Bài giảng Đo lường độ dài do TS. Ngô Ngọc Anh biên soạn trình bày về những khái niệm cơ bản trong đo lường độ dài; chuẩn và thiết bị đo; chuẩn đơn vị độ dài; căn mẫu song phẳng; chuẩn góc; thiết bị đo góc; Panme; dụng cụ đo kiểu thước cặp; thiết bị đo dạng đồng hồ so; máy phóng hình; máy đo độ nhám bề mặt; máy đo tọa độ.
Author: PhD. NgoNgocAnh
2014
• Đo lường là việc định lượng độ lớn của đối tượng đo. • Phép đo là tập hợp các thao tác để xác định giá trị độ lớn của
Thực chất đó là việc so sánh đại lượng cần đo với đơn vị đo để tìm ra tỷ lệ giữa chúng. Ví dụ: Đại lượng cần đo là Q, đơn vị đo dùng để so sánh là u. Khi so sánh ta có tỷ lệ giữa chúng là:
Kết quả đo sẽ biểu diễn là: Q = q.u
Việc chọn độ lớn đơn vị đo khác nhau khi so sánh sẽ cho các trị số q khác nhau. Đơn vị đo cần được chọn sao cho kết quả đo được biểu diễn đơn giản, gọn, tránh nhầm lẫn khi ghi chép và tính toán, đặc biệt cần theo các đơn vị đo hợp pháp.
1
Author: PhD. NgoNgocAnh
2014
Đo lường học là khoa học về phép đo, nó bao gồm tất cả các khía cạnh lý thuyết và thực tiễn có liên quan đến phép đo, với bất kỳ độ chính xác nào và trong tất cả các lĩnh vực mà phép đo xuất hiện. Có các lĩnh vực đo lường học chủ yếu sau:
Đo lường học
Đo lường học
Đo lường học
Đo lường học
lý thuyết
ứng dụng
kỹ thuật
pháp quyền
Đo lường
Đo lường
Đo lường
công nghiệp
thiên văn
Y học
• Đơn vị đo: là đại lượng riêng biệt được xác định và chấp nhận theo quy ước mà các đại lượng khác cùng loại được so sánh với nó để diễn tả độ lớn tương đối của chúng theo đại lượng này.
• Đơn vị cơ bản: là đơn vị mà độ lớn của nó được chọn độc lập với những đơn vị khác. Ví dụ: đơn vị mét (m) để đo độ dài, kilôgam (kg) để do khối lượng, giây (s) để đo thời gian …Độ lớn của những đơn vị này được lựa chọn sao cho vừa phải, phù hợp với những yêu cầu đo lường trong đời sống.
• Đơn vị dẫn xuất: là đơn vị được xây dựng qua các đơn vị cơ bản, độ lớn của đơn vị dẫn xuất phụ thuộc vào độ lớn của đơn vị cơ bản. Ví dụ: đơn vị diện tích “mét vuông” (m2), đơn vị vận tốc “mét trên giây” (m/s) …
• Hệ đơn vị: Tập hợp các đơn vị cơ bản và đơn vị dẫn xuất được xác định theo những nguyên tắc nhất định ứng với một hệ đại lượng đã cho. Ví dụ: CGS, MKgls, MTS, MKSA, hệ mét, hệ đơn vị quốc tế SI …
2
Author: PhD. NgoNgocAnh
2014
QUY ĐỊNH QUỐC TẾ VỀ CÁCH VIẾT GIÁ TRỊ CỦA ĐẠI LƯỢNG:
• Không dùng dấu chấm (.)mà dùng một khoảng cách để phân các nhóm số. Ví dụ: không viết 1.254.056, 73 mà viết 1 254 056,73.
• Không viết hoa tên các đơn vị dù được gọi theo tên các nhà bác học như ampe, niutơn, héc … nhưng ký hiệu các đơn vị này phải bằng chữ cái in hoa như A, H, Hz …
• Với ký hiệu đơn vị là tích của nhiều đơn vị cơ bản thì giữa chúng phải có dấu chấm với ý nghĩa là dấu nhân. Ví dụ: đơn vị công là niutơn mét (N.m).
• Với ký hiệu là thương của nhiều đơn vị, khi viết có thể dùng vạch ngang, vạch xiên. Tích các đơn vị thuộc mẫu số phải để trong dấu ngoặc, có thể dùng lũy thừa âm. Ví dụ: W/(m.K) hoặc W.m -1.K-1.
• Ký hiệu đơn vị phải để sau và trên cùng một dòng với trị số của đại lượng, kể cả khi trị số là số thập phân; giữa chữ số sau cùng và ký hiệu phải có khoảng cách. Ví dụ: 100,5 m; 9,25 kg …
3
• Khi ghi giá trị đại lượng có kèm theo độ lệch, trị số và độ lệch phải đặt trong dấu ngoặc hoặc viết ký hiệu đơn vị lần lượt sau trị số và độ lệch. Ví dụ: (100,0 + 0,1) g hoặc 100,0 g + 0,1 g.
Author: PhD. NgoNgocAnh
2014
• Đơn vị: là đơn vị cơ bản - mét • Ký hiệu: m
Bảng 1. Các ước bội của mét
Tên gọi
Ký hiệu
Giá trị
Tên gọi
10-2 mét
centimet
10-3 mét
millimet
micromet
10-6 mét
mm
kilomet
km
Table 3. SI prefixes
Factor Symbol Name Symbol Factor Name
1024 d yotta Y 10-1 deci
c 1021 zetta Z 10-2 centi
1018 m exa E 10-3 milli
1015 peta P 10-6 micro m
1012 n tera T 10-9 nano
p 109 giga G 10-12 pico
f 106 mega M 10-15 femto
a 103 kilo k 10-18 atto
102 z hecto h 10-21 zepto
4
deka da 10-24 yocto y 101
Author: PhD. NgoNgocAnh
2014
Hệ Anh – Mỹ: yard & Inch. • Yard Inch •
Mối quan hệ giữa inch, mét, yard?
5
Đơn vị: Góc phẳng là đơn vị dẫn xuất trong hệ đơn vị quốc tế Sl. Quy định đơn vị góc là radian với ký hiệu rad. Định nghĩa: “Một radian bằng góc ở tâm một vòng tròn, giới hạn bởi cung tròn có chiều dài bằng bán kính ”
Author: PhD. NgoNgocAnh
2014
Lịch sử phát triển chuẩn độ dài: Birth of a standard – The Egyptian Cubit
http://en.wikipedia.org/wiki/Toise http://en.wikipedia.org/wiki/Yard
Năm 1790, Quốc hội lập hiến Pháp xây dựng hệ đơn vị đo lường cho toàn thế giới: “Hệ mét”. “Mét” (m) là độ dài bằng 1/107 của 1/4 kinh tuyến quả đất.
Năm 1799, dựa vào kết quả đo một cung kinh tuyến quả đất đi qua đài thiên văn Pari, người ta đã chế tạo chuẩn của đơn vị mét. Chuẩn này là một thước hình hộp chữ nhật có tiết diện bằng platin, 25mm4mm, 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”
6
Author: PhD. NgoNgocAnh
2014
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. Dựa vào “mét lưu trữ” người ta chế tạo 31 chuẩn mét. Các chuẩn này dài 1020mm, có tiết diện chữ X, được chế tạo từ hợp kim 90% platin & 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” đã 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
1927- 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”
Đại hội cân đo quốc tế lần thứ XI năm 1960 ở Paris 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".
Độ không đảm bảo đo có thể đạt tới 2.10-9. Giá trị này được 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.
1963: Uỷ ban cân đo quốc tế đã 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.
7
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...
Author: PhD. NgoNgocAnh
2014
1983, Đại hội cân đo quốc tế lần thứ XVII đưa ra định nghĩa mới có độ chính xác rất cao về đơn vị độ dài:
•"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”.
Chuẩn đơn vị độ dài mét
•Sử dụng một trong những bức xạ điện tử do Viện cân đo quốc tế BIPM đưa ra, với tần số f và bước sóng cụ thể và có độ không đảm bảo đo u theo quy định, làm chuẩn đầu độ dài. •Hiện nay các viện đo lường của các nước trên thế giới thường dùng nguồn Laser He - Ne ổn định tần số bằng Iodine có bước sóng = 633nm làm chuẩn đầu độ dài với độ chính xác bước sóng đạt được 2,5.10-11 .
• Cường độ tia Laser lớn gấp bội lần cường độ tia sáng nhiệt • Độ định phương của Laser là cao • Độ đơn sắc (monochromaticity) • Tính kết hợp của Laser (Coherence of laser beam)
Tần số (f)
Độ không
TT
Laser
Kiểu
Mức năng lượng
đảm bảo đo
Bước sóng ()
1S-2S
f = 1233030706593.7 kHz
1
Dye
1H
8.510-13
2-phôton
= 243,1346246260 nm
f = 582490603.37 MHz
2
Ar+
2.510-10
127I2
= 514,6734664 nm
43-0, P(13) a3 : (S)
f = 563260223.48 MHz
3
Nd:YAG
710-11
127I2
= 532,24503614 nm
32-0, R(56), a10
f = 489880354.96 MHz
4
He-Ne
310-10
127I2
26-0, R(12), a9
= 611,970770 nm
f = 489880354.9 MHz
5
He-Ne
310-10
127I2
9-2, R(47), a7(hoặc 0)
= 611,9707700 nm
= 632,991398 22 nm
8
Author: PhD. NgoNgocAnh
2014
• Căn mẫu song phẳng là một loại mẫu kích thước độ dài được sử dụng
rộng rãi trong công nghiệp và các ngành kỹ thuật.
• Căn mẫu song phẳng được dẫn xuất trực tiếp từ nguồn bước sóng chuẩn
thông qua máy so giao thoa.
1. Johansson gauge blocks
Thông dụng nhất
9
Author: PhD. NgoNgocAnh
2014
Kích thước của căn mẫu:
10
Author: PhD. NgoNgocAnh
2014
11
Author: PhD. NgoNgocAnh
2014
Vì sao phải ghép căn mẫu???
12
Author: PhD. NgoNgocAnh
2014
Độ nhám bề mặt căn mẫu Roughness
13
Author: PhD. NgoNgocAnh
2014
14
Author: PhD. NgoNgocAnh
2014
15
Author: PhD. NgoNgocAnh
2014
Hiệu chuẩn căn mẫu bằng phương pháp đo so sánh:
• Gauge block comparator • Reference gauge blocks
Trong trường hợp đầu đo bị lệch như trên, kết quả đo sẽ lớn lên hay bé đi so với thực tế????
16
Author: PhD. NgoNgocAnh
2014
VMI gauge block interferometer
Mitutoyo gauge block interferometer
• Thước vạch Thước cuộn: được chế tạo từ nhiều loại vật liệu với các phạm vi đo và cấp chính xác khác nhau.
17
• Là một vật đọ đa trị. • Thước vạch cấp chính xác cao được dẫn xuất trực tiếp từ bước sóng Laser thông qua thiết bị kiểm thước vạch sau đo truyền xuống các thước vạch cấp chính xác thấp hơn bằng phương pháp đo so sánh
Author: PhD. NgoNgocAnh
2014
• Đa diện quang học (polygon): là một khối trụ nhiều mặt, các mặt bên là các mặt đo. 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 loại mẫu kích thước góc chính xác.
• Các mặt đo của có chất lượng như của căn mẫu song phẳng để có thể ghép thành tổ hợp căn mẫu góc tạo góc yêu cầu. • 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".
18
• 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 ".
Author: PhD. NgoNgocAnh
2014
Thiết bị đo góc thông dụng:
Modern Micrometer
Brown&Sharpe 1867
Palmer 1848
James Watt 1772
• Dụng cụ đo kiểu panme là loại dụng cụ đo sử dụng bộ truyền động vítme– đai ốc để tạo chuyển động đo. Đầu đo động được gắn với trục vít và đai ốc gắn với giá cố định. Thông thường bước ren vít p = 0.5 mm
• Giá trị độ chia của panme (c) phụ thuộc bước ren (p) và số vạch trên tang
chia độ (n):
• Khoảng chia trên thước phụ a:
• Thông thường p = 0.5 mm, n = 50 ta có c = 0.01mm • Khi tăng d và số vạch chia n, giá trị độ chia sẽ nhỏ đi, có thể tới
0,005mm.
• Để giảm sai số tích lũy của truyền động ren vít, panme chỉ dùng hành
trình hạn chế là 25mm.
19
Author: PhD. NgoNgocAnh
2014
• Dụng cụ đo dạng thước cặp gồm 2 phần cơ bản: thân thước mang thước chính gắn với đầu đo cố định và đầu đo động mang thước phụ gọi là du xích. Khoảng cách giữa 2 đầu đo là kích thước đo được đọc trên phần nguyên thước chính và phần lẻ trên thước phụ.
• Trên thước chính thường có giá trị chia độ là 1mm. Giá trị độ chia của
thước là giá trị chia trên thước phụ.
• Đồng hồ so là dụng cụ chỉ thị thông dụng được dùng để chỉ ra sai lệch khi đo • Với nhiều nguyên tắc cấu tạo khác nhau, đồng hồ so có thể đạt được nhiều độ
chính xác khác nhau.
20
Author: PhD. NgoNgocAnh
2014
21
Author: PhD. NgoNgocAnh
2014
22
Author: PhD. NgoNgocAnh
2014
23
