Hiệu chuẩn dụng cụ đo Chuẩn và thiết bị đo

Tài liệu hướng dẫn hiệu chuẩn các dụng cụ đo, máy đo sử dụng trong các lĩnh vực điện điện tử và cơ khí chính xác. Tài liệu hướng dẫn hiệu chuẩn các dụng cụ đo, máy đo sử dụng trong các lĩnh vực điện điện tử và cơ khí chính xác.

Chương III Chuẩn và Thiết bị đo

I Chuẩn đơn vị độ dài: mét (m)

Định nghĩa đơn vị độ dài(1983):

"Mét là độ dài quãng đường ánh sáng đi được trong chân không trong khoảng thời gian bằng 1/299 792 458 giây"

Lịch sử phát triển chuẩn đơn vị độ dài:

Các đơn vị đo độ dài đầu tiên đ được lựa chọn khá tùy tiện và độc đoán Thời cổ xưa đơn vị đo độ dài là bước chân, gang tay, bàn chân, khuỷu tay Năm 1101 vua Henry I nước Anh quy định đơn vị độ dài là khoảng cách từ đỉnh mũi đến đầu ngón tay trỏ khi nhà vua dang tay ra Dễ thấy rằng những chuẩn đơn vị độ dài như vậy không thể

có độ chính xác cao

Cuối thế kỷ 18, khi xây dựng Hệ mét người ta đ chọn đơn vị độ dài là mét

và mét được định nghĩa là độ dài bằng một mười phần triệu của 1/4 kinh tuyến trái

đất Năm 1799, dựa vào kết quả đo một cung kinh tuyến quả đất đi qua đài thiên văn Pari, người ta đ chế tạo chuẩn của đơn vị mét Chuẩn này là một thước hình hộp chữ nhật bằng platin, có tiết diện 25mmì4mm, 2 đầu được đánh rất bóng và

có độ dài đúng bằng 1m theo định nghĩa Thước được bảo quản ở Viện lưu trữ quốc gia Pháp và được gọi là “mét lưu trữ”

Việc đo lại độ dài kinh tuyến quả đất ở thế kỷ 19 cho thấy “mét lưu trữ” ngắn hơn một ít so với độ dài mét theo định nghĩa lý thuyết Sau này, những phép

đo chính xác hơn, tin cậy hơn cho thấy độ dài kinh tuyến không cố định do sự thay

đổi hình dạng quả đất Do đó, năm 1872, ủy ban quốc tế về chuẩn gốc hệ mét quyết định bỏ định nghĩa mét theo độ dài kinh tuyến mà lấy ngay độ dài “mét lưu trữ” làm đơn vị mét Theo quyết định này, người ta dựa vào “mét lưu trữ” để chế tạo 31 chuẩn mét Các chuẩn này dài 1020mm, có tiết diện chữ X, được chế tạo từ hợp kim platin-iridium gồm 90% platin và 10% iridium Vạch chia được khắc trên

bề mặt trung hoà của thước Khoảng cách giữa hai vạch trung tâm nằm ở hai đầu thước thể hiện chiều dài mét, mỗi vạch trung tâm này nằm giữa hai vạch phụ Chuẩn ký hiệu N006 ở 00C có độ dài đúng bằng “mét lưu trữ” đ được Đại hội cân

đo quốc tế lần thứ I năm 1889 công nhận là chuẩn gốc quốc tế của mét 30 chuẩn còn lại được phân chia cho các nước làm chuẩn nhà nước

Dựa vào chuẩn gốc quốc tế trên, năm 1927 Đại hội Cân đo quốc tế lần thứ VII đ thông qua định nghĩa đơn vị mét và định nghĩa này được dùng mi tới Đại hội Cân đo quốc tế lần thứ XI năm 1960:

"Mét là khoảng cách ở 00C giữa hai trục của hai vạch giữa khắc ở hai đầu một thanh bằng platin-iridium bảo quản ở Viện cân đo quốc tế và được Đại hội Cân đo quốc tế lần thứ I công nhận là chuẩn gốc của mét, trong điều kiện thanh đó đặt dưới khí áp chuẩn và tựa trên hai con lăn đường kính không bé hơn 1cm đặt đối xứng trên một mặt phẳng ngang cách nhau 571mm”

Chuẩn mét theo định nghĩa trên có các nhược điểm:

∼ Tính cố định: Mặc dù hợp kim platin-iridium rất tốt nhưng chuẩn mét vẫn dài ra hoặc ngắn đi do sự tự sắp xếp lại của các tinh thể hợp kim Điều này

được thể hiện khi so sánh các chuẩn nhà nước với nhau người ta thấy có chuẩn ngắn đi, có chuẩn dài ra dù chúng được chế tạo hoàn toàn như nhau

∼ Tính chính xác: Việc xác định trục giữa 2 vạch giữa theo định nghĩa mét rất khó khăn Mỗi vạch rộng khoảng 0,8àm, với kính hiển vi 100X có thể xác

định trục với độ chắc chắn khoảng 0,2àm, nghĩa là độ chính xác bản thân chuẩn khoảng 4.10-7 Hơn nữa độ lớn của chuẩn phụ thuộc khá nhiều vào nhiệt độ, nhiệt độ thay đổi 1độ thì chuẩn thay đổi 9àm Muốn chính xác 0,01àm phải ổn định 10-3 độ, đó là một việc rất khó

∼ Không thuận lợi cho bảo quản và khai thác chuẩn

Vì những lý do trên và mong muốn có một chuẩn mét có độ chính xác cao hơn và gắn với một hiện tượng thiên nhiên không bị phá hủy, Đại hội cân đo quốc tế lần thứ

XI năm 1960 ở Pari đ định nghĩa:

"Mét là độ dài bằng 1.650.763,73 lần bước sóng bức xạ trong chân không của nguyên tử Kryptôn 86 ứng với sự chuyển dịch giữa hai mức năng lượng 2p10 và 5d5"

Theo tài liệu của Uỷ ban cân đo quốc tế, việc thể hiện chiều dài mét theo

định nghĩa này có độ không đảm bảo đo là ±1.10-8 Nó có thể đạt tới giá trị ±2.10-9

nếu độ không đảm bảo của phép đo áp suất và nhiệt độ môi trường giảm nhỏ nữa Giá trị này có thể coi là giới hạn đạt được của bức xạ nguyên tử Kryptôn 86

Đèn chuẩn Kr86 được sử dụng làm chuẩn gốc đơn vị mét Nhưng nếu chỉ dùng một loại bước sóng làm đơn vị chiều dài thì hoạt động đo lường sẽ bị hạn chế Năm 1963 Uỷ ban cân đo quốc tế đ quy định các chuẩn thứ của đơn vị chiều dài bao gồm bước sóng bức xạ nguyên tử Kr 86, Hg 198 và Cd 114 với độ không

đảm bảo đo tương đối tương ứng là ±2.10-8, ±5.10-8 và ± 7.10-8 Năm 1973, Uỷ ban tư vấn định nghĩa mét quy định thêm bước sóng lade He-Ne vào nhóm chuẩn thứ với độ không đảm bảo đo tương đối vào khoảng ±1,2.10-8 Nguồn lade He - Ne

được ổn định bằng khí mêtan hay hơi iốt Các chuẩn chiều dài nêu trên được dùng

để truyền kích thước mét sang các chuẩn khác thông qua máy giao thoa như giao thoa kế Michelson

Năm 1983, Đại hội cân đo quốc tế1 lần thứ XVII đ quyết định đưa ra định nghĩa mới về đơn vị mét do định nghĩa này đáp ứng tốt hơn các yêu cầu của nguyên lý đo độ dài hiện nay và có độ chính xác rất cao Nội dung định nghĩa mới như sau:

"Mét là chiều dài đoạn thẳng mà ánh sáng truyền qua trong chân không trong khoảng thời gian 1/299.792.458 giây"

“The meter is the length of the path travelled by light in vacuum during a time interval of 1/299 792 458 of a second”

Với định nghĩa này đ thực hiện được ý định liên kết chuẩn đơn vị độ dài với chuẩn đơn vị thời gian Năm 1967, Đại hội cân đo quốc tế lần thứ XIII đ công nhận định nghĩa giây là khoảng thời gian bằng 9.192.631.770 chu kỳ bức xạ ứng với sự chuyển dịch giữa hai mức siêu tinh tế F = 4, mF = 3 và F=3, mf = 0 của nguyên tử 133Cs (xesi) Chuẩn đơn vị thời gian giây đ đạt tới độ chính xác rất cao (khoảng 10-14) và nhờ việc cố định giá trị vận tốc ánh sáng, định nghĩa trên cho phép thể hiện đơn vị mét với độ chính xác cao hơn nhiều so với đèn Kypton 86 Vận tốc ánh sáng truyền đi trong chân không (ký hiệu là c) đ được CGPM lần thứ

1 CGPM: Confộrence Gộnộrale des Poids et Mesures

Phương pháp 2:

Đo trực tiếp tần số của bức xạ điện tử tính toán bước sóng λ theo công thức:

λ =

f c

Phương pháp này so sánh tần số của nguồn laser chuẩn với tần số của đồng hồ nguyên tử Cesium Đây là một kỹ thuật khó thực hiện do sự khác nhau lớn giữa tần số của laser (khoảng 500THz) với tần số của đồng hồ nguyên tử Cesium (khoảng 9GHz)

Do đó đòi hỏi phải có kỹ thuật đặc biệt để có thể biến đổi từng cấp tần số của laser phù hợp với tần số của đồng hồ nguyên tử Cesium, độ chính xác của phép đo này đạt được khoảng 10-12

đầu độ dài với độ chính xác bước sóng đạt được 2,5.10-11

Bảng 4

lượng

Tần số(f) Bước sóng (λ λλλ)

Độ không

12

12

C 16

O 2 R(12) OSO4

λ=645807.20 pm λ=642280.06 pm λ=565112.86 pm λ=435956.24 pm

2×10 -8

7ì10 -8

Với định nghĩa mới về mét cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, đặc biệt sử dụng các ứng dụng bước sóng nguồn bức xạ Laser ổn định tần số làm chuẩn đầu đơn vị độ dài đ giúp cho các thiết bị đo độ dài ngày càng đạt độ chính xác cao hơn ý nghĩa của việc dùng bước sóng laser làm chuẩn độ dài cho phép ta

đo các kích thước lớn (thiên văn) và các kích thước nhỏ (phân tử, nguyên tử) cùng bằng cùng một chuẩn

Bước sóng chuẩn Laser:

Laser2, nghĩa là khuếch đại ánh sáng bằng bức xạ cưỡng bức Laser là một trong những phát minh khoa học quan trọng nhất trong thế kỷ XX Đến nay với những tính chất đặc trưng ưu việt của nó, laser ngày càng được ứng dụng nhiều trong nghiên cứu khoa học, công nghệ Sử dụng bước sóng chuẩn laser ổn định tần số làm chuẩn đo lường đơn vị độ dài mét là một trong những ứng dụng của laser

Tính chất đặc trưng của tia Laser

Cường độ tia Laser lớn gấp bội lần cường độ tia sáng nhiệt

So sánh cường độ của bức xạ laser khi công suất bình thường với tia sáng nhiệt: Với laser khí He–Ne phát công suất 1mW ở chế độ liên tục với bước sóng λ ≈ 633nm

có năng lượng hν = 10-9 J thì số phôton laser phát trong một giây sẽ là:

10

10

ư

ư = 1016

2 Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation

Với nguồn nhiệt có nhiệt độ T = 1000oK bức xạ từ một diện tích ∆A = 1cm2 và cùng phát sóng trong vùng nhìn thấy được với độ rộng phổ ∆ν = 104 nm thì số phôton nhiệt tính theo công thức

ν

kT hee

A

= 1012

(λ ≈ 600nm)

So sánh ta thấy số phôton laser lớn hơn rất nhiều

Độ định phương của Laser là cao

Nguồn sáng nhiệt bức xạ theo mọi phương trong không gian Còn nguồn laser do cơ cấu của buồng cộng hưởng quang học chỉ phát các dao động ngang và chúng tập trung trong một mặt phẳng phân cực Công suất phát được phân bố đều và đẳng pha trong toàn bộ khẩu độ của nguồn

Với chùm laser sóng phẳng, bức xạ từ một buồng cộng hưởng với gương có

đường kính d (hoặc diện tích A = π

4

2

d

), sau gương chùm tia laser sẽ tán xạ, do hiện

tượng nhiễu xạ, dưới một góc nhiễu xạ ∆θ =

∆ν = τ π

ν

2

1 4

2 0

Tính kết hợp của Laser (Coherence of laser beam)

Một trong các tính chất quan trọng và đặc biệt nhất của laser là tính kết hợp Một bức xạ laser bất kỳ đều có tính kết hợp biểu hiện ở độ đơn sắc (kết hợp thời gian) và tính đẳng pha của mặt sóng (kết hợp không gian)

Sóng có tính kết hợp không gian khi bất kỳ thời điểm nào, ánh sáng có pha không

đổi trên khắp mặt sóng của nó

Tương tự tại một thời điểm cho trước dọc theo mặt sóng chuyển động nếu pha là giống pha mà sóng có sau khi đi qua một khoảng cách L với thời gian L/c, dù L có như thế nào thì sóng được xem có tính kết hợp hoàn toàn

Các laser hoạt động ở chế độ đơn mode dọc hay ngang được biểu hiện trong các sóng đơn sắc và đẳng pha nên chúng có bậc kết hợp không gian và thời gian cao, một cách tự động

Với các tính chất đặc trưng như trên, các nguồn bức xạ laser, đặc biệt là laser khí He-Ne được dùng phổ biến để thể hiện đơn vị độ dài mét Hiện nay, phần lớn các Viện

đo lường quốc gia của các nước tiên tiến đều dùng laser khí He-Ne ổn định tần số bằng Iodine bước sóng 633nm làm chuẩn đầu quốc gia cho đơn vị độ dài mét

Do cơ chế hoạt động của laser khí He-Ne với buồng công hưởng Faby-Perot, xuất hiện "chỗ lõm Lamb" (Lamb dip) Hiệu ứng này do Lamb chỉ ra bằng lý thuyết sau đó

được thực nghiệm xác nhận lại Trên côngtua của đường cong khuyếch đại (Gain line) xuất hiện một chỗ lõm

Trong Laser khí do sự chuyển động nhiệt của các nguyên tử khí nên xuất hiện nhiều nhóm nguyên tử chuyển động với các vận tốc khác nhau Giả sử bức xạ laser có tần số ω ≠ ω0 (tần số ở tâm) đi trong buồng cộng hưởng theo một phương nào đó, nó

sẽ tương tác với các nhóm nguyên tử có tốc độ v ngược lại với phương của bức xạ sẽ dẫn đến làm giảm nghịch đảo độ tích luỹ và ở đường cong khuếch đại có sự sinh hốc (hole - burning) Hoàn toàn tương tự với với bức xạ đi theo chiều ngược lại sẽ gặp các nhóm nguyên tử có vận tốc v, kết quả trên đường công tua đường cong khuếch đại xuất hiện hai hốc đối xứng so với tâm vạch Độ rộng của hốc bằng độ mở rộng tự nhiên trong bức xạ Laser

Lamb dip

α(ν)

Khi ω = ω0 bức xạ laser sẽ chỉ tương tác với các nhóm nguyên tử có tốc độ v = 0 và sẽ sinh ra một hốc ở tâm, đó chính là Lamb dip như thường gọi

Chính nhờ hiệu ứng trên người ta sử dụng nó để ổn định tần số Vì độ rộng hốc nhỏ nên vị trí của hốc xác định khá chính xác chỗ cực tiểu của hốc cho phép ổn định tần số phát Laser Với nguồn Laser khí He-Ne người ta đ xác định tần số phát ở chỗ cực tiểu của hốc nói trên với độ chính xác 10-9

định chính xác và ổn định Với Laser khí He - Ne người ta thường dùng hơi 127I2 với λ

=632,8 nm để ổn định tần số độ chính xác đạt được khoảng 10-11

Khoá trong bộ khuyếch

đại

Bộ khuyếch đại PZT

ống Iodine được lắp bên trong hốc laser , ở đó bức xạ quang học là rất mạnh (10 mW) Điều này làm cho các tín hiệu hấp thụ bo hoà rất hẹp, laser được điều chỉnh và giữ cố định tại một trong bảy vạch hấp thụ của Iodine dưới sự kiểm soát của thiết bị

điện tử

C¨n mÉu song ph¼ng _ Gauge Blocks – the most precise length

Căn mẫu song phẳng là một loại mẫu kích thước độ dài thường được sử dụng rộng ri trong công nghiệp và các ngành kỹ thuật khác nhau Căn mẫu song phẳng được dẫn xuất trực tiếp từ nguồn bước sóng chuẩn thông qua máy so giao thoa

Các yêu cầu kỹ thuật của căn mẫu song phẳng:

∼ Kích thước của căn mẫu: l

Kích thước căn mẫu l là chiều dài đường thẳng vuông góc từ một điểm của mặt

đo tới mặt đo đối diện Khi hiệu chuẩn căn mẫu theo phơng pháp giao thoa, mặt đo đối diện được lấy là mặt phẳng của tấm đỡ được khớp căn mẫu

∼ Kích thước giữa của căn mẫu lC

Kích thước giữa lC của căn mẫu là kích thước của căn mẫu lấy từ điểm giữa của mặt đo

Khoảng biến thiên kích thước ν: Hiệu giữa kích thước lớn nhất lmax và kích thước nhỏ nhất lmin của một miếng căn mẫu

ν = lmax - lmin

Các thông số của căn mẫu được cho trong bảng

Căn mẫu cấp 00, cấp k được đo bằng phương pháp giao thoa tuyệt đối còn các căn mẫu bậc thấp hơn được đo bằng phương pháp so sánh với căn mẫu cấp 00/k bằng thiết bị đo so sánh

Độ phẳng bề mặt đo của căn mẫu không được vượt quá giá trị:

§¬n vÞ: µm CÊp chÝnh x¸c KÝch th−íc

§é biªn thiªn kÝch th−íc theo thêi gian cña c¨n mÉu:

CÊp 00/k, cÊp 0 : ± (0,02 +0,25x10-6l) µm CÊp 1, cÊp 2 : ± (0,05 +0,5x10-6l) µm

Th−íc v¹ch cÊp chÝnh x¸c cao ®−îc dÉn xuÊt trùc tiÕp tõ b−íc sãng Laser th«ng qua thiÕt bÞ kiÓm th−íc v¹ch sau ®o truyÒn xuèng c¸c th−íc v¹ch cÊp chÝnh x¸c thÊp h¬n b»ng ph−¬ng ph¸p ®o so s¸nh

Chuẩn góc:

Về lý thuyết các đơn vị góc không cần được thể hiện thành mẫu đo góc vì một vòng tròn tương đương với 360o luôn luôn được thể hiện với sai số bằng không và có thể chia thành các góc nhỏ hơn Tuy nhiên trong thực tế vẫn cần đến các chuẩn góc, các mẫu kích thước góc khác nhau để thực hiện dẽ dàng các phép đo góc

Chuẩn góc là hệ thống tạo góc được dẫn xuất trực tiếp từ chuẩn độ dài laser, đa diện quang học chuẩn từ đó sao truyền xuống các chuẩn có độ chính xác thấp hơn Đa diện quang học (POLYGON)

Đa diện quang học là chuẩn góc được sử dụng rộng ri trong thực tế đa diện quang học là một khối trụ nhiều mặt, các mặt bên là các mặt đo đa diện quang học gồm có

n mặt đo tương đương với mỗi góc (360/n)o Đa diện quang học dùng kết hợp với ống tự chuẩn trực để hiệu chuẩn bàn quay phân độ, máy đo góc Độ chính xác của

đa diện quang học (0,2”-0,5”)

Căn mẫu góc:

Căn mẫu góc là những vật thể có các mặt đo tạo thành một hay nhiều gốc nhất định Căn mẫu góc là loại mẫu kích thước góc đơn giản nhất Bề dầy căn mẫu góc khoảng 2 16 mm, các mặt đo của nó có chất lượng như của căn mẫu song phẳng để có thể ghép thành tổ hợp căn mẫu với mẫu vơí các góc nhất định

Nhưng trong thực tế người ta chỉ ghép các căn mẫu góc có kích thước từng miếng chênh lệch nhau nhỏ nhất là l' để đảm bảo sai số của góc cần thể hiện Sai

số của một tổ hợp căn mẫu được ghép từ các miếng căn mẫu góc cấp chính xác cao nhất (cấp 0) có giá trị lớn tới ± 5"

Căn mẫu góc loại công tác được chia thành ba cấp chính xác 0, 1 và 2 với sai

số cho phép từ 3 " đến 30 "

Chuẩn lĩnh vực độ nhám

Các mẫu chuẩn độ nhám được dẫn xuất trực tiếp từ chuẩn độ dài thông qua thiết

bị đo giao thoa sử dụng nguồn bước sóng chuẩn

Các mẫu chuẩn độ nhám dùng để hiệu chuẩn các thiết bị đo độ nhám có các dạng như sau:

A

C

Bw

d

3w

w/3d

Mẫu chuẩn kiểu A1

rd

w

Mẫu chuẩn kiểu A2

MÉu chuÈn kiÓu C2

MÉu chuÈn kiÓu C3

d)

e)

Mẫu chuẩn kiểu C4

Mẫu chuẩn kiểu D1 và D2

Các loại mẫu chuẩn theo các dạng như trên dùng để hiệu chuẩn các thiét bị

đo độ nhám kiểu đầu dò hoặc kiểu khuyếch đại theo phương đứng hoặc phương ngang

Mẫu chuẩn dạng A hay còn gọi là chuẩn chiều cao độ nhám được dẫn xuất trực tiếp từ chuẩn độ dài thông qua thiết bị giao thoa, mẫu chuẩn loại A thuộc loại chính xác nhất trong các loại mẫu chuẩn

Mét sè dông cô ®o nhá th«ng dông

=

Kho¶ng chia trªn th−íc phô a

.d

a n

1.1 Panme ®o ngoµi ®iÖn tö

1.2 Panme ®o ngoµi cã thang chia phô

1.3 Panme ®o ngoµi c¬

1.4 Panme đo ngoài với đầu đo có thể thay đổi

1.5 Panme ®o ngoµi cì lín cã ®iÓm tùa phô

1.6 Panme ®o ngoµi cã ®Çu ®o d¹ng chèt ®−êng kÝnh nhá

1.7 Panme ®o ngoµi cã ®Çu ®o d¹ng ®iÓm

1.8

1.9 Panme ®o ngoµi cã ®Çu ®o rnh ch÷ V

1.10 Panme ®o thµnh èng

1.11 Panme ®o chiÒu dµy tÊm kim lo¹i

1.12 Panme ®o ngoµi cã ®Çu ®o d¹ng l−ìi dao

1.13 Panme đo ngoài dạng đĩa

1.14 Panme ®o ren

1.15 Panme ®o trôc moay¬ vµ panme ®o d©y

1.16 Panme đo ngoài dạng đọc số quay

1.17 Panme ®o ngoµi kiÓu má cÆp

1.18 Panme ®o ngoµi cã lùc ®o nhá

1.19 Panme đo ngoài có đế gá