cơ sở kỹ thuật đo lường trong kế tạo cơ khí

Đo lường Đo lường một đại lượng vật lý là việc thiết lập quan hệ giữa đại lượng đó với đại lượng cùng tính chất vật lý nào đó được dùng làm đơn vị đo hay một đại lượng tiêu chuẩn đã đượ

Học viện Kỹ thuật quân sự

Bộ môn Chế tạo máy - Khoa Cơ khí

Hồ Việt Hải Hiệu đính: PGS-TSKH Phan Bá

Cơ sở kỹ thuật đo lường trong chế tạo cơ khí (Dùng cho hệ đào tạo đại học chuyên ngành cơ khí)

Lưu hành nội bộ

Hμ Nội - 2008

Mục lục

Trang

Mục lục 3

Lời nói đầu 7

Chương 1 Những khái niệm cơ bản về đo lường 8

1.1 Vấn đề bảo đảm chất lượng 8

1.2 Các khái niệm cơ bản về đo lường-kiểm tra 8

1.2.1 Đo lường 8

1.2.2 Đơn vị đo và hệ thống đơn vị 9

1.2.3 Phương pháp đo 11

1.2.4 Kiểm tra và các phương pháp kiểm tra 14

1.2.5 Các chỉ tiêu đo lường của thiết bị đo 15

1.3 Các nguyên tắc cơ bản trong đo lường 18

1.3.1 Nguyên tắc Abbe 18

1.3.2 Nguyên tắc xích truyền động ngắn nhất 20

1.3.3 Nguyên tắc chuẩn thống nhất (trùng chuẩn) 20

1.3.4 Nguyên tắc kinh tế 22

Chương 2 Các nguyên lý chuyển đổi vμ khuếch đại trong đo lường 23

2.1 Những khái niệm cơ bản 23

2.1.1 Khái niệm chung 23

2.1.2 Các loại chuyển đổi đo lường và mạch đo 23

2.2 Chuyển đổi cơ khí và các phương pháp khuếch đại cơ khí 26

2.2.1 Chuyển đổi cơ khí 26

2.2.2 Các phương pháp khuếch đại cơ khí 28

2.3 Chuyển đổi quang học 36

2.3.1 Các phương pháp chuyển đổi 36

2.3.2 Các phương pháp khuếch đại quang 42

2.4 Chuyển đổi khí nén 49

2.4.1 Nguyên lý chuyển đổi 49

2.4.2 Các máy đo kiểu khí nén 51

2.5 Chuyển đổi thuỷ lực 54

2.6 Chuyển đổi điện 56

2.6.1 Chuyển đổi điện cảm 56

2.6.2 Chuyển đổi điện dung 58

2.7 Chuyển đổi siêu âm 59

2.7.1 Nguyên lý chuyển đổi 59

2.7.2 Cấu tạo và hoạt động của máy dò khuyết tật bằng siêu âm 60

Chương 3 Phương pháp đo các thông số hình học vμ các chỉ tiêu chất lượng của chi tiết cơ khí 62

3.1 Phương pháp đo kích thước thẳng 62

3.1.1 Phương pháp đo hai tiếp điểm 62

3.1.2 Phương pháp đo ba tiếp điểm 62

3.1.3 Phương pháp đo một tiếp điểm 67

3.2 Phương pháp đo kích thước góc 68

3.2.1 Phương pháp đo trực tiếp kích thước góc 68

3.2.2 Phương pháp đo gián tiếp kích thước góc 70

3.2.3 Đo góc theo phương pháp toạ độ 72

3.3 Phương pháp đo kích thước lỗ 72

3.3.1 Phương pháp đo bằng đồng hồ đo lỗ 72

3.3.2 Dùng gá đo lỗ 75

3.3.3 Phương pháp đo lỗ bằng phương tiện đo khí nén 76

3.4 Phương pháp đo kích thước lớn 78

3.4.1 Phương pháp đo cung 78

3.4.2 Phương pháp chu vi 79

3.4.3 Phương pháp con lăn 79

3.4.4 Phương pháp đo bằng máy kinh vĩ 79

3.5 Phương pháp đo kích thước tế vi 80

3.5.1 Phương pháp mặt cắt ánh sáng 80

3.5.2 Phương pháp giao thoa 81

3.5.3 Phương pháp đo tiếp xúc 82

3.6 Phương pháp đo thông số sai số hình dáng bề mặt 83

3.6.1 Đo độ tròn 83

3.6.2 Đo độ trụ 87

3.6.3 Đo độ thẳng 91

3.6.4 Đo độ phẳng 92

3.7 Phương pháp đo thông số sai số vị trí 94

3.7.1 Đo độ song song 94

3.7.2 Đô độ vuông góc 96

3.7.3 Đo sai số góc nghiêng 98

3.7.4 Đo độ đồng tâm và độ đảo hướng tâm 99

3.7.5 Đo độ đảo hướng trục 102

3.7.6 Đo độ xuyên tâm 103

3.7.7 Đo độ đối xứng 105

3.8 Phương pháp đo các thông số của chi tiết ren 106

3.8.1 Đo đường kính trung bình của ren 106

3.8.2 Đo góc nửa profin ren 110

3.8.3 Đo bước ren 111

3.9 Phương pháp đo các thông số bánh răng 113

3.9.1 Phương pháp kiểm tra tổng hợp loại ăn khớp một bên 114

3.9.2 Phương pháp kiểm tra tổng hợp loại ăn khớp khít 117

3.9.3 Phương pháp đo sai số tích luỹ bước vòng 120

3.9.4 Đo sai lệch giới hạn bước pháp cơ sở 123

3.9.5 Đo sai lệch khoảng pháp tuyến chung 124

3.9.6 Đo độ đảo hướng tâm vành răng 125

3.9.7 Đo đường kính vòng chia 126

3.9.8 Đo sai số prôfin răng 127

3.10 Phương pháp đo độ cứng bề mặt 128

3.10.1 Phương pháp đo độ cứng Brinell 129

3.10.2 Phương pháp đo độ cứng Rockewll 130

3.10.3 Phương pháp đo độ cứng Wikker 131

3.11 Kiểm tra khuyết tật bằng phương pháp không phá hủy 132

3.11.1 Các nguyên nhân gây ra khuyết tật và vết nứt 132

3.11.2 Các phương pháp xác định khuyết tật và vết nứt 132

Chương 4 Các phương pháp xử lý kết quả đo thực nghiệm 142

4.1 Sai số phép đo và xử lý kết quả đo 142

4.1.1 Sai số đo 142

4.1.2 Phân loại sai số đo 148

4.1.3 Sai số ngẫu nhiên-phương pháp tính thông số đặc trưng 149

4.1.4 Sai số hệ thống–các phương pháp khử sai số hệ thống 162

4.1.5 Sai số thô - Các chỉ tiêu loại sai số thô 165

4.2 Xử lý kết quả đo gián tiếp 170

4.2.1 Bài toán thuận 171

4.2.2 Bài toán nghịch 173

4.3 Độ chính xác và độ tin cậy của kết quả đo 177

4.3.1 Khi đo trực tiếp các đại lượng cùng điều kiện đo 177

4.3.2 Khi đo trực tiếp các đại lượng không cùng điều kiện đo 181

4.3.3 Xác định số lần đo cần thiết theo độ chính xác và độ tin cậy

yêu cầu 183

4.4 Phương pháp xác định mối quan hệ thực nghiệm 186

4.4.1 Xác định quan hệ hàm số giữa các đại lượng .187

4.4.2 Xác định mối quan hệ tương quan giữa các đại lượng 192

4.4.3 áp dụng lý thuyết hàm ngẫu nhiên trong nghiên cứu quan hệ thực nghiệm 198

Chương 5 Chọn phương án đo 201

5.1 Chọn phương pháp đo 201

5.2 Chọn độ chính xác của phương pháp đo 206

5.3 Chọn số lần đo 209

Phụ lục 216

Tài liệu tham khảo 219

Lời nói đầu

Chất lượng sản phẩm chế tạo máy có một tầm quan trọng đặc biệt trong sản xuất công nghiệp Trong giai đoạn hoà nhập, nhất là sau khi nước ta trở thành thành viên của WTO, sự cạnh tranh về chất lượng sản phẩm luôn được đánh giá là khâu cần thiết của mỗi công ty, mỗi xí nghiệp

Đứng về mặt sản xuất mà nói, chất lượng là tập hợp các tính chất vật lý, hình học, mỹ học của sản phẩm đáp ứng yêu cầu của các tiêu chuẩn Nhà nước

và quốc tế, yêu cầu của các văn kiện kỹ thuật

Thực tế đã xuất hiện nhiều hệ thống quản lý chất lượng trong xí nghiệp công nghiệp Các hệ thống đó là tập hợp một hệ thống các biện pháp mang tính chất kỹ thuật, tổ chức và kinh tế nhằm tác động thường xuyên đến quá trình sản xuất trên quan điểm bảo đảm chất lượng sản phẩm

Để thực hiện được bất kỳ một hệ thống quản lý chất lượng nào trong sản xuất, đảm bảo mức độ chất lượng sản phẩm cho trước, giảm các hao phí chế tạo

ra phế phẩm đều đòi hỏi phải chọn và tạo ra được các phương tiện đo lường, kiểm tra hợp lý, có năng suất cao, tin cậy, phải đề xuất được phương pháp kiểm tra mới nhằm cung cấp nhanh chóng và chính xác các thông tin về chất lượng ở từng nguyên công, xử lý các thông tin đó để có những biện pháp công nghệ thích ứng đảm bảo chất lượng

Nội dung chủ yếu của các hệ thống quản lý chất lượng hiện nay đều nhằm chuyển dần chức năng kiểm tra phân loại chính phẩm, phế phẩm của người kiểm tra trước đây sang chức năng kiểm tra quá trình công nghệ của công nhân trực tiếp sản xuất và của cán bộ công nghệ Nhiệm vụ đo đạc kiểm tra thông thường là chủ yếu trước đây phải chuyển dần sang nhiệm vụ đo đạc nghiên cứu để duy trì

và nâng cao chất lượng của chính quá trình sản xuất là chủ yếu

Vì vậy, người kỹ sư cơ khí cần phải nắm vững các kiến thức cơ bản về quá trình vật lý của đo lường, biết chọn phương pháp đo và dụng cụ đo thích hợp, biết

xử lý các thông tin về quá trình công nghệ qua quá trình đo Đó là lý do cần phải biên soạn giáo trình “Cơ sở kỹ thuật đo lường trong chế tạo cơ khí” nhằm đáp ứng công tác giảng dạy chuyên ngành Công nghệ chế tạo máy tại Học viện Kỹ thuật quân sự Ngoài ra nó còn là tài liệu tham khảo cho các cán bộ kỹ thuật, cán bộ giảng dạy, sinh viên chuyên nghành cơ khí nói chung

Do giáo trình được biên soạn lần đầu nên khó tránh khỏi sai sót, chúng tôi rất mong nhận được nhiều ý kiến đóng góp Mọi góp ý về tài liệu xin gửi về bộ môn Chế tạo máy-khoa Cơ khí-Học viện KTQS

Các tác giả

Chương 1 Những khái niệm cơ bản về đo lường

1.1 Vấn đề bảo đảm chất lượng

Đảm bảo chất lượng sản phẩm trong sản xuất chính là đảm bảo hiệu quả kinh tế cho nền sản xuất

Việc đảm bảo chất lượng sản phẩm không đơn thuần là việc kiểm tra sản phẩm sau khi chế tạo mà cái chính là phải vạch ra các nguyên nhân gây sai hỏng ngay trong khi gia công để có được quy trình công nghệ hợp lý, có thể điều chỉnh quá trình gia công nhằm tạo ra sản phẩm đạt chất lượng Mức độ đưa thiết bị và

kỹ thuật đo vào công nghệ chế tạo thể hiện mức độ tiên tiến của nền sản xuất Xét vấn đề dưới góc độ đo lường hay nói cách khác đo lường bảo đảm chất lượng sản phẩm như thế nào thể hiện qua ba chức năng cơ bản của nó như sau:

• Đo lường là để nghiên cứu nhận biết thế giới tự nhiên

• Kiểm tra chất lượng sản phẩm, giám sát sản xuất đảm bảo chất lượng sản phẩm

• Nghiên cứu độ chính xác gia công nhằm cải tiến kỹ thuật hợp lý hoá qui trình công nghệ để nâng cao chất lượng sản phẩm dẫn tới hạ giá thành sản phẩm

Trong sản xuất, đo lường là trọng tài vô tư nhất đánh giá đúng chất lượng sản phẩm của đối tượng nghiên cứu Nó cho phép ta đánh giá chính xác trình độ

kỹ thuật sản xuất của từng công ty, xí nghiệp, của nước này với nước khác

1.2 Các khái niệm cơ bản về đo lường-kiểm tra 1.2.1 Đo lường

Đo lường một đại lượng vật lý là việc thiết lập quan hệ giữa đại lượng đó với

đại lượng cùng tính chất vật lý nào đó được dùng làm đơn vị đo hay một đại lượng tiêu chuẩn đã được qui ước

Như vậy thực chất của việc đo lường là việc so sánh đại lượng cần đo với

đơn vị đo hay đại lượng tiêu chuẩn qui ước (chúng phải có cùng tính chất vật lý của đại lượng cần đo) để tìm ra tỉ lệ giữa chúng, tức là xác định độ lớn (theo đơn vị) bằng trị số của đại lượng đo

Đo lường là thiết lập quan hệ giữa đại lượng cần đo và một đại lượng cùng tính chất vật lý được qui định làm đơn vị đo Thực chất đó là việc so sánh đại lượng cần đo với một đơn vị đo để tìm ra tỉ lệ giữa chúng theo công thức:

Kết quả đo sẽ là: Q = q.u

Tuỳ theo cách chọn đại lượng làm đơn vị đo khác nhau mà kết quả so sánh (tỷ lệ) đại lượng đo và đơn vị đo sẽ khác nhau Tức là có thể biểu diễn kết quả so sánh bằng các trị số khác nhau khi chọn các đơn vị đo khác nhau

+ Chọn đơn vị đo là u thì kết quả đo sẽ là:

Q = q u ( 1-2) + Chọn đơn vị đo là u' ≠ u thì kết quả đó là:

Q = q' u' ( 1-3) trong đó q' ≠ q Từ (1-2) và (1-3) rút ra:

u

u q

q' = ' =

K được gọi là hằng số qui đổi (hay chuyển đổi) đơn vị

Ta thấy rằng việc chọn độ lớn của đơn vị đo khác nhau sẽ dẫn tới q khác nhau Cho nên việc chọn độ lớn của đơn vị đo phải sao cho việc biểu diễn kết quả

đo gọn, đơn giản tránh nhầm lẫn trong ghi chép và tính toán Kết quả đo cuối cùng cần biểu diễn theo đơn vị đo hợp pháp

1.2.2 Đơn vị đo và hệ thống đơn vị

a Đơn vị đo

Xuất phát từ định nghĩa và thực chất của việc đo Ta thấy rằng việc đo lường

sẽ không thể thực hiện được nếu không có đơn vị đo Bởi thế đơn vị đo sẽ phải xuất hiện ngay khi con người biết dùng đến đo lường trong đời sống

Đơn vị đo là cái cữ, là tiêu chuẩn được qui định thống nhất dùng khi so sánh

để tìm ra độ lớn của đại lượng cần đo

Từ cổ đại con người đã biết dùng những phép đo đơn giản như chia ruộng

đất, đo chiều cao tháp, độ lớn các khối đá và đơn vị đo khi đó cũng đơn giản và tuỳ tiện như bước chân, sải tay, gang tay

Dần dần xã hội loài người phát triển, kinh tế mở mang, kiến thức khoa học này càng nâng cao, đo lường được dùng ngày càng nhiều trong đời sống và trong khoa học kỹ thuật, việc đo lường ngày càng phức tạp và yêu cầu chính xác hơn, khi đó những sản phẩm của tự nhiên như bước chân, sải tay không đủ và không

thể đảm bảo độ chính xác và tính thông dụng của việc đo cho nên người ta cần phải chế tạo ra những dụng cụ dùng làm đơn vị đo độc lập với cấu tạo thiên nhiên Lúc đầu những đơn vị đo này cũng chỉ là qui ước thống nhất cho từng vùng

có quan hệ kinh tế riêng biệt Cùng với sự phát triển của xã hội loài người, kiến thức khoa học ngày càng phong phú, kinh tế phát triển, cần thiết phải có trao đổi kinh nghiệm, văn hoá khoa học, giao lưu ngoại thương Các đơn vị đo tuỳ tiện hoặc qui ước theo địa phương không thể thích hợp nữa, nó gây khó khăn cho việc trao đổi sản phẩm, kinh tế, văn hoá Nói chung là nó không phù hợp với quan hệ sản xuất xã hội mới Thực tế đó đòi hỏi phải có sự thống nhất về đơn vị đo trên phạm vi quốc tế Các hội nghị về cân đo quốc tế đã được họp (thế kỷ 18) để thống nhất thành lập ra Viện đo lường quốc tế, qui định các đơn vị đo lường cơ bản nhằm đảm bảo tính thống nhất của đơn vị đo trên phạm vi quốc tế

Để đạt được tính chính xác trong đo lường, đơn vị đo cần đảm bảo 3 yêu cầu sau:

Ví dụ: mẫu mét, mẫu kilôgam

Các đơn vị này đã được chế tạo bằng các vật liệu quí dùng làm mẫu gốc để bảo tồn trong phòng đo lường của viện đo lường quốc tế

b) Đơn vị đo dẫn suất: là loại đơn vị đo mà độ lớn của nó được xác định phụ thuộc vào độ lớn của đơn vị đo dẫn xuất khác

Ta có thể biểu diễn sự phụ thuộc đó bằng một công thức tổng quát:

Q=k.Aα.Bβ.Cγ

Trong đó: k - hằng số biến đổi đơn vị

A, B, C - các đại lượng có quan hệ với Q

α, β, γ - bậc của thứ nguyên của A, B, C

c Hệ thống đơn vị đo

Các đơn vị đo độc lập và dẫn suất hợp thành hệ thống đơn vị được qui định trong bảng đơn vị đo hợp pháp của Nhà nước dựa trên qui định của hệ thống đo lường quốc tế SI (viết tắt SI từ tiếng Pháp Système International d'Unités) SI là

hệ đo lường được sử dụng rộng rãi nhất Nó được sử dụng trong hoạt động kinh

tế, thương mại, khoa học, giáo dục và công nghệ của phần lớn các nước trên thế

giới ngoại trừ Mỹ, Liberia và Myanma

Hệ thống đơn vị đo được qui định nhằm thống nhất cách biểu diễn kết quả

đo các đại lượng, để có sự chuyển đổi tương đương dễ dàng, tính toán gọn nhẹ, đỡ nhầm lẫn do chọn dùng các đơn vị không hợp lý và để kết quả tính ra được sẽ mang tên đơn vị đo đã có qui định

Các vấn đề nói về đơn vị và hệ thống đơn vị có thể xem tỉ mỉ hơn trong các tài liệu: Đơn vị đo lường hợp pháp, đơn vị đo các đại lượng vật lý

Ví dụ: Khi đo bán kính R=h/2+S2/8h

trong đó: h- chiều cao cung;

S- độ dài dây cung

Ví dụ: Khi đo tỷ trọng vật liệu, dựa trên quan hệ vật lý D =

V G

G

4π

=Việc chọn mối quan hệ nào trong các mối quan hệ có thể với thông số đo cụ thể phụ thuộc vào độ chính xác yêu cầu đối với đại lượng đo, trang thiết bị hiện

có, khả năng tìm được hoặc tự chế tạo được Mối quan hệ cần được chọn sao cho

đơn giản, các phép đo dễ thực hiện với yêu cầu về trang bị đo ít và có khả năng hiện thực hoá

b Phân loại các phương pháp đo

Các phương pháp đo được phân loại dựa trên cơ sở:

• Quan hệ giữa đầu đo và chi tiết đo

• Quan hệ giữa giá trị chỉ thị trên dụng cụ đo và giá trị của đại lượng đo

• Quan hệ giữa đại lượng cần đo và đại lượng được đo

1 Dựa vào quan hệ giữa đầu đo và chi tiết đo

Theo quan hệ giữa đầu đo và chi tiết đo chia ra:

• Phương pháp đo tiếp xúc

• Phương pháp đo không tiếp xúc

Phương pháp đo tiếp xúc là phương pháp đo mà giữa đầu đo và bề mặt chi tiết đo tồn tại một áp lực gọi là áp lực đo Ví dụ như khi đo bằng dụng cụ đo cơ khí, quang cơ, điện tiếp xúc áp lực này làm cho vị trí đo ổn định vì thế kết quả

đo tiếp xúc rất ổn định

Tuy nhiên, do có áp lực đo mà khi đo tiếp xúc không tránh khỏi sai số đo do các biến dạng có liên quan đến áp lực đo gây ra, đặc biệt là khi đo các chi tiết bằng vật liệu mềm, dễ biến dạng hoặc các hệ đo kém cứng vững

Phương pháp đo không tiếp xúc là phương pháp đo không có áp lực đo giữa yếu tố đo và bề mặt chi tiết đo

Ví dụ: Các máy đo kiểu hiển vi chiếu hình, thuỷ lực khí nén, đều đo theo phương pháp không tiếp xúc

Do không có sự tiếp xúc giữa đầu đo và mặt chi tiết đo nên có một loạt các

ưu điểm:

• Không gây biến dạng bề mặt chi tiết (điều này rất quan trọng đối với chi tiết nhỏ); không có sai số do biến dạng bề mặt dưới tác dụng của lực đo

• Không có sai số do ảnh hưởng của sự mòn đầu đo

• Không có sai số đo gây nên bởi hình dáng bề mặt chi tiết đo làm chất lượng tiếp xúc của đầu đo và chi tiết đo không tốt

• Không chịu tác dụng của độ không ổn định lực đo

• Có hệ số khuếch đại lớn nên sai số nhỏ

Các ưu điểm kể trên làm tăng cao độ chính xác của phép đo so với phương pháp đo tiếp xúc Tuy vậy phương pháp này chỉ thích hợp với loại chi tiết nhỏ, mềm, mỏng, dễ biến dạng, các sản phẩm không cho phép có vết xước

2 Dựa vào quan hệ giữa giá trị chỉ thị trên dụng cụ đo và giá trị của đại

lượng đo

Trên quân hệ này các phương pháp đo chia ra:

• Phương pháp đo tuyệt đối

• Phương pháp đo so sánh

Trong phương pháp đo tuyệt đối, giá trị chỉ thị trên đụng cụ đo là giá trị đo

được Phương pháp đo này đơn giản, ít nhầm lẫn, nhưng vì hành trình đo dài nên

độ chính xác đo kém

Trong phương pháp đo so sánh, giá trị chỉ thị trên dụng cụ đo chỉ cho ta sai lệch giữa giá trị của chuẩn dùng khi chỉnh "0" cho dụng cụ đo và giá trị của đại lượng cần đo Kết quả đo phải là tổng của giá trị chuẩn và giá trị chỉ thị:

Q= Q0+Δx với: Q0- kích thước mẫu chỉnh "0"

Δx - giá trị chỉ thị của dụng cụ

Độ chính xác của phép đo so sánh cao hơn của phép đo tuyệt đối và phụ thuộc chủ yếu vào độ chính xác của mẫu và quá trình chỉnh "0"

3 Dựa vào quan hệ giữa đại lượng cần đo và đại lượng được đo

Trên quan hệ này các phương pháp đo chia thành:

• Phương pháp đo trực tiếp

• Phương pháp đo gián tiếp

Phương pháp đo trực tiếp (đo thẳng) là phương pháp đo mà đại lượng được

đo chính là đại lượng cần đo, ví dụ như khi ta đo đường kính chi tiết bằng panme, thước cặp, máy đo chiều dài

Phương trình cơ bản của phép đo là: Q = X

Trong đó: Q- đại lượng thực cần đo

X- chỉ số của máy đo

Phương pháp đo trực tiếp có độ chính xác cao nhưng kém hiệu quả

Phương pháp đo gián tiếp là phương pháp mà giá trị của đại lượng cần đo

được xác định thông qua các mối quan hệ hàm toán học hoặc vật lý giữa đại lượng được đo và đại lượng cần đo Ví dụ như khi ta đo đường kính chi tiết thông qua việc đo các yếu tố trong cung hay qua chu vi

Phương pháp đo gián tiếp thông qua các mối quan hệ toán học hoặc vật lý học giữa đại lượng được đo và đại lượng cần đo là phương pháp đo phong phú, đa dạng và rất hiệu quả Tuy nhiên, nếu hàm quan hệ càng phức tạp thì độ chính xác

theo công thức tính thể tích hình cầu: Vcầu π

b

=

αTrong khi tiến hành một quá trình đo, việc chọn phương pháp đo nào cần xuất phát từ việc phân tích kỹ lưỡng tính chất và cấu tạo của đối tượng đo cũng như yêu cầu kỹ thuật đối với nó Việc chọn phương pháp đo có thích hợp hay không rất ảnh hưởng tới mức độ phức tạp của phép đo và thiết bị đo, do đó rất ảnh hưởng tới độ chính xác khi đo, thời gian điều chỉnh và đo, số thiết bị cần cho phép đo cũng như sự phức tạp của quá trình sử lý tính toán số liệu sau này Các vấn đề kể trên có ảnh hưởng trực tiếp tới độ chính xác khi đo lường kiểm tra chất lượng sản phẩm cũng như giá thành chung của sản phẩm

1.2.4 Kiểm tra và các phương pháp kiểm tra

Kiểm tra một đại lượng là xác định xem giá trị thực của đại lượng đó có nằm trong giới hạn được qui định hay không

Sự khác biệt căn bản giữa kiểm tra và đo lường là ở chỗ khi kiểm tra không cần xác định trị số cụ thể của đại lượng đó mà chỉ cần so sánh đại lượng kiểm tra với giá trị giới hạn định trước

Nếu đo lường trả lời câu hỏi về lượng là bao nhiêu thì kiểm tra sẽ trả lời câu hỏi về chất là đạt hay không hoặc tốt hay xấu hoặc chính phẩm hay phế phẩm

Như vậy, khi kiểm tra, chất lượng cơ bản của đối tượng cần được qui định trước, kiểm tra nhằm xét xem đối tượng thực có thoả mãn yêu cầu qui định đó không, còn đo lường chính là nhằm xác định giá trị thực của đại lượng là bao nhiêu Các hình thức kiểm tra được phân loại theo 2 đặc điểm:

• Theo tính chất kiểm tra

• Theo nội dung kiểm tra

a Phân loại theo tính chất kiểm tra

Theo tính chất kiểm tra phân thành:

1 Kiểm tra bị động

Kiểm tra bị động còn được gọi là kiểm tra thụ động ngẫu nhiên là hình thức kiểm tra mà khi kiểm tra kết quả chỉ cho phép ta đánh giá chất lượng của sản phẩm sau khi đã chế tạo có đạt hay không Nghĩa là người kiểm tra đứng trước một sự đã rồi của sản xuất để phân loại cái đúng và cái sai theo yêu cầu kỹ thuật

đã qui định

Hình thức kiểm tra này thường dùng để kiểm tra thu nhận nên nó còn mang

tên là kiểm tra thu nhận

b Theo nội dung kiểm tra

Theo nội dung kiểm tra phân thành:

1 Kiểm tra thành phần

Kiểm tra thành phần, còn gọi là kiểm tra yếu tố, là việc kiểm tra thực hiện với từng yếu tố riêng, thường được dùng để kiểm tra trong khi nghiên cứu độ chính xác gia công nhằm phân tích nguyên nhân sai hỏng của sản phẩm, cải tiến qui trình công nghệ

2 Kiểm tra tổng hợp

Kiểm tra tổng hợp là tiến hành kiểm tra đồng thời ảnh hưởng của tất cả các yếu tố tới chất lượng sử dụng của sản phẩm Thường được dùng để kiểm tra lần cuối trước khi đưa đi lắp ráp, bao gói, xuất xưởng, sử dụng

Việc chọn hình thức kiểm tra nào là tuỳ thuộc vào yêu cầu, tầm quan trọng của thông số, khối lượng sản xuất và yêu cầu sử dụng của kết quả kiểm tra Đối với các chi tiết phức tạp như bánh răng, then hoa phải kết hợp cả kiểm tra tổng hợp và kiểm tra riêng lẻ đối với các thông số cần thiết

1.2.5 Các chỉ tiêu đo lường của thiết bị đo

Các đặc trưng (hay còn gọi là các chỉ tiêu) đo lường cơ bản của máy đo và dụng cụ đo có thể tạm chia theo 2 nhóm:

Nhóm 1: gồm các chỉ tiêu thường dùng đến nhất khi lập bảng yêu cầu đối với thiết bị đo để thực hiện một phép đo cần thiết

Nhóm 2: gồm những chỉ tiêu đo lường cần được chú ý đến khi đo lường thí nghiệm và nghiên cứu khoa học

a Nhóm 1

Nhóm các chỉ tiêu này bao gồm:

1 Giới hạn đo theo bảng A

Giới hạn đo theo bảng A là giá trị đo được ứng với toàn bộ bảng chia

Nếu Amax: là giá trị max có thể chỉ thị được trên bảng chia và Amin là giá trị min có thể chỉ thị được trên bảng chia thì: A = Amax- Amin

+ Ví dụ trong bảng chia đối xứng A = ±20μm chẳng hạn thì:

2 Giới hạn đo của máy L

Giới hạn đo của máy L là giá trị đo lớn nhất có thể đo được trên máy

L = L1 + A Trong đó L1 là khoảng dịch chuyển cho phép của đầu đo theo giá máy

được Độ nhậy giới hạn có thứ nguyên của đại lượng đo

5 Sai số chỉ thị của dụng cụ đo

Sai số chỉ thị của dụng cụ đo là hiệu số giữa giá trị chỉ thị của dụng cụ đo

và giá trị thực của đại lượng đo

Giá trị thực của đại lượng đo có thể được xác định được bằng những dụng cụ

đo có cấp chính xác cao hơn hoặc bằng kích thước mẫu đã được ghi sẵn trong tờ kiểm nhận Thông thường yêu cầu ΔCT≤ c ≤

n A

Trong đó: A - giới hạn đo theo bảng

n - Số vạch chia của bảng

c- Giá trị chia vạch của vạch chia

Đối với máy đo kiểm tra (thí nghiệm): ΔCT =

Tính ổn định của máy và dụng cụ đo là đặc tính đảm bảo giá trị chỉ thị của chúng bất biến theo thời gian

Tính chất này là một đặc tính rất quan trọng của máy và dụng cụ đo, đặc biệt là đối với những quá trình nghiên cứu lâu dài và trùng lặp Tuy nhiên, yêu cầu tính bất biến như trên là rất lý tưởng

Độ biến động chỉ thị (cũng chính là độ ổn định), của máy và dụng cụ đo là

sự sai khác nhau của giá trị chỉ thị giữa các lần đo khi tiến hành đo lặp lại nhiều lần với cùng một kích thước đối tượng đo và điều kiện đo như nhau Độ biến động chỉ thị càng bé thì độ ổn định càng cao, máy càng chính xác, kết quả đo đáng tin cậy hơn

Độ biến động chỉ thị được qui định bằng hiệu số giá trị chỉ thị lớn nhất và nhỏ nhất Nó phản ánh độ không ổn định của các cơ cấu máy đo khi chúng làm việc như: vị trí cơ cấu, biến đổi tỷ số truyền, cơ cấu đọc và độ không ổn định của người đọc số Nói chung là với xích truyền động của máy càng dài thì độ ổn

định càng kém

Độ biến động chỉ thị là nhân tố chủ yếu gây nên sai số khi đo Do chịu tác

động của những nguyên nhân rất ngẫu nhiên nên độ biến động chỉ thị cũng có tính chất ngẫu nhiên Nó phản ánh độ chính xác tổng hợp của máy Thông thường cho phép biến động trong giới hạn )c

5

12

1

Đối với máy kiểm tra (thí nghiệm) thường dùng [Δôđ]≤0,2c

Đối với máy đo dùng trong sản xuất [Δôđ]≤0,5c

b Nhóm 2

1 Giá trị chia c

Giá trị chia c là giá trị của đại lượng đo ứng với một khoảng chia của bảng

Đó chính là dịch chuyển của đầu đo khi kim chỉ thị dịch đi một vạch chia

4 Độ nhậy của máy đo

Độ nhậy của máy đo là khả năng có thể phản ứng của máy đo đối với đại lượng đo

Đối với máy đo không chuyển đổi K =

c

a

chính là tỷ số truyền dài của máy

đo Đó là đại lượng không có thứ nguyên

Đối với máy đo có chuyển đổi như thuỷ lực, điện người ta không dùng khái niệm tỷ số truyền để đánh giá mà dùng độ nhạy để đánh giá Khi đó độ nhạy

có thứ nguyên là thứ nguyên của đại lượng đã chuyển đổi ra chia cho thứ nguyên của đại lượng đo được chuyển đổi

Ví dụ: mmHg/μm; mmH20/μm; mΩ/μm; mA/μm; mV/μm

1.3 Các nguyên tắc cơ bản trong đo lường

Trong khi thiết kế một phương án đo, lập qui trình để kiểm tra đo lường một chi tiết, để đảm bảo độ chính xác và chỉ tiêu kinh tế cho phép đo cần phải dựa trên những nguyên tắc cơ bản sau:

1.3.1 Nguyên tắc Abbe

Nguyên tắc: Đường tâm của kích thước đo và đường tâm kích thước mẫu

(tức là thước đo) phải nằm trên cùng đường thẳng

Trong khi đo có hai cách gá đặt kích thước đo và kích thước mẫu

• Đặt nối tiếp (như khi đo trên pan me)

• Đặt song song (như khi đo trên thước cặp)

Đặt nối tiếp kích thước đo và kích thước mẫu là phù hợp với nguyên tắc Abbe Có thể chứng minh được rằng cùng kích thước và sai số công nghệ của máy đo (ví dụ khe hở, độ song song của sống trượt ) thì đặt kích thước theo nguyên tắc Abbe sẽ cho sai số đo nhỏ hơn

tính được sai số lớn nhất phạm phải là:

f1 = L - L' = S tgϕ

Tính gần đúng tgϕ = ϕ +

15

23

+

ϕvới ϕ nhỏ bỏ qua các số hạng bậc cao ta có tgϕ ≈ϕ

Do đó: f1 = S.ϕ

Trường hợp kích thước đặt nối tiếp ta có thế lấy ví dụ đo trên pan me hay Komparato kiểu Abbe (Hình 1-2) biểu diễn nguyên tắc đo và cho phép ta cách tính toán sai số phạm phải:

ϕ

ϕ

Đường trượt L

21

.ϕ2

L

So sánh f1 và f2 thấy rằng sai số f1 lớn hơn f2 nhiều vì ϕ là góc lệch do khe

hở của sống trượt rất nhỏ nên sai số bậc 2 sẽ rất nhỏ

Ví dụ: Với máy Komparato kiểu song song, thông thường S =150; ϕ ≈10" ; thì ' 7μm

1 =

f

Với máy Komparato kiểu Abbe có L =1000; ϕ= 10" thì f2 = 0,001μm

Kết quả trên cho ta thấy rằng nếu tôn trọng nguyên tắc Abbe thì sai số đo sẽ rất nhỏ Do tính chất quan trọng đó mà khi thiết kế máy đo người ta cố gắng kết cấu sao cho kích thước mẫu và kích thước đo cùng nằm trên một đường thẳng Ngoài ra, đối với các máy đo có bộ khuếch đại thường (thường dùng đòn bẩy) để bảo đảm nguyên tắc Abbe yêu cầu tiếp điểm của trục đo với khâu thứ

nhất của bộ truyền phải nằm trên cùng đường thẳng với trục đo Nghĩa là phương chuyển động của tiếp điểm phải nằm trên đường biến thiên của kích thước đo (là phương dịch chuyển của trục đo)

Hình 1-3 Kết cấu đo đảm bảo (a) và không (b) theo nguyên tắc Abbe

Hình 1-3 biểu diễn 2 trường hợp kết cấu, trong đó:

• Trường hợp nguyên tắc Abbe

• Trường hợp không phù hợp

1.3.2 Nguyên tắc xích truyền động ngắn nhất

Nói chung do hạn chế của trình độ công nhân chế tạo, các chi tiết máy đều mang sẵn sai số chế tạo ngoài ra khi lắp ráp còn có sai số do lắp rắp các sai số trên sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng làm việc của từng khâu, nhóm chi tiết

và nói chung cả xích truyền của máy Nếu xích truyền dài, số chi tiết, khâu khớp tham gia sẽ càng lớn và sai số tích luỹ sẽ của máy sẽ càng lớn Bởi vậy trong thiết

kế nêu ra nguyên tắc xích truyền động ngắn nhất Đó là: với tỷ số truyền yêu cầu, giảm đến mức ít nhất số khâu tham gia vào xích truyền để giảm sai số của máy

1.3.3 Nguyên tắc chuẩn thống nhất (trùng chuẩn)

Trong công nghệ sản xuất phân ra:

• Chuẩn thiết kế (do người thiết kế dùng)

• Chuẩn gia công (cho người chế tạo dùng)

• Chuẩn lắp ráp

• Chuẩn kiểm tra (cho người kiểm tra dùg khi kiểm tra)

Nguyên tắc chuẩn thống nhất nêu là khi các chuẩn trên được dùng thống nhất (chọn trùng nhau) thì sai số đo sẽ nhỏ nhất

Điều đó có thể giải thích như sau: Mỗi kích thước chi tiết thường có cho

dung sai Nếu vì lý do nào đó mà ta phải chuyển chuẩn thì bản thân chuẩn đã mang trong đó dung sai của kích thước, dung sai đó là sai số chuyển chuẩn và nếu chuyển chuẩn càng nhiều thì độ chính xác của kết quả đo càng kém

Ví dụ: Đo khoảng cách tâm 2 lỗ trục

2

1 d d

d d l

d d l

hoặc:

Độ chính xác khi đo l sẽ tính bằng sai số δl:

2 2 2 2

2 1 2

2 2

2 1

l l

d

l d

l l

)Chú ý:

Nguyên tắc chuẩn thống nhất là cần để đảm bảo độ chính xác khi kiểm tra

đo lường song cần phải giành ưu tiên cho công nghệ để tránh khó khăn phiền phức cho sản xuất ảnh hưởng đến giá thành sản phẩm

1.3.4 Nguyên tắc kinh tế

Nội dung của nguyên tắc này là: Cần đảm bảo được độ chính xác đo lường theo yêu cầu trong điều kiện kinh tế nhất, tức là yêu cầu về điều kiện kinh tế là thấp nhất (đơn giản, rẻ tiền) mà vẫn đảm bảo độ chính xác đo lường yêu cầu Cụ thể là:

• Độ chính xác máy (máy và dụng cụ đo) đủ dùng

• Hiệu suất cao thao tác nhanh, dễ điều chỉnh, đo hàng loạt, tự động

• Trình độ nhân viên đo lường kiểm tra thấp (có quan hệ tới tiền lương người kiểm tra)

• Thiết bị phục vụ việc kiểm tra đo lường đơn giản, dễ chỉnh, rẻ tiền, vạn năng, dễ mua, dễ chế tạo, có điều kiện tự trang tự chế

• Dựa vào thiết bị sẵn có của phòng thí nghiệm để đỡ tốn phí mua sắm thêm Trên đây đã trình bày 4 nguyên tắc cơ bản trong đo lường nhằm đảm bảo tính chính xác và tính kinh tế của việc kiểm tra đo lường Tuỳ trường hợp cụ thể của trình độ và nhịp độ sản xuất mà coi trọng nguyên tắc nào Tuỳ điều kiện kỹ thuật và khó khăn của chế tạo và khả năng điều chỉnh có thể dùng những kết cấu không hoàn toàn tôn trọng các nguyên tắc trên

Chương 2 Các nguyên lý chuyển đổi vμ khuếch đại

trong đo lường

2.1 Những khái niệm cơ bản

2.1.1 Khái niệm chung

Nhiệm vụ của việc đo lường các đại lượng vật lý là định lượng đại lượng đo với độ chính xác kỹ thuật theo yêu cầu

Công cụ dùng để thực hiện nhiệm vụ đo lường được gọi chung là thiết bị đo

Để thực hiện việc đo lường thiết bị đo cần gồm các bộ phận cấu trúc đo sau:

• Bộ chuyển đổi dùng để tiếp nhận thông tin vào

• Bộ chế biến và khuếch đại thông tin

• Bộ chỉ thị để biểu đạt hoặc ghi nhận thông tin ra

Để đạt độ chính xác cao trong khi đo, hệ thống chuyển đổi, chế biến và khuếch đại, chỉ thị thông tin cần đạt các yêu cầu sau:

• Chuyển đổi có độ nhạy giới hạn với độ ổn định cao

• Hệ số khuếch đại lớn (độ nhạy cao), ổn định và chính xác

• Thông tin chính xác, độ tin cậy cao, thông tin ra cần dễ ghi nhận và quan sát

Nội dung của chương này sẽ trình bày các ứng dụng những hiện tượng vật lý

có quan hệ với chuyển vị dài và góc vào kỹ thuật chuyển đổi và khuếch đại trong các máy đo chiều dài và góc Qua các ví dụ ứng dụng học sinh sẽ làm quen với sơ

đồ nguyên lý một số máy đo thông dụng trong chế tạo máy

2.1.2 Các loại chuyển đổi đo lường và mạch đo

a Bộ chuyển đổi

Chuyển đổi là một bộ phận cấu trúc đo dùng để phát hiện biến thiên của thông số đo

Nếu ta đưa tín hiệu vào chuyển đổi là biến thiên kích thước X Qua chuyển

đổi nhờ mối quan hệ vật lý của tín hiệu vào X và tín hiệu ra Y ta nhận được một thông tin ra của chuyển đổi để đưa vào bộ khuếch đại (Hình 2-1)

Như vậy chuyển đổi có thể kiêm 2 nhiệm vụ vừa tiếp nhận vừa chuyển đổi thông tin

Nếu X và Y cùng loại đặc tính vật lý ta có chuyển đổi trực tiếp; nếu X và Y khác loại ta có chuyển đổi gián tiếp

Trong kỹ thuật chuyển đổi, yếu tố quan trọng nhất là yếu tố nhậy Yếu tố nhậy quyết định đặc tính và nguyên tắc hoạt động của chuyển đổi Chính vì vậy người ta thường dùng yếu tố nhậy để đặt tên cho chuyển đổi

Yếu tố nhậy là yếu tố vật lý cảm thụ sự biến thiên của kích thước, tức là nó

sẽ biến thiên khi kích thước biến thiên Nó quyết định độ nhậy, độ nhậy giới hạn

và đường đặc tính của chuyển đổi

Dựa vào cơ sở vật lý của các chuyển đổi người ta phân ra các loại chuyển

đổi sau: chuyển đổi cơ, chuyển đổi điện, chuyển đổi quang hình quang lý, quang

điện, chuyển đổi khí nén, chuyển đổi thuỷ lực, chuyển đổi tiếp xúc, điện từ, điện cảm, điện dung

Cảm biến (hay còn gọi là senxơ) là dụng cụ, phân tử thực hiện việc chuyển

đổi để phát hiện biến thiên của thông số đo Tùy thuộc cảm biến dựa trên nguyên

lý chuyển đổi nào mà có các tên gọi tương ứng như: cảm biến điện trở, cảm biến

điện cảm, cảm biến điện dung, cảm biến điện áp

b Bộ khuếch đại

Bộ phận thứ hai của cấu trúc đo là bộ khuếch đại và chế biến thông tin

Thông tin Y từ chuyển đổi ra thường là rất nhỏ và có thế là loại tín hiệu phức tạp rất khó diễn đạt và ghi nhận ở bộ chỉ thị, vì vậy nên phần khuếch đại và chế biến thông tin có nhiệm vụ truyền và chế biến nó thành dạng tín hiệu dễ diễn

đạt và ghi nhận bằng các thiết bị chỉ thị, ghi nhận

Chất lượng của bộ khuếch đại và chế biến thông tin được đánh giá qua chỉ tiêu độ nhạy và độ méo của thông tin ra Y2

∂

∂

=

Nếu ta có quan hệ y2 = f (y1) thì độ nhạy

Nếu f là quan hệ tuyến tính ta sẽ có K là hằng số

Vấn đề méo tín hiệu ở đây không trình bày cụ thể vì rất phức tạp và phụ thuộc vào điều kiện cụ thể của mạch khuếch đại

Trong bộ khuếch đại ngoài bộ phận khuếch đại là chính, tùy theo yêu cầu còn có các mạch sau :

• Mạch tỉ lệ thực hiện một phép nhân (hoặc chia) với một hệ số K

• Mạch gia công và tính toán thực hiện các phép tính đại số như cộng, trừ, nhân, chia, tích phân, vi phân

• Mạch đạo hàm tạo ra những hàm số theo yêu cầu của phép đo nhằm mục đích tuyến tính hóa các đặc tính của tín hiệu đo ở đầu ra các bộ phận cảm biến

• Mạch biến đổi A/D, D/A biến đổi tín hiệu đo tương tự thành tín hiệu

số và ngược lại Mạch này sử dụng cho kỹ thuật đo số và chế tạo các mạch ghép nối với máy tính

• Mạch đo sử dụng kỹ thuật vi xử lý là mạch đo có cài đặt bộ vi xử lý

để tạo ra các cảm biến thông minh, khắc độ bằng máy tính và gia công sơ bộ số liệu đo

Thiết bị đo ngày càng hiện đại thì khối khuếch đại ngày càng phức tạp Người ta thường dùng nhiều loại mạch đo để hoàn thành nhiều chức năng, tăng

độ nhạy và độ chính xác

c Bộ chỉ thị

Bộ chỉ thị có nhiệm vụ ghi lại kết quả đo được Có nhiều loại thiết bị ghi tùy theo loại cảm biến, tính chất đo tĩnh hay động, mức độ chính xác cần đạt được Các thiết bị ghi thường phân chia thành các loại :

2 Thiết bị chỉ thị tự ghi

Thiết bị chỉ thị tự ghi gồm có : thiết bị tự ghi có tần số thấp (dưới 10Hz), thiết bị tự ghi có tần số cao (dưới 100Hz), thiết bị tự ghi có tần số cao (trên 100Hz) Kết quả đo được ghi lại nhờ bút vạch trên giấy chuyển động với tốc độ

đều hoặc dùng dao động ký điện tử quan sát trực tiếp trên màn hình hay kèm theo

bộ chụp tín hiệu ghi lại các tín hiệu bằng giấy ảnh Dao động ký điện tử hiện đại

có nhiều tia điện tử, cho phép đo được nhiều điểm đo cùng một lúc, có cài đặt bộ

vi xử lý để có thể nhớ lại một đoạn tín hiệu và có thể điều khiển để đưa tín hiệu này ra máy in hoặc ghi vào băng hay đĩa từ để lưu trữ

3 Thiết bị chỉ thị số

Trong dụng cụ đo chỉ thị số người ta sử dụng một loạt các thành tựu kỹ thuật điện tử và kỹ thuật máy tính để biến đổi chỉ thị đại lượng đo Có thể tóm tắt sơ đồ của dụng cụ đo chỉ thị số như sau: đại lượng đo x(t) sau khi qua bộ biến đổi xung thành số xung N tỉ lệ với độ lớn x(t) Số xung N được đưa vào bộ mã hóa

MH cơ số 2-10, sau đó đến bộ giải mã GM và đưa ra bộ hiện số (hoặc máy tính) như trên Hình 2-2

Hình 2-2 Sơ đồ khối dụng cụ đo chỉ thị số

2.2 Chuyển đổi cơ khí vμ các phương pháp khuếch

đại cơ khí 2.2.1 Chuyển đổi cơ khí

a Chuyển đổi trực tiếp

Các chuyển đổi cơ khí thường dùng là chuyển đổi tiếp xúc Nếu cho rằng trong quá trình đo, sự tiếp xúc giữa đầu đo và chi tiết đo không gây ra một sự biến dạng nào nghĩa là hệ cứng tuyệt đối thì khi kích thước L biến thiên một lượng X =

Δl (Hình 2-3) thì trục đo cụ thể là tiếp điểm A thuộc trục đo sẽ có một chuyển vị tương ứng theo phương biến thiên của kích thước đó lượng Y = Δl

Đây là một chuyển đổi trực

tiếp Độ chính xác của chuyển đổi

này phụ thuộc vào 2 yếu tố:

Trục đo

Đầu đo

Mặt chuẩn(bàn đo)

Chi tiết đo

• Chất lượng tiếp xúc của

đầu đo và chi tiết đo

• Biến dạng của mặt chi

tiết đo dưới tác dụng của

lực đo và biến dạng của

cơ cấu chuyển đổi do lực

phản tác dụng gây ra

Hình 2-3 Chuyển đổi cơ khí trực tiếp

b Chuyển đổi gián tiếp

Chuyển đổi cơ khí còn có thể dùng dưới dạng một chuyển đổi gián tiếp dùng

đo lực, đo mômen, đo mô đun đàn hồi Nghĩa là dựa trên nguyên tắc đo một chuyển

vị cơ khí để xác định các đại lượng vật lý yêu cầu (xem Hình 2-4 và Hình 2-5)

D n

Hình 2-4 Chuyển đổi đo lực.

Kim chỉ thị cho ta chuyển vị f (kích thước dài) nhưng thực tế ta có thể đọc

ra lực cần đo P vì hệ số K = const là đã biết

Tương tự, ta có thể đo mômen xoắn của dây tóc, dây cót theo sơ đồ Hình 2-5a đo môđun đàn hồi theo sơ đồ Hình 2-5b

L

Ebh M

L

Ebh = =12

3

f bh

bộ phận máy để biến đổi phương của chuyển vị, dùng kiểm tra chỉ thị của đồng

hồ, độ nhạy của các chuyển đổi điện

S

δ

S

δα/2

Trong đó α là góc nêm Khi α giảm thì K tăng nhưng thông thường dùng trong phạm vi nhất định vì khi α lớn hoặc bé quá sẽ gây nên sai số do trượt Tuỳ theo vật liệu chế tạo có thể tính được góc sử dụng giới hạn của nêm qua hệ số ma sát

' Ta có hệ số khuếch đại của chuyển vị như sau:

a

b OA

OB s

2 cánh tay đòn mà chỉ phụ thuộc vào độ lớn của 2 đòn

Để tăng K người ta tìm các biện pháp để giảm a đến mức bé nhất, trong minhimét có thể đạt a' = 0,01mm, b= 10mm do đó K = 103

c Truyền động kiểu ăn khớp

Trong máy đo, phổ biến là loại đồng hồ 0,01mm hoặc 0,001mm người ta dùng nhiều truyền động kiểu ăn khớp như bánh răng-thanh răng, vít-đai ốc, kết hợp bộ truyền ăn khớp với bộ truyền đòn

a

a

c)

Hình 2-10 Truyền động kiểu ăn khớp kết hợp truyền đòn.

Hình 2-9 là sơ đồ của đồng hồ 0,01 phổ thông Thanh răng được chế tạo ngay trên trục đo Khi trục đo di chuyển sẽ làm quay Z2, Z3, Z1 và kim R quay chỉ thị chuyển vị trên bảng chia Tỷ số truyền của đồng hồ là:

2

3 1 2

3 1

22

Z

Z tZ

R Z

Z mZ

R

K = ì = π ì

với: t là bước răng, m là môđun của bánh răng

Tuỳ theo yêu cầu của K mà bố trí số răng Z1, Z2, Z3 cho hợp lý Cũng có thể tăng K bằng cách tăng cấp truyền Nhưng nói chung người ta chỉ dùng đến hai cấp là cùng vì bánh răng chế tạo rất khó chính xác, chúng có sai số tích luỹ, bởi thế nếu tăng nhiều cấp truyền sai số đo sẽ rất lớn Thường người ta tăng K bằng cách kết hợp thêm bộ truyền đòn, lúc này K = K1 K2.(Hình 2-10)

Hình 2-11 Sơ đồ nguyên lý của

panme

Khi ta quay nắm quay 1 đi một vòng, trục vít sẽ dịch chuyển một bước vít Tỷ số truyền sẽ là:

Muốn tăng K có thể thực hiện theo hai phương án: tăng D hoặc giảm t Phổ biến dùng t= 0,5mm, đạt giá trị chia 0,01 (tỷ số truyền K = 100x) Việc tăng D nói chung trong thiết kế ít dùng, ví dụ panme của kính hiển vi dụng cụ và hiển vi vạn năng dùng D lớn (D =48, t=0,75 để

đạt a = 0,005 với K=200x), còn việc giảm t nói chung bị hạn chế bởi sai

số chế tạo ren Thông thường chỉ dùng t = 0,5mm Nếu muốn t nhỏ hơn nữa người ta dùng cặp vít vi sai

(bước tiến thực tế của đầu đo) là t = t1 - t2 Như thế t1 và t2 có thể cắt tuỳ ý vẫn

đảm bảo t yêu cầu Tuy vậy t không thể nhỏ tuỳ ý được bởi sai số chế tạo của t1

a

Rs

α

Hình 2-13 Nguyên lý truyền động ăn khớp vít-đai ốc

Kết cấu này có ưu điểm là có thể cho ta những di chuyển rất nhỏ nhưng ít dùng làm bộ phận đo vì phạm vi đo nhỏ và sai số chỉ thị lớn Thường chỉ dùng trong các kết cấu dịch chuyển nhỏ, còn việc đo do bộ phận khác đảm nhiệm Hình 2-13 là sơ đồ của đồng hồ 0,01mm kiểu ứng dụng nguyên lý truyền

động ăn khớp vít - đai ốc: nếu trục vít quay tại chỗ thì đai ốc sẽ tịnh tiến Bây giờ nếu ta để trục vít trên hai trục quay, tác dụng lực buộc đai ốc tịnh tiến, thì trục vít phải quay đi góc tương ứng Đó là nguyên tắc làm việc của đồng hồ trục vít Để dễ chế tạo và để giảm ma sát và tăng độ linh hoạt cho máy đo người ta dùng đai ốc

Tỷ số truyền trong trường hợp này là :

s

l a

R ì

π

2

K =

Máy có tồn tại sai số nguyên lý Đáng lẽ điểm A dịch đến A1 phải trên

đường trục, do chuyển động tịnh tiến nhỏ của đai ốc được thay bằng chuyển động quay với ϕ nhỏ của chốt tỳ trên đầu đòn bẩy nên A dịch đến thấp hơn A1 đoạn

b gây thêm sai số góc quay Δα cho trục vít (kim chỉ thị)

' 1

A

2)

cos1(

' 2

Loại thường dùng có trục vít d2 = 1,6 mm; S = 3,5; a= 9,0; R = 45; l = 12 ta

có tỷ số truyền K = 100 và c = 0,01mm

d Truyền động kiểu lò xo

Lợi dụng tính chất biến dạng đàn hồi của lò xo người ta thiết kế ra các dụng

cụ đo dùng truyền động đàn hồi để thực hiện khuếch đại tín hiệu Loại dụng cụ

đo này có rất nhiều ưu điểm:

Chi tiết cơ bản của đồng hồ là lò xo cong 3 có bán kính độ 0,3mm Một đầu lò

xo được cố định trên vỏ máy, còn một đầu gắn với kim đo cài vào lõm côn của trục

đo Khi trục đo di chuyển, lò xo cong sẽ quay quanh điểm cố định 2 đồng thời hình dạng lò xo cũng bị biến dạng và do đó kim quay đi một góc Thay đổi độ dài phần cuối bị kẹp của lò xo cong có thể thay đổi tỷ số truyền của dụng cụ đo

Loại dụng cụ đo này có nhược điểm là:

• Quan hệ giữa di chuyển đầu đo và kim chỉ không tuyến tính

• Tâm quay của kim không cố định

Do hai nhược điểm trên mà độ chính xác của đồng hồ không cao nên loại

đồng hồ này ngày càng ít được sử dụng

Hình 2-15 là sơ đồ của các dụng cụ đo ứng dụng tính biến dạng đàn hồi của

lò xo phẳng Dụng cụ này thường được dùng kết hợp trong máy đo đòn bẩy quang học và chuyển đổi điện tiếp xúc

Dụng cụ gồm tấm chữ C số 1 và tấm di động theo trục đo số 2, tấm di động này được treo trên vỏ máy nhờ cặp lò xo lá số 3 Cặp lò xo phẳng số 4 kẹp kim 5

được gắn một đầu lên tấm 1 và một đầu lên tấm di động 2 Khi trục đo di chuyển cặp lò xo 4 một bị nén, một bị kéo làm kim 5 quay đi một góc Riêng bộ phận này có thể đạt tỷ số truyền K =120x

Để nâng cao độ chính xác của dụng cụ đo (tăng K) người ta kết hợp sơ đồ trên với một hệ quang để lợi dụng độ phóng đại quang đạt mục đích tăng tỷ số truyền, có thể đạt K = 1200x, thậm chí có thể đến K=20000x đó là các đồng hồ

3 4

5

1 2

3

4 5

6 l

7

b a 8

ữ0,0045 và rộng 0,060ữ0,120 Từ bộ phận trung gian số 8 trở ra 2 đầu, lò xo được xoắn trái chiều nhau với góc xoắn ban đầu độ 3000ữ40000 Một đầu lò xo gắn với giá máy 2, đầu kia gắn trên ổ đàn hồi số 3 Khi trục đo 4 dịch chuyển sẽ làm ổ chữ thập đàn hồi 3 quay, ổ quay làm lò xo số 1 bị kéo căng và bị dãn dài, các

điểm trên chiều rộng lò xo sẽ phải quay một góc nhất định quanh trục (lúc đó là

đường trung hoà) bởi thế kim chỉ số 6 được gắn trên trung tâm số 8 bị xoay đi một góc

Tuỳ theo kết cấu thiết kế của lò xo (chiều dầy, dài, rộng, góc xoắn ban đầu, bước xoắn) mà ta biết được đặc tính biến dạng của nó, phản ánh qua góc xoay θ trên độ dãn dài t Chỉ tiêu θ/t quyết định hệ số khuếch đại của máy

a

b t

Thông thường t = 0,01mm nên K phụ thuộc vào l và θ Trong micrôkatơ thường dùng θ=540, do đó K = 94,2xl Với l = 53,02 thì K = 5000x

Hệ số khuếch đại thường có thể đạt K =52000x hoặc trong trường hợp thí nghiệm K = 200.000x

Hệ số khuếch đại này phụ thuộc vào đặc tính vật liệu và đặc tính cấu tạo của lỗ xoắn, ổ lò xo chữ thập (đòn bẩy) Trong phạm vi nhất định của biến dạng (phạm vi lực căng nhất định) ta sẽ có quan hệ giữa biến dạng và góc xoắn là tuyến tính Dụng cụ đo này có ưu điểm là hoàn toàn loại trừ ma sát ngoài (nhờ dùng ổ lò xo số 5) do đó có độ ổn định cao

e Kết hợp truyền động đòn với nivô

Nivô là một dụng cụ đo thường được dùng để kiểm tra phẳng, độ thẳng góc

và đặc biệt là dùng để đo các góc nhỏ

ở đây ta dùng một nivô cong có bán kính cho trước kết hợp với truyền động

đòn để thực hiện khuếch đại - sơ đồ nguyên lý của máy như Hình 2-17

Khi trục đo di chuyển ΔS đòn sẽ quay đi một góc ϕ, bọt khí trong ni vô dịch chuyển đi một đoạn C = Rϕ đọc được trên vạch chia của ni vô

R

Cuối cùng có K =

Nhìn vào công thức tính K ở trên ta thấy sơ đồ này tương đương với một số sơ đồ truyền đòn mà trong

đó R: đòn lớn; L: đòn bé Thường bán kính cong của nivô rất lớn nên máy

đo có thể đạt được khuếch đại khá lớn Thường giá trị chia trên ni vô từ 1ữ2μm, khoảng chia là 2mm Nếu lấy c=2μm, a=2mm, R=206mm, L=100mm thì K = 2000x

C

S

SR

a Các chuyển đổi dùng yếu tố nhạy cảm là chùm sáng

Các chuyển đổi dùng yếu tố nhạy cảm là chùm sáng dựa trên tính chất truyền thẳng của ánh sáng Có thể có hai khả năng lợi dụng tính chất này: dùng tạo ảnh trong hệ hiển vi hoặc chiếu hình và kết hợp với các yếu tố nhạy quang như các loại tế bào quang điện

1 Chuyển đổi quang hình

Chi tiết đo được đặt trong quang hệ, giữa đường truyền của chùm sáng đi từ nguồn S tới màn M chi tiết L được hệ quang tạo ảnh lên màn M có ảnh là L'

là hệ số khuếch đại quang

Khi chi tiết đo L biến thiên lượng ΔL thì ảnh L' cũng sẽ biến thiên lượng

ΔL' Vậy ta có tín hiệu vào X=ΔL và tín hiệu ra Y= ΔL' là tín hiệu cùng loại nên

chuyển đổi quang hình là chuyển đổi trực tiếp

Bằng các cách quan trắc khác nhau người ta đo được biến thiên của kích thước ảnh, thường là đọc số trực tiếp biến thiên kích thước vật (chi tiết đo)

Chuyển đổi này có ưu điểm là

có độ chính xác cao do có độ khuếch

đại lớn, có khả năng đo các kích thước nhỏ, chi tiết phức tạp, mềm, không cần có sự tiếp xúc nên không

có sai số do lực đo, sai số do bề mặt chi tiết đo

Hình 2-18 Chuyển đổi quang hình

2 Chuyển đổi quang điện

F L

Hình 2-19 Chuyển đổi quang điện theo phương pháp chiếu xuyên qua

Chi tiết đo được bố trí như Hình 2-19 và Hình 2-20 Biến thiên kích thước X=ΔL sẽ ảnh hưởng đến thông lượng φ của chùm sáng làm cho quang thông tới tế bào quang điện F biến thiên, do đó gây ra biến thiên dòng điện trong mạch đo, biến thiên này được mạch khuếch đại và đưa ra mạch chỉ thị Từ biến thiến dòng

điện có thể suy ra biến thiên kích thước Tín hiệu vào chuyển đổi X = ΔL và tín hiệu ra Y = I (dòng) hoặc U (áp) nên chuyển đổi này là loại chuyển đổi gián tiếp

Có thể dùng các phương pháp khác nhau với các sơ đồ ứng dụng như sau:

• Phương pháp chiếu xuyên qua (Hình 2-19)

• Phương pháp phản xạ(Hình 2-20)

Hình 2-20 Chuyển đổi quang điện theo phương pháp phản xạ

Trong Hình 2-20a biến thiên kích thước làm quay gương phản xạ, lượng ánh sáng chiếu qua khe hẹp C thay đổi làm φ1 thay đổi Trong Hình 2-20b kích thước chi tiết biến thiên làm quay gương làm cho điểm sáng dao động tác dụng lên các

tế bào quang điện trở khác nhau sẽ đóng các mạch chấp hành khác nhau

3 Chuyển đổi Laser

Hình 2-21 Cảm biến laser

Nguyên lý chuyển đổi laser được thể hiện như trên Hình 2-21a Chùm tia

CCD-array Laser diot

Dãy

điện trở quang0

φ φ1

laser được tạo bởi điốt laser được chiếu lên bề mặt chi tiết Tia phản chiếu qua hệ thấu kính quang học được chiếu lên phần tử biến ánh sáng thành điện năng CCD-array CCD-array là tấm lưới gồm vô số ô nhỏ, trong đó mỗi ô sẽ biến ánh sáng vật thể thành điện năng Nếu vị trí vật thể thay đổi thì ảnh phản chiếu của tia laser trên CCD-array cũng thay đổi, dựa vào đó ta có thể xác định được khoảng cách tới vật Trên nguyên lý này chế tạo ra các cảm biến laser công nghiệp với khoảng

đo lớn, độ chính xác đạt được dưới μm

b Chuyển đổi dùng yếu tố nhạy cảm là bước sóng ánh sáng

Người ta áp dụng nguyên tắc giao thoa bản mỏng hình nêm và bản mỏng song song để làm chuyển đổi đo lường các kích thước dài và góc Đó là các chuyển đổi của các máy đo thuộc loại hiển vi giao thoa Dưới đây ta sẽ nhắc lại một chút về nguyên tắc vật lý và ứng dụng hiện tượng giao thao đặc biệt trên

1 Giao thoa qua bản mỏng hình nêm-vân cùng độ dày

Khi S1 và S2 là hai nguồn sáng kết hợp, góc α giữa 2 bản I và II nhỏ chừng vài độ sẽ xảy ra hiện tượng giao thoa (Hình 2-22) Hệ vân định xứ ngay trên bản

II hoặc có thể dùng kính hiển vi quan sát đưa hệ vân về tiêu diện của hệ Trạng thái giao thoa tại C và M là như nhau và được xác định nhờ hiệu quang lộ:

2 sin

MS1

b ( 2-4)

ứng dụng:

Lợi dụng công thức (2-1) hoặc (2-2) ta gắn trục đo với bản số I Khi kích thước biến thiên Δl sẽ làm trục đo di chuyển Trục đo di chuyển sẽ làm thay đổi chiều dày nêm tại điểm quan sát, do đó làm thay đổi Δ và sẽ làm thay đổi trạng thái vân tại điểm đó-vân giao thoa tại điểm quan sát cũ C sẽ phải dịch sang vị trí mới C' có chiều dày nêm tc' = tc quan sát cũ

Đó là hệ vân bị dịch đi Nếu vân dịch đi 1 vân tức là từ C→C' ứng với 1 vân thì biến thiên kích thước sẽ là Δl = Δt =

2

λ

2

λ tức là t2 - t1 = Nếu C → C'ứngvới m vân thì có nghĩa là kích thước đã biến thiên đoạn

2

λ

Δl = tm+1 - t1 = m ;

Đó là nguyên tắc ứng dụng hiện tượng giao thoa làm chuyển đổi đo lường

để đo kích thước thẳng trong máy giao thao tiếp xúc

Theo công thức (2-1) hoặc (2-2) ta thấy rằng khi các điểm có cùng độ dày t,

sẽ có trạng thái giao thoa như nhau Như vậy mỗi vân sẽ ứng với các điểm có cùng độ dày nêm, các vân cùng tên liên tiếp sẽ chênh nhau một độ cao

2

λ Như vậy, nếu mặt tấm I không phẳng, nó sẽ làm cho chiều dày nêm tại các

điểm quan sát khác nhau Kết quả là các vân giao thoa thể hiện trạng thái giao thoa tại các điểm có cùng độ cao sẽ không phải là một vạch thẳng mà là hình ảnh nhấp nhô của mặt phản xạ số I Dùng cơ cấu đo độ không thẳng này ta sẽ có thể

đánh giá được chất lượng bề mặt tấm I(sóng hoặc nhấp nhô) Đó là nguyên tắc dùng đề đo độ nhám hoặc kiểm tra độ lồi lõm, độ sóng bề mặt của các mặt phẳng

yêu cầu chính xác cao (ví dụ như căn mẫu- Hình 2-23)

Hình 2-23 Dạng vân khi tấm I không

phẳng

Theo công thức (2-3) hoặc (2-4) ta thấy rằng: nếu dùng λ, n nhất định thì chiều rộng khoảng vân b sẽ tuỳ thuộc vào độ lớn của góc α Nghĩa là: b = f(α); α tăng thì b giảm và ngược lại Bởi thế α

sẽ là một hàm số của khoảng vân b: α=ψ(b)

Biến thiên của góc α là Δα

sẽ làm b biến thiên ảnh hưởng tới

độ mau thưa của hệ vân Quan sát

sự biến thiên của số lượng vân trong phạm vi định trước có thể xác định được Δα Đó là nguyên tắc để đo các góc nhỏ như kiểm tra góc lăng kính, góc mẫu

2 Giao thoa qua bản mỏng song song - vân cùng độ nghiêng

Khi chiếu vào mặt bản mỏng

b f

b f

f b f<b

t

S

M TK