Nghiên cứu, xây dựng chuẩn đo lường quốc gia lĩnh vực góc (LA tiến sĩ)

Nghiên cứu, xây dựng chuẩn đo lường quốc gia lĩnh vực góc (LÀ tiến sĩ)Nghiên cứu, xây dựng chuẩn đo lường quốc gia lĩnh vực góc (LÀ tiến sĩ)Nghiên cứu, xây dựng chuẩn đo lường quốc gia lĩnh vực góc (LÀ tiến sĩ)Nghiên cứu, xây dựng chuẩn đo lường quốc gia lĩnh vực góc (LÀ tiến sĩ)Nghiên cứu, xây dựng chuẩn đo lường quốc gia lĩnh vực góc (LÀ tiến sĩ)Nghiên cứu, xây dựng chuẩn đo lường quốc gia lĩnh vực góc (LÀ tiến sĩ)Nghiên cứu, xây dựng chuẩn đo lường quốc gia lĩnh vực góc (LÀ tiến sĩ)Nghiên cứu, xây dựng chuẩn đo lường quốc gia lĩnh vực góc (LÀ tiến sĩ)Nghiên cứu, xây dựng chuẩn đo lường quốc gia lĩnh vực góc (LÀ tiến sĩ)Nghiên cứu, xây dựng chuẩn đo lường quốc gia lĩnh vực góc (LÀ tiến sĩ)Nghiên cứu, xây dựng chuẩn đo lường quốc gia lĩnh vực góc (LÀ tiến sĩ)

MỤC LỤC

Trang

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT 5

DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ 7

DANH MỤC BẢNG BIỂU 10

MỞ ĐẦU 11

1 .Tính cấp thiết của đề tài luận án nghiên cứu 11

2 Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu 13

3 Phương pháp nghiên cứu 13

4 Nội dung luận án 14

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án 15

6 Các đóng góp mới của luận án 15

CHƯƠNG 1 16

TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG CHUẨN ĐO LƯỜNG QUỐC GIA LĨNH VỰC GÓC 16

1.1 Góc và chuẩn đo lường góc 17

1.1.1 Khái niệm về góc 17

1.1.2 Hệ thống chuẩn đo lường 18

1.1.2.1 Chuẩn đo lường 18

1.1.2.2 Hệ thống chuẩn đo lường 18

1.2 Chuẩn đo lường góc 19

1.2.1 Các dạng chuẩn góc nhỏ 19

1.2.1.1 Ống tự chuẩn trực ( Autocollimator) 19

1.2.1.2 Thước sin (Sine bar) 20

1.2.1.3 Ni vô 21

1.2.1.4 Chuẩn góc dạng căn mẫu 21

1.2.2 Chuẩn góc toàn vòng 22

1.2.2.1 Đa diện góc 22

1.2.2.2 Bàn phân độ ( Indexing table) 23

1.2.2.3 Chuẩn góc toàn vòng dạng đĩa chia độ mã hóa (Rotary Encoder – RE) 23

1.3 Hiệu chuẩn chuẩn, phương tiện đo 24

1.3.1 Hiệu chuẩn 24

1.3.2 Độ không đảm bảo đo 24

1.4 Hệ thống chuẩn đo lường quốc gia lĩnh vực góc tại một số quốc gia trên thế giới 25 1.4.1 Hệ thống chuẩn đo lường quốc gia lĩnh vực góc của Viện Quốc gia về chuẩn và công nghệ Mỹ (NIST) 26

1.4.2 Hệ thống chuẩn đo lường lĩnh vực góc của PTB 26

1.4.3 Hệ thống chuẩn đo lường quốc gia lĩnh vực góc của INRIM 27

1.4.4 Hệ thống chuẩn đo lường quốc gia lĩnh vực góc của NMIJ 27

1.4.5 Hệ thống chuẩn đo lường quốc gia lĩnh vực góc của Viện đo lường Trung Quốc 28

1.5 Chuẩn góc toàn vòng 29

1.5.1 Chuẩn góc toàn vòng kiểu cơ 30

1.5.2 Chuẩn góc toàn vòng sử dụng laser vòng 30

1.5.3 Chuẩn góc toàn vòng sử dụng đĩa chia độ mã hóa góc quay 31

1.5.4 Đầu đọc 33

1.5.5 Phương pháp đảm bảo đo lường chuẩn góc toàn vòng 34

1.5.5.1 Nguyên lý vòng tròn khép kín 35

1.5.5.2 Phương pháp hiệu chuẩn chéo 35

1.5.5.3 Phương pháp nhiều đầu đọc 36

1.6 Bộ tạo góc nhỏ 37

1.6.1 Mô hình lý thuyết 37

1.6.2 Các nguyên lý tạo góc nhỏ 38

1.6.2.1 Nguyên lý tang 38

1.6.2.2 Nguyên lý sin 39

1.6.2.3 Phân tích nguyên lý tạo góc nhỏ 40

1.6.3 Một số bộ tạo góc nhỏ 40

1.6.3.1 Bộ tạo góc nhỏ kiểu cơ khí ( hình 1.28) 40

1.6.3.2 Bộ tạo góc nhỏ sử dụng động cơ dịch chuyển nhỏ chính xác 40

1.6.3.3 Bộ tạo góc nhỏ kiểu cơ quang 41

1.7 Thực trạng chuẩn đo lường góc tại Việt Nam và nội dung nghiên cứu của luận án 42 1.7.1 Hiện trạng chuẩn đo lường lĩnh vực góc tại Việt Nam 42

1.7.2 Đề xuất mô hình chuẩn đo lường quốc gia lĩnh vực góc tại Việt Nam 43

1.7.3 Nội dung nghiên cứu 44

CHƯƠNG 2 45

CƠ SỞ PHƯƠNG PHÁP XÂY DỰNG CHUẨN GÓC TOÀN VÒNG 45

2.1 Nguyên lý, phương pháp tạo chuẩn góc toàn vòng bằng đĩa chia độ kiểu gia số 45

2.1.1 Phương pháp đọc vạch chia 46

2.1.2 Phương pháp nội suy nâng cao độ phân giải 48

2.2 Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác của chuẩn góc toàn vòng sử dụng đĩa chia độ kiểu gia số 49

2.2.1 Các dạng sai số của chuẩn góc toàn vòng sử dụng đĩa chia độ kiểu gia số 49

2.2.2 Sai số toàn vòng 50

2.2.2.1 Sai số vị trí của vạch chia 50

2.2.2.2 Sai số chuyển động quay của đĩa chia độ 51

2.2.2.3 Độ ổn định của tâm quay 53

2.3 Nghiên cứu giải pháp giảm thiểu sai số chuẩn góc toàn vòng gia số 53

2.3.1 Phương pháp giảm thiểu sai số do ảnh hưởng của lệch tâm 53

2.3.2 Phương pháp giảm thiểu sai số do ảnh hưởng độ nghiêng đĩa chia độ 57

2.4 Nghiên cứu, xây dựng phương pháp tự hiệu chuẩn chuẩn góc toàn vòng gia số 57

2.4.1 Cơ sở lý thuyết của phương pháp tự hiệu chuẩn chuẩn góc toàn vòng gia số bố trí nhiều đầu đọc 58

2.4.2 Xây dựng phương pháp tự hiệu chuẩn chuẩn góc toàn vòng gia số áp dụng phương pháp EDA 60

2.5 Thiết kế, chế tạo chuẩn góc toàn vòng gia số 64

2.5.1 Nghiên cứu lựa chọn, bố trí sơ đồ lắp đặt đầu đo 64

2.5.2 Xác định các chi tiết quan trọng 65

2.5.2.1 Đĩa chia độ và đầu đọc 65

2.5.2.2 Bộ nội suy tín hiệu 67

2.5.2.3 Ổ quay 68

2.5.3 Lắp đặt tích hợp hệ thống 68

2.6 Đánh giá độ chính xác chuẩn toàn vòng gia số 69

2.6.1 Đánh giá độ chính xác bằng phương pháp tự hiệu chuẩn 69

2.6.2 Đánh giá chuẩn góc toàn vòng gia số thông qua so sánh vòng 74

2.6.2.1 Phương pháp so sánh vòng 74

2.6.2.2 So sánh kết quả đo với KRISS 76

2.7 Kết luận chương hai 77

CHƯƠNG 3 79

CƠ SỞ PHƯƠNG PHÁP XÂY DỰNG CHUẨN GÓC NHỎ 79

3.1 Cơ sở lý thuyết xây dựng chuẩn góc nhỏ 79

3.2 Nghiên cứu, xây dựng phương pháp tạo góc nhỏ 79

3.2.1 Thiết lập sơ đồ lý thuyết bộ tạo góc nhỏ quang cơ 80

3.2.1.1 Sơ đồ nguyên lý 80

3.2.1.2 Phương pháp khắc phục ảnh hưởng tâm quay đến sai số của bộ tạo góc nhỏ 81

3.2.1.3 Phương pháp đo xác định khoảng cách dịch chuyển của gương góc 83

3.2.2 Xây dựng mô hình lý thuyết bộ tạo góc nhỏ theo nguyên lý sin 83

3.3 Nghiên cứu ước lượng độ không đảm bảo đo của bộ tạo góc nhỏ 84

3.3.1 Phương pháp đánh giá độ không đảm bảo đo 84

3.3.1.1 Mô hình đo 84

3.3.1.2 Đánh giá độ không đảm bảo chuẩn loại A 85

3.3.1.3 Đánh giá độ không đảm bảo đo chuẩn loại B 85

3.3.1.4 Đánh giá độ không đảm bảo đo chuẩn tổng hợp u c 87

3.3.1.5 Độ không đảm bảo đo mở rộng 88

3.3.2 Độ không đảm bảo đo của bộ tạo góc nhỏ 88

3.3.3 Nghiên cứu, tính toán xác định các yếu tố ảnh hưởng đến độ không đảm bảo đo của bộ tạo góc nhỏ 89

3.3.3.1 Đánh giá độ không đảm bảo đo của giao thoa kế laser u f (h) 89

3.3.3.2 Đánh giá độ không đảm bảo đo chiều dài cánh tay đòn u(L) 92

3.4 Nghiên cứu phương pháp đo chính xác độ dài cánh tay đòn 93

3.4.1 Xây dựng phương pháp đo 93

3.4.2 Độ không đảm bảo đo của phép đo độ dài cánh tay đòn 95

3.4.3 Xây dựng mô hình thực nghiệm phép đo khoảng cách cánh tay đòn 96

3.4.4 Độ không đảm bảo đo của phép đo chiều dài cánh tay đòn trên mô hình thực nghiệm 98

3.5 Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo, tích hợp bộ tạo góc nhỏ 99

3.5.1 Sơ đồ nguyên lý 99

3.5.2 Cánh tay đòn 100

3.5.3 Giao thoa kế laser 100

3.5.4 Phần mềm đo 100

3.6 Tính toán độ không đảm bảo đo của bộ tạo góc nhỏ được chế tạo 102

3.6.1 Xác định các thành phần độ không đảm bảo đo uf(h) của giao thoa kế laser 102

3.6.2 Tính toán thành phần độ không đảm bảo đo 𝒖𝒂(𝒉) do ảnh hưởng của việc lắp đặt hệ thống 103

3.6.3 Xác định thành phần u(L) 104

3.6.3.1 Xác định giá trị u(L C ) 104

3.6.3.2 Xác định thành phần độ không đảm bảo đo 𝑢𝐸(𝐿) 105

3.6.4 Xác định độ không đảm bảo đo tổng hợp chuẩn 𝒖𝒄(𝜽)của bộ tạo góc nhỏ 106

3.7 Đánh giá bộ tạo góc nhỏ bằng phương pháp so sánh liên phòng 106

3.8 Kết luận chương ba 108

CHƯƠNG 4 110

XÂY DỰNG HỆ THỐNG CHUẨN ĐO LƯỜNG QUỐC GIA LĨNH VỰC GÓC 110

4.1 Hệ thống chuẩn đo lường quốc gia lĩnh vực góc 110

4.2 Tích hợp hệ thống chuẩn đo lường quốc gia lĩnh vực góc 111

4.3 Dẫn xuất chuẩn đo lường lĩnh vực góc 112

4.4 Xây dựng phương pháp hiệu chuẩn sử dụng chuẩn đo lường góc được thiết lập 114

4.4.1 Xây dựng phương pháp hiệu chuẩn ống tự chuẩn trực sử dụng bộ tạo góc nhỏ

114

4.4.1.1 Sơ đồ hiệu chuẩn 114

4.4.1.2 Xác định vị trí kiểm ban đầu (vị trí gốc) 115

4.4.1.3 Phương pháp hiệu chuẩn 115

4.4.1.4 Độ không đảm bảo đo của phép hiệu chuẩn ống tự chuẩn trực sử dụng bộ tạo góc nhỏ 116

4.4.2 Xây dựng phương pháp hiệu chuẩn đa diện góc 116

4.4.2.1 Lắp đặt thiết bị 116

4.4.2.2 Phương pháp hiệu chuẩn 117

4.4.2.3 Tính toán độ không đảm bảo đo của phép hiệu chuẩn đa diện góc sử dụng chuẩn góc toàn vòng 119 4.5 Kết luận chương bốn 121

KẾT LUẬN 122

KIẾN NGHỊ 123

TÀI LIỆU THAM KHẢO 124

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 127

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

1 Danh mục chữ viết tắt, thuật ngữ

STT Ký hiệu

Chữ viết tắt

Tiếng Việt Tiếng Anh

1 BIPM Tổ chức Cân đo Quốc tế Bureau International des Poids

et Mesure

2 CIPM Ủy ban Cân đo Quốc tế International Committee for

Weights and Measures

3 CMCs Năng lực đo và hiệu chuẩn Calibration and Measurement

Capabilites

4 DFT Biến đổi Fourier rời rạc Discrete Fourier transform

bằng nhau

Equal division average

6 FFT Biến đổi Fourier nhanh Fast Fourier transform

7 INRIM Viện nghiên cứu Đo lường

quốc gia (Italia)

National Institute of Metrological Research (Italia)

8 KRISS Viện nghiên cứu chuẩn và

khoa học Hàn Quốc

Korea Research Institute of Standards and Science

10 NMIs Viện Đo lường Quốc gia National Metrology Institutes

11 NIM Viện đo lường quốc gia

Trung Quốc

National Metrology Íntitute

12 NIST Viện chuẩn và Công nghệ

Quốc gia (USA)

National Institute of Standards and technology (USA)

13 NIMT Viện Đo lường quốc gia

Thái Lan

National Institute Metrology of Thailand

14 RE Thiết bị mã hóa góc quay Rotary Encoder

16 PTB Cục vật lý kỹ thuật Đức Physikalisch-Technische

Bundesanstalt

17 VMI Viện Đo lường Việt Nam Vietnam Metrology Institute

2 Danh mục ký hiệu

1 C Chu kỳ vạch chia đĩa chia độ kiểu gia số

3 δji Sai số góc tích lũy từ các đầu đọc đến đầu đọc chính

4 µi,j Sai số góc của đầu đọc thứ j tại vị trí vạch thứ i của chuẩn góc

toàn vòng

5 μ̅ Sai số góc của chuẩn góc toàn vòng

6 e Độ lệch tâm giữa tâm quay và tâm đĩa chia độ

7 L Độ dài cánh tay đòn bộ tạo góc nhỏ

8  Góc nghiêng của đĩa chia độ

9 NG Số vạch chia của đĩa chia độ

11 r Độ phân giải của chuẩn góc toàn vòng

12 rcb Độ phân giải cơ bản của chuẩn góc toàn vòng

13 S Khoảng cách giữa chia vạch chia liên tiếp của đĩa chia độ

14 uc Độ không đảm bảo đo tổng hợp

DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

Trang

Hình 1.1: a) Định nghĩa góc b) Định nghĩa radian 17

Hình 1.2: Sơ đồ minh họa phân chia chuẩn 19

Hình 1.3: a) Ống tự chuẩn trực; b) Sơ đồ nguyên lý [13] 20

Hình 1.4: a) Thước sin, b) Nguyên lý làm việc [35] 21

Hình 1.5: Ni vô a) Ni vô cơ khí; b) Ni vô điện tử [33] 21

Hình 1.6:a) Chuẩn góc dạng căn mẫu góc, b) Sơ đồ ghép căn mẫu góc 22

Hình 1.8: Bàn phân độ a) Hình ảnh b) Bước răng bàn phân độ[43] 23

Hinh 1.9: a) Nguyên lý hoạt động và cấu tạo của RE, b) Rotary Encoder RE [17] 24

Hình 1.10: Chuẩn đo lường lĩnh vực góc tại NIST [41] 26

Hình 1.11: Chuẩn đo lường lĩnh vực góc tại PTB a) Sơ đồ nguyên lý, b) Hình ảnh [42] 26

Hình 1.12: Chuẩn đo lường quốc gia lĩnh vực góc INRIM [42] 27

Hình 1.13: Chuẩn Đo lường quốc gia lĩnh vực góc Nhật bản [42] 28

a) Hệ thống hiệu chuẩn RE, b) Bộ tạo góc nhỏ, c) Hệ thống hiệu chuẩn đa diện góc 28

Hình 1.14: Chuẩn Đo lường lĩnh vực góc Trung Quốc (NIM)[42] 28

Hình 1.15: Minh họa chuẩn góc sử dụng vòng tròn chia độ 29

Hình 1.16: Laser vòng a) Sơ đồ nguyên lý; b) sơ đồ kết cấu [26] 30

Hình 1.17: Sơ đồ nguyên lý chuẩn góc toàn vòng sử dụng RE 1: Trục quay, 2: Đĩa chia độ, 3: Đầu đọc 31

Hình 1.18: Các loại đĩa chia độ, a) Đĩa chia độ quang học, b) Đĩa chia độ từ [9,16] 31

Hình 1.19: Đĩa chia độ theo phương pháp đọc tuyệt đối [7] 32

Hình 1.20: a) Đĩa chia độ kiểu gia số[9], b) Vạch chia của đĩa chia độ 33

Hình 1.21: Sơ đồ nguyên lý đầu đọc quét ảnh[18] 34

Hình 1.22: Đầu đọc phản xạ [18] 34

Hình 1.23: Sơ đồ hiệu chuẩn chéo 35

Hình 1.24 Sơ đồ bố trí đầu đọc chuẩn góc toàn vòng WMT 220 của PTB[32] 36

Hình 1.25: Nguyên lý tạo góc nhỏ 38

Hình 1.26: Bộ tạo góc nhỏ sử dụng nguyên lý tang 39

Hình 1.27: Bộ tạo góc nhỏ sử dụng nguyên lý sin 39

Hình 1.28: Bộ tạo góc nhỏ kiểu cơ* 1) cánh tay đòn; 2) panme đo; 3) Cơ cấu đòn bẩy [8] 40

Hình 1.29: Bộ tạo góc nhỏ sử dụng PZT, a) Sơ đồ nguyên lý, b) Kết cấu 41

Hình 1.30: Sơ đồ nguyên lý bộ tạo góc nhỏ của Viện Đo lường Nhật bản NMIJ [38] 41

Hình 1.31: Chuẩn góc hiện có tại VMI 42

a) Đa diện quang học; b) Ông tự chuẩn trực; c) Bộ căn mẫu góc 42

Hình 1.32: Độ không đảm bảo đo của phép hiệu chuẩn ống tự chuẩn trực [37] 43

Hình 2.1: a) Đĩa chia độ, b) Vạch chia 45

Hình 2.2: Vạch chia gốc của đĩa chia độ[7] 46

Hình 2.3: Mô tả phương pháp đọc vạch chia đĩa chia độ kiểu gia số[11] 46

Hình 2.4: Sơ đồ tạo tín hiệu điện áp đầu ra a) Sơ đồ khi dùng mặt nạ đơn, 47

b) Sơ đồ khi dùng mặt nạ kép [22] 47

Hình 2.5: Mạch biến đổi xung hình sin sang xung vuông 47

Hình 2.7: Sơ đồ nguyên lý chuẩn góc toàn vòng gia số [38] 50

Hình 2.8: Sai số vị trí của vạch chia 51

Hình 2.9: Sơ đồ biểu diễn biến thiên bán kính R θ a) Sơ đồ, b) vị trí đọc 51

Hình 2.10: Sai số do ảnh hưởng độ nghiêng đĩa chia độ 52

Hình 2.11: Sai số góc do lệch tâm a) Vị trí bất kỳ, b) Vị trí sai số góc lớn nhất 54

Hình 2.12: Quan hệ giữa sai số góc do lệch tâm với đường kính đĩa chia độ [18] 55

Hình 2.13: a) Sơ đồ bố trí đầu đọc đối xứng, b) Dạng đồ thị sai số 56

Hình 2.14: Đồ thị minh họa phương pháp khớp số liệu bù sai số lệch tâm[40] 56

Hình 2.15: Sơ đồ căn chỉnh độ nghiêng đĩa chia độ 57

Hình 2.16: Sơ đồ bố trí đầu đọc cách đều trên đĩa chia độ 58

Hình 2.17:Biểu diễn mối quan hệ giữa vạch chia và đầu đọc 58

Hình 2.18 : Sai lệch giữa vạch chia thực tế với vạch chia danh nghĩa 58

Hình 2.19: Thứ tự tín hiệu ra từ các đầu đọc 59

Hình 2.20: Sơ đồ lắp đặt đầu đọc và chênh lệch sai số ij so với sai số đầu đọc chính 61

Hình 2.21: Sơ đồ xác định µ i,j 62

Hình 2.22: Sơ đồ bố trí đầu đọc 64

Hình 2.23: Đĩa chia độ 66

Hình 2.24: Sơ đồ đầu đọc SMD-01 66

Hình 2.25: Sơ đồ kết cấu gá đặt, định vị đầu đọc SMD-01 67

Hình 2.26: Bộ nội suy tín hiệu 67

Hình 2.27: Ổ quay đệm khí 68

Hình 2.28: Chuẩn góc toàn vòng 68

Hình 2.29 Đồ thị sai số của từng nhóm đầu đọc a) nhóm 3 đầu đọc, b) nhóm 4 đầu đọc 70

Hình 2.30: Đồ thị sai số sau khi dịch pha, a) Nhóm 3 đầu đọc, b) Nhóm 4 đầu đọc 71

Hình 2.31: Đồ thị sai số trung bình, a) Nhóm 3 đầu đọc, b) Nhóm 4 đầu đọc 71

Hình 2.32: a) Nhóm 3 đầu đọc, b) Nhóm 4 đầu đọc 71

Hình 2.33: Đồ thị sai số của chuẩn góc toàn vòng, a) Nhóm 3 đầu đọc, b) Nhóm 4 đầu đọc 72

Hình 2.34: Đồ thị sai số của chuẩn góc toàn vòng 72

Hình 2.35: Đồ thị sai số sau khi hiệu chỉnh độ nghiêng đĩa chia độ 73

Hình 2.36: Đồ thị sai số của chuẩn góc toàn vòng gia số sau khi hiệu chỉnh 73

Hình 2.37: Độ chênh lệch kết quả đo giữa các lần tự hiệu chuẩn 74

Hình 2.38: quá trình thực hiện so sánh vòng 74

Hinh 2.39: Bố trí thiết bị đo đa diện góc tiến hành so sánh song phương 76

Hình 2.40: Kết quả đo so sánh đa diện góc với KRISS 76

Hình 3.1: Minh họa góc nhỏ 79

Hình 3.2: Sơ đồ nguyên lý bộ tạo góc nhỏ theo nguyên lý sin 79

Hình 3.3: Sơ đồ nguyên lý bộ tạo góc nhỏ sử dụng giao thoa kế laser 80

a) Bộ tạo góc sử dụng gương phẳng, b) bộ tạo góc sử dụng gương góc 80

Hình 3.4: Sơ đồ tính toán quang lộ tia laser đo 81

Hình 3.5: Sơ đồ bộ tạo góc nhỏ đối xứng 81

Hình 3.6: Sơ đồ tính toán vị trí gương góc 82

Hình 3.7: Sơ đồ nguyên lý giao thoa kế hai tần số đo độ dài 83

Hình 3.8: Sơ đồ bộ tạo góc nhỏ được xây dựng 84

Hình 3.9 Phân bố xác xuất hình chữ nhật 86

Hình 3.10 Phân bố xác xuất hình tam giác 87

Hình 3.11: Sơ đồ tính toán độ không đảm bảo đo của bộ tạo góc nhỏ 88

Hình 3.12: Gương góc, a) Nguyên lý, b) Hình ảnh 93

Hình 3.13: Sơ đồ nguyên lý đo khoảng cách giữa hai tâm ảo của gương góc 94

Hình 3.14: Sơ đồ đo khoảng cách cánh tay đòn 96

Hình 3.15: Mô hình thực nghiêm đo khoảng cách cánh tay đòn 97

Hình 3.16: Ảnh camera thu được của tia laser phản xạ 97

Hình 3.17: Sơ đồ kết cấu bộ tạo góc nhỏ được thiết kế 99

Hình 3.18: Kết cấu cánh tay đòn 100

Hình 3.19: Giao diện phần mềm của bộ tạo góc nhỏ 101

Hình 3.20: Bộ tạo góc nhỏ 101

Hình 3.21: Sơ đồ tính toán ĐKĐB đo do lắp đặt hệ thống 103

Hình 3.22 : Biểu đồ so sánh kết quả hiệu chuẩn ống tự chuẩn trực giữa KRISS và luận án thực hiện 108

Hình 4.1: Sơ đồ khối hệ thống chuẩn đo lường quốc gia lĩnh vực góc 110

Hình 4.2: Hệ thống chuẩn đo lường quốc gia lĩnh vực góc 111

Hình 4.3: Sơ đồ dẫn xuất chuẩn đo lường lĩnh vực góc 113

Hình 4.4: Sơ đồ hiệu chuẩn ống tự chuẩn trực sử dụng bộ tạo góc nhỏ, 1) Giao thoa kế laser, 2) Cánh tay đòn, 3) Gương phẳng, 4) Ống tự chuẩn trực cần hiệu chuẩn 114

Hình 4.5: Sơ đồ tính toán ảnh hưởng của vị trí đặt gương trên bàn đo của bộ tạo góc nhỏ 114

Hình 4.6: Sơ đồ xác định điểm gốc khi hiệu chuẩn ống tự chuẩn trực 115

Hình 4.7: Sơ đồ lắp đặt thiết bị hiệu chuẩn đa diện góc 117

Hình 4.8: Bảng tính kết quả đo đa diện góc sử dụng nguyên lý vòng tròn khép kín 119

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Trang Bảng 1.1: Các chuẩn góc hiện có tại VMI 43

Bảng 2.1 Ví dụ số liệu trên từng đầu đọc trong quá trình tự hiệu chuẩn 69

Bảng 2.2 : Kết quả đo so sánh đa diện góc 24 mặt 77

Bảng 3.1: Thành phần ĐKĐB đo của giao thoa kế Laser 91

Bảng 3.2 Thành phần độ không đảm bảo đo của giao thoa kế laser 102

Bảng 3.3: Kết quả đo lặp lại chiều dài cánh tay đòn 104

Bảng 3.4: Kết quả đo so sánh ống tự chuẩn trực với KRISS 107

Bảng 4.1: Đặc trưng kỹ thuật của chuẩn đo lường lĩnh vực góc 112

MỞ ĐẦU

1 .Tính cấp thiết của đề tài luận án nghiên cứu

Góc là đại lượng đo thuộc lĩnh vực đo lường độ dài, chuẩn và thiết bị đo góc được sử dụng rộng rãi trong các ngành kỹ thuật như cơ khí chính xác, điều khiển tự động, trắc đạc, giao thông, xây dựng, thiên văn… Độ chính xác của các chuẩn và thiết bị đo góc được cải thiện rất đáng kể trong những năm gần đây Trong vòng 20 năm qua, độ chính xác của các thiết bị đo góc đã tăng lên khoảng mười lần Tiến trình công nghiệp hoá, hiện đại hoá của nước ta với động lực là khoa học công nghệ đòi hỏi ngày càng cao đối với ngành khoa học công nghệ trong đó có đo lường Xu thế toàn cầu hoá về kinh tế cũng là một yếu tố thúc đẩy

sự cần thiết phải kiện toàn, thống nhất hệ thống chuẩn đo lường quốc gia nói chung và chuẩn

đo lường quốc gia về góc nói riêng Góc có đơn vị đo là đơn vị dẫn xuất trong hệ thống đơn

vị đo lường quốc tế SI và đã được Việt Nam quy định theo Nghị định số 86/2012/NĐ-CP quy định về đơn vị đo lường pháp định tại Việt Nam Nghiên cứu thiết lập hệ thống chuẩn

đo lường quốc gia lĩnh vực góc nhằm mục đích đảm bảo độ chính xác của các chuẩn và phương tiện đo góc dùng trong tất cả các ngành kinh tế, kỹ thuật của quốc gia là một nhiệm

vụ cần thiết của ngành đo lường, nhằm nâng cao chất lượng sản phẩm, hàng hóa, đồng thời phục vụ tốt nhiệm vụ đảm bảo đo lường cho các cơ sở trong cả nước đối với lĩnh vực đo này

Hiện nay nhu cầu hiệu chuẩn, đảm bảo độ chính xác cho các chuẩn, thiết bị đo góc để đáp ứng yêu cầu của các cơ sở chế tạo và nghiên cứu khoa học ngày càng trở nên cấp thiết

Sự thiếu hụt về chuẩn và các thiết bị đo liên quan của nước ta hiện nay không chỉ giảm khả năng đáp ứng đối với nhu cầu rất thực tế của nền kinh tế quốc dân mà cũng làm giảm khả năng nghiên cứu và tổ chức nghiên cứu về chuẩn, phương pháp đo phục vụ khoa học công nghệ khả năng đào tạo, tư vấn về đo lường và công nghệ đo chính xác của lĩnh vực đo lường góc Các nước có nền khoa học kỹ thuật tiên tiến trên thế giới đặc biệt là các viện đo lường quốc gia (NMIs) đều có nghiên cứu nhằm nâng cao độ chính xác của hệ thống chuẩn đo lường nói chung và đo lường góc nói riêng Viện NMIs của các nước có trình độ khoa học

kỹ thuật tiên tiến trên thế giới như Đức (PTB), Nhật Bản (NMIJ), Mỹ (NIST)…đều phát triển hệ thống chuẩn quốc gia lĩnh vực đo lường góc, độ chính xác có thể đạt 0,005[39] Ở các nước trong khu vực như Thái lan, Indonesia trong những năm gần đây viện đo lường quốc gia của họ đã có sự nghiên cứu và tăng cường trang thiết bị về chuẩn đo lường góc Viện Đo lường Quốc gia Thái lan (NIMT) hay viện đo lường quốc gia Indonesia (KIM-LIPI)

đã mua hệ thống thiết bị đo góc của Nhật Bản đạt độ chính xác 0,05 đến 0,2[39], đó là những thiết bị đo góc hiện đại, có giá thành cao Nghiên cứu thiết lập hệ thống chuẩn đo góc cũng là một vấn đề chuyên môn sâu đã được nghiên cứu ở các nước tiên tiến, tuy nhiên các tài liệu về cơ sở tính toán, thiết kế chế tạo loại thiết bị đo này không được công bố công khai, trong khi đó ở nước ta hệ thống chuẩn góc cũng chưa được xây dựng hoàn thiện Hàng năm, các chuẩn góc của Việt Nam phải mang đi hiệu chuẩn tại các Viện đo lường khác trong khu vực như Trung Quốc, Hàn Quốc, điều này đã ảnh hưởng không nhỏ đến việc chủ động

sử dụng, khai thác chuẩn góc Hơn nữa, hàng năm ngân sách nhà nước đã phải chi ra một lượng ngoại tệ không nhỏ dành cho việc hiệu chuẩn tại nước ngoài

Xây dựng chuẩn đo lường quốc gia lĩnh vực góc để đảm bảo tính chính xác của phép

đo góc cho cả nước là một việc làm quan trọng trong kế hoạch phát triển hệ thống đo lường quốc gia Đó cũng là một nhiệm vụ trong quy hoạch hệ thống chuẩn quốc gia nhằm đáp ứng nhu cầu đảm bảo đo lường cho các cơ sở hiệu chuẩn, nghiên cứu khoa học, các đơn vị sản xuất kinh doanh trên toàn quốc Nghiên cứu chế tạo được thiết bị tạo góc chuẩn đảm bảo tính dẫn xuất chuẩn đo lường góc, chúng ta có thể chủ động hiệu chuẩn các thiết bị đo góc phẳng mà không phải mang đi nước ngoài hiệu chuẩn, đồng thời nâng cao trình độ chuẩn góc tạo tiền đề để có thể tham gia hội nhập với các nước trong khu vực và Quốc tế Đó chính

là những lý do tác giả luận án chọn hướng nghiên cứu:

“ Nghiên cứu, xây dựng chuẩn đo lường quốc gia lĩnh vực góc ”

Đo lường góc đóng vai trò quan trọng trong ngành cơ khí chính xác Nhiều chuẩn và thiết bị đo được sử dụng trong kỹ thuật đo góc như căn mẫu góc, đa diện góc, thiết bị mã hóa đo góc … Để đảm bảo độ chính xác và độ tin cậy, các thiết bị đó phải được định kỳ hiệu chuẩn, đánh giá Hệ thống chuẩn đo lường quốc gia chính là cở sở pháp lý, kỹ thuật để đảm bảo độ chính xác của các chuẩn, thiết bị đo phục vụ nhu cầu của xã hội và hội nhập quốc tế Nghiên cứu chế tạo chuẩn đo lường quốc gia lĩnh vực góc giúp cho Việt Nam làm chủ về mặt kỹ thuật, tạo tiền đề vững chắc cho việc duy trì và dẫn xuất chuẩn đo lường góc, nâng cao trình độ nghiên cứu về khoa học kỹ thuật đo lường, đồng thời giúp cho chúng ta tiết kiệm được chi phí ngoại tệ để trang bị chuẩn góc nếu nhập khẩu của nước ngoài Điều này cũng khẳng định tính cấp thiết của luận án

2 Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu

a) Mục đích của luận án

Nghiên cứu xác lập cơ sở khoa học và kỹ thuật để có thể xây dựng hệ thống thiết bị đo thực hiện được chức năng chuẩn đo lường quốc gia lĩnh vực góc phẳng đảm bảo việc hiệu chuẩn cho chuẩn góc có độ chính xác thấp hơn và phương tiện đo góc đáp ứng nhu cầu của

cơ sở trong cả nước

b) Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Đối tượng nghiên cứu của luận án nghiên cứu, lựa chọn phương pháp phù hợp với điều kiện Việt Nam để xây dựng chuẩn góc toàn vòng và bộ tạo góc nhỏ đáp ứng yêu cầu đặt ra đối với chuẩn quốc gia Xây dựng được các phương pháp duy trì và dẫn xuất chuẩn

đo lường lĩnh vực góc từ chuẩn quốc gia đến chuẩn góc và phương tiện đo góc có độ chính xác thấp hơn, phù hợp với yêu cầu thực tế của Việt Nam

- Phạm vi nghiên cứu của luận án giới hạn trong việc nghiên cứu xây dựng chuẩn góc toàn vòng giá trị độ chia 0,1, độ không đảm bảo đo U= 0,3 Nghiên cứu chế tạo bộ tạo góc nhỏ phạm vi đo ± 30' với độ không đảm bảo đo U = (0,1~ 0,3)

- Tích hợp các thiết bị chuẩn thành hệ thống chuẩn, xây dựng phương pháp đánh giá, sao truyền chuẩn

3 Phương pháp nghiên cứu

- Phương pháp nghiên cứu là kết hợp giữa lý thuyết và thực nghiệm kiểm chứng trên thiết bị được chế tạo Dùng phương pháp khảo sát phân tích kết quả các công trình nghiên cứu trên thế giới để xây dựng phương pháp thiết lập chuẩn đo lường quốc gia lĩnh vực góc

- Luận án sử dụng phương pháp suy diễn lý thuyết để lập mô hình chuẩn góc toàn vòng

và chuẩn góc nhỏ, xây dựng mô hình toán học, phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác của thiết bị Thiết lập phương pháp đánh giá độ không đảm bảo đo của chuẩn góc

- Tiến hành đo thử nghiệm so sánh kết quả hiệu chuẩn ống tự chuẩn trực trên bộ tạo góc nhỏ và đa diện góc trên chuẩn góc toàn vòng với kết quả hiệu chuẩn của Viện nghiên cứu về Chuẩn và Khoa học Hàn Quốc (KRISS) làm căn cứ đánh giá độ chính xác

- Sử dụng các phần mềm để phân tích xử lý dữ liệu: phần mềm Excel, Matlab xử lý số liệu để nghiên cứu và thực nghiệm

4 Nội dung luận án

Nội dung nghiên cứu của luận án được trình bầy trong 4 chương:

Chương 1: Tổng Quan về hệ thống chuẩn đo lường quốc gia lĩnh vực góc

Nghiên cứu hệ thống chuẩn đo lường quốc gia lĩnh vực góc của một số Viện đo lường quốc gia của các nước trong khu vực và trên thế giới, đánh giá tình hình và yêu cầu của Việt Nam, từ đó xác định mục tiêu và nội dung nghiên cứu thiết lập hệ thống chuẩn đo lường quốc gia lĩnh vực góc tại Việt Nam Nghiên cứu các cơ sở lý thuyết về xây dựng chuẩn góc toàn vòng và bộ tạo góc nhỏ của một số quốc gia trên thế giới

Chương 2: Cơ sở phương pháp xây dựng chuẩn góc toàn vòng:

Nghiên cứu cơ sở lý thuyết của chuẩn góc toàn vòng sử dụng đĩa chia độ kiểu gia số (Incremental Disk) Nghiên cứu phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác của chuẩn góc toàn vòng Xây dựng phương pháp đánh giá độ chính xác của vạch chia thông qua việc

tự hiệu chuẩn (self-calibration) bằng cách áp dụng phương pháp trung bình phân đoạn bằng nhau (The Equal Division Average-EDA) Xác lập cách thức sơ đồ bố trí đầu đọc, tính toán lựa chọn các chi tiết chính, tích hợp lắp đặt hoàn chỉnh thiết bị, thiết kế, chế tạo chuẩn góc toàn vòng sử dụng đĩa chia độ kiểu gia số Xây dựng phương pháp đánh giá độ chính xác,

độ ổn định, thực nghiệm so sánh kết quả chế tạo với Viện nghiên cứu về chuẩn và khoa học Hàn Quốc (KRISS)

Chương 3: Cơ sở phương pháp xây dựng chuẩn góc nhỏ:

Nghiên cứu cơ sở lý thuyết tạo góc nhỏ sử dụng hàm số lượng giác Nghiên cứu phương pháp tính toán độ không đảm bảo đo của bộ tạo góc nhỏ, nghiên cứu đưa ra phương pháp đo khoảng cách tâm ảo giữa hai gương góc của cánh tay đòn Nghiên cứu, thiết kế chế tạo, lắp đặt bộ tạo góc nhỏ sử dụng nguyên lý sine và giao thoa kế laser; xây dựng phương pháp đánh giá độ chính xác của thiết bị chuẩn, tiến hành đo đánh giá kết quả bộ tạo góc nhỏ, so sánh kết quả đo tại KRISS

Chương 4: Xây dựng hệ thống chuẩn đo lường quốc gia lĩnh vực góc:

Nghiên cứu đưa ra yêu cầu về hệ thống chuẩn đo lường quốc gia lĩnh vực góc, tích hợp chuẩn góc nhỏ và chuẩn góc toàn vòng thành hệ thống chuẩn Xây dựng sơ đồ dẫn xuất chuẩn đo lường lĩnh vực góc tại Việt Nam, xây dựng phương pháp hiệu chuẩn ống tự chuẩn trực và đa diện góc sử dụng hệ thống chuẩn mới được chế tạo

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án

a) Ý nghĩa khoa học

- Xây dựng phương pháp thiết lập hệ thống chuẩn đo lường góc trên cơ sở xây dựng

bộ tạo góc nhỏ và chuẩn góc toàn vòng

- Đối với chuẩn góc toàn vòng, xây dựng phương pháp tự hiệu chuẩn sử dụng kỹ thuật

bố trí nhiều đầu đọc và phương pháp trung bình phân đoạn bằng nhau EDA để đánh giá độ chính xác của chuẩn

- Nghiên cứu phương pháp tạo chuẩn góc nhỏ, đề xuất phương pháp đo khoảng cách giữa hai tâm ảo của gương góc, tính toán thiết kế chế tạo bộ tạo góc nhỏ dẫn xuất từ chuẩn

đo lường độ dài

b) Ý nghĩa thực tế

- Nghiên cứu thiết kế, chế tao chuẩn góc toàn vòng có độ phân giải 0,1, Độ không đảm bảo đo U= 0,3

- Thiết kế chế tạo bộ tạo góc nhỏ có phạm vi ± 30´ độ không đảm bảo đo U=0,08

- Tích hợp thành hệ thống chuẩn đo lường quốc gia lĩnh vực góc đáp ứng yêu cầu về chuẩn đo lường quốc gia lĩnh vực góc theo quy hoạch phát triển chuẩn quốc gia của Viện

Đo lường Việt Nam Kết quả này có thể dùng làm hệ thống chuẩn đo lường quốc gia lĩnh vực góc

6 Các đóng góp mới của luận án

- Luận án đã xây dựng được thuật toán và chương trình xử lý số liệu trên cơ sở phương pháp EDA cho phép tự hiệu chuẩn thành công chuẩn góc toàn vòng gia số độ không đảm bảo đo U= 0,3"và khẳng định khả năng làm chủ phương pháp tự hiệu chuẩn đối với chuẩn đầu góc phằng Phương pháp tự hiệu chuẩn có thể xác định chính xác sai số vị trí của từng vạch chia, sai số lệch tâm và độ nghiêng đĩa chia độ toàn bộ dự liệu này được dùng để bù sai

số chuẩn góc toàn vòng gia số Đây là một yếu tố bắt buộc đối với việc xây dựng cơ sở lý thuyết cho việc chế tạo chuẩn đầu quốc gia lĩnh vực góc Đã chế tạo thành công chuẩn toàn vòng sử dụng đĩa chia độ gia số có độ phân giải 0,1″, độ không đảm bảo đo U= 0,3″

- Luận án đã kế thừa và phát triển quá trình nghiên cứu về lý thuyết, thực hành của

đề tài “ Nghiên cứu, thiết kế chế tạo bộ chuẩn đầu góc phẳng nhỏ”[1] Luận án xây dựng

mô hình lý thuyết, nghiên cứu tính toán các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác của bộ tạo góc nhỏ theo nguyên lý sin đồng thời đưa ra phương pháp đo khoảng cách tâm ảo giữa hai gương góc của cánh tay đòn sử dụng cảm biến vị trí quang học CCD kết hợp với giao thoa laser Đây là một trong hai vấn đề quan trọng quyết định đến độ chính xác của bộ tạo góc nhỏ Với phương pháp đo mới được xây dựng đã đạt được độ chính xác đo độ dài cánh tay

đòn đến 2,1 µm Phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác của bộ tạo góc nhỏ như:

độ ổn định tâm quay, vị trí gương góc, xác lập điều kiện môi trường làm việc của bộ tạo góc nhỏ đảm bảo độ không đảm bảo đo yêu cầu nhỏ hơn 0,1  Chế tạo tích hợp bộ tạo góc nhỏ

có phạm vi đo ± 30', độ không đảm bảo đo 0,08″

- Xây dựng phương pháp đánh giá độ chính xác của chuẩn góc toàn vòng và bộ tạo góc nhỏ thông qua quá trình tự hiệu chuẩn và tính toán độ không đảm bảo đo Độ chính xác của chuẩn góc được kiểm chứng bằng cách so sánh vòng với KRISS Trị số |En | 1 khẳng định độ chính xác của chuẩn góc đạt yêu cầu kỹ thuật đề ra

- Xây dựng sơ đồ dẫn xuất chuẩn đo lường lĩnh vực góc và phương pháp hiệu chuẩn ống tự chuẩn trực và đa diện góc trên hệ thống chuẩn mới

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG CHUẨN ĐO LƯỜNG QUỐC GIA LĨNH

VỰC GÓC

Nội dung nghiên cứu trong chương này bao gồm các vấn đề sau:

- Tổng quan về hệ thống chuẩn đo lường nói chung và hệ thống chuẩn đo lường quốc

gia lĩnh vực góc phẳng, chuẩn và phương tiện đo góc

- Nghiên cứu phương pháp thiết lập chuẩn đo lường quốc gia lĩnh vực góc của một số

viện đo lường quốc gia trên thế giới Phân tích các hệ thống chuẩn góc của một số viện đo

lường quốc gia, trên cơ sở đó xác định hướng nghiên cứu thiết lập hệ thống chuẩn đo lường

quốc gia lĩnh vực góc tại Việt Nam

1.1 Góc và hệ thống chuẩn đo lường

1.1.1 Khái niệm về góc

Góc phẳng  là phần mặt phẳng được giới hạn bởi 2 tia Oa và Ob có chung một điểm

gọi là đỉnh góc hình 1.1a., Oa tia đầu và Ob tia cuối, và đỉnh góc O (điểm giao nhau của hai

tia) Một góc được coi là góc dương khi có chiều quay tia đầu Oa đến tia cuối Ob ngược

chiều kim đồng hồ và ngược lại

Hình 1.1: a) Định nghĩa góc b) Định nghĩa radian

Góc θ là góc được tạo bởi hai tia bán kính của đường tròn hình 1.1b, giá trị độ lớn của

góc θ được xác định bằng tỷ số giữa chiều dài cung s và chiều dài bán kính của vòng tròn đó

θ = sr (1.1) Trong hệ đơn vị quốc tế SI radian là tên gọi của đơn vị góc được định nghĩa như sau:

“Radian là góc tạo bởi hai tia bán kính của vòng tròn cắt trên vòng tròn đó một cung

có độ dài bằng với bán kính” (hình 1.1 b) [25]

Một số góc tương đối đặc biệt, đó là góc 0rad, góc vuông π/2 rad, góc đầy 2π rad và góc bẹt π rad Góc 0o được thiết lập trên cơ sở hai tia bán kính trùng nhau o=0o Góc đầy 2π rad là phép quay của bán kính sao cho hai bán kính chồng lên nhau sau khi quay hết một vòng Góc bẹt có giá trị là π rad khi đó hai tia bán kính nằm trên cùng một đường thẳng Các góc đặc biệt này được dùng làm cơ sở lý thuyết để xây dựng các phương pháp hiệu chuẩn góc dựa trên nguyên lý sử dụng góc đầy 360o (vòng tròn khép kín) hay góc bẹt 180o (đường thẳng) làm chuẩn để thực hiện việc bù sai số khi đo góc [7,30]

1.1.2 Hệ thống chuẩn đo lường

1.1.2.1 Chuẩn đo lường

Chuẩn đo lường, hay gọi tắt là chuẩn, được định nghĩa như sau: “Chuẩn đo lường là

sự thể hiện định nghĩa của đại lượng đã cho, với giá trị đại lượng được công bố và độ không đảm bảo kèm theo, dùng làm mốc quy chiếu” [2] Như vậy, chuẩn đo lường chính là sự thể hiện bằng vật chất độ lớn của đơn vị đo lường theo định nghĩa Về bản chất, chuẩn cũng là các thiết bị đo lường, nhưng khác các thiết bị đo lường thông thường ở chỗ các thiết bị đo này không dùng cho các phép đo thực tế hàng ngày, nó chỉ dùng để đặc trưng cho đơn vị, để truyền đơn vị đến các chuẩn, phương tiện đo có độ chính xác thấp hơn, như dùng để kiểm định, hiệu chuẩn, đánh giá thiết bị đo và các phép đo, để khắc độ thiết bị đo khi chế tạo

1.1.2.2 Hệ thống chuẩn đo lường

Hệ thống chuẩn đo lường là cơ sở kỹ thuật quan trọng nhất để đảm bảo tính thống nhất

và độ chính xác cần thiết của phép đo trong phạm vi quốc gia và quốc tế

Có thể phân loại chuẩn theo độ chính xác hoặc mục đích sử dụng

Dạng 1 căn cứ vào độ chính xác có thể phân loại chuẩn thành chuẩn đầu, chuẩn thứ,

chuẩn bậc I, bậc II,III

Chuẩn đầu: Là chuẩn được chỉ định hay được thừa nhận rộng rãi là có chất lượng về

mặt đo lường cao nhất và giá trị của nó được chấp nhận không dựa vào các chuẩn khác của cùng đại lượng Khái niệm chuẩn đầu được dùng như nhau đối với đại lượng cơ bản và cả đại lượng dẫn xuất

Chuẩn thứ: Là chuẩn mà giá trị của nó được xác định bằng cách so sánh với chuẩn

đầu của cùng đại lượng

Chuẩn bậc I: Là chuẩn mà giá trị của nó được xác định bằng cách so sánh với chuẩn

thứ của cùng đại lượng

Chuẩn bậc II: Là chuẩn mà giá trị của nó được xác định bằng cách so sánh với chuẩn

Bậc I của cùng đại lượng

Độ chính xác của chuẩn sẽ giảm dần từ chuẩn đầu đến chuẩn thứ, chuẩn bậc I, chuẩn bậc II có thể sử dụng sơ đồ kim tự tháp để minh hoạ cách phân loại chuẩn nêu trên

Số bậc N bằng bao nhiêu là tuỳ thuộc yêu cầu của từng lĩnh vực đo Lĩnh vực độ dài

có chuẩn đầu, chuẩn thứ, chuẩn bậc I,II, ,N, như trên hình 1.2

Hình 1.2: Sơ đồ minh họa phân chia chuẩn

Dạng 2: Căn cứ theo chức năng, mục đích sử dụng có thể phân loại chuẩn thành: chuẩn

quốc tế, chuẩn quốc gia, chuẩn chính, chuẩn công tác

Chuẩn quốc tế: Là chuẩn được một hiệp định quốc tế công nhận, để làm cơ sở ấn định

giá trị cho các chuẩn khác của đại lượng có liên quan trên phạm vi quốc tế

Chuẩn quốc gia: Chuẩn đo lường được công nhận bởi cơ quan thẩm quyền quốc gia,

để dùng trong một nước hoặc nền kinh tế, là cơ sở ấn định giá trị đại lượng cho các chuẩn

đo lường khác của loại đại lượng có liên quan

Chuẩn chính: Là chuẩn thường có chất lượng cao nhất về mặt đo lường có thể có ở

một địa phương hoặc một tổ chức xác định mà các phép đo ở đó đều được dẫn xuất từ chuẩn này

Chuẩn công tác: Là chuẩn được dùng thường xuyên để hiệu chuẩn hoặc kiểm tra vật

đọ, phương tiện đo hoặc mẫu chuẩn Chuẩn công tác thường xuyên được hiệu chuẩn bằng cách so sánh với chuẩn chính.[23]

1.2 Chuẩn đo lường góc

Hiện nay người ta nhìn nhận, chia các chuẩn góc thông dụng ra làm hai loại chính, phổ quát tất cả các chủng loại chuẩn và phương tiện đo góc trong thực tế, đó là:

+ Chuẩn góc lớn, phạm vi góc đến 360o hoặc lớn hơn 360 o ( chuẩn góc toàn vòng) + Chuẩn góc nhỏ, phạm vi góc nhỏ hơn 1o (chuẩn góc nhỏ)

1.2.1 Các dạng chuẩn góc nhỏ

1.2.1.1 Ống tự chuẩn trực ( Autocollimator)

Ống tự chuẩn trực là loại chuẩn góc nhỏ chính xác, thường được dùng để xác định vị

trí, sai lệch về độ song song, độ thẳng, và độ vuông góc, (hình 1.3a)

Hình 1.3: a) Ống tự chuẩn trực; b) Sơ đồ nguyên lý [13]

Nguyên lý hoạt động của ống tự chuẩn trực thể hiện trên hình 1.3b: chùm sáng từ

nguồn sáng 1 sau khi rọi vào tấm kính 2 có vạch chữ thập đi qua một hệ thống quang học

bao gồm bộ tách tia 3 và thấu kính hội tụ 4 và gương phẳng 5, ảnh của vạch chữ thập sẽ hiện

lên tấm kính chuẩn 6 Nếu gương 5 nghiêng đi một góc α chùm tia phản xạ sẽ bị lệch đi một

góc 2 α và ảnh vạch chữ thập sẽ dịch chuyển một đoạn d Xác định được đoạn dịch chuyển

d sẽ tính được góc lệch α theo công thức 1.2[3,15]:

d = f × tan2α (1.2) tan2α =df (1.3) 2α = arctandf (1.4) Trong trường hợp α nhỏ ta có α  tan α

2α ≈df ; α ≈2fd (1.5) Trong đó: f tiêu cự của thấu kính hội tụ của ống tự chuẩn trực

Để tạo ra các góc chuẩn người ta xác định giá trị góc qua khoảng cách dịch chuyển d,

có thể dùng nhiều phương pháp khác nhau như dùng panme thị kính đối với ống tự chuẩn

trực kiểu cơ khí Đối với ống tự chuẩn trực điện tử hiện số để xác định khoảng dịch chuyển

d, người ta thường sử dụng cảm biến CCD camera dựa trên nguyên tắc xử lý tín hiệu ảnh

Đặc điểm của ống tự chuẩn trực là đoạn dịch chuyển d không phụ thuộc vào khoảng

cách giữa gương và ống tự chuẩn trực Ống tự chuẩn trực là chuẩn góc có phạm vi đo góc

6 6

nhỏ đạt độ chính xác cao (0,01đến 0,5) do vậy ống tự chuẩn trực được sử dụng nhiều trong các hệ thống chuẩn đo lường góc [15]

1.2.1.2 Thước sin (Sine bar)

Thước sin được chế tạo bằng thép có độ cứng cao có cấu tạo như hình 1.4 a, bao gồm mặt phẳng chuẩn được gắn 2 con lăn hình trụ tròn đường kính D Đường trục của hai con lăn trụ tròn song song với nhau và song song mặt phẳng chuẩn, khoảng cách c giữa hai trục trụ tròn chính là kích thước chính của thước sin Nguyên lý hoạt động của thước sin dựa trên mối quan hệ lượng giác giữa các cạnh và góc của tam giác vuông ABC hình 1.4 b

θ = arcsinac (1.6) Trong thực tế sử dụng để tạo ra kích thước a người ta sử dụng tổ hợp căn mẫu song phẳng, thước sin có thể tạo ra góc θ có độ chính xác cao (0,2 – 2) phạm vi góc đến 45o

1.2.1.4 Chuẩn góc dạng căn mẫu

Chuẩn góc dạng căn mẫu góc là mẫu chuẩn góc có hình dạng là hình tam giác được chế tạo bằng thép hoặc ceramic có độ cứng cao, giá trị góc giữa hai mặt đo được gọi là giá trị góc của căn mẫu được thể hiện trên hình 1.6 a [13]

Hình 1.6:a) Chuẩn góc dạng căn mẫu góc, b) Sơ đồ ghép căn mẫu góc

Giá trị góc θ được xác định là góc được tạo bởi hai mặt đo của căn mẫu góc, các miếng căn mẫu góc được kết hợp với nhau tạo thành bộ có giá trị đo góc khác nhau ví dụ 1o,2o,3o

4o, 5o, 6o, 7o,8o, 9o,10o20o,30o Căn mẫu góc được sử dụng tương tự như đối với căn mẫu song phẳng, để tạo ra các giá trị đo góc khác nhau ta có thể ghép các tấm căn mẫu góc với nhau như trên hình 1.6 b, trong trường hợp này giá trị góc được xác định:  = 1 - 2 +3

Độ chính xác của căn mẫu góc nằm trong khoảng 1” đến 5”, và nó thường được dùng làm chuẩn để hiệu chuẩn các thiết bị đo góc có độ chính xác thấp hơn như dụng cụ đo góc thông thường [3,15]

1.2.2 Chuẩn góc toàn vòng

1.2.2.1 Đa diện góc

Đa diện góc là một hình khối đa giác đều nhiều mặt, các mặt bên của đa diện là mặt đo, còn mặt trên và dưới đa diện là mặt đáy như trên hình 1.7a, các mặt đo phải phẳng, vuông góc với mặt đáy Mặt phẳng chứa góc đo của đa diện là mặt phẳng vuông góc với tất cả các mặt đo hoặc nếu không vuông góc với chúng thì tổng bình phương của tất cả sai lệch góc vuông này phải có giá trị cực tiểu Các góc đo của đa diện góc là các góc có cạnh vuông góc với các mặt đo đồng thời nằm trong mặt phẳng chứa góc đo Đa diện góc chuẩn được sử dụng làm chuẩn để hiệu chuẩn các thiết bị đo góc (Goniometer) hoặc kết hợp với ống

tự chuẩn trực để xác định vị trí góc đo đối với sản phẩm

Đa diện góc chuẩn có ưu điểm trong sử dụng là ngay khi đa diện không trùng trục quay với vật đo nhưng trục của nó song song với đường tâm vật đo thì cũng không gây sai số đo

vì các mặt đo của đa diện nằm song song với trục quay của hệ thống kiểm tra góc này Được dùng phổ biến nhất là đa diện đều, với các bậc góc đo bằng nhau Số mặt đo của

đa diện thường là 4, 8, 12, 24, 36, 72, tương đương với bậc góc đo giảm từ 90o tới 5o Đa diện góc là một trong số mẫu góc có chính xác cao hiện nay Trong thực tế, đa diện được

θ

Mặt đo

dùng nhiều để kiểm định, hiệu chuẩn các vòng chia độ của các dụng cụ đo góc như đầu phân

độ quang học, bàn phân độ quang học, kinh vĩ.[3,15,42]

Hình 1.8: Bàn phân độ a) Hình ảnh b) Bước răng bàn phân độ[43]

1.2.2.3 Chuẩn góc toàn vòng dạng đĩa chia độ mã hóa (Rotary Encoder – RE)

Chuẩn góc toàn vòng dạng đĩa chia độ mã hóa như trên hình 1.9 b, được sử dụng rộng rãi trong đo lường góc, thiết bị đo này xác định vị trí chính xác của trục quay, chuyển đổi góc quay của trục thành tín hiệu tương tự hoặc số, với các kỹ thuật phân tích xử lý tín hiệu

có thể tạo ra thiết bị đo góc chính xác cao áp dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau

Nguyên lý hoạt động của thiết bị mã hóa do góc quay RE được thể hiện trên hình 1.9 a, thiết bị bao gồm đĩa chia độ 2 được gắn với trục quay quay quanh ổ quay 5 thông qua cơ cấu dẫn động 6 Hệ thống đầu đọc 3 được bố trí xung quanh đĩa chia độ, thông qua hệ thống điện

tử xử lý tín hiệu đo, vị trí góc quay của bàn quay 4 gắn chặt với trục quay sẽ được xác định chính xác

Hinh 1.9: a) Nguyên lý hoạt động và cấu tạo của RE, b) Rotary Encoder RE [17]

RE được sử dụng rộng rãi trong các chuẩn, thiết bị đo góc do thiết bị đạt độ chính xác,

độ phân giải cao Độ chính xác của RE đạt 0,005, độ phân giải đạt 0,002.[17]

Nhận xét:

Các chuẩn góc có nhiều loại khác nhau; mẫu chuẩn riêng biệt như căn mẫu góc, hoặc

có thể là một phần của vòng tròn như đa diện góc (gọi là chuẩn góc rời rạc); chuẩn góc dạng bàn quay phân độ, đầu chia độ (gọi là loại chuẩn góc toàn vòng liên tục) Nhiều loại chuẩn khác nhau nên việc dẫn xuất đến các chuẩn đúng yêu cầu hệ thống chuẩn phải đảm bảo có

đủ chuẩn phạm vi nhỏ và chuẩn toàn vòng

1.3 Hiệu chuẩn chuẩn, phương tiện đo

1.3.1 Hiệu chuẩn

Hiệu chuẩn là tập hợp các thao tác trong điều kiện quy định để thiết lập mối quan hệ giữa các giá trị của đại lượng được chỉ bởi phương tiện đo, hệ thống đo hoặc giá trị được thể hiện bằng vật độ hoặc mẫu chuẩn và các giá trị tương ứng thể hiện bằng chuẩn Kết quả hiệu chuẩn cho phép xác định giá trị của đại lượng đo theo số chỉ hoặc xác định sự hiệu chính đối với số chỉ Mục đích của phép hiệu chuẩn là để xác định giá trị của đại lượng cần đo, việc xác định này đặc trưng bằng độ chính xác theo yêu cầu của phép đo, trong đó độ chính xác đựoc hiểu là mức độ gần nhau giữa kết quả đo và giá trị thực của đại lượng Như vậy giá trị của đại lượng cần đo chưa bao giờ được biết một cách hoàn toàn Độ không đảm bảo của phép đo phản ánh sự thiếu thông tin chính xác về giá trị của đại lượng đo Kết quả phép đo sau khi đã hiệu chính các ảnh hưởng hệ thống đã biết vẫn chỉ là giá trị ước lượng của đại lượng cần đo do ảnh hưởng của các tác động ngẫu nhiên và sự không đầy đủ, không hoàn hảo của việc hiệu chính đối với các ảnh hưởng hệ thống gây ra [24]

1.3.2 Độ không đảm bảo đo

Độ không đảm bảo đo được định nghĩa là thông số không âm đặc trưng cho sự phân tán của các giá trị đại lượng được quy cho đại lượng đo, trên cơ sở thông tin đã sử dụng, đặc

trưng cho sự phân tán của các giá trị có thể quy cho đại lượng một cách hợp lý Thông số ở đây có thể là độ lệch chuẩn, bội số của độ lệch chuẩn hoặc nửa độ rộng của một khoảng có mức tin cậy (xác xuất tin cậy) xác định [24]

- Thành phần độ không đảm bảo đo

Độ không đảm bảo chuẩn (u) : là độ không đảm bảo của kết quả phép đo được thể hiện như là độ lệch chuẩn

Độ không đảm bảo chuẩn tổng hợp (uc): Là độ không đảm bảo chuẩn của phép đo khi kết quả này nhận được từ giá trị của một số các đại lượng khác Độ không đảm bảo chuẩn tổng hợp bằng căn bậc hai của tổng phương sai hoặc hiệp biến của các đại lượng nói trên, những phương sai hoặc hiệp biến này được lấy trọng số tuỳ theo kết quả của phép đo biến đổi phụ thuộc vào sự thay đổi của các đại lượng này như thế nào

Độ không đảm bảo đo mở rộng (U): là đại lượng xác định một khoảng bao quanh kết quả đo mà có thể hy vọng rằng nó sẽ phủ một phần lớn phân bố của các giá trị có thể quy cho đại lượng đo một cách hợp lý

U = k.uc (k=2 theo tiêu chuẩn ISO/IEC 17025)

Theo hướng dẫn ước lượng độ không đảm bảo đo độ không đảm bảo đo được đánh giá theo 2 loại khác nhau:

Đánh giá loại A (về độ không đảm bảo): Phương pháp đánh giá độ không đảm bảo bằng cách phân tích thống kê một loạt các kết quả quan trắc

Đánh giá loại B (về độ không đảm bảo): Phương pháp đánh giá độ không đảm bảobằng phương pháp khác với phương pháp sử dụng phân tích thống kê một loạt các kết quả quan trắc.[24]

Có thể hiểu theo một cách khác về thành phần độ không đảm bảo đo bao gồm:

+ Thành phần độ không đảm bảo gây ra bởi ảnh hưởng ngẫu nhiên

+ Thành phần độ không đảm bảo gây ra bởi ảnh hưởng hệ thống

Hiện nay trong lĩnh vực đo lường, hiệu chuẩn, việc nghiên cứu xây dựng phương pháp ước lượng độ không đảm bảo đo mang tính cấp thiết, thông qua tính toán độ không đảm bảo

có thể đánh giá độ chính xác của chuẩn, phương pháp hiệu chuẩn [24]

1.4 Hệ thống chuẩn đo lường quốc gia lĩnh vực góc tại một số quốc gia trên thế giới

Hệ thống chuẩn đo lường quốc gia lĩnh vực góc thường là chuẩn đầu tức là chuẩn có độ chính xác cao mà giá trị của nó không dựa vào các chuẩn khác cùng đại lượng Do đó các chuẩn này phải được liên kết đến định nghĩa đơn vị góc (Radian) trong hệ đơn vị quốc tế SI hoặc chuẩn tự nhiên của lĩnh vực góc là vòng tròn khép kín có giá trị độ lớn là 2π và không

có sai số Xây dựng hệ thống chuẩn đo lường quốc gia lĩnh vực góc đồng thời cũng phải nghiên cứu phương pháp đánh giá, duy trì, liên kết chuẩn

1.4.1 Hệ thống chuẩn đo lường quốc gia lĩnh vực góc của Viện Quốc gia về chuẩn và

công nghệ Mỹ (NIST)

Hình 1.10: Chuẩn đo lường lĩnh vực góc tại NIST [42]

Hệ thống chuẩn đo lường góc của NIST là hệ thống hiệu chuẩn góc chính tự động tiên tiến ký hiệu AAMACS (Advanced Automated Master Angle Calibration System) AAMACS thuộc loại chuẩn góc toàn vòng kiểu cơ, cấu tạo bao gồm 03 đĩa chia độ dạng bánh răng, số lượng răng trên mỗi đĩa chia độ lần lượt Z1 = 729, Z2 = 832, Z3 = 625 răng Các đĩa chia độ được lắp đồng trục trên trục chính của hệ thống hình 1.10 [41]

- Số vị trí của thiết bị được xác định trong một vòng tương ứng với số góc được tạo ra :

Z1 × Z2 ×Z3 = 625 × 832 × 729 = 379 080 000 (1.7)

- Độ phân giải của thiết bị: 0,0034

r = 379 080 0002 π = 17 × 10−9 rad = 0,0034" (1.8)

- Độ không đảm bảo đo U = 0,02"

1.4.2 Hệ thống chuẩn đo lường lĩnh vực góc của PTB

Chuẩn đo lường quốc gia lĩnh vực góc của PTB là thiết bị mã hóa đo góc chính xác (Master rotary encoder – Angle comparator ) ký hiệu WMT 220 như trên hình 1.11b thiết

bị này sử dụng đĩa chia độ quang học dạng gia số có sơ đồ nguyên lý được thể hiện trên hình 1.11a

Hình 1.11: Chuẩn đo lường lĩnh vực góc tại PTB a) Sơ đồ nguyên lý, b) Hình ảnh [42]

Đặc trưng kỹ thuật của WMT 220:

- Số lượng vạch chia 218 = 262 114 vạch chia

- Bộ nội suy (12 bit) 212 = 4096

- Độ phân giải của hệ thống:

r = 262 114 ×40962π = 6 × 10−9 = 0,0012" (1.9)

Độ không đảm bảo đo: U = 0,0047ʺ

Phương pháp hiệu chuẩn: Phương pháp tự hiệu chuẩn đĩa chia độ bằng biến đổi Fourier rời rạc (DFT) kết hợp với phương pháp hiệu chuẩn chéo

1.4.3 Hệ thống chuẩn đo lường quốc gia lĩnh vực góc của INRIM

INRIM sử dụng thiết bị laser vòng ( Ring Laser – Mod G-1L by ZG Optique ) làm chuẩn đo lường quốc gia lĩnh vực góc của Italia được như trên hình 1.12

Độ không đảm bảo đo của hệ thống U = 0,1

Hình 1.12: Chuẩn đo lường quốc gia lĩnh vực góc INRIM [42]

1.4.4 Hệ thống chuẩn đo lường quốc gia lĩnh vực góc của NMIJ

Hệ thống chuẩn góc của NMIJ bao gồm 03 chuẩn góc

+ Chuẩn góc để hiệu chuẩn thiết bị mã hóa đo góc ( Rotary encoder) là chuẩn góc toàn vòng bao gồm 03 đĩa chia độ dạng gia số được lắp đồng trục với nhau như trên hình 1.13a

Độ không đảm bảo đo U = 0,01

+ Hệ thống thiết bị tạo góc nhỏ áp dụng nguyên lý thước sin như trên hình 1.13b

Độ không đảm bảo đo U = 0,03 ( Phạm vi đo ± 10)

Độ không đảm bảo đo U = 0,1 ( Phạm vi đo từ ± 10 đến ± 1000 )

+ Hệ thống hiệu chuẩn đa diện góc là chuẩn góc toàn vòng góc sử dụng đĩa chia độ dạng gia số hình 1.13c Độ không đảm bảo đo U = 0,03

Hình 1.13: Chuẩn Đo lường quốc gia lĩnh vực góc Nhật bản [42]

a) Hệ thống hiệu chuẩn RE, b) Bộ tạo góc nhỏ, c) Hệ thống hiệu chuẩn đa diện góc

1.4.5 Hệ thống chuẩn đo lường quốc gia lĩnh vực góc của Viện đo lường Trung Quốc

Hình 1.14: Chuẩn Đo lường lĩnh vực góc Trung Quốc (NIM)[42]

Hệ thống chuẩn góc hình 1.14 bao gồm:

+ Bàn chia độ chuẩn đo góc phẳng

Phạm vi đo 360o Độ không đảm bảo đo U= 0,12

+Bộ tạo góc nhỏ sử dụng giao thoa kế laser do hãng Reinishaw chế tạo

Phạm vi đo ±1o ; độ không đảm bảo đo U=0,05

b)

c)

Nhận xét hệ thống chuẩn đo lường quốc gia của các NMIs

- Các chuẩn đo lường quốc gia lĩnh vực góc là hệ thống chuẩn đo lường hiện đại có chính xác cao trong đó có sự kết hợp công nghệ tiên tiến như cơ, quang, điện tử điều khiển

tự động sử dụng linh kiện đắt tiền Hệ thống chuẩn đo lường quốc gia lĩnh vực góc của NIST

là chuẩn góc toàn vòng theo kiểu cơ khí được chế tạo có độ chính xác, độ phân giải cao, tuy nhiên để chế tạo các đĩa chia độ trục quay của chuẩn này đảm bảo độ chính xác theo yêu cầu đòi hỏi phải có công nghệ đặc biệt giá thành cao, khó tự động hóa phương pháp hiệu chuẩn do hệ thống được chế tạo là thuần cơ khí Hệ thống chuẩn đo lường quốc gia lĩnh vực góc của INRIM là chuẩn góc toàn vòng sử dụng nguyên lý laser vòng, hệ thống đảm bảo việc hiệu chuẩn các chuẩn góc, tuy nhiên hệ thống gặp nhiều khó khăn về phương pháp tự hiệu chuẩn cho hệ thống và việc lắp đặt hiệu chỉnh thiết bị cũng phức tạp Chuẩn góc của PTB đảm bảo việc hiệu chuẩn các chuẩn góc nhỏ, đa diện quang học và RE một cách thuận lợi tuy nhiên giá thành của chuẩn góc cao đến hàng triệu USD

- Nghiên cứu các hệ thống chuẩn đo lường quốc gia lĩnh vực góc của các nước giúp cho luận án rút ra kinh nghiệm, ý tưởng và hướng nghiên cứu từ đó đưa ra nội dung nghiên cứu của luận án Sự kết hợp chuẩn góc toàn vòng và bộ tạo góc nhỏ để đảm bảo duy trì và dẫn xuất chuẩn đo lường lĩnh vực góc giúp cho việc hoàn thiện hệ thống chuẩn đo lường quốc gia lĩnh vực góc được thực hiện một cách kinh tế vẫn đảm bảo độ chính xác của hệ thống

độ chính xác của vạch chia [43, 47,48]

Hình 1.15: Minh họa chuẩn góc sử dụng vòng tròn chia độ

Nguyên lý của chuẩn góc toàn vòng: Một vòng tròn được chia thành NG phần bằng nhau khi đó giá trị góc của phần nhỏ được xác định bằng 2/ NG Tùy theo phương pháp chia nhỏ vòng tròn ta có chuẩn góc toàn vòng kiểu cơ, laser vòng, đĩa chia độ mã hóa góc quay

Chuẩn tự nhiên

Chuẩn đầu góc

phẳng

Vạch chia độ Phương pháp đo

1.5.1 Chuẩn góc toàn vòng kiểu cơ

Chuẩn góc toàn vòng kiểu cơ thường được sử dụng như đa diện góc và bàn quay phân

độ Độ phân giải của chuẩn phụ thuộc vào số mặt của đa diện góc hay số răng của đĩa chia

độ Để nâng cao độ phân giải của chuẩn đối với bàn quay phân độ có thể được lắp thêm đĩa chia độ là các bánh răng lắp đồng trục với nhau

Trong trường hợp này, số vị trí của thiết bị được xác định trong một vòng:

∏ki=1Ni (1.10)

Độ phân giải của thiết bị:

r = ∏2 πN

i G i=1 (1.11) Trong đó N: số răng trên một bánh răng,

G: số bánh răng

1.5.2 Chuẩn góc toàn vòng sử dụng laser vòng

Hình 1.16: Laser vòng a) Sơ đồ nguyên lý; b) sơ đồ kết cấu [26]

Nguyên lý hoạt động của chuẩn góc toàn vòng sử dụng laser vòng: tại buồng cộng hưởng hình tam giá đều của laser vòng có hai tia laser bước sóng  một tia laser thuận theo chiều kim đồng hồ, tia còn lại có chiều ngược chiều kim đồng hồ (hình 1.16 a) Khi quay buồng cộng hưởng quang lộ của tia laser có sự thay đổi, ví dụ tia ngược chiều kim đồng hồ có quang lộ ngắn hơn so với tia thuận chiều kim đồng hồ hoặc ngược lại tùy theo chiều quay của buồng cộng hưởng Căn cứ vào tần số phách f (beat frequency) giữa hai tia laser khi quay laser vòng, từ đó xác định góc quay của buồng cộng hưởng như trên hình 1.16b Độ chính xác của chuẩn góc toàn vòng sử dụng laser vòng phụ thuộc vào bước sóng của laser

và kích thước của buồng cộng hưởng

Giá trị góc  được xác định theo công thức 1.12 [26]:

θ = f×λ×S4×A (1.12) Trong đó:

f: Tần số phách : Bước sóng laser

S: Chu vi laser vòng

A: Diện tích laser vòng

1.5.3 Chuẩn góc toàn vòng sử dụng đĩa chia độ mã hóa góc quay

- Nguyên lý của chuẩn góc toàn vòng sử dụng đĩa chia độ mã hóa góc quay RE Nguyên lý cấu tạo và hoạt động của chuẩn góc RE như trên hình 1.17, khi quay trục 1 một góc , đĩa chia độ 2 bao gồm các vạch chia độ gắn với trục sẽ quay theo, đầu đọc 3 sẽ đọc liên tục các vạch chia đi qua, độ lớn góc quay  của trục được xác định bằng số lượng các vạch chia đọc được và đó là độ lớn góc chuẩn cần tạo ra [12,16]

Hình 1.17: Sơ đồ nguyên lý chuẩn góc toàn vòng sử dụng RE

1: Trục quay, 2: Đĩa chia độ, 3: Đầu đọc

- Về cấu tạo RE có hai loại chính RE quang và RE Từ

Hình 1.18: Các loại đĩa chia độ, a) Đĩa chia độ quang học, b) Đĩa chia độ từ [9,16]

Chi tiết quan trọng của RE là đĩa chia độ, cấu tạo đĩa chia độ bao gồm hệ thống các vạch chia được in khắc trên bề mặt đĩa tròn bằng thủy tinh (đĩa chia độ quang học) được thể hiện trên hình 1.18 ahoặc các vạch chia được mã hóa theo kiểu từ tính (đĩa chia độ từ) như trên hình 1.18 b

1

2

3

Việc sử dụng đĩa chia độ loại nào tương ứng với tên gọi của RE, ví dụ RE sử dụng đĩa

chia độ từ tính được gọi là RE từ Đĩa chia độ quang học thường được dùng đối với các thiết

bị đo góc có độ chính xác cao, tốc độ quay lớn, làm việc ổn định, trong nhiều trường hợp

các vạch chia còn được in khắc trên mặt trụ của đĩa chia độ Đĩa chia độ từ thường được

dùng trong công nghiệp vì khả năng chịu được rung động, chống bụi bẩn và hoạt động được

trong điều kiện môi trường đặc biệt [11,18]

- Phương pháp mã hóa

Căn cứ vào phương pháp đọc và xử lý tín hiệu đo theo kiểu số gia tương đối (Incremental measuring method) hay phương pháp tuyệt đối (absolute measuring method)

để chế tạo các đĩa chia độ quang học có kết cấu các vạch chia khác nhau

Đối với phương pháp đọc tuyệt đối, hệ thống vạch chia được in khắc trên đĩa chia độ

theo các vòng tròn khác nhau, mỗi một vòng tròn được mã hóa theo dạng khác nhau Các

chi tiết như nguồn sáng (LED), mặt nạ, cảm biến quang được bố trí theo hướng kính từ

ngoài vào trong khi đó số vạch khắc hay độ phân giải được xác định bằng 1/2n trong đó n

là số các vòng tròn mã hóa như trên hình 1.19

Hình 1.19: Đĩa chia độ theo phương pháp đọc tuyệt đối [7]

Trong phương pháp sử dụng đĩa chia độ dạng tuyệt đối, các vạch chia của đĩa chia độ

chứa thông tin vị trí tuyệt đối có được từ cấu trúc mã hóa duy nhất của các vạch chia Phương

pháp tuyệt đối được sử dụng trong trường hợp góc quay là nhỏ, khi đó việc xử lý tín hiệu

đo dễ dàng hơn Tuy nhiên đĩa mã hóa tuyệt đối có độ phân giải không cao do số vạch khắc

nhỏ, số vòng tròn tỷ lệ với số vạch và cần nhiều đầu đọc [10,11,22]

Đĩa chia độ

Phương pháp đọc số gia tương đối đã khắc phục được các nhược điểm của phương pháp tuyệt đối, hệ thống vạch được in khắc trên bề măt đĩa chia độ chỉ trên một vòng tròn, hình 1.20a, khoảng cách giữa một vạch đen và một vạch trắng có bề rộng bằng nhau được gọi là một chu kỳ C, đóng vai trò như là một vạch chia độ, (hình 1.20b)chu kỳ C thường được chế tạo có kích thước 40 µm, 20 µm, 10 µm, 4 µm, khi C nhỏ hơn 4 µm sẽ xẩy ra hiện tượng nhiễu xạ ảnh hưởng đến quá trình đọc vạch Trong phương pháp này thông tin về vị trí góc của vạch chia được tính tăng thêm một lượng xác định so với vạch chia cố định còn gọi là vạch gốc ( referent marks) Giá trị góc được xác định bằng cách đọc các số vạch tăng thêm so với điểm gốc, đây là phương pháp hay được sử dụng chế tạo chuẩn có độ chính xác cao do việc chỉ cần gia công các vạch chia đều nhau, qua đo nâng cao được độ chính xác, độ phân giải của thiết bị [22]

Hình 1.20: a) Đĩa chia độ kiểu gia số[9], b) Vạch chia của đĩa chia độ

1.5.4 Đầu đọc

Đối với chuẩn toàn vòng sử dụng đĩa chia độ kiểu gia số đầu đọc cũng là chi tiết quan trọng, khi quay đĩa chia độ đầu đọc sẽ xác định số vạch tăng thêm so với vạch gốc xác định giá trị góc quay của đĩa chia độ Hiện nay tồn tại nhiều đầu đọc có nguyên lý và cấu tạo khác nhau nhưng chủ yếu sử dụng các loại đầu đọc:

+ Đầu đọc theo nguyên lý truyền qua

+ Đầu đọc theo nguyên lý phản xạ

a) Đầu đọc theo nguyên lý truyền qua

Nguyên lý hoạt động của đầu đọc quét ảnh như trên hình 1.21, ánh sáng từ nguồn sáng

1 đi qua thấu kính 2 tạo thành chùm sáng song song đi qua mặt nạ 3 có cấu tạo bao gồm hai

hệ thống vạch chia có kích thước giống hệt với vạch chia của đĩa chia độ

Khi đĩa chia độ dịch chuyển, thông lượng ánh sáng đi qua đĩa chia độ thay đổi theo chu

kỳ từ sáng đến tối và ngược lại Tại bộ thu tín hiệu sẽ thu được tín hiệu thông lượng ánh sáng

có dạng hình sin, hai hệ vạch cách nhau một khoảng sao cho tín hiệu thu được tại bộ thu tín hiêu lệch pha một phần bốn chu kỳ để phát hiện ra chiều chuyển động của đĩa chia độ

C b) a)

Hình 1.21: Sơ đồ nguyên lý đầu đọc quét ảnh[18]

a) Đầu đọc theo nguyên lý phản xạ

- Đầu đoc kiểu phản xạ khi đó nguồn sáng, cảm biến tín hiệu quang học nằm cùng một phía của đĩa chia độ hình 1.22 chùm sáng chiếu vào vạch chia của đĩa chia độ sau đó phản

xạ lại bề mặt của cảm biến tín hiệu quang học [18,22]

Hình 1.22: Đầu đọc phản xạ [18]

Đối với chuẩn góc toàn vòng, sử dụng đầu đọc theo phương pháp phản xạ tạo điều kiện thuận lợi cho việc lắp đặt, căn chỉnh do phần đầu đọc và phần đĩa chia độ tách rời thành hai phần riêng biệt như trên hình 1.22

1.5.5 Phương pháp đảm bảo đo lường chuẩn góc toàn vòng

Một trong biện pháp để đảm bảo đo lường đối với các chuẩn đo lường là tiến hành hiệu chuẩn đối với các chuẩn đo lường đó Thông thường việc hiệu chuẩn được thực hiện bằng

Vạch chia Đĩa chia độ

Vạch chia Mặt nạ

Cảm biến quang học

Thấu kính hội tụ

Nguồn sáng LED

cách so sánh với chuẩn đo lường có độ chính xác cao hơn để xác định sai số của các vạch chia Tuy nhiên đối với các chuẩn toàn vòng, đặc biệt chuẩn toàn vòng sử dụng RE có thể thực hiện tự hiệu chuẩn bằng cách sử dụng nguyên lý vòng tròn khép kín

1.5.5.1 Nguyên lý vòng tròn khép kín

Đĩa chia độ được chia thành NG phần bằng nhau, giá trị góc thành phần được ký hiệu là

A1 ,A2 A3…. An và giá trị độ lớn của nó được xác định theo công thức 1.13 [47] được so sánh với giá trị độ lớn góc tham chiếu có giá trị 2π/NG [rad], các ký hiệu a1, a2, a3,…. an và x biểu thị sai lệch của các giá trị góc nói trên so với giá trị danh nghĩa của chúng:

Ai = N2π

G+ ai, (1.13) Với i = 1,2,3,…, NG

i=1 = 0 (1.16) Một vòng tròn khép kín được chia thành n góc đều nhau khi đó tổng sai lệch của các giá trị góc riêng biệt đó so với giá trị danh nghĩa của chúng là bằng không Đối với các chuẩn góc toàn vòng khi quay hết một vòng thì sai số của nó sẽ lặp lại, dựa vào tính chất này chính

là cơ sở để xây dựng phương pháp tự hiệu chuẩn cho chuẩn góc đảm bảo độ chính xác [47,49,50]

1.5.5.2 Phương pháp hiệu chuẩn chéo

Phương pháp hiệu chuẩn chéo ( The Cross-Calibration methods) được thực hiện bằng cách sử dụng đĩa chia độ phụ B lắp đồng trục với đĩa chia độ A cần hiệu chuẩn ( hình 1.23)

Hình 1.23: Sơ đồ hiệu chuẩn chéo

Trong phương pháp này đĩa chia độ phụ không cần thiết phải có độ chính xác cao hơn đĩa chia độ cần hiệu chuẩn Phương pháp này xác định sai số tương đối của từng góc riêng biệt giữa đĩa chia độ chính và đĩa chia độ phụ Tập hợp các sai số tương đối kết hợp với nguyên lý vòng tròn khép kín của cả hai đĩa chia độ sẽ xác định được biểu đồ sai số của từng đĩa chia độ A và B (Nguyên lý vòng tròn khép kín kép) Phương pháp này đạt độ chính xác

cao tuy nhiên khi tự hiệu chuẩn theo phương pháp này đòi hỏi trang bị các thiết bị phụ trợ như bộ điện tử xử lý số liệu, hệ cơ khí phức tạp đắt tiền do phải thực hiện n2 lần đo cho n

số góc cần xác định [5,13,47,51]

1.5.5.3 Phương pháp nhiều đầu đọc

Trong phương pháp này dùng nhiều đầu đọc, và bộ trí theo quy luật nhất định trên đĩa chia độ Khi thực hiện hiệu chuẩn, sai số tương đối giữa góc thành phần của của đĩa chia độ được đo thông qua các đầu đầu đọc Kết hợp với nguyên lý vòng tròn khép kín sẽ xác định sai số của từng đầu đọc từ đó xác định sai số của chuẩn toàn vòng [34] Việc bố trí các đầu đọc tùy thuộc vào phương pháp xử lý số liệu Ví dụ đối với chuẩn toàn vòng của PTB sử dụng đĩa chia độ có 218 = 262 114 vạch chia, các đầu đọc được bố trí được thể hiện trên hình 1.24

Hình 1.24 Sơ đồ bố trí đầu đọc chuẩn góc toàn vòng WMT 220 của PTB[32]

Đĩa chia độ bao gồm 8 đầu đọc từ AK1 đến AK8 chia đều vòng tròn thành 8 phần bằng nhau cách nhau một khoảng 45o ngoài ra 8 đầu đọc từ AK9 đến AK16 được bố trí theo từng cặp chia đôi các góc thành phần đầu đọc AK9 chia đôi góc 45o giữa AK1 và AK2 thành các góc bằng nhau 22,5o đầu đọc AK10 Chia đôi góc 22,5o tạo thành góc 11,25o , đầu đọc

AK11 và AK12 chia đôi thành góc 5,63o và góc 2,81o Với cách chia này, khoảng chia được xác định bằng 360o/27 2,81o Việc bố trí này đưa ra phương pháp hiệu chuẩn mới dựa trên biến đổi Fourier rời rạc có tính đến thành phần bậc cao (hài bậc 3) của chuỗi Fourier Đầu đọc AKR riêng biệt để xác định vị trí “0” của thiết bị Việc nghiên cứu bố trí các đầu đọc trên một đĩa chia độ để thực hiện tự hiệu chuẩn xác định sai số của vạch chia đảm bảo độ

chính xác của thiết bị đồng thời đảm bảo tính kinh tế cũng là mục tiêu nghiên cứu của luận

án [20,34,46,47]

Nhận xét

- Phương pháp hiệu chuẩn chéo có thể đạt độ chính xác cao, khả năng đáp ứng với việc hiệu chuẩn các chuẩn toàn vòng khác tốt tuy nhiên thiết bị chế tạo rất phức tạp, đắt tiền, độ phân giải bị hạn chế nếu giá trị n lớn bộ điện tử phức tạp vì phải giải hệ phương trình có n2

+ 2 phương trình

- Phương pháp nhiều đầu đọc là phương pháp đạt độ chính xác, độ phân giải cao đáp ứng được nhu cầu của chuẩn toàn vòng Qua việc nghiên cứu sơ đồ nguyên lý của phương pháp này khả năng đáp ứng về công nghệ chế tạo về cơ khí chính xác, điều khiển điện tử của Việt Nam hoàn toàn phù hợp Chuẩn góc toàn vòng sử dụng phương pháp này hoàn toàn đáp ứng được yêu cầu kỹ thuật của hệ thống chuẩn đo lường lĩnh vực góc

1.6 Bộ tạo góc nhỏ

Chuẩn góc toàn vòng muốn đạt độ chính xác trong phạm vi góc nhỏ 1o phảicó độ phân giải phù hợp để có thể hiệu chuẩn được các chuẩn, thiết bị đo góc nhỏ có độ chính xác cao như ống tự chuẩn trực Các chuẩn này thường có giá thành cao, công nghệ chế tạo phức tạp

Để có thể hiệu chuẩn được các chuẩn góc nhỏ đặc biệt là ống tự chuẩn trực là thiết bị đo góc

có độ chính xác cao sử dụng trong phép hiệu chuẩn đa diện góc, có phạm vi đo từ ± 10 đến hàng nghìn giây, giá trị độ chia đến 0,001[1] nhất thiết phải có chuẩn có giá trị độ chia nhỏ đáp ứng yêu cầu kỹ thuật của phép hiệu chuẩn Do đó việc nghiên cứu, thiết kế chế tạo bộ tạo góc nhỏ là việc làm cần thiết đạt hiệu quả cao

sử dụng do việc xác định khoảng cách dây cung AC có thể đạt độ chính xác cao như trên hình 1.26

1.6.2 Các nguyên lý tạo góc nhỏ

1.6.2.1 Nguyên lý tang

Sơ đồ nguyên lý kết cấu của bộ tạo góc nhỏ theo nguyên lý tang như trên hình 1.26 Trong

sơ đồ này cánh tay đòn OA quay quanh tâm O và cơ cấu thay đổi chiều cao h cho ta góc θ được xác định

θ = arctg OCh (1.22)

B

r

C

Hình 1.26: Bộ tạo góc nhỏ sử dụng nguyên lý tang

Sử dụng nguyên lý tang để thiết kế thiết bị tạo góc nhỏ ngoài việc tạo ra được bước dịch chuyển chính xác của h đồng thời phải cố định được giá trị khoảng cách OC như trên hình 1.27 Dễ dàng nhận thấy điểm C theo sơ đồ như hình 1.27 là điểm ảo, điều này cũng ảnh hưởng tới việc xác định chính xác khoảng cách OC Cánh tay đòn OA quay quanh tâm

O được thực hiện bằng cách dịch chuyển trục AC lên xuống thông qua khớp trượt C khi đó khoảng cách OC được xác định từ tâm O đến tâm của khớp trượt C, điểm A thuộc đoạn thẳng AC Trong trường hợp này độ chính xác của bộ tạo góc nhỏ phụ thuộc vào việc xác định chính xác bước dịch chuyển h và khoảng cách OC

1.6.2.2 Nguyên lý sin

Hình 1.27: Bộ tạo góc nhỏ sử dụng nguyên lý sin

Trường hợp sử dụng hàm sin khi đó giá trị góc θ được tính theo công thức :

θ = arcsinOAh = arc sinhL (1.23) Trong trường hợp góc θ nhỏ khi đo giá trị góc θ đước xác định:

θ = arcsinOAh = arc sinhL≅hL (1.24)

Sơ đồ thiết bị tạo góc nhỏ sử dụng nguyên lý sin hình 1.28, cánh tay đòn OA quay quanh tâm O cố định thông qua sự dịch chuyển lên xuống của trục AC, khác với trường hợp bộ tạo góc nhỏ sử dụng nguyên lý tang khoảng cách OA = L được xác định chính xác trên cánh tay đòn, điểm A thuộc đoạn thẳng OA vì vậy độ chính xác phụ thuộc vào việc xác định bước dịch chuyển và độ chính xác xác định khoảng cách cánh tay đòn L

1.6.2.3 Phân tích nguyên lý tạo góc nhỏ

Từ những nghiên cứu ở trên có thể rút ra những nhận xét như sau:

- Nguyên lý tạo góc nhỏ sử dụng thước tang có phạm vi đo lớn tuy nhiên việc đảm bảo

sự ổn định tâm quay O và tâm rãnh trượt C nhằm xác định khoảng cách D khó khăn vì có sự ảnh hưởng của chuyển động để tạo khoảng cách h như trên hình 1.27 Khi dịch chuyển tạo

ra giá trị h khớp trượt tại điểm C luôn tồn tại khe hở do đó kích thước D bị thay đổi, lượng thay đổi phụ thuộc vào khe hở của rãnh trượt chính điều này ảnh hưởng đến độ chính xác khi tạo góc

- Bộ tạo góc nhỏ sử dụng nguyên lý sin đã khắc phục được những nhược điểm trên do cánh tay đòn OA có kích thước L là cố định khi thực hiện chuyển động quay như trên hình 1.28 So với bộ tạo góc sử dụng nguyên lý tang, khi bước dịch chuyển h có độ chính xác như nhau thì bộ tạo góc nhỏ sử dụng nguyên lý sin thể đạt được độ chính xác cao do khả năng xác định chính xác khoảng cách L và tính ổn định kích thước trong quá trình hoạt động Nguyên lý tạo góc nhỏ sử dụng thước sin, tang đều có thể thực hiện để tạo lập góc nhỏ theo phương ngang, hoặc phương thẳng đứng Trong khuôn khổ của luận án lựa chọn phương pháp sử dụng thước sin làm cơ sở để nghiên cứu thiết kế bộ tạo góc nhỏ [1]

1.6.3 Một số bộ tạo góc nhỏ

1.6.3.1 Bộ tạo góc nhỏ kiểu cơ khí ( hình 1.28)

Nguyên lý hoạt động: điều chỉnh pan me 2 thông qua cơ cấu cánh tay đòn 3 cánh tay đòn 1 nghiêng một góc , giá trị góc  được xác định bằng tỷ số giữa khoản dịch chuyển của pan me và chiều dài cánh tay đòn Bộ tạo góc nhỏ này có phạm vi đo ± 500" độ chính xác ± 0,4" Bộ tạo góc nhỏ kiểu cơ tuy có kết cấu tương đối đơn giản song bị hạn chế về độ chính xác do độ chính xác của pan me chỉ đạt cỡ micromet

Hình 1.28: Bộ tạo góc nhỏ kiểu cơ* 1) cánh tay đòn; 2) panme đo; 3) Cơ cấu đòn bẩy [8]

1.6.3.2 Bộ tạo góc nhỏ sử dụng động cơ dịch chuyển nhỏ chính xác

Toàn bộ hệ thống được đặt trên giá đỡ 1 được chế tạo từ thép không rỉ cánh tay đòn 2 được chế tạo bởi vật liệu đặc biệt có hệ số dãn nở nhiệt độ thấp, độ cứng cao, vật liệu chế tạo hay được sử dụng là hợp kim Invar Bộ đối trọng 3 được gắn chặt với cánh tay đòn đảm bảo độ ổn định của cánh tay đòn khi quay quanh ổ quay 4 động cơ bước Piezo 5 là bộ phận chính tạo ra góc nhỏ Góc được tạo ra khi cánh tay đòn 2 quay quanh ổ quay 4 nhờ chuyển

3