = (3 + 2E-06L) μm, [L]: m (k = 2) Trên hệ thống

hiệu chuẩn này giao thoa kế laser đươợc sử dụng để đo trực tiếp khoảng cách của các vị trí cần đo, hệ thống chuẩn đươợc dẫn xuất theo sơ đồ dươới đây:

Hình 1.7 Sơ đồ dẫn xuất chuẩn của hệ thống hiệu chuẩn thươớc vạch MIA tại NIM

Sau khi cân chỉnh thươớc song song với trục dịch chuyển của bàn máy mang kính hiển vi đọc vạch và khi các thông số môi trươờng (nhiệt độ, độ ẩm,

độ rung) đươợc thỏa mãn, quá trình đo đạc đươợc tiến hành Trong quá trình đo, kính hiển vi ngắm đọc đươợc sử dụng để xác định các vị trí cần đo dọc theo thân thươớc và để thu các kết quả tại từng vị trí cần đo trên thươớc Kết quả đo của thươớc tại 20℃ đươợc tính theo phươơng trình:

ܮ ଶ଴ι஼ ൌ ܮ ൅ ܮሾͻ͵ǤͲሺܶ െ ʹͲሻ െ ͲǤʹ͸ͺͶሺܲ െ ͳͲͳ͵ʹͷሻ

൅ ͲǤͲ͵͸͵ሺܨ െ ͳ͵͵͵ሻሿ ൈ ͳͲ ି଼ ܮ െ ߙሺܶ ଵ െ ʹͲሻܮ (1.2)

Ống kính hiển

vi Thươớc vạch Băng máy

Trong đó:

L: chiều dài của thươớc, đơn vị là m;

T: nhiệt độ trung bình của môi trươờng đo;

P: áp suất không khí của môi trươờng đo;

F: độ ẩm tuyệt đối của môi trươờng đo;

Α: hệ số giãn nở nhiệt của thươớc;

T 1 : nhiệt độ của thươớc.

ĐKĐBĐ của phép đo đươợc thể hiện trong bảng sau:

Bảng 1.1 ĐKĐBĐ của phép hiệu chuẩn thươớc vạch MIA tại

i

L x

u1(T1 ) Nhiệt độ của hệthống chuẩn 0,058 ℃

u2(T1 ) Chênh lệch nhiệtđộ giữa thươớc và

môi trươờng

0.058℃

9

Vì Hệ thống hiệu chuẩn thươớc vạch MIA là một phần của Hệ thống hiệu

chuẩn thươớc cuộn (đã có sẵn và có ĐKĐBĐ rất nhỏ U = (3 + 2E-06L) μm, [L]:

m, (k = 2) nên ĐKĐBĐ của phép hiệu chuẩn thươớc vạch MIA khi đó phụ thuộc

rất lớn vào độ chính xác của việc xác định vị trí các vạch cần đo trên thươớc vạch MIA cần hiệu chuẩn [3]

1.3.2 Phòng thí nghiệm Đo lươờng Quốc gia Đài Loan (NML)

Tại Phòng thí nghiệm Đo lươờng Quốc gia Đài Loan (NML), hệ thống hiệu chuẩn thươớc vạch MIA bao gồm nguồn laser, thiết bị theo dõi điều kiện môi trươờng, màn hình kính hiển vi (CCD) và hệ thống băng trươợt 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 đươợc mô tả trong các hình dươới đây

Hình 1.8 Sơ đồ hệ thống hiệu chuẩn thươớc vạch MIA tại

NML

Hình 1.9 Hình ảnh thực tế bộ phận đọc vạch thươớc vạch MIA tại

NML

Ống kính hiển vi

Ống kính hiển vi Ống kính hiển vi

Xử lý ảnh

Máy tính Theo dõi

điều kiện môi trươờng

Nguồn laser

Thươớc vạch MIA

10

Tươơng tự nhươ trong phép hiệu chuẩn thươớc vạch chính xác thông thươờng, khoảng cách giữa các vạch trên thươớc vạch MIA đươợc xác định bằng giao thoa laser; vị trí các vạch trên thươớc vạch MIA đươợc xác định bằng kính hiển vi có màn hình CCD Dẫn xuất chuẩn của Hệ thống hiệu chuẩn này đươợc đươa ra theo hình dươới đây [4]

Hình 1.10 Sơ đồ dẫn xuất chuẩn của hệ thống hiệu chuẩn thươớc vạch MIA tại NML

ĐKĐBĐ của phép đo đươợc thể hiện trong bảng sau:

Bảng 1.2 ĐKĐBĐ của phép hiệu chuẩn thươớc vạch MIA tại NML

Nguồn ĐKĐBĐ x i

Sai số ươớc lươợng

trươờng

(ts)

0.5°C ͳȀξ͵ 0.29°C 333 × 10 –6 L Sai số chỉnh thẳng(β) 7.5" ͳȀξ͵ 4.33" 0.84 μm

11

1.3.3 Đại học Công nghệ Graz, Áo

Tại trươờng Đại học Công nghệ Graz, Áo, hệ thống hiệu chuẩn thươớc vạch MIA bao gồm nguồn laser, máy thủy bình điện tử, thiết bị theo dõi điều kiện môi trươờng, hệ thống gá đứng… Khác với 2 hệ thống tại NIM và NML, hệ thống hiệu chuẩn thươớc vạch MIA tại đây đươợc xây dựng theo phươơng thẳng đứng Bên cạnh đó, thươớc vạch MIA cũng đươợc 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 thươớc vạch MIA tại trươờng Đại học Công nghệ Graz,

đo và cách xác định ĐKĐBĐ của phép hiệu chuẩn này cũng tươơng tự nhươ ởcác trươờng hợp trên [5]

1.3.4 Viện Trắc địa và Địa tin học, trươờng Đại học Môi trươờng

và Khoa học Đời sống Wroclaw, Ba Lan

Tại Viện Trắc địa và Địa tin học, trươờng Đại học Môi trươờng và Khoa học Đời sống Wroclaw, Ba Lan, hệ thống hiệu chuẩn thươớc vạch MIA đươợc vận hành cùng với giao thoa kế laser (để đo khoảng cách các vạch cần đo) và một máy thủy bình điện tử (để xác định vị trí các vạch) Tươơng tự với hệ thống tại trươờng Đại học Công nghệ Graz, Áo, thươớc vạch MIA đươợc gá theo phươơng thẳng đứng

và di

Hệ thống cảm biến

Giao thoa

kế Máy thủy bình

12

chuyển lên xuống, thiết bị dùng để ngắm đọc (máy thủy bình điện tử) đươợc gá cốđịnh Sơ đồ dẫn xuất và cách xác định ĐKĐBĐ cũng tươơng tự các trươờng hợp

ở trên [6]

Hình 1.12 Sơ đồ hệ thống hiệu chuẩn thươớc vạch MIA tại trươờng Đại học Môi

trươờng và Khoa học Đời sống Wroclaw, Ba Lan

Hình 1.13 Cấu tạo hệ thống hiệu chuẩn thươớc vạch MIA tại Trươờng Đại học

Wroclaw, Balan

13

1 Cảm biến độ nghiêng điện tử Leica Nivel220, 2 Máy thủy bình điện tử, 3 Bệ gá trên,

4 Bệ gá dươới, 5 Khung so sánh, 6 Trục thẳng đứng, 7 Khung cố định, 8 Cảm biến

độ nghiêng điện tử Leica Nivel220, 9 Bệ đỡ thươớc vạch MIA, 10 Thươớc vạch MIA, 11 Hộp thu nhận dữ liệu, 12 Động cơ bươớc, 13 Nguồn laser, 14 Giao thoa

kế laser, 15 Gươơng phản xạ, 16 Cảm biến nhiệt độ, 17 Nguồn điện

Hình 1.14 Nguyên lý vận hành của hệ thống hiệu chuẩn thươớc vạch MIA tại trươờng Đại

học Wroclaw, Balan

1 – hệ gá máy thủy bình điện tử, 2 – hệ gá thươớc vạch MIA, DL – máy thủy bình điện

tử, ILS – thươớc vạch MIA, LH – nguồn laser, IL1 – gươơng giao thoa, RL1 – gươơng phản xạ,

H0 – vị trí “0” của thươớc, Hi – vị trí “i” của thươớc, L0 – đọc giá trị đo tại vị trí “0”

của thươớc, Li – đọc giá trị đo tại vị trí “i” của thươớc

14

Bảng 1.3 Thông số kỹ thuật của hệ thống hiệu chuẩn thươớc vạch MIA tại trươờng

Đại học Wroclaw

Nguồn laser

Tia laser Laser khí He-Ne ổn định tần số kép

Thời gian khởi động Khoảng 5 phút

Độ chính xác: ±0.15 ℃

Áp suất (p)

Phạm vi đo: 940–1060 hPa Giá trị độ chia: 0.1 hPa

Độ chính xác: ± 0,4 μm/m

15

Hệ thống hiệu chuẩn thươớc vạch MIA cũng đã đươợc nghiên cứu và xây dựng tại một số quốc gia và phòng thí nghiệm đo lươờng khác nữa trên thế giới với các phươơng pháp, giải pháp tươơng tự nhươ đã trình bày ở trên, ví dụ:

x Tại Brazil – Phòng thí nghiệm Thiết bị Trắc địa tại Trươờng Đại học Liên Bang Paraná

x Tại Trung Quốc – Phòng thí nghiệm Kỹ thuật Đo đạc Quang điện tại

Trươờng Đại học Công nghệ Xi’an

x Tại Cộng hòa Séc – Phòng Địa lý học, Trươờng Đại học Công nghệ

Prague và Trươờng Đại học Kỹ thuật Ostrava

x Tại Phần Lan – Viện Trắc địa Phần Lan tại Masala

x Tại Đức – Phòng Trắc địa, Trươờng Đại học Kỹ thuật Munich; Viện Trắc địa, trươờng Đại học Bundeswehr Munich; Viện Trắc địa và Thông tin Địa

lý

x Tại Nhật Bản – Viện Khảo sát Địa lý

x Tại Malaysia – Cục Khảo sát và Bản đồ Kuala Lumpur

x Tại Serbia – Phòng Đo lươờng Độ dài và Góc, Viện Trắc địa và Thông tin Địa lý, khoa Kỹ sươ dân dụng, Trươờng Đại học Belgrade

x Tại Slovenia – Trươờng Đại học Ljubljana

x Tại Thụy sĩ – Viện Trắc địa và Phép đo quang ETH Zurich

x Tại Hoa Kỳ - Trung tâm gia tốc tuyến tính Stanford, Trươờng Đại học Stanford

Nhìn chung, hầu hết các Hệ thống hiệu chuẩn MIA của các phòng thí nghiệm đo lươờng kể trên đều đươợc xây dựng dựa trên cơ sở các Hệ thống hiệu chuẩn thươớc vạch, thươớc cuộn nên độ chính xác, ĐKĐBĐ của nguồn laser hay hệ dịch chuyển có thể đạt rất cao Do đó, ĐKĐBĐ khi tiến hành hiệu chuẩn thươớc vạch MIA phụthuộc rất lớn vào cách thức xác định vị trí điểm đo, hay cụ thể hơn là phươơng pháp ngắm chỉnh, bắt nét vạch Vì độ chính xác của máy thủy bình điện tử thông thươờng nằm trong khoảng (0,7 – 1,5) mm là rất lớn, có thể thấy việc sử dụng máy thủy bình điện tử nhươ hệ thống tại trươờng Đại học Wroclaw, Ba Lan hay tại trươờng Đại học Công nghệ Graz, Áo hay việc sử dụng những loại camera, ống kính hiển vi đã cũ sẽảnh hươởng lớn tới độ chính xác và ĐKĐBĐ của cả hệ thống Vì vậy việc sử dụng camera cùng với phần mềm xử lý hình ảnh sẽ giúp cải thiện đáng kể tính chính xác của phép đo và hiệu chuẩn thươớc vạch MIA

16

1.4 Hệ thống hiệu chuẩn thươớc vạch MIA trên băng máy đo chiều dài vạn năng tại Viện Đo lươờng Việt Nam

Hình 1.15 Hệ thống hiệu chuẩn thươớc vạch MIA hiện có trên băng máy đo chiều dài

vạn năng tại Viện Đo lươờng Việt Nam

Tại Phòng Đo lươờng Độ dài, Viện Đo lươờng Việt Nam, thươớc vạch MIA hiện đang đươợc hiệu chuẩn bằng phươơng pháp sử dụng giao thoa kếlaser cùng ống kính hiển vi nhươ đã trình bày ở trên Phạm vi đo của hệ thống

là các loại thươớc vạch MIA có chiều dài tới 5 m và có sai số cho phép không nhỏ hơn (0,3 + 0,3L) mm Điều kiện môi trươờng hiệu chuẩn của hệ thống chuẩn là:

Nhiệt độ: (20 ± 1) ℃

Độ ẩm: (60 ± 20) % RH

Thực tế cho thấy, thươớc vạch MIA đươợc sử dụng tại Việt Nam rất đa dạng

về chủng loại và kích thươớc, cụ thể hơn là chiều rộng và chiều dày của các loại thươớc rất khác nhau Do đó việc gá lắp thươớc vạch MIA khi đo/hiệu chuẩn gặp rất nhiều khó khăn, đặc biệt là khi khoảng cách cho phép từ bề mặt thươớc tới ống kính hiển vi quá nhỏ Hơn thế nữa, do vạch của các thươớc vạch nói chung và của thươớc MIA nói riêng luôn là những đươờng kẻ, nét khắc không sắc nét (do công nghệ in, khắc vạch thươớc) nên khi ngắm chúng qua thị kính, kính hiển vi rìa của các vạch đó luôn là những đươờng không phải đươờng thẳng, việc xác định chính xác rìa hay tâm các vạch của thươớc rất khó khăn, không chính xác, ổn định Một trong các giải pháp có thể khắc phục đươợc những khó khăn khi đo/hiệu chuẩn thươớc 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 trươờng 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 phươơng

17

pháp sử dụng camera với phần mềm tươơng ứng có thể sẽ nâng cao độ chính xác và tính ổn định của phép đo/hiệu chuẩn thươớc vạch chính xác nói chung

và thươớc vạch MIA nói riêng

Nhươ vậy, với các thiết bị hiện có tại phòng Đo lươờng Độ dài, Viện đo lươờng Việt Nam nhươ trình bày ở trên, phươơng pháp hiệu chuẩn thươớc vạch chính xác nói chung và thươớc vạch MIA nói riêng có thể đươợc cải tiến

và nâng cao độ chính xác bằng cách tích hợp camera, thay cho ống kính hiển vi đang đươợc sử dụng hiện tại

18

CHƯƠƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT XÂY DỰNG HỆ THỐNG

MIA 2.1 Giao thoa kế laser

Có rất nhiều phươơng pháp đo độ dài, cụ thể hơn là đo khoảng cách dịch chuyển sử dụng hiện tươợng giao thoa của các nguồn laser, tạo nên các loại giao thoa kế laser khác nhau Giao thoa kế đươợc sử dụng rộng rãi trong khoa học và công nghiệp không chỉ để đo các chuyển vị nhỏ mà còn đươợc sử dụng để đo thay đổi chỉ số khúc xạ và biên dạng, nhám bề mặt Ở đây ta quan tâm đến giao thoa kếlaser dùng để đo khoảng cách dịch chuyển của vật mang gươơng động, thươờng đươợc sử dụng trong đo/hiệu chuẩn thươớc vạch

2.1.1 Giao thoa kế laser hai tần số

Để xác định hươớng dịch chuyển của gươơng động trong phươơng 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 gươơng động Gđ dịch chuyển thì tần số của tia phản xạ f 1 thay đổi một lươợng

19

Khi đo theo vi phân quãng đươờng dịch chuyển thì

Dấu của thành phần 'f 1 cho biết chiều biến đổi kích thươớc đo:

- Dấu cộng tươơng ứng với chiều dịch chuyển của gươơng động lại gần

tấm phân chùm CP làm giảm hiệu quang lộ giữa hai chùm tia giao thoa

- Dấu trừ tươơng ứng với chiều dịch chuyển của gươơng 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 theo nguyên lý dùng nguồn laser hai tần số có độ nhạy

thấp hơn khi dùng nguồn laser một tần số song nó cho phép nâng cao tốc độ dịch

chuyển của đầu đo, giảm ảnh hươởng của rung động và sự biến động của cươờng

độ sáng của ảnh giao thoa Sơ đồ nguyên lý này hiện đang đươợc sử dụng nhiều

trong các máy đo dùng trong công nghiệp

Về cơ bản, nguyên lý hệ thống hiệu chuẩn truyền thống và nguyên lý hệ thống

hiệu chuẩn mới đều dựa theo nguyên lý giao thoa kế laser Nhương đối với nguyên

lý hệ thống hiệu chuẩn mới, có thêm 1 bươớc detect khoảng cách từ vật cần đo

đến tâm camera, từ đó tính toán rồi đươa ra kết quả đo trên excel

2.1.2 Hệ thống giao thoa kế laser tại Viện Đo lươờng Việt Nam

Hệ thống đo sử dụng phươơng pháp đo giao thoa laser – phươơng pháp đo

khoảng cách có độ chính xác rất cao, cỡ nanomet Trong phươơng pháp này,

chùm tia laser đươợc phát ra từ một nguồn, phân tách thành hai chùm tia bằng

gươơng giao thoa (splitter) Hai chùm tia này đi theo hai quang trình khác nhau,

cuối cùng giao thoa và đươợc thu về một cảm biến giao thoa (detector) Sự lệch

pha của hai chùm tia này đươợc xử lý tính toán để đươa ra chênh lệch trong độ

dài quang trình

Hình 2.2 Nguyên lý hoạt động của hệ thống giao thoa kế laser tại VMI

Nguyên lý hoạt động của hệ thống là đo khoảng cách tươơng đối của mỗi

vạch cần đo với vạch 0 trên thươớc Thươớc vạch MIA đươợc gá cố định nằm

ngang, song song với trục dịch chuyển của bàn trươợt Trên bàn trươợt có gá

gươơng phản xạ và ống kính hiển vi/camera dùng để ngắm vạch Sau khi lấy giá

trị “0” tại vạch

20

0 của thươớc, bàn trươợt dịch chuyển đến vị trí vạch cần đo, ống kính hiển vi/

camera xác định vạch tại vị trí đo (ống kính hiển vi ngắm xác định vị trí vạch;

camera thu ảnh vạch) cùng với số hiển thị trên phần mềm laser đươa ra khoảng

cách tươơng đối cần tính toán Quá trình này đươợc lặp lại với mỗi vị trí đo tiếp

theo [7]

2.2 Nguyên lý hệ thống

2.2.1 Hệ thống hiệu chuẩn cũ

Thời điểm hiện tại, thươớc vạch MIA đang đươợc hiệu chuẩn tại Phòng

Đo lươờng Độ dài, Viện Đo lươờng Việt Nam trên Hệ thống hiệu chuẩn thươớc

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 thươớc 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 trươợt

- Giao thoa kế laser

- Ống kính hiển vi - Thiết bị theo dõi điều kiện môi trươờng

Điều kiện môi trươờng 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

21

Hình 2.4 Hình ảnh tổng quan hệ thống hiệu chuẩn cũ tại VMI

Dựa vào những nghiên cứu về tính năng hoạt động và khả năng ứng dụng một số loại camera, cùng với điều kiện sẵn có tại Viện Đo lươờng Việt Nam, phươơng pháp hiệu chuẩn thươớc vạch MIA có thể đươợc cải tiến và nâng cao

độ chính xác bằng cách tích hợp camera, thay cho ống kính hiển vi đang đươợc

sử dụng hiện tại Thực tế cho thấy các thươớc vạch MIA rất đa dạng về kích thươớc, cụ thể hơn là chiều rộng và chiều dày Do đó việc gá lắp thươớc vạch MIA gặp rất nhiều khó khăn khi sử dụng ống kính hiển vi đọc vạch vì khoảng cách cho phép từ thươớc tới ống kính hiển vi quá nhỏ Trong khi đó camera có trươờng nhìn rộng và tiêu cự thích hợp sẽ cải thiện khả năng làm việc của hệthống chuẩn, bên cạnh đó khả năng tính toán khoảng cách tự động của phần mềm sẽ nâng cao độ chính xác của phép đo

2.2.2 Hệ thống hiệu chuẩn đươợc 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 chươơng trình xử lý ảnh, sau đó tính toán và đươa ra kết quả dươới dạng file excel Từ đó, giúp quá trình hiệu chuẩn diễn ra nhanh chóng và giảm bớt sai số không đáng có

22

Hình 2.5 Sơ đồ nguyên lý hệ thống hiệu chuẩn mới

Nguyên lý hoạt động của hệ thống là đo khoảng cách tươơng đối của mỗi vạch cần đo với vạch 0 trên thươớc Thươớc vạch MIA đươợc gá cố định nằm ngang, song song với trục dịch chuyển của bàn trươợt Trên bàn trươợt có gá gươơng phản

xạ và camera dùng để ngắm vạch Sau khi lấy giá trị “0” tại vạch 0 của thươớc, bàn trươợt 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 đươa ra khoảng cách tươơng đối cần tính toán Quá trình này đươợc lặp lại với mỗi vị trí đo

Nguồn laser của bất kỳ hệ thống giao thoa kế nào đều có một số loại tần số

ổn định để duy trì độ chính xác và độ lặp lại của bươớc sóng Độ chính xác của

hệ thống giao thoa kế laser về cơ bản chính là độ chính xác bươớc sóng Độ lặp lại của hệ thống dựa trên sự ổn định bươớc sóng của tia laser

Độ chính xác và độ ổn định của bươớc sóng laser đươợc quy định bằng phần triệu (ppm) của tần số laser Sai số này là sai số tỷ lệ, chính là một hàm của khoảng cách đươợc đo Tất cả các nguồn laser đối với hệ thống đầu

dò laser Agilent có cùng độ chính xác bươớc sóng và thông số kỹ thuật ổn định

23

Độ ổn định của bươớc sóng laser: ±0,02 ppm (dài

hạn) Sai số độ ổn định của bươớc sóng laser = ሺേͲǡͲʹ ൈ ͳͲି଺ሻ ൌ േͲǡͲʹߤ݉Ȁ݉

Độ chính xác của bươớc sóng laser: ±0,02

ppm Sai số độ chính xác của bươớc sóng laser

thoa kế là λ/2 và có thể đươợc mở rộng bằng điện tử hoặc quang học vươợt λ/2

Trong hệ thống đo lươờng 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 lươợng 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 nhỏnhất 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 hươởng 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 của quang học có tính chất theo chu kỳ, với chu kỳ là thay đổi chu kỳ quang học của một bươớc sóng hoặc dịch chuyển pha 360° giữa tần số tham chiếu và tần số đo Tính phi tuyến gây ra bởi rò rỉ quang học ảnh hươởng đến tất cả hệ thống giao thoa kế, cho dù nguồn laser là một tần số hay hai

tần số

Rò rỉ của một thành phần chùm tia laser sang thành phần kia xảy ra vì hai

lý do Thứ nhất, chùm ánh sáng từ bất kỳ nguồn laser nào cũng không thể phân cực tuyến tính một cách chính xác hoàn toàn; thay vào đó, chùm tia mang hình elip Thứ hai, hệ giao thoa kế không thể phân tách hai chùm tia laser một cách hoàn hảo

Hình dươới cho thấy một biểu đồ sai số phi tuyến tính quang học tươơng ứng với khoảng cách độ dài thay đổi với các điều kiện trong trươờng hợp xấu nhất (khi sử dụng giao thoa kế tuyến tính) Sử dụng mô hình tính toán thống kê, giá trị RSS (Tổng bình phươơng 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]

24

Hình 2.6 Biểu đồ sai số phi tuyến tính quang học

2.3.4 Sai số giãn nở nhiệt

Mỗi thông số kích thươớc đều là một hàm của nhiệt độ, vậy nên sai số giãn

nở nhiệt có ảnh hươởng tới mọi phép đo Sai số giãn nở nhiệt là số hiệu chính cho phép đo đươợc tiến hành trong điều kiện môi trươờng nhiệt độ tiêu chuẩn 20

°C (68 °F) Để tính toán đươợc số hiệu chính này, cần phải đo đạc nhiệt độ môi trươờng tại thời điểm đo và hệ số giãn nở nhiệt của vật liệu

Số hiệu chính nhiệt độ vật liệu = 1 − α(ΔT) (2.6) Trong đó:

L 2 = kích thươớc tại nhiệt độ T

Với hệ số giãn nở nhiệt đã đươợc biết, sai số giãn nở nhiệt chính là một phươơng trình của độ chính xác và độ lặp lại của cảm biến nhiệt độ Hãng Agilent

sử dụng cảm biến nhiệt độ có độ chính xác là ±0,1 °C và độ lặp lại là ±0,1 °C [8]

2.3.5 Sai số do chênh lệch thông số môi trươờng

Chênh lệch giữa thông số môi trươờng thực tế với thông số môi trươờng tiêu chuẩn của nguồn laser gây ảnh hươởng lớn tới độ chính xác của phép đo Sai

số của sự chênh lệch này phụ thuộc vào độ chính xác của phươơng pháp bù trừ, điều kiện môi trươờng khi tiến hành đo, và cươờng độ thay đổi của môi trươờng trong suốt quá trình đo

Trong môi trươờng chân không, bươớc sóng laser là hằng số, nhương trong môi trươờng không khí, bươớc sóng laser phụ thuộc lớn vào chỉ số khúc xạ Chỉ

số khúc

25

xạ n là tỉ lệ giữa λV (bươớc sóng laser trong chân không) và λA (bươớc sóng

laser trong không khí)

݊ ൌ ߣ௏

ߣ஺

(2.8)

Mọi sự thay đổi về mật độ không khí – một hàm của nhiệt độ, áp suất và độ

ẩm không khí đều ảnh hươởng tới chỉ số khúc xạ

Công thức tính sai số chênh lệch thông số môi trươờng của hãng Agilent:

bù đắp thích hợp trong điều kiện môi trươờng thay đổi, các thành phần chùm tia không bằng nhau có thể tạo ra sai số đo

Hình 2.7 Sai số Deadpath khi di chuyển gươơng phản

xạ

26

Sai số Deadpath có thể đươợc biểu diễn nhươ sau:

Trong đó:

ΔWCN = Thay đổi số bù bươớc sóng trong thời gian đo đạc

Hình 2.8 Phươơng pháp giảm thiểu sai số Deadpath

Ngoài ra, trong khi tiến hành đo đạc, việc set điểm “0” càng gần vị trí mà Deadpath = 0 cũng giúp giảm thiểu sai số Deadpath Cụ thể hơn, đây là phươơng pháp di chuyển gươơng dịch chuyển (thươờng là gươơng phản xạ) tới càng gần

vị trí điểm “0” trong hình trên càng tốt [9]

2.3.7 Sai số Abbé

Sai số Abbé lần đầu đươợc nhắc đến bởi TS Ernst Abbé của Zeiss Sai sốAbbé xảy ra khi kích thươớc cần đo không nằm cùng một trục với kích thươớc mẫu và có sai số chuyển động góc trong hệ dịch chuyển Sai số Abbé khiến kết quả đo ngắn hơn hoặc dài hơn kích thươớc thực của thươớc Công thức tính sai

số Abbé:

Sai số Abbé = khoảng cách lệch × tan góc lệch =

ܣ଴ݐܽ݊ߠ (2.11) Sai số Abbé thươờng đươợc ươớc lươợng tươơng đươơng 0,1 μm với mỗi 20 mm khoảng cách lệch trục cùng mỗi giây của góc lệch [10]

Hình 2.9 Sai số Abbé

28

CHƯƠƠNG 3 THIẾT KẾ, XÂY DỰNG HỆ THỐNG HIỆU CHUẨN

THƯƠỚC VẠCH MIA SỬ DỤNG CAMERA 3.1 Thiết kế, xây dựng hệ thống

Hệ thống hiệu chuẩn thươớc vạch MIA đươợc nghiên cứu xây dựng dựa trên hệ thống sẵn có tại Phòng Đo lươờng Độ dài, Viện Đo lươờng Việt Nam Cụthể, 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 thươớc vạch MIA đươợc 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