Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu, xây dựng chuẩn đo lường quốc gia lĩnh vực góc

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

1.1.2.2. Hệ thống chuẩn đo lường ........................................................................................ 18

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

1.2. Chuẩn đo lường góc .................................................................................................. 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

1.2.1. Các dạng chuẩn góc nhỏ .................................................................................... 19 1.2.1.1. Ống tự chuẩn trực ( Autocollimator) ....................................................................... 19

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

1.2.2. Chuẩn góc toàn vòng ......................................................................................... 22 1.2.2.1. Đa diện góc .............................................................................................................. 22

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

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

1.5.5.2. Phương pháp hiệu chuẩn chéo ................................................................................. 35

1.5.5.3. Phương pháp nhiều đầu đọc ................................................................................... 36

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

1.6. Bộ tạo góc nhỏ ......................................................................................................... 37

1.6.2.2. Nguyên lý sin .......................................................................................................... 39

1.6.2.3. Phân tích nguyên lý tạo góc nhỏ ............................................................................. 40

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

1.6.3.2. 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

1.6.3. Một số bộ tạo góc nhỏ ...................................................................................... 40 1.6.3.1. Bộ tạo góc nhỏ kiểu cơ khí ( hình 1.28) .................................................................. 40

1.7. 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

2.5.2.2. Bộ nội suy tín hiệu .................................................................................................. 67

2.5.2.3. Ổ quay ..................................................................................................................... 68

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

2.5.3. Lắp đặt tích hợp hệ thống .................................................................................. 68 2.6. Đánh giá độ chính xác chuẩn toàn vòng gia số ........................................................ 69

2.6.2.2. So sánh kết quả đo với KRISS ................................................................................ 76

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

2.7. 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

3.2.1.2. 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

3.2.1. Thiết lập sơ đồ lý thuyết bộ tạo góc nhỏ quang cơ. ........................................... 80 3.2.1.1 Sơ đồ nguyên lý ........................................................................................................ 80

3.2.2. 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 uc ................................................. 87

3.3.1.5. Độ không đảm bảo đo mở rộng ............................................................................... 88

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

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 uf(h) ................................... 89

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

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

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(LC) ............................................................................................. 104

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

4.4.1.2. 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

4.4.1. 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

4.4.2.2. Phương pháp hiệu chuẩn ....................................................................................... 117

4.4.2. Xây dựng phương pháp hiệu chuẩn đa diện góc ............................................. 116 4.4.2.1 Lắp đặt thiết bị ........................................................................................................ 116

4.4.2.3. 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 Tiếng Việt Tiếng Anh

Ký hiệu Chữ viết tắt

BIPM Tổ chức Cân đo Quốc tế 1

Bureau International des Poids et Mesure

CIPM Ủy ban Cân đo Quốc tế International Committee for 2

Weights and Measures

CMCs Năng lực đo và hiệu chuẩn Calibration and Measurement 3

Capabilites

DFT Biến đổi Fourier rời rạc Discrete Fourier transform 4

EDA Trung bình phân đoạn Equal division average 5

bằng nhau

FFT Biến đổi Fourier nhanh Fast Fourier transform 6

INRIM 7

Viện nghiên cứu Đo lường quốc gia (Italia) National Institute of Metrological Research (Italia)

KRISS 8

Viện nghiên cứu chuẩn và khoa học Hàn Quốc Korea Research Institute of Standards and Science

NA Sai số góc cục bộ Narrow Angle Error 9

NMIs Viện Đo lường Quốc gia National Metrology Institutes 10

NIM Viện đo lường quốc gia National Metrology Íntitute 11

Trung Quốc

NIST

Viện chuẩn và Công nghệ Quốc gia (USA) National Institute of Standards and technology (USA) 12

NIMT 13

Viện Đo lường quốc gia Thái Lan National Institute Metrology of Thailand

RE Thiết bị mã hóa góc quay Rotary Encoder 14

RL Laser vòng Ring Laser 15

PTB Cục vật lý kỹ thuật Đức Physikalisch-Technische 16

Bundesanstalt

VMI Viện Đo lường Việt Nam Vietnam Metrology Institute 17

WA Sai số góc lớn Wide angle errors 18

2. Danh mục ký hiệu

STT

Ký hiệu

Tiếng việt

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

Đường kính đĩa chia độ D 2

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

4 µi,j

Sai số góc của đầu đọc thứ j tại vị trí vạch thứ i của chuẩn góc toàn vòng

Sai số góc của chuẩn góc toàn vòng 5

μ̅

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

Độ dài cánh tay đòn bộ tạo góc nhỏ L 7

Góc nghiêng của đĩa chia độ 8 

Số vạch chia của đĩa chia độ 9 NG

Số đầu đọc 10 NH

Độ phân giải của chuẩn góc toàn vòng r 11

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

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

Độ không đảm bảo đo tổng hợp 14 uc

Độ không đảm bảo đo mở rộng U 15

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 Rθ 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 µi,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

(1.1) chiều kim đồng hồ và ngược lại.

. b

s=r

r θ

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

a) a b)

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 =

(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 0 rad, 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

Hình 1.2: Sơ đồ minh họa phân chia chuẩn

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

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).

6 . 6

2 4 3 1 5

a) b) 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 (1.3)

d = f × tan2α (1.2)

tan2α =

(1.4) 2α = arctan

Trong trường hợp α nhỏ ta có α  tan α

(1.5) 2α ≈ ; α ≈

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

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.

(1.6)

θ = arcsin

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 .

Mặt phẳng chuẩn

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

Con lăn

1.2.1.3. Ni vô

Ni vô là thiết bị chuẩn để xác định độ lệch so với phương nằm ngang, ni vô có hai loại

chính:

Ni vô cơ khí ( chỉ thị bọt nước) được thể hiện trên hình 1.5 a. Ni vô điện tử ( chỉ thị số)

(hình 1.5 b).

Độ chính xác của ni vô có thể đạt: 0,001 mm/m  0,2 . Ni vô dùng để lắp đặt căn chỉnh

máy móc và thiết bị so với phương nằm ngang, hoặc để đo độ phẳng, độ thẳng của các bề mặt chi tiết gia công, băng máy[13,33].

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

a) b)

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]

Mặt đo

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

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]

b) b) a) Hình 1.7: a) Thông số đa diện góc, b) Hình ảnh

1.2.2.2. Bàn phân độ ( Indexing table)

Bàn phân độ là một thiết bị tạo góc phẳng có phạm vi làm việc là một vòng tròn hình

1.8a, bao gồm mặt trên là mặt đo quay quanh trục tạo ra góc chuẩn. Độ chính xác góc phụ thuộc vào độ chính xác của bước răng và biên dạng bánh răng sử dụng hình 1.8b. Giá trị góc

nhỏ nhất của bàn phân độ phụ thuộc vào số răng của bàn độ. Bàn phân độ 1440 do hãng Moore And Tool sản xuất là loại bàn được sử dụng nhiều trong các phép đo góc với giá trị góc nhỏ nhất của bàn phân độ 1440 là: 360º/1440 = 0,25º (15´) với độ chính xác đạt (0,1 đến

0,2) [42] .

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

b) a)

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.

5 3

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

a) b)

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.

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

1.4.1. Hệ thống chuẩn đo lường quốc gia lĩnh vực góc của Viện Quốc gia về chuẩn và công nghệ Mỹ (NIST)

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)

2 π

- Độ phân giải của thiết bị: 0,0034

= 17 × 10−9 rad = 0,0034" (1.8)

379 080 000

r =

- 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

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

1.11a.

Đặc trưng kỹ thuật của WMT 220:

2π

- Số lượng vạch chia 218 = 262 114 vạch chia. - Bộ nội suy (12 bit) 212 = 4096. - Độ phân giải của hệ thống:

262 114 ×4096

= 6 × 10−9 = 0,0012" (1.9) r =

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

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

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

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.

a) b)

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

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

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

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.

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.

1.5. Chuẩn góc toàn vòng

Trong toán học và thực tế, vòng tròn khép kín được coi là chuẩn tự nhiên của góc phẳng ( Natural Etalon) [43] có giá trị là 2 (360o) không có sai số. Do đó vòng tròn khép kín là cơ sở để thiết kế chuẩn góc toàn vòng đạt độ chính xác cao và có khả năng tự hiệu chuẩn. Chuẩn góc toàn vòng được thiết lập dựa trên cơ sở các liên kết chặt chẽ giữa khái niệm vòng

tròn khép kín và phương thức chia độ trên vòng tròn đó, bao gồm cả phương pháp xác định độ chính xác của vạch chia [43, 47,48].

Chuẩn đầu góc

phẳng Vạch chia độ Phương pháp đo Chuẩn tự nhiên

+



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.

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:

k i=1

(1.10) ∏ Ni

Độ phân giải của thiết bị:

(1.11)

2 π G ∏ Ni i=1

r =

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]

b) a)

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]:

f×λ×S

(1.12)

θ =

4×A

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].

3 1

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]

a) b)

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 a hoặc các vạch chia được mã hóa theo kiểu từ tính (đĩa chia độ từ) như trên hình 1.18 b.

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

Nguồn sáng LED Mặt nạ Cảm biến quang

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

Đĩa chia độ

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].

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

a) b)

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

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].

Cảm biến Vạch chia quang học Đĩa chia độ

Thấu kính hội tụ

Hình 1.22: Đầu đọc phản xạ [18]

Vạch chia Mặt nạ Nguồn sáng LED

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

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:

2π NG

Ai = + ai, (1.13)

Với i = 1,2,3,…, NG

Theo nguyên lý vòng tròn khép kín :

N𝐺 i=1 = ∑ (

N𝐺 i=1

2π 𝑁𝐺

(1.14) 2π = ∑ Ai + ai)

NG + ∑ ai i=1 = 2π , i = 1,2,3, … , NG (1.15)

2π NG

NG ×

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

∑ ai

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

Hình 1.23: Sơ đồ 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).

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

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

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.

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 phải có 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.

1.6.1. Mô hình lý thuyết.

Bộ tạo góc nhỏ được sử dụng như là chuẩn góc nhỏ dùng để hiệu chuẩn ống tự chuẩn

trực sử dụng các hàm số lượng giác để xác định giá trị góc.

Trong hệ đơn vị quốc tế SI định nghĩa đơn vị góc radian [rad] bằng tỷ số giữa chiều dài

cung AE và bán kính OA như trên hình 1.25.

AB̂ OA

θ = rad ( 1.17)

Giá trị góc được tính theo công thức 1.17 chỉ có giá trị về mặt lý thuyết ít được sử dụng làm cơ sở tính toán thiết kế bộ tạo góc nhỏ do việc khó xác định chính xác chiều dài cung.

Trong trường hợp này giá trị góc  xác định theo hàm số lượng giác dạng sin hoặc tang được

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

Hình 1.25: Nguyên lý tạo góc nhỏ

Giá trị góc  được xác định:

- Phương pháp sin:

θ = arcsin (1.18)

(1.19) θ ≅

- Phương pháp tang

θ = arctan (1.20)

(1.21) θ ≅

Từ công thức 1.20 và 1.21 ta có nhận xét như sau: với một tập hợp các giá trị khoảng cách của đoạn AC, đồng thời xác định chính xác giá trị khoảng cách OC và OA như trên

hình 1.26, ta có thể tạo ra tập hợp các góc  được xác định, đây chính là cơ sở lý thuyết để

xây dựng bộ tạo góc nhỏ.

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

(1.22) θ = arctg

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

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

định chính xác bước dịch chuyển h và khoảng cách OC. 1.6.2.2. Nguyên lý sin

h (1.23)

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

θ = arcsin = arc sin

h (1.24)

Trong trường hợp góc θ nhỏ khi đo giá trị góc θ đước xác định:

θ = arcsin = arc sin ≅

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.

1 2

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

động của động cơ bước Piezo, với bước dịch chuyển cỡ 0,1 nm của động cơ bước Piezo với

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

độ dài cánh tay đòn L= 200 mm tạo ra góc có giá trị nhỏ nhất là 0,01.

Gương phẳng 6 được gắn với cánh tay đòn có tác dụng như đầu đo dùng để hiệu chuẩn

ống tự chuẩn trực được thể hiện trên hình 1.29 [37] 1.6.3.3. Bộ tạo góc nhỏ kiểu cơ quang

Bộ tạo góc nhỏ kiểu cơ quang của NMIJ được thiết kế theo nguyên lý sin như hình 1.30, bao gồm 02 gương phản xạ góc 9 gắn chặt lên cánh tay đòn 8 đặt trên bàn quay 10. Tia laser phát ra từ nguồn laser hai tần số 1 qua gương góc 45o đến bộ tách tia 3 tách thành hai tia có tần số khác nhau f1 và f2 đi đến hai gương góc phản xạ 9. Khi quay cánh tay đòn nhờ bộ dịch chuyển 7 (Line Stage) hai tia f1 và f2 sau khi phản xạ lại thông qua gương 6 quay trở lại bộ tách tia 3 đi vào bộ thu nhận tín hiệu 4. Bộ thu nhận tín hiệu thu được tín hiệu giao thoa từ

đó xác định được lượng dịch chuyển của hai gương phản xạ góc 9 theo hướng trùng với hướng của tia laser. Giá trị góc được xác định bằng tổng lượng dịch chuyển của hai gương

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

phản xạ góc chia cho chiều dài cánh tay đòn khoảng cách giữa hai tâm gương góc phản xạ.

Các bộ tạo góc nhỏ thường được thiết kế kiểu cơ quang sử dụng giao thoa kế laser để đo khoảng cách dịch chuyển từ đó xác định chính xác giá trị góc. Bộ tạo góc nhỏ của NMIJ

sử dụng giao thoa kế laser chuyên dùng với bộ thu nhận tín hiệu độc lập do đó việc bố trí sơ đồ dễ dàng hơn. Hiện nay Viện Đo lường Việt Nam sử dụng giao thoa kế laser có bộ thu

nhận tín hiệu nằm cố định trong nguồn laser do đó phải nghiên cứu bố trí sơ đồ bộ tạo góc nhỏ cho phù hợp điều kiện của thực tế.

Nhận xét:

- Nghiên cứu thiết kế chế tạo bộ tạo góc nhỏ kiểu cơ quang sử dụng giao thoa kế laser

đo bước dịch chuyển h phù hợp để hiệu chuẩn ống tự chuẩn trực cấp chính xác cao, tích hợp với chuẩn góc toàn vòng xây dựng hệ thống chuẩn đo lường quốc gia lĩnh vực góc.

- Bộ tạo góc nhỏ dựa theo định nghĩa của Radian trên cơ sở sử dụng hàm số lượng giác, do đó đảm bảo đo lường cho bộ tạo góc nhỏ chủ yếu nghiên cứu xây dựng phương pháp đo

chính xác khoảng cách cánh tay đòn và tính toán độ chính xác của thiết bị đo khoảng cách dịch chuyển.

1.7. Thực trạng chuẩn đo lường góc tại Việt Nam và nội dung nghiên cứu của luận án

1.7.1. Hiện trạng chuẩn đo lường lĩnh vực góc tại Việt Nam

Trong những năm vừa qua Viện Đo lường Việt nam đã được trang bị một số chuẩn đo lường góc, bao gồm chuẩn góc nhỏ như ống tự chuẩn trực, ni vô điện tử, căn mẫu góc và

chuẩn góc toàn vòng đa diện quang học như trên hình 1.31. Với các chuẩn góc sẵn có VMI đã tiến hành hiệu chuẩn các máy đo góc, máy trắc đạc, dụng cụ đo góc dẫn xuất đơn vị góc

phẳng xuống các chuẩn, phương tiện đo góc có độ chính xác thấp hơn phục vụ công tác quản lý đo lường, đáp ứng nhu cầu của cơ sở .

Hình 1.31: Chuẩn góc hiện có tại VMI

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

a) c) b)

Đa diện góc quang học dùng để hiệu chuẩn các máy đo góc, máy đo trắc đạc, ống tự

chuẩn trực dùng hiệu chuẩn các ống tự chuẩn trực khác có độ chính xác thấp hơn hoặc dùng đo độ phẳng, bộ căn mẫu góc sử dụng hiệu chuẩn các dụng cụ đo góc thông dụng. Hàng năm

các chuẩn này đều phải mang đi hiệu chuẩn tại các viện đo lường của các nước trong khu vực ví dụ như Viện nghiên cứu Chuẩn và Khoa học Hàn Quốc KRISS. Với các chuẩn góc

đã có hiện nay, phòng Đo lường Độ dài - Viện Đo lường Việt Nam chỉ đáp ứng được một phần hiệu chuẩn, hiệu chỉnh các chuẩn và thiết bị đo góc hiện có tại Việt Nam hiện nay. Đối

với các chuẩn, thiết bị đo góc nhỏ như ống tự chuẩn trực, nivô của cơ sở được so sánh với các chuẩn của Viện đo lường Việt Nam việc hiệu chuẩn chủ yếu là so sánh trực tiếp. Sử dụng

đa diện góc để thực hiện hiệu chuẩn đối với các máy đo góc hiện có trên thị trường. Với phương pháp dẫn xuất này chỉ đáp ứng được một phần nhu cầu hiệu chuẩn của cơ sở.Trong

những năm gần đây các cơ sở sản xuất và nghiên cứu tại Việt Nam tăng cường đầu tư trang thiết bị kỹ thuật hiện đại trong đó có chuẩn, phương tiện đo góc. Để đảm bảo tính chính xác

của các phương tiện đo góc yêu cầu đòi hỏi phải có đủ chuẩn đo lường góc để xây dựng hệ thống chuẩn đo lường quốc gia lĩnh vực góc đáp ứng nhu cầu hiệu chuẩn của cơ sở.

Bảng 1.1: Các chuẩn góc hiện có tại VMI Hãng sản xuất Ký mã hiệu Đặc trưng kỹ thuât Tên chuẩn

Giá trị góc danh nghĩa 10o LE 3178 Độ không đảm bảo đo U=0,3 HILGER & WATTS - UK Đa diện quang học 36 mặt

HILGER & Đa diện Giá trị góc danh nghĩa 15o LE 3537 Độ không đảm bảo đo U= 0,3 WATTS - UK quang học 24 mặt

Phạm vi đo:(0-10)’

02 Ống tự chuẩn trực A142/12 137S A142/12 137S HILGER & WATTS - UK Độ không đảm bảo đo U= 0,5

Bộ 33 tấm N 233-461 Bộ căn mẫu góc Cấp chính xác 1, U= 2

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

Hệ thống chuẩn đo lường quốc gia lĩnh vực góc phải có đủ chuẩn với các đặc trưng kỹ thuật cụ thể để đảm bảo hiệu chuẩn các chuẩn đo lường góc tại Việt Nam bao gồm chuẩn

góc toàn vòng và chuẩn góc nhỏ.

Theo số liệu thống kê năng lực hiệu chuẩn (CMCs), ống tự chuẩn trực của các viện đo

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

lường quốc gia công bố trên cơ sở dữ liệu của tổ chức đo lường quốc tế BIPM hình 1.32.

Từ số liệu trên như trên hình 1.32, nhận thấy độ không đảm bảo đo của phép hiệu chuẩn

tập trung nhiều trong khoảng 0,1 đến 0,3 do đó bộ tạo góc nhỏ được thiết kế chế tạo có

độ không đảm bảo đo mở rộng U nằm trong khoảng 0,1  0,3 là phù hợp.

Hệ thống chuẩn đo lường quốc gia lĩnh vực góc phải thực hiện được việc duy trì và dẫn xuất chuẩn đo lường góc, từ các các chuẩn thuộc hệ thống chuẩn đo lường quốc gia đơn vị

góc được sao truyền xuống chuẩn, phương tiện đo góc có độ chính xác thấp hơn đáp ứng nhu cầu của cơ sở. Nghiên cứu, xây dựng chuẩn đo lường quốc gia lĩnh vực góc phải đảm

bảo việc liên kết chuẩn, đánh giá được độ chính xác của chuẩn, đảm bảo độ ổn định của chuẩn. Căn cứ vào nghiên cứu tìm hiểu về đo lường góc bên trên kết hợp với quy hoạch phát

triển chuẩn đo lường quốc gia lĩnh vực góc đến 2020 của Viện Đo lường Việt Nam, luận án đề xuất mô hình chuẩn đo lường quốc gia lĩnh vực góc bao gồm:

+ Chuẩn góc toàn vòng sử dụng đĩa chia độ kiểu gia số có độ phân giải 0,1, độ không

đảm bảo đo U= 0,3 ;

+ Bộ tạo góc nhỏ có Phạm vi đo ± 30´, độ không đảm bảo đo U = (0,1  0,3) ;

+ Các chuẩn này phải được tích hợp thành hệ thống đáp ứng yêu cầu hiệu chuẩn; + Xây dựng các phương pháp sao truyền chuẩn.

1.7.3. Nội dung nghiên cứu

Nội dung và phạm vi nghiên cứu của luận án: Xác lập cơ sở lý thuyết để xây dựng chuẩn toàn vòng, bộ tạo góc nhỏ và tích hợp hệ thống, xây dựng phương pháp đánh giá các chuẩn

được xây dựng.

Nội dung cụ thể:

- Xây dựng mô hình toán học của chuẩn góc toàn vòng sử dụng đĩa chia độ kiểu gia số

và bộ tạo góc nhỏ theo nguyên lý sin sử dụng giao thoa kế laser;

- Phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác của chuẩn góc toàn vòng và bộ tạo góc nhỏ, trên cơ sở đó đề xuất các phương pháp giảm thiểu sai số nâng cao độ chính xác của

chuẩn;

- Nghiên cứu, xây dựng phương pháp tự hiệu chuẩn đảm bảo độ chính xác, độ ổn định

và tính liên kết chuẩn đối với chuẩn góc toàn vòng;

-Xây dựng phương pháp đánh giá bộ tạo chuẩn góc nhỏ bằng cách tính toán độ không

đảm bảo đo của chuẩn thông qua việc đánh giá độ chính xác của các cơ cấu thành phần;

-Xây dựng hệ thống chuẩn đo lường quốc gia lĩnh vực góc trên cơ sở tích hợp hai chuẩn

được nghiên cứu chế tạo;

- Nghiên cứu xây dựng phương pháp sao truyền chuẩn từ chuẩn đo lường quốc gia lĩnh

vực góc đến chuẩn có độ chính xác thấp hơn như ống tự chuẩn trực và đa diện góc.

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ PHƯƠNG PHÁP XÂY DỰNG CHUẨN GÓC TOÀN VÒNG Nội dung nghiên cứu của chương 2: thiết lập mô hình toán học, nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác của chuẩn góc toàn vòng và giải pháp giảm thiểu sai số. Nghiên

cứu xây dựng phương pháp tự hiệu chuẩn trên cơ sở phương pháp trung bình phân đoạn bằng nhau EDA. Xây dựng chuẩn góc toàn vòng sử dụng đĩa chia độ kiểu gia số bao gồm phương

pháp lựa chọn sơ đồ bố trí đầu đọc, tính toán lựa chọn các chi tiếc chủ yếu, tích hợp lắp đặt hoàn chỉnh thiết bị. Chuẩn góc toàn vòng sử dụng đĩa chia độ kiểu gia số được chế tạo trên

cơ sở tích hợp đĩa chia độ có 10800 vạch chia bố trí nhiều đầu đọc kết hợp với bộ nội suy điện tử 210 bit để tăng độ phân giải đến 0,1 có độ không đảm bảo đo U = 0,3.

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

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

b) a)

Trong lĩnh vực tạo chuẩn góc, vòng tròn khép kín là một góc có độ lớn 2π và không có sai số, từ lâu đã được coi là chuẩn tự nhiên của lĩnh vực đo lường góc. Khi chia nhỏ vòng tròn thành NG khoảng bằng nhau ta được một góc chuẩn nhỏ nhất có giá trị 2π/NG . Để tạo góc chuẩn θ tương ứng với k vạch được xác định:

(2.1)

θ = k ×

2π NG

Vật chuẩn góc toàn vòng thường được chế tạo dạng đĩa chia độ được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực đo góc để thiết lập chuẩn góc toàn vòng như trên hình 2.1a, được coi là chuẩn góc có giá trị từ 2π/NG đến 2π.

Thang chia độ góc là tập hợp các vạch chia trên đĩa chia độ được in khắc trên đĩa chia độ theo vòng tròn, có giá trị độ chia 2π/NG trong đó NG là số vạch chia (hình 2.1b). Đối với đĩa chia độ kiểu gia số các vạch chia bao gồm vạch trắng và vạch đen có độ rộng bằng nhau, khoảng cách C được gọi là chu kỳ đóng vai trò như một vạch chia.

Như vậy đối với đĩa chia độ kiểu gia số, trên thang chia độ cần có vạch chia gốc (Reference Mark), khi quay đĩa chia độ, giá trị góc được xác định thông qua việc đếm số

vạch chia tăng thêm so với vạch gốc và để xác định số vòng quay, hình 2.2 [27,31].

Vạch chia gốc

2π N𝐺

θ𝑘 = k ×

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

2.1.1. Phương pháp đọc vạch chia

Phương pháp đọc vạch chia dựa trên nguyên lý biến đổi tín hiệu quang thành tín hiệu

điện có nguyên tắc hoạt động được mô tả trên hình 2.3, trong đó L là nguồn sáng thường là đi ốt phát sáng (LED). Ánh sáng được truyền qua thấu kính hội tụ để tạo ra chùm sáng song

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

song đảm bảo chùm sáng là đồng nhất. Mặt nạ A có các vạch chia giống với vạch chia của đĩa chia độ, được lắp cố định trong đầu đọc.

M là đĩa chia độ chuyển động qua đầu đọc cố định, R là vạch chia gốc. Chùm sáng đi qua mặt nạ cố định và khi đĩa dịch chuyển khi đó cảm biến quang học ( Photodiot) P thu

được hình ảnh động của các vạch chia, biến đổi tín hiệu quang thành dòng điện nhỏ và thông qua bộ khuếch đại thành tín hiêu điện áp đầu ra. Khi đĩa chia độ dịch chuyển, tại cảm biến

quang học P cường độ sáng thay đổi theo thời gian do đó tín hiệu điện áp của đầu ra cũng thay đổi theo thời gian, sự thay đổi điện áp này được sử dụng như là thang thước để xác định

chuyển động quay của đĩa chia độ [17,18].

Nguồn sáng

Mặt nạ

Đĩa chia độ dịch chuyển

Thấu kính

Cảm biến quang học

V Điện áp đầu ra V (t) V

t t

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

b) Sơ đồ khi dùng mặt nạ kép [22]

b) a)

Theo sơ đồ hình 2.4a, khi đĩa chia độ dịch chuyển, trường hợp vạch trắng của đĩa chia

độ trùng khít với vạch trắng của mặt nạ lúc đó thông lượng ánh sáng truyền qua đĩa là cực đại, tiếp tục dịch chuyển đĩa chia độ thông lượng ánh sáng truyền qua sẽ giảm dần có giá trị

cực tiểu khi vạch đen của đĩa chia độ và mặt nạ trùng nhau. Cảm biến quang học biến đổi quang thông thành tín hiệu điện áp hình răng cưa. Để tăng thông lượng ánh sáng truyền qua

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

lúc đó sử dụng mặt nạ kép có nhiều cửa số (hình 2.4b). Về lý thuyết, tín hiệu điện áp đầu ra ở dạng răng cưa trong thực tế do ảnh hưởng của hiện tượng nhiễu xạ nên có dạng gần sin.

Sử dụng một mạch tạo xung để chuyển đổi từ tín hiệu xung hình sin sang tín hiệu xung

vuông hình 2.5.

Nếu đầu vào IN (chân “-” )  đầu so sánh (chân “+” ) thì đầu ra (chân OUT) là 1 (bằng

5V nguồn).

Nếu đầu vào IN (chân “-” )  đầu so sánh (chân “+” ) thì đầu ra (chân OUT) là 0 (bằng

0V).

Để phát hiện chiều chuyển động cần hai tín hiệu lệch pha 90o. Sau khi tạo ra 2 dãy xung vuông lệch pha nhau 900, dựa vào thứ tự các pha của tín hiệu có thể xác định được chiều chuyển động của đĩa chia độ theo quy luật sau:

Nếu chiều chuyển động từ trái sang phải, B sẽ sớm pha hơn A ¼ chu kỳ, có mức xung

A B

0 0

1 0

1 1

0 1

0 0

1 0

1 1

0 1

lần lượt có thứ tự sau.

Nếu chiều chuyển động từ phải sang trái , A sẽ sớm pha hơn B ¼ chu kỳ, có mức xung

A B

0 0

0 1

1 1

1 0

0 0

0 1

1 1

1 0

lần lượt có thứ tự sau:

2.1.2. Phương pháp nội suy nâng cao độ phân giải.

Độ phân giải của chuẩn góc toàn vòng phụ thuộc vào kích thước vạch chia, về mặt

quang học giới hạn khắc vạch bị hạn chế bởi sự nhiễu xạ ánh sáng khi độ rộng vạch  2 μm

nhiễu xạ là rất lớn, kích thước chu kỳ vạch chia thường nằm trong khoảng (440) μm. Tăng

độ phân giải đồng nghĩa với việc tăng đường kính đĩa chia độ.

Độ phân giải cơ bản của đĩa chia độ kiểu gia số phụ thuộc vào số vạch chia NG

=

["] (2.2)

rcb =

[rad]  rcb =

2π N𝐺

360×60×60 N𝐺

1296000 NG

Trong đó rcb : độ phân giải cơ bản, NG: Số vạch chia.

Từ 2.2 cho thấy muốn tạo ra đĩa chia độ có độ phân giải 1 đĩa chia độ phải có số lượng

(2.3)

D =

C×NG π

vạch chia là:NG = 1296000. Đường kính đĩa chia độ D được xác định

Trong đó C: chu kỳ vạch chia (hình 2.1b).

Trong thực tế đường kính đĩa chia độ D thường nhỏ khoảng 200 mm, trong trường hợp

đặc biệt D có thể được chế tạo đến 400 mm. Đường kính đĩa chia độ D lớn dẫn đến các kết cấu cơ khí để đảm bảo độ ổn dịnh chuyển động quay của đĩa phức tạp, chế tạo khó khăn đòi

hỏi phải có các công nghệ đặc biệt do đó phải có giải pháp tăng độ phân giải của thiết bị. Muốn nâng cao độ phân giải của đĩa chia độ phải áp dụng phương pháp nội suy tín hiệu.

Các tín hiệu xung vuông này được dùng cùng với nhau để xác định hướng quay trục chính nhưng cũng được dùng để làm tăng độ phân giải bộ mã hóa [32]. Giải mã pha vuông

góc làm tăng độ phân giải bộ mã hóa chia bốn lần được thể hiện trong hình 2.5.

Hình 2.6: Vạch đánh dấu khoảng không gian với nội suy giải mã pha vuông góc [26]

Ngoài ra còn có nhiều phương pháp nội suy khác như sử dụng bộ nội suy điện tử tích hợp. Hiện nay bộ nội suy điện tử đã được chế tạo thành các mô đun tiêu chuẩn, giá trị nội suy thường được xác định theo dạng 2n ví dụ với n = 8 bộ nội suy tín hiệu gọi là nội suy 8 bit, hiện nay đã có bộ nội suy 12 bit, giá trị nội suy 4096 điều này có nghĩa mỗi vạch chia

của đĩa chia độ có thể chia nhỏ 4096 lần, độ phân giải tăng lên 4096 lần [18].

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

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

Chuẩn góc toàn vòng sử dụng đĩa chia độ kiểu gia số (sau đây gọi là chuẩn góc toàn

vòng gia số) có sơ đồ nguyên lý như trên hình 2.7, khi quay đĩa chia độ đầu đọc sẽ đọc các

vạch chia đi qua từ đó xác định góc quay. Khi chế tạo và làm việc chuẩn góc toàn vòng gia số sẽ có thể có những sai số như sai số phạm vi nhỏ và sai số trong phạm vi lớn hay còn gọi

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

là sai số toàn vòng.

- Sai số phạm vi nhỏ là sai số trong một chu kỳ xung tín hiệu phụ thuộc vào phương thức xử lý tín hiệu như đọc vạch, nội suy tín hiệu, độ không tuyến tính của bộ nội suy điện

tử. Sai số phạm vi nhỏ xuất hiện trong một chu kỳ tín hiệu xung của chuẩn goc toàn vòng gia số, loại sai số chỉ xuất hiện trong mỗi một chu kỳ tín hiệu do ảnh hưởng của dạng xung

của tín hiệu bị thay đổi trong quá trình đọc, chất lượng của đầu đoc, vạch chia. [10,27]

- Sai số phạm vi lớn hay còn gọi sai số toàn vòng, loại sai số này chỉ xuất hiện khi có

sự chuyển động quay của đĩa chia độ. Sai số toàn vòng bao gồm:

+ Sai số vị trí của vạch chia ( sai số thang chia độ). + Sai số chuyển động quay của đĩa chia độ bao gồm sai lệch tâm quay, độ nghiêng của đĩa chia độ và độ ổn định của trục quay.

2.2.2. Sai số toàn vòng

2.2.2.1. Sai số vị trí của vạch chia

Do các vạch chia chế tạo có sai số nhất định, điều này có ảnh hưởng đến sai số khi

đầu đọc thực hiện việc đọc tín hiệu, tiến hành nội suy để xử lý tín hiệu góc của thiết bị

Đầu đọc

Hình 2.8: Sai số vị trí của vạch chia

Do tính chất đặc trưng của vòng tròn khép kín nên loại sai số này có thể khắc phục được bằng cách xây dựng biểu đồ sai số của thiết bị trong một vòng quay; tiến hành việc tự hiệu

chuẩn bù sai số theo nguyên lý vòng tròn khép kín [29,39,41]. 2.2.2.2. Sai số chuyển động quay của đĩa chia độ

a) Sai số do lệch tâm giữa đĩa chia độ và tâm quay

Trong quá trình chế tạo và lắp đặt không thể tránh khỏi hiện tượng tâm của đĩa chia độ Ođ và tâm của trục quay Oq không trùng nhau. Độ lệch tâm được biểu diễn bằng vector từ Ođ đến Oq ( ký hiệu là e), vị trí của đầu đọc H như trên hình 2.9a.

Vạch chia

O Ođ

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

b) a)

Khi đĩa chia độ quay với góc quay là θ quanh tâm quay Oq khi đó đầu đọc H đọc khoảng cách vạch chia tại các vị trí có bán kính Rθ khác nhau hình 2.9b. Bán kính Rθ phụ thuộc vào đường kính đĩa chia độ và độ lệch tâm, Rθ thay đổi tương ứng với góc quay θ được xác định [16,30]:

Rθ = √|OqH⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗ |

+ |e⃗ |2 − 2|OqH⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗ ||e⃗ |cos (θ) (2.4)

Trên hình 2.8b đầu đọc H đọc khoảng cách AB tại vị trí 1 tương ứng với bán kính Rθ1,

khoảng cách A’B’ tại vị trí 2 tương ứng với bán kính Rθ2.

AB = Rθ1 ×

2π NG

(2.5)

2π NG

A′B′ = Rθ2 ×

Giá trị Rθ biến đổi cho nên khoảng cách AB ≠ A’B’ vì vậy giá trị góc θ thay đổi dẫn đến sai số góc do lệch tâm. Giá trị Rθ biến đổi tuần hoàn có dạng sin chu kỳ 2π từ giá trị nhỏ nhất Rθmin đến giá trị lớn nhất Rθmax, do đó sai số góc cũng biến đổi theo dạng hàm số sin cũng có chu kỳ 2π.

+ Tại vị trí góc θ = 0o Rθ đạt giá trị lớn nhất Rθmax = D/2 + e + Tại vị trí góc θ = 180o Rθ đạt giá trị nhỏ nhất Rθmin = D/2 - e Trong đó D: Đường kính đĩa chia độ.

e: Độ lệch tâm b) Sai số do độ nghiêng của đĩa chia độ

Sai số do ảnh hưởng độ nghiêng của đĩa chia độ trong thực tế đĩa chia độ nghiêng so

với trục quay một góc  hình vòng tròn khắc độ sẽ bị biến dạng, khoảng cách giữa các bước

chia thay đổi dẫn đến sai số góc như trên hình 2.10.

Đầu đọc

Đĩa chia độ 

Trục quay

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

Sai số góc này phụ thuộc đường kính đĩa chia và góc nghiêng .

Sai số góc M lớn nhất do độ nghiêng đĩa chia độ được xác định

(2.6)

∆θM =

2×(S−S1) D

2π N𝐺

S = × 2π N𝐺 Trong đó: S, S1 là khoảng cách lớn nhất, nhỏ nhất giữa hai vạch chia hình 2.10 . D 2 D (2.7) cosγ × S1 =

(1−cosγ)

D 2

2π NG

Trong đó: NG số vạch chia của đĩa chia độ Thay công thức 2.7 vào 2.6.

(2.8)

∆θM =

D 2

Thay công thức 2.2 tính độ phân giải cơ bản rcb vào công thức 2.8

(2.9)

× (1 − cosγ) =

∆θM =

2×rcb×(1−cosγ) D

2π NG

2π π×D rcb

Như vậy, sai số do ảnh hưởng độ nghiêng của đĩa chia độ biến đổi theo quy luật tuần

hoàn có chu kỳ bằng nửa chu kỳ quay của đĩa chia độ, với một vòng quay của đĩa chia độ sai số góc có hai cực đại và hai cực tiểu.

2.2.2.3. Độ ổn định của tâm quay Trong quá trình làm việc, tâm của trục quay phải đảm bảo được độ ổn định tâm của trục chuyển động, hiện nay các loại ổ đệm khí có độ ổn định tâm 10-9 . Do đó các ổ quay thông thường như ổ bi không đáp ứng được yêu cầu do đó đối với chuẩn góc toàn vòng gia

số các ổ quay đệm khí thường được chọn là ổ quay đảm bảo độ chính xác tâm quay [32].

Qua các nghiên cứu đã công bố [34,38] về các loại sai số phạm vi nhỏ cho thấy, sai

số phạm vi nhỏ được coi như một phần của sai số vị trí vạch chia (sai số thang chia độ) gọi là SDE ( Sub – Divisional Error). Hiện nay các loại đầu đọc vạch, bộ nội suy điện tử đã được nghiên cứu và chế tạo dạng tiêu chuẩn có độ chính xác cao. Các hãng sản xuất đầu đọc, bội

nội suy điện tử như Reinishaw, Micro E, Seiko... có độ chính xác đạt (5  50) nm, do đó sai

số phạm vi nhỏ có giá trị nhỏ hơn nhiều so với sai số toàn vòng.

Luận án tập trung nghiên cứu các giải pháp để giảm thiểu sai số toàn vòng, cụ thể: Phân tách các loại sai số, từ đó đưa ra các giải pháp cụ thể cho từng loại sai số riêng biệt

nhằm giảm thiểu sai số.

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

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

Sai số góc θe do lệch tâm giữa tâm đĩa chia độ với tâm của trục quay được thể hiện

hình 2.11 .

H H

θe θ’ θ’ θe θ θ

Oq Oq Ođ Ođ

e e

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

a) b)

Sai số góc θe được xác định:

∆θe = θ − θ′

Trong đó θ : Góc của trục quay

θ’: Góc trên đĩa chia độ

Sai số góc do lệch tâm θe đại giá trị cực đại ứng với vị trị θ’=90o hình 2.10b.

∆θemax = arc tang

(2.10)

∆θeMax ≅

(2.11)

Trong đó θemax : Giá trị sai số góc lệch tâm lớn nhất. D: Đường kính đĩa chia độ. Từ công thức 2.11 xây dựng đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa sai số góc do lệch tâm với đường kính đĩa chia độ (hình 2.12). Quan sát trên đồ thị trên hình 2.12 cho thấy ảnh

hưởng của độ lệch tâm tới sai số góc là tương đối lớn. Ví dụ với đường kính đĩa chia độ 100

mm độ lệch tâm 1μm sai số góc cỡ 4. Với yêu cầu độ lệch tâm nhỏ hơn 1μm không đáp

ứng được về mặt công nghệ chế tạo, phương pháp có khả năng giảm thiểu sai số lệch tâm là dùng nhiều đầu đọc cho kết quả tốt.

]  [ e   c ó g

ố s i a S

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

Đường kính đĩa chia độ [mm]

Trong trường hợp có NH đầu đọc lắp cách đều trên đĩa chia độ khi đó giá trị góc quay của chuẩn toàn vòng gia số được tính bằng trung bình cộng của của giá trị góc tại mỗi đầu

đo riêng lẻ.

θ̅ =

NH ∑ θj j=1

(2.12)

Trong đó:

θ̅ : Giá trị góc trung bình của các đầu đọc; θj: Giá trị góc tại đầu đọc thứ j; NH: Số đầu đọc

Đĩa chia độ có NG vạch chia, trên đó có NH đầu đọc được lắp cách đều nhau trên đĩa chia độ , khoảng cách giữa các đầu đọc là 2π/NH . Sai số góc của chuẩn góc toàn vòng là hàm liên tục, tuần hoàn có chu kỳ 2π, đồng thời sai số này là hàm số chỉ phụ thuộc vào

2πj

) (2.13)

∆θ̅ =

∑ ∆NH

∆θj =

j=1 (θ +

chuyển động quay của đĩa chia độ, tại mỗi đầu đọc dạng sai số là giống nhau [44]., khi đó sai số góc trung bình của chuẩn góc toàn vòng được xác định theo công thức 2.13 [51].

Trên hình 2.12a bố trí 4 đầu đọc H1,H2,H3,H4 cách đều nhau [27]. Khi đó đồ thị sai số của H1 và H3 sẽ ngược pha với nhau hình 2.12b, tương tự đối với đầu đọc H2 và H4, với cách bố trí như trên sau khi tổng hợp sai số sẽ khắc phục được độ lệch tâm.

H1(0o )

Sai số tại đầu đọc H1

Sai số tại đầu đọc H2 H4(270o) H2 (90o)

Sai số tại đầu đọc H3

H3 (180o) Sai số tại đầu đọc H4

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

Tuy nhiên sai số góc do lệch tâm vẫn tồn tại do việc các đầu đọc lắp đặt không đi qua tâm đĩa chia độ. Điều này có thể khắc phục bằng cách bù sai số, phương pháp thực hiện như

sau: nếu dạng đồ thị sai số của đĩa chia độ, có dạng hình sin, điều đó cho thấy ảnh hưởng sai số do lệch tâm vẫn còn. Khi đó sai số góc tại các vị trí khác nhau từ 0o đến 360o của đĩa chia độ lệch với đường sin chuẩn do lệch tâm, hình 2.14, ta có thể bù sai số góc bằng cách lấy số liệu sai số góc trừ giá trị tại đường sin chuẩn trong toán học phương pháp này còn được gọi là khớp số liệu [41]. Sai số góc sau khi khớp số liệu chỉ còn lại sai số vị trí của vạch

chia, sai số do độ ổn định của tâm quay và thành phần sai số ngẫu nhiên .

Tín hiệu sai số góc đầu ra

] " [ θ  c ó g

ố s i a S

Đồ thị hàm sin bù sai số do lệch tâm

Sai số góc sau khi khớp số liệu

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

Giá trị góc θ [°]

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

Sai số do độ nghiêng đĩa chia độ được xác định theo công thức như đã phân tích phần b

2π

× (1 − cosγ) (2.14)

∆θM =

mục 2.2.2.2, từ công thức tính sai số gốc do ảnh hưởng của độ nghiêng đĩa chia độ

2π

× (1 − cos (0, 5o) ≅ 0,016′′ (2.15)

∆θM =

20000

Cho thấy ảnh hưởng của độ nghiêng đĩa chia độ đến sai số góc không lớn do số vạch chia NG lớn, ví dụ với một đĩa chia độ có 20000 vạch chia đường kính D = 127 mm khi lắp đặt có góc nghiêng  = 0,5o khi đó giá trị sai số M:

Đồng hồ so

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

Đĩa chia độ

Để giảm thiểu sai số do độ nghiêng của đĩa chia độ có thể áp dụng phương pháp căn chỉnh cơ khí thông thường như sử dụng đồng hồ so... để căn chỉnh độ nghiêng của đĩa chia

độ đạt yêu cầu kỹ thuật theo sơ đồ hình 2.15, khi đó phải chuyển đổi góc nghiêng sang độ chênh cao H của đĩa chia độ.

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

Về lý thuyết, đầu đọc xác định khoảng cách vạch chia trên vòng tròn đĩa chia độ có đường kính danh nghĩa DN, tuy nhiên trong thực tế đầu đọc xác định khoảng cách giữa các

vạch chia trên vòng tròn có đường kính D khác nhau do ảnh hưởng của độ lệch tâm, độ

không đồng đều của vạch chia, độ nghiêng đĩa chia độ, vì vậy khoảng cách giữa các vạch chia cũng thay đổi gây ra sai số toàn vòng của chuẩn góc.

Phương pháp xác định sai số góc của chuẩn góc toàn vòng gia số là xác định độ chính xác của vạch chia đĩa chia độ được thực hiện bằng cách hiệu chuẩn đĩa chia độ. Có thể thực

hiện hiệu chuẩn bằng cách so sánh giá trị vạch chia của đĩa chia độ với vạch chia của đĩa chia độ có độ chính xác cao hơn hay còn gọi là hiệu chuẩn bằng phương pháp so sánh. Tuy

nhiên đối với chuẩn đo lường quốc gia lĩnh vực góc thuộc loại chuẩn đầu, theo định nghĩa giá trị của nó không phụ thuộc vào đại lượng cùng loại khác, do đó cần xây dựng phương

pháp đánh giá độ chính xác của chuẩn góc toàn vòng gia số bằng phương pháp tự hiệu chuẩn. Về nguyên tắc một vòng tròn khép kín được chia thành NG góc đều nhau khi đó tổng sai lệch

của các giá trị góc riêng biệt đó so với giá trị danh nghĩa 2π/NG của chúng là bằng không nguyên tắc này còn gọi là nguyên lý vòng tròn khép kín. Ta có thể xây dựng phương pháp

tự hiệu chuẩn dựa theo nguyên lý này [42].

2.4.1. Cơ sở lý thuyết của phương pháp tự hiệu chuẩn chuẩn góc toàn vòng gia số bố

trí nhiều đầu đọc

Đĩa chia độ của chuẩn góc toàn vòng gia số có NG vạch chia trên đó bố trí NH đầu đọc

cách đều trên đĩa chia độ theo sơ đồ hình 2.16.

NH-1 NHj

NH2

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

NH1

Quan hệ vị trí giữa các vạch chia của đĩa chia độ và các đầu đọc đượ bố trí cách đều nhau, được thể hiện hình 2.17. Trong đó, i(i=1,2,3..,NG) số vạch chia, j(j=1,2,3,..NH) số đầu đọc.

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

NH2 NHj NH1 NH1 NH-1 NH

Sai lệch giữa vạch chia thực với vạch chia danh nghĩa bằng 2π/NG được thể hiện trên

hình 2.18. ai ký hiệu sai lệch của vạch chia thứ i so với vạch chia danh nghĩa

i-1 i+1 i i+2 Vị trí vạch chia danh nghĩa

Vị trí vạch chia thực tế

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

ai-1 ai ai+1 ai+2

Khi đĩa chia độ quay, đầu đọc thứ nhất đang đọc vạch thứ i đầu đọc thứ j sẽ đọc vạch

i+1

i+2

NH1

NH2

NHj

NH-1

chia thứ i+(j-1)NG/NH (hình 2.18).

ai,1

ai,j = ai + (j − 1)NG/NH

𝑎i,NH−1 ai,NH

ij

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

ai,2

Đầu đọc thứ j phát hiện vạch chia bị cách với vị trí vạch chia thứ i một đoạn là

(j-1)NG/NH. Thứ tự tín hiệu ra của mỗi đầu đọc như trên hình 2.19, cho thấy khi đầu đọc đầu tiên NH1 phát hiện ra vạch thứ i tại các đầu đọc khác cũng phát hiện ra các vạch chia khác tương ứng trong cùng một thời điểm [45]..

ai,j = ai+(j−1)NG/NH (2.16)

Khi đó độ lệch của vạch chia do đầu đọc thứ j phát hiện là aij được xác định:

δi,j = ai,1 − ai,j = ai − ai+(j−1)/NG/NH (2.17)

μi,j =

= ai −

NH ∑ δi,j j=1

(ai + ai+NG/NH + ai+2NG/NH + ⋯ + ai+(j−1)NG/NH) (2.18).

Độ lệch của tín hiêu góc giữa đầu đọc thứ nhất và đầu đọc thứ j và giá trị trung bình của nó ký hiệu là ij , µi,j được xác định như sau:

Giá trị µi,j là sai số góc của chuẩn góc toàn vòng được xác định bằng giá trị ai tại đầu đọc thứ j trừ đi một lượng bằng trung bình cộng của tất các các giá trị của NH đường cong lệch pha 2π/NH từ giá trị ai .

Áp dụng định luật chuỗi Fourier trong toán học về đường cong tùy ý có chu kỳ, định

luật phát biểu như sau “ Ứng với mỗi đường cong đồ thị bất kỳ có chu kỳ là 2 đều có thể

được thể hiện bởi một chuỗi Fourier, đường cong trung bình của n đường cong lệch pha một

lượng 2/n tại một thời điểm được tính bằng tổng của bội số của n số chuỗi Fourier của

đường cong ban đầu”.

Với mỗi một hàm số có chu kỳ F(θ) được biểu diễn bằng chuỗi Fourier theo công thức 2.19 [14]

∞ m

(2.19) F(θ) = ∑ Emsin (mθ + αm)

Trong đó Em và αm biên độ và góc lệch pha của chuối Fourier thứ m. Ứng với số tự nhiên bất kỳ n, hàm Fn(θ) được xác định bằng trung bình cộng n đường cong dịch pha 2π/n của hàm F(θ) tại mọi thời điểm. Khi đó hàm F(θ) được xác định theo công thức 2.20 [13]

n−1 i=0

∑ (2.20) F(θ − 2πi/n) Fn(θ) =

Từ công thức 2.19 và 2.20 thay thế m =kn biến đổi ta có

m k=1

) (2.21) Fn(θ) = ∑ Eknsin (kn + αkn

Do đó hàm Fn(θ) là giá trị trung bình của hàm F(θ) khi dịch pha 2π/n, và có thể được

tính mở rộng như là bội số của dãy thứ n chuỗi Fourier

Phân tích các dữ liệu thu được của chuẩn góc toàn vòng sử dụng đĩa chia độ gia số có NH đầu đọc, cho thấy thành phần bội số Fourier của NH tiến tới không, ảnh hưởng của thành phần bậc cao của chuỗi Fourier là nhỏ, do đó trong nhiều trường hợp chỉ cần quan tâm đến hệ số bậc thấp chuỗi Fourier của NH có thể sử dụng hiệu chuẩn giá trị đo góc. Phương pháp này đã được đề cấp ở các tài liệu [40,45] có thể gọi là phương pháp trung bình phân đoạn

bằng nhau ( The Equal Diviation Average EDA)

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

phương pháp EDA

Trong phương pháp EDA, các góc danh nghĩa 2π/NG trên đĩa chia độ không xác định được trong suốt quá trình đo nên sai số góc tích lũy không thể trực tiếp xác định được. Để giải quyết vấn đề này, thay bằng việc xác định sai số góc tích lũy so với giá trị góc danh

nghĩa bằng việc xác định độ lệch i,j của các đầu đọc so với một đầu đọc định trước (gọi là đầu đọc chính).

Để thực hiện xác định độ lệch i,j ta sử dụng bộ tạo xung chuẩn bên ngoài. Khi đĩa chia

độ quay hết một vòng quay, tín hiệu tại các đầu đọc được đưa vào bộ xử lý tín hiệu trộn lẫn

tín hiệu với bộ tạo xung chuẩn có tần số fc. Giá trị i,j được xác định trong một vòng quay của đĩa chia độ bằng cách đếm số xung của bộ tạo xung chuẩn tại ví trí vạch chia của đầu

đọc thông qua bộ đếm tần số. Quá trình thực hiện được thể hiện trên sơ đồ xác định chênh

𝑖+

𝑁𝐺

𝑖+

𝑁𝐺

𝑁𝐻−1 𝑁𝐻

𝑁𝐻−2 𝑁𝐻

𝑎 𝑎 NH NH-1 lệch sai số tích lũy i,j so với sai số đầu đọc chính (trong trường hợp này đầu đọc chính là đầu đọc NH1) như trên hình 2.20.

𝑁𝐺

𝑖+ 𝑗 𝑁𝐻

𝑁𝐺

𝑖+ 1 𝑁𝐻

NHj NH2 𝑎 NH1 𝑎

Bộ xử lý tín hiệu Đĩa chia độ Đầu đọc

Xung chuẩn fc

2𝜋 𝑁𝐺

Vạch chia danh nghĩa

ai,1 i+1 i-1 i Đầu đọc 1

𝑎𝑖,2 Đầu đọc 2

𝑎𝑖,𝑗

Đầu đọc j

𝑎𝑖𝑁𝐻−2

Đầu đọc NH- 1 𝑎𝑖,𝑁𝐻−1

Đầu đọc NH

𝛿𝑖,2 𝛿𝑖,𝑗

𝛿𝑖,𝑁𝐻−1

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

𝛿𝑖,𝑁𝐻−2

(2.22)

μi,j =

= ai,j −

NH ∑ δi,j j=1

NH ∑ ai,j j=1

Giá trị μi,j được xác định:

Giá trị δij thực chất là độ lệch pha của các tín hiêu trên từng đầu đọc riêng biệt so với

đầu đọc chính trong một chu ký tín hiệu của một vạch chia quan sát trên hình 2.20.

Xung chuẩn fC

ti,NH1 ti+1,NH1 Đầu đọc NH1

Đầu đọc NH2 ti,NH2 ti+1,NH2

Đầu đọc NHj ti,NHj ti+1,NHj

Hình 2.21: Sơ đồ xác định µi,j

Đầu đọc NH ti,NH ti+1,NH

2π NG

Giá trị ti,NHj là số xung của bộ đếm tần số fc khi phát hiện vạch chia thứ i của đầu đọcNHj và ti+1,NHj là số xung của bộ đếm khi phát hiện vạch chia tiếp theo,( hình 2.21). Giá trị µi,j sai số góc tại vạch chia thứ i của đầu đọc j được xác định:

(2.23)

) ×

NH j=1

μi,j = (ti,NHj −

∑ ti,NHj

1 NH

)

NH ∑ (ti+1,NHj j=1

−ti,NHj

1 NH

Sai số góc của chuẩn góc toàn vòng có NH đầu đo bố trí cách đều trên đĩa chia độ được

xác định bằng trung bình cộng các sai số của từng đầu đọc

(2.24)

μ̅ =

NH ∑ μi,j j=1

1 NH

Thực chất của quá trình tự hiệu chuẩn của chuẩn góc toàn vòng sử dụng phương pháp EDA được thực hiện như sau: bố trí NH đầu đọc cách đều trên đĩa chia độ bao gồm Nj vạch chia, lựa chọn một đầu đọc bất kỳ làm đầu đọc chính ( giả sử chọn đầu đọc NH1 như trên hình 2.16). Khi đó sai số µNH1 tại đầu đọc NH1 được xác định theo công thức 2.23 được rút gọn như sau:

NH ∑ μj j=1

1 NH

(2.25) μNH1 = μNH1 −

Trong đó µj là sai số tai đầu đọc thứ j của chuẩn góc toàn vòng Lần lượt chọn các đầu đọc làm đầu đọc chính, xác định sai số của từng đầu đọc chính

như sau

NH ∑ μj j=1

1 NH

(2.26) μj = μj −

Sai số tổng μ̅ của chuẩn góc toàn vòng được xác định

(2.27) )

μ̅ =

NH j=1

NH − ∑ μj = j=1

NH j=1

NH ∑ μj j=1

1 NH

∑ μj = ∑ (μj −

Nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng của độ chính xác vị trí đầu đọc đến sai số của chuẩn

góc toàn vòng. Phương pháp EDA dựa trên cơ sở các đầu đọc bố trí cách đều trên vòng tròn chứa vạch chia của đĩa chia độ tuy nhiên việc bố trí đầu đọc không tuyệt đối chính xác luôn tồn tại sai số vị trí của các đầu đọc. Sai số vị trí của đầu đọc là a1, a2,…,aj khi đó sai số của từng đầu đọc được xác định

μ1 = μ1 + 𝑎1 − 1 NH

∑ μj j=1 NH

μ2 = μ2 + 𝑎2 − 1 NH ∑ μj j=1

………………………………….

NH ∑ μj j=1

1 NH

(2.28) μj = μj + 𝑎j −

Sai số tổng của chuẩn góc toàn vòng được xác định

(2.29) ) − }

μ̅ =

NH j=1

𝑁𝐻 𝑗=1

NH ∑ μj j=1

1 NH

1 𝑁𝐻

1 NH

∑ μj = {(∑ μj + ∑ 𝑎𝑗

NH ∑ aj j=1 = 0 (2.30)

Theo nguyên lý vòng tròn khép kín (mục 1.5.5) ta có

Công thức 2.28 được rút gọn như sau:

(2.31) )

μ̅ =

NH j=1

NH (∑ μj − j=1

NH ∑ μj j=1

1 NH

1 𝑁𝐻

1 NH

∑ μj =

Theo công thức 2.31, ảnh hưởng của độ chính xác vị trí của đầu đọc trong phương

pháp EDA không đáng kể thông thường độ chính xác vị trí của các đầu đọc nhỏ hơn hoặc bằng giá trị vạch chia C.

Để giảm thiểu sai số do ảnh hưởng của tốc độ quay của đĩa chia độ, tần số của bộ tạo xung phải lớn hơn nhiều số vạch chia NG, hơn nữa trong quá trình hiệu chuẩn đĩa chia độ

chỉ quay một vòng do đó sự thay đổi của tốc độ là không nhiều, đồng thời khi tốc độ của đĩa có thay đổi số xung xác định khoảng cách vạch chia của từng đầu đọc cùng tăng hoặc giảm

vì vậy hiệu số giữa chúng thay đổi ít do đó sai số này là vô cùng bé [39].

Giá trị μ̅ bao gồm các sai số độ lệch tâm, độ chính xác của vạch chia do các đầu đọc đọc trực tiếp khoảng cách vạch chia trong một vòng quay. Phương pháp tự hiệu chuẩn này

không đòi hỏi phải thiết kế hệ cơ khí phức tạp để đảm bảo độ đồng tâm. Hơn nữa phương pháp này chỉ cần quay đĩa chia độ một vòng sau đó thông qua tính toán xử lý số liệu sẽ xây

dựng được đường cong hiệu chuẩn của chuẩn góc toàn vòng.

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

Mục đích thiết kế chế tạo chuẩn góc toàn vòng gia số để làm thiết bị thực nghiệm của

luận án song cũng nhằm tạo ra thiết bị chuẩn dùng làm chuẩn quốc gia lĩnh vực góc.

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

Theo nguyên lý của phương pháp EDA đã nghiên cứu ở trên các đầu đọc phải được bố trí cách đều nhau trên vòng tròn khắc vạch của đĩa chia độ. Sơ đồ bố trí đầu đọc của thiết bị

phải đáp ứng yêu cầu về số lượng, phương án bố trí đầu đọc phải hợp lý để vừa đảm bảo độ chính xác đạt được, vừa đảm bảo tốc độ xử lý tín hiệu của thiết bị.

H5 H3

H2 H6

Hình 2.22: Sơ đồ bố trí đầu đọc

Để đáp ứng được yêu cầu như trên sử dụng hai nhóm đầu đọc - Nhóm 1: Bao gồm 4 đầu đọc bố trí cách đều mỗi đầu đọc cách nhau một góc 90o bao

gồm đầu đọc H1, H2, H4, H6 , (hình 2.22).

- Nhóm 2: Bao gồm 03 đầu đọc bố trí cách đều nhau một góc 120o bao gồm đầu đọc

H1, H3, H5, (hình 2.22).

Hai nhóm đầu đọc sử dụng chung đầu đọc H1, chọn nhóm 3 đầu đọc do số 3 là số được

chọn là số lẻ ít nhất để có thể chia vòng tròn thành ba cung bằng nhau.

Đối với trường hợp số đầu đọc là số chẵn, việc chọn số lượng đầu đọc được tính đến khả năng bù sai số lệch tâm. Nếu chọn số lượng đầu đọc 2 thì khi đó đầu đọc nằm trên đường

kính của vòng tròn khắc độ chỉ bù sai số lệch tâm theo một trục.

Lắp đặt thêm 2 đầu đọc nằm trên đường kính vuông góc thì sai số lệch tâm được hiệu

chỉnh theo hai hướng vuông góc. Vì vậy chọn số đầu đọc được chọn là 4 để đảm bảo các đầu đọc nằm đối xứng nhau qua tâm đĩa chia độ, khi đó tín hiệu ra của từng cặp đầu đọc sẽ lệch pha một góc 180o giúp cho việc hiệu chỉnh sai số lệch tâm đạt hiệu quả cao.

Trên cơ sở đã phân tích như trên, lựa chọn số đầu đọc phù hợp là 6 và được phân thành

hai nhóm như trên hình 2.22. Khi đó đầu đọc H1 được sử dụng chung trong cả hai nhóm, giá trị góc θ được xác định bằng trung bình cộng của giá trị góc θ(Hj) tính trong từng trường hợp nhóm 1 và nhóm 2 riêng biệt.

Nhóm 1: bao gồm 3 đầu đọc cách đều giá trị góc θ3 được xác định:

θ3 =

[θ(H1)+θ(H3)+θ(H5)] 3

(2.32)

Nhóm 2 :bao gồm 4 đầu đọc cách đều giá trị góc θ4 được xác định:

θ4 =

[θ(H1)+θ(H2)+θ(H4)+θ(H6)] 4

(2.33)

Khi quay đĩa chia độ để tạo ra góc chuẩn một góc θ, khi đó giá trị góc θ của chuẩn góc toàn vòng gia số được xác định bằng trung bình cộng của của nhóm 1 và nhóm 2. Luận

án đã viết phần mềm để đọc số liệu và hiển thị giá trị góc θ của chuẩn góc toàn vòng gia số theo công thức 2.35.

θ =

=

+

{

} (2.34)

θ3+θ4 2

[θ(H1)+θ(H3)+θ(H5)] 3

[θ(H1)+θ(H2)+θ(H4)+θ(H6)] 4

θ = {

} (2.35)

7θ(H1)+[θ(H2)+θ(H4)+θ(H6)]+4[θ(H3)+θ(H5)] 24

Với sơ đồ bố trí được chia thành hai nhóm hình 2.22, khi đó số lượng đầu đọc có thể tính là 4 và 3 đầu đọc như vậy có thể coi chuẩn góc toàn vòng có 7 đầu đọc do đầu đọc H1 được sử dụng chung trong cả hai nhóm.

2.5.2. Xác định các chi tiết quan trọng

2.5.2.1. Đĩa chia độ và đầu đọc

- Đĩa chia độ

Lựa chọn đĩa chia độ có 10800 vạch chia giá trị khoảng cách vạch chia (chu kỳ C) bằng

20 µm, và đường kính của đĩa chia độ được xác định theo công thức 2.34:

D =

=

= 68,75 mm (2.36)

NG×C π

10800×20×10−3 π

Hình 2.23: Đĩa chia độ

Đầu đọc

- Chuẩn góc toàn vòng gia số bố trí nhiều đầu đo phân bố trên vòng tròn khắc độ của đĩa chia độ, vị trí các đầu đọc phải đươc cố định đảm bảo độ chính xác theo đúng yêu cầu

kỹ thuật, đồng thời các đầu đọc lựa chọn sao cho dễ dàng cho việc lắp đặt. Sau khi nghiên cứu phân tích luận án đã lựa chọn đầu đọc theo nguyên lý phản xạ ký hiệu SMD – 01 do

hãng Seiko NPC Nhật Bản chế tạo có sơ đồ hình 2.24.

Đi ốt phát sáng

Hình 2.24: Sơ đồ đầu đọc SMD-01

Mặt nạ Cảm biến nhận ánh sáng

Đầu đọc SMD-01 là bộ đọc vạch quang học có độ chính xác cao, nó sử dụng phương

pháp chiếu hình phản xạ. Đầu đọc bao gồm một mạch tích hợp quang điện tử OEIC (Opto- Electric Integrated Circuit ) và một nguồn sáng LED. Ánh sáng từ đèn LED sẽ được chiếu

lên đĩa chia độ và hình ảnh vạch chia phản xạ lại được tập trung vào cảm biến quang. Ánh sáng phản xạ đó chứa thông tin về vị trí của các vạch chia, được cảm biến thu nhận phát hiện

ra dịch chuyển tương đối giữa đầu đọc và đĩa chia độ. Đầu đọc SMD-01 sử dụng ánh sáng có bước sóng 650 nm, với mặt nạ gồm các khe nhỏ và 8 vạch chia có chu kỳ 20 µm. Thông

số kỹ thuật của đầu đọc SMD-01

- Kích thước : 5,3  4,3  1,68 mm

- Tín hiệu mỗi chu kì ra : 20 µm

Tối ưu hóa OEIC và thiết kế quang học giúp dễ liên kết. LED và OEIC được chế tạo tích hợp trong một chi tiết .

Điều chỉnh độ sáng của LED nhờ tín hiệu đầu vào bên ngoài. Tín hiệu đầu ra là tín hiệu tương tự (sóng hình sin).

Hiệu điện thế cung cấp dải rộng: 3.13 to 5.25V. Dòng tiêu thụ thấp: 12.2mA.

- - - - - - Toàn bộ phần đầu đọc được lắp cố định định trên tấm phẳng trên đó có tích hợp mạch điện tử hình 2.25, đảm bảo vị trí chính xác của đầu đọc bằng giá trị một vạch chia là 20 µm.

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

Với việc sử dụng đầu đọc kiểu phản xạ việc lắp đặt thiết bị được thực hiện dễ dàng hơn do đĩa chia độ và đầu đọc được lắp đặt tách rời không phụ thuộc lẫn nhau.

2.5.2.2. Bộ nội suy tín hiệu

Đĩa chia độ có 10800 vạch chia khi đó độ phân giải cơ bản của chuẩn góc toàn vòng

1296000"

gia số:

= 120 (2.37)

rcb =

10800

1296000"

Để nâng cao độ phân giải của RE sử dụng bộ nội suy điện tử để chia nhỏ chu kỳ tín hiệu của mỗi vạch chia. Luận án đã sử dụng bộ nội suy tín hiệu loại 210 bit ký hiệu Mecury 3500 do hãng Micro E chế tạo, khi đó độ phân giải r sau khi nội suy của thiết bị:

10800×1024

Hình 2.26: Bộ nội suy tín hiệu

r = ≅ 0,12" (2.38)

Đặc trưng kỹ thuật

- Khả năng nội suy đến 4096X.

- Đáp ứng với tốc độ dịch chuyển nhanh đến 576 mm/s.

2.5.2.3. Ổ quay

Đối với chuẩn góc toàn vòng ổ quay đóng vai trò hết sức quan trọng ổ quay phải đảm bảo độ cứng vững, độ ổn định tâm quay trong quá trình làm việc, ổ quay thường được sử

Hình 2.27: Ổ quay đệm khí

dụng là ổ bi đỡ loại đặc biệt có cơ cấu chỉnh khe hở, hoặc ổ quay dùng kỹ thuật đệm khí. Độ ổn định tâm quay của ổ quay phải nhỏ hơn 0,05 µm mới đảm bảo yêu cầu kỹ thuật.

Đặc điểm của ổ đệm khí này là đảm bảo độ ổn định tâm quay cao.

Sai số AEM ( Asynchronous Eror Motion) < 5 nm.

2.5.3. Lắp đặt tích hợp hệ thống

Chuẩn góc toàn vòng gia số được nghiên cứu thiết kế, chế tạo trên cơ sở nghiên cứu phân tích các thông số của chi tiết quan trọng lựa chọn, các chi tiết chính theo các thông số

đã được tính toán cụ thể tích hợp thành thiết bị hoàn chỉnh, hình 2.27.

Bàn đo

Đĩa chia độ Đầu đọc

Ổ quay đệm khí

Hình 2.28: Chuẩn góc toàn vòng

Bộ tạo chuyển động quay

Chuẩn góc toàn vòng gia số bao gồm bàn đo và đĩa chia độ lắp trên trục của ổ đệm khí, hệ đầu đọc được lắp cố định trên thân máy, khi quay tay quay, trục quay mang theo đĩa chia

độ và bàn đo quay theo hệ đầu đọc sẽ đọc các dịch chuyển của vạch chia tạo ra các góc quay tương ứng.

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

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

Chuẩn góc toàn vòng giá số được chế tạo có hai nhóm đầu đọc. - nhóm 1gồm ba đầu đọc lắp cách đều mỗi đầu đọc cách nhau 120o , với dữ liệu ra

tương ứng CH1,CH3,CH5.

- Nhóm 2 gồm 4 đầu đọc lắp cách đều, mỗi đầu đọc cách nhau 90o, với dữ liệu ra tương

ứng CH1,CH2,CH4, CH6..

Phân tích số liệu thực hiện trên hai nhóm đầu đọc sau đó tổng hợp kết quả sẽ tạo ra đồ

thị sai số của chuẩn góc toàn vòng bao gồm các sai số đĩa chia độ, độ ổn định tâm quay. Khi tiến hành tự hiệu chuẩn, luận án đã sử dụng thiết bị tạo xung chuẩn có tần số fc là 100 MHz để xác định sai số tích lũy δij như đã nghiên cứu trong mục 2.4.2.

Khi đĩa chia độ quay một vòng số liệu từng đầu đọc được thể hiện trong bảng 2.1. Số

CH1(0o) 2076 10408 … 60419 …

liệu trong cột 1 tương ứng với số thứ tự 10800 vạch chia. Giá trị đọc cho trong các cột tương ứng CH1, CH2..CH6 ứng với mỗi đầu đọc riêng biệt.

5602 13933 … 63894 …

2742 11077 … 61057 …

CH6(270o) 970 9316 … 59280 … 60409473 60415988

CH5(240o) 1704 10021 … 59984 … 60410090 60416594

60410304 60410970 60413804 60413193 60416824 60417477 60420316 60419711

TT 1 2 … … … 10799 10800 Quá trình xử lý tín hiệu trên từng nhóm đầu đọc thông qua bảng 2.1, áp dụng công

Bảng 2.1. Ví dụ số liệu trên từng đầu đọc trong quá trình tự hiệu chuẩn CH2(90o) CH3(120o) CH4(180o) 6331 14665 … 64606 …

thức 2.23

Đối với nhóm 3 đầu đọc

(CH1i−CH1i)+(CH1i−CH3i)+(CH1i−CH5i) 3

Sai số góc 1 tại đầu đọc H1 xác định:

θ1 =

360×60×60 10800 (CH1i+1−CH1i)+(CH3i+1−CH3i)+(CH5i+1−CH5i) 3

(2.39)

Tương tự ta có sai số góc 3 tai đầu đọc H3:

(CH3i−CH1i)+(CH3i−CH3i)+(CH3i−CH5i) 3

θ3 =

360×60×60 10800 (CH1i+1−CH1i)+(CH3i+1−CH3i)+(CH5i+1−CH5i) 3

(2.40)

(CH5i−CH1i)+(CH5i−CH3i)+(CH5i−CH5i) 3

Sai số góc 5 tại đầu đọc H5:

θ5 =

360×60×60 10800 (CH1i+1−CH1i)+(CH3i+1−CH3i)+(CH5i+1−CH5i) 3

(2.41)

Tương tự xét đối với nhóm 4 đầu đọc.

(CH1i−CH1i)+(CH1i−CH2i)+(CH1i−CH4i)+(CH1i−CH4i) 4

360×60×60 10800

Sai số góc 1 tại đầu đọc H1 xác định:

θ1 =

(CH1i+1−CH1i)+(CH2i+1−CH2i)+(CH4i+1−CH4i)+(CH6i+1−CH6i) 4

(2.42)

(CH2i−CH1i)+(CH2i−CH2i)+(CH2i−CH4i)+(CH2i−CH4i) 4

360×60×60 10800

Sai số góc 2 tại đầu đọc H2 xác định:

θ2 =

(CH1i+1−CH1i)+(CH2i+1−CH2i)+(CH4i+1−CH4i)+(CH6i+1−CH6i) 4

(2.43)

(CH4i−CH1i)+(CH4i−CH2i)+(CH4i−CH4i)+(CH4i−CH4i) 4

360×60×60 10800

Sai số góc 4 tại đầu đọc H4 xác định:

θ4 =

(CH1i+1−CH1i)+(CH2i+1−CH2i)+(CH4i+1−CH4i)+(CH6i+1−CH6i) 4

(2.44)

(CH6i−CH1i)+(CH6i−CH2i)+(CH6i−CH4i)+(CH6i−CH4i) 4

360×60×60 10800

Sai số góc 6 tại đầu đọc H4 xác định:

θ6 =

(CH1i+1−CH1i)+(CH2i+1−CH2i)+(CH4i+1−CH4i)+(CH6i+1−CH6i) 4

(2.45)

Quá trình xử lý tín hiệu trên từng nhóm đầu đọc riêng biêt được xác định như trên hình 2.29: khi quay đĩa chia độ một vòng quay đồ thị sai số của từng đầu đọc được tính toán theo

các công thức 2.40 đến 2.45. Đồ thị sai số của nhóm ba đầu đọc được thể hiện trên hình 2.29a , tương tự đồ thị sai số của nhóm bốn đầu đọc như trên hình 2.29b.

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

b) a)

Thực hiện dịch pha đồ thị sai số của đầu đọc CH3 và CH5 với lượng dịch pha 120o và 240o ta có đồ thị của nhóm đầu đọc hình 2.30a, tương tự thực hiện dịch pha đối với các đầu đọc thuộc nhóm bốn đầu đọc hình 2.30b.

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

a) b)

Đồ thị sai số của nhóm 3 và 4 đầu đọc được xác định bằng trung bình cộng của dữ liệu

từng đầu đọc sau khi dịch pha được kết quả như trên hình 2.31 a đồ thị sai số nhóm 3 đầu đọc và 2.31b đồ thị sai số nhóm 4 đầu đọc.

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

b) a)

Từ dữ liệu của đồ thị sai số hình 2.31, áp dụng định lý về chuỗi Fourier (mục 2.4.1), xác định số hạng thứ hai của công thức 2.18

1 NH

(ai + ai+NG/NH + ai+2NG/NH + ⋯ + ai+(j−1)NG/NH) (2.46)

Thu được kết quả như sau:

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

a) b)

Dữ liệu trên đồ thị 2.31 trừ đi dữ liệu trên đồ thị 2.32, tương ứng của từng nhóm đầu đọc ta có đường cong hiệu chỉnh của thiết bị được thể hiện trên hình 2.33( công thức 2.18)

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

b) a)

Từ dữ liệu của đồ thị đường cong hiệu chỉnh của nhóm 3 và 4 đầu đọc, đồ thị đường

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

cong hiệu chỉnh của thiết bị bằng trung bình cộng sai số của hai nhóm đầu đọc.

Sau khi đĩa chia độ quay một vòng, toàn bộ dữ liệu của các đầu đọc cho trong bảng

2.2, thông qua chương trình xử lý số liệu được thiết kế trên cơ sở phần mềm Matlab (Phụ lục 1) sẽ tính toán xử lý số đưa ra kết quả đồ thị đường cong hiệu chỉnh như trên đồ thị 2.34. Quan sát đường cong hiệu chuẩn (hình 2.34), phân tích đánh giá sai số góc kể cả về độ lớn

và dạng đồ thị để tiến hành hiệu chỉnh sai số. Đồ thị đường cong hiệu chỉnh sai số trên hình 2.34 có dạng hình sin với 2 cực đại và 2 cực tiểu trong một chu kỳ quay của đĩa chia độ.

Điều này cho thấy đĩa chia độ bị nghiêng như phân tích mục 2.2.2.2, độ lớn sai số xác định trên đồ thị là ± 15". Để nâng cao độ chính xác của chuẩn tiến hành căn chỉnh độ nghiêng đĩa

chia độ theo sơ đồ hình 2.15 trong mục 2.3.2 đến khi đồ thị đường cong hiệu chỉnh có dạng như trên hình 2.35. Lúc này đồ thị đương cong hiệu chỉnh có dạng hình sin có chu kỳ trùng

với chu kỳ quay cùa đĩa chia độ điều này cho thấy sai số chuẩn góc toàn vòng do ảnh hưởng lệch tâm đĩa chia độ.

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

Sai số góc do ảnh hưởng của lệch tâm được hiệu chỉnh bằng cách thiết lập đương cong hình

sin có biên độ là giá trị e max, sau đó khớp số liệu của đồ thị sai số với đường cong hình sin mới tạo ra. Trong trường hợp sai số như đã cho trong đồ thị hình 2.35 hàm số hiệu chỉnh lệch tâm được xác định

Y= A×sin (2.47)

Trong đó giá trị A= e max =11,05" ( trị số này được xác định trong bảng số liệu khi

tính toán sai số của chuẩn góc toàn vòng )

Hiệu chỉnh sai số do lệch tâm bằng cách lấy dữ liệu trên đồ thị 2.35 trừ đi dữ liệu của hàm số (2.47) kết quả được thể hiện trên hình 2.36. Sai số góc lớn nhất là ± 11,02" tuy nhiên sau

khi hiệu chỉnh độ lệch tâm và độ đảo giá trị sai số góc là ± 0,3" (phần đồ thị sát với trục hoành).

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

± 14,2

Thực hiện tự hiệu chuẩn chuẩn góc toàn vòng gia số mới đươc chế tạo nhiều lần tại nhiều thời điểm khác nhau kết qua cho thấy chênh lệch kết quả giữa các lần đo nằm trong phạm vi ± 0,3" thông qua chênh lệch các kết quả đo đây chính là phương pháp ước lượng độ không đảm bảo đo bằng thực nghiệm .

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

± 0,3

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

Đánh giá độ chính xác của chuẩn góc toàn vòng thông qua việc tự hiệu chuẩn giúp

đảm bảo cho chuẩn làm việc ổn định do có thể chủ động thực hiện tự hiệu chuẩn trong quá trình hoạt động. Tuy nhiên để khẳng định tính chính xác của chuẩn, đảm bảo tính tương

đương của chuẩn, đặc biệt là chuẩn đầu, cần thiết phải tham gia so sánh liên phòng thí nghiệm với các NMIs khác trong khu vực và trên thế giới (còn được gọi là so sánh vòng).

2.6.2.1. Phương pháp so sánh vòng Hiện nay các tổ chức đo lường quốc tế và khu vực đều tổ chức các chương trình so

NMI2

sánh vòng dành cho các viện đo lường quốc gia thuộc các tổ chức đo lường quốc tế như EUROMET, APMP.... Quá trình thực hiện được thể hiện trên sơ đồ hình 2.38. Giả sử có I

NMIP NMI1 NMIP NMIi phòng thí nghiệm thuộc các NMIs tham gia so sánh vòng, trong đó có 1 phòng thí nghiệm được gọi là phòng thí nghiệm chủ trì (pilot) ký hiệu là NMIP.

xi, ui

xP, uP

x1, u1

x2, u2

x1, u1

Hình 2.38: quá trình thực hiện so sánh vòng

A A A A A

Các phòng thí nghiệm đều tiến hành đo, hiệu chuẩn trên cùng một chuẩn đo lường gọi là vật mẫu (Artifact) ký hiệu A. Cách thức tiến hành như sau: đầu tiên phòng thí nghiệm chủ trì thực hiện đo trên vật mẫu có kết quả là xp với độ không đảm bảo đo up, sau đó vật mẫu được chuyển tới NMI1 sau khi đo sẽ có kết quả x1 và u1. Lần lượt chuyển vật mẫu A đến các NMIi còn lại tiến hành đo có kết quả đo xi , ui , sau đó vật mẫu A được chuyển lại NMIP đo lại lần cuối. Sau khi kết thúc quá trình đo các NMI gửi báo cáo kết quả đo bao gồm cả độ không đảm bảo đo về NMIP để xử lý so sánh kết quả đo với nhau.

Kết quả đo của mỗi một phòng thí nghiệm được so sánh thông qua trị số En được xác định theo công thức 2.28 [6], trị số này được xác định tỷ lệ kết quả đo với kết quả đo có điều chỉnh bằng lý thuyết xác xuất thống kê [5]

(2.48)

En =

xi−xRV̅̅̅̅̅̅ 2×u(xi−xRV̅̅̅̅̅̅)

Giá trị xRV̅̅̅̅̅ được xác định bằng cách tính toán từ các giá trị đo xi thành phần.

xRV̅̅̅̅̅ = ∑ wi

× xi (2.49)

I i=1

Giá trị trọng số wi được xác định

wi = C.

1 2 (2.50) ui

Hệ số C được xác định:

(2.51)

C =

𝐼 ∑ ( 𝑖=1

1 𝑢𝑖

xRV̅̅̅̅̅ = ∑ xi

I i=1 (2.52)

Đối với các phép đo đơn, giá trị xRV̅̅̅̅̅ còn được tính theo công thức

Thành phần độ không đảm bảo đo của giá trị kết quả đo 𝑥𝑅𝑉̅̅̅̅̅ bao gồm uint(xRV̅̅̅̅̅) và

uint(xRV̅̅̅̅̅) = √C (2.53)

∑ wi(xi

−xRV̅̅̅̅̅̅)2

I i=1

thành phần uext(xRV̅̅̅̅̅)

(2.54)

×

uext(xRV̅̅̅̅̅) = √ 1

I−1

I ∑ wi i=1

̅̅̅̅̅̅̅)]2 (2.55)

u(xi − xRV̅̅̅̅̅) = √[u(xi)]2 − [uint(xRV)]2+[uext(xPilot

Trong trường hợp có 2 phòng thí nghiện so sánh kết quả đo với nhau gọi là so sánh

song phương giá trị En được xác định [6]

(2.56)

En =

√U1

x1−xref 2 2+URef

Trong đó giá trị xref và Uref là kết quả đo tại phòng thí nghiệm chủ trì. Khí tính toán so sánh kết quả đo nếu giá trị |En| được tính theo công thức 2.56 nhỏ

hơn 1 khi đó kết quả đo đạt yêu cầu [6]. 2.6.2.2. So sánh kết quả đo với KRISS

mẫu tiến hành so sánh song phương với KRISS, bố trí thiết bị đo được thể hiện trên hình 2.39.

Để thực hiện so sánh vòng đánh giá kết quả chế tạo chuẩn góc toàn vòng luận án sử dụng đa diện góc 24 mặt số hiệu LE 3537 do hãng HILGER & WATTS chế tạo làm vật

Ống tự Đa diện góc chuẩn trực

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

Chuẩn góc toàn vòng

Sử dụng phương pháp hiệu chuẩn chéo, thực hiện đo so sánh đa diện góc, phương pháp

đo như sau: đặt đa diện góc lên bàn đo, quay bàn đo thông qua cơ cấu tạo chuyển động quay của chuẩn góc toàn vòng sao cho các mặt đo của đa diện góc vuông góc với trục đo của ống

tự chuẩn trực,bắt đầu từ vị trí 0 của đa diện góc, sau đó lần lượt điều chỉnh bàn đo lần lượt đến các vị trí tiếp theo với bậc đo là 15o . Kết quả thu được thể hiện bảng 2.2 (phụ lục) Kết quả đo của KRISS theo Giấy chứng nhận hiệu chuẩn số 130-04803-005 Kết quả đo của luận án theo Giấy chứng nhận hiệu chuẩn V01.CN5.0019.17

Biểu đồ so sánh kết quả đo so sánh đa diện góc

] " [ c ó g h c ệ

-1

ộ Đ

-2

thứ tự điểm đo

KRISS thực hiện (")

Luận án thực hiện (")

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

Độ lệch

KRISS thực hiện (")

Luận án thực hiện (")

Trị số En

Khoảng đo (o)

0-15

-1.5

-1.41

0.21

15-30

0.91

0.21

30-45

-0.29

-0.41

-0.28

45-60

-0.33

-0.12

0.49

60-75

0.49

0.61

0.28

75-90

0.08

-0.03

-0.26

90-105

0.75

0.42

-0.78

105-120

-0.38

-0.42

-0.09

120-135

-0.63

-0.32

0.73

135-150

0.13

-0.02

-0.35

150-165

0.72

0.32

-0.94

165-180

-0.6

-0.41

0.45

180-195

0.98

0.64

-0.80

195-210

-0.08

0.14

0.52

210-225

0.07

-0.24

-0.73

225-240

-0.22

-0.14

0.19

240-255

0.62

0.31

-0.73

255-270

-1.32

-1.08

0.57

270-285

0.49

0.81

0.75

285-300

-0.74

-0.32

0.99

300-315

0.55

0.25

-0.71

315-330

-1.16

-0.98

0.42

330-345

0.2

0.54

0.80

345-0

1.26

0.86

-0.94

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

Kết quả so sánh cho thấy giá trị |𝐸𝑛| ≤ 1 chuẩn góc toàn vòng đảm bảo yêu cầu kỹ

thuật đề ra.

2.7. Kết luận chương hai

- Chuẩn góc toàn vòng sử dụng đĩa chia độ kiểu gia số có hai loại sai số chính: sai số

vạch chia và sai số do tâm quay. + Sai số vạch chia phụ thuộc công nghệ chế tạo, để khắc phục loại sai số này luận án

đã sử dụng phương pháp trung bình phân đoạn bằng nhau để tính toán toán xác định sai số

từng vạch chia sau một vòng quay để đưa vào bù sai số chính xác cho từng vạch chia của chuẩn góc toàn vòng.

+ Sai số tâm quay bao gồm: sai số do lệch tâm của đĩa chia độ so với tâm quay, do độ nghiêng đĩa chia độ, độ ổn định tâm quay. Loại sai số này xuất hiện khi có chuyển động

quay của đĩa chia độ và có tính chất tuần hoàn sau một vòng quay được gọi là sai số toàn vòng. Luận án đã nghiên cứu, phân tích làm rõ các tính chất của sai số toàn vòng xác lập

được các công thức xác định sai số từ đó đề xuất các phương án bù sai số, nâng cao độ chính xác là bố trí đầu đọc cách đều và đối xứng qua tâm đĩa chia độ, xây dựng hàm sin chuẩn,

hiệu chính sai số toàn vòng. - Đã xây dựng thuật toán tự hiệu chuẩn chuẩn góc toàn vòng gia số theo phương pháp EDA, sử dụng xung fc chuẩn 100 MHz để xác định sai số tích lũy δij từ đó tính toán và xây dựng đồ thị sai số trong quá trình tự hiệu chuẩn kết quả độ không đảm bảo đo U= 0,3". Kết

quả này đáp ứng được yêu cầu cần thiết đối với chuẩn đầu quốc gia lĩnh vực góc là khả năng tự hiệu chuẩn.

- Đã nghiên cứu phương án sử dụng 6 đầu đọc bố trí thành hai nhóm: nhóm 1 gồm 4 đầu đọc cách đều 90o và nhóm 3 đầu đọc cách đều 120o , lựa chọn các cụm chi tiết quan trọng, xây dựng phần mềm đọc số liệu, chế tạo, tích hợp thành công chuẩn góc toàn vòng gia số. - Thực nghiệm đánh giá độ chính xác bằng phương pháp tự hiệu chuẩn cho thấy độ

không đảm bảo đo của chuẩn góc toàn vòng U =0,3" đạt yêu cầu kỹ thuật của chuẩn góc quốc gia. Kết quả này được khẳng định bằng phương pháp so sánh liên phòng với KRISS thông qua chỉ số En, kết quả giá trị |𝐸𝑛| ≤ 1 cho thấy chuẩn góc toàn vòng hoạt động đảm bảo độ chính xác, khẳng định phương pháp tự hiệu chuẩn đã xây dựng trên cơ sở EDA có thể làm việc chính xác đáp ứng khả năng tự hiệu chuẩn chuẩn góc toàn vòng cho chuẩn đo

lường quốc gia lĩnh vực góc ở Việt Nam.

CHƯƠNG 3

CƠ SỞ PHƯƠNG PHÁP XÂY DỰNG CHUẨN GÓC NHỎ

Nội dung nghiên cứu của chương này bao gồm các vấn đề sau; Xây dựng mô hình bộ tạo góc nhỏ sử dụng nguyên lý sin, xác định yêu cầu về độ chính xác của cánh tay đòn, thiết

bị đo khoảng cách, xây dựng phương pháp đo khoảng cách tâm ảo giữa hai gương góc của cánh tay đòn. Từ đó tiến hành nghiên cứu, thiết kế chế tạo, lắp đặt bộ tạo góc nhỏ sử dụng

nguyên lý sin và giao thoa kế laser hai tần số đo, xây dựng phương pháp tính toán độ không đảm bảo đo của bộ tạo góc nhỏ.

3.1. Cơ sở lý thuyết xây dựng chuẩn góc nhỏ

A

r



S

B

Hình 3.1: Minh họa góc nhỏ

Chuẩn góc nhỏ là chuẩn có phạm vi nhỏ khoảng ± 30´, để tạo các chuẩn này thường

dùng phương pháp lượng giác để thực hiện. Theo định nghĩa radian giá trị góc  như trên

hình 3.1, được xác định bằng tỷ số giữa chiều dài cung s và bán kính r.

(3.1)

θ =

Với giá trị  nhỏ, khi đó giá trị góc  còn được xác định theo hàm số sin bằng tỷ số

giữa dây cung AB và chiều dài cạnh OA (chiều dài các cạnh trong tam giác OAB).

(3.2)

θ = arcsin

≅

Trong phạm vi ± 10 sai lệch giữa giá trị góc  tính theo hai phương pháp theo trên là

10-9 , trong phạm vi ± 30' giá trị sai lệch là 10-7.

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

Để tạo góc nhỏ θ theo nguyên lý sin như công thức 3.2, sơ đồ nguyên lý cấu tạo hoạt

động góc nhỏ như hình 3.2. A

O θ

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

Khi thay đổi khoảng cách AB=h, góc θ tạo ra có giá trị:

(3.3)

θ = arcsin

≅

Với L là cánh tay đòn.

Độ chính xác của góc θ, phụ thuộc vào việc xác định chính xác độ dài cánh tay đòn L và bước dịch chuyển h, (hình 3.2). Cánh tay đòn của bộ tạo góc nhỏ là một trong hai thành

phần quyết định đến độ chính xác của bộ tạo góc nhỏ, độ ổn định tâm quay của cánh tay đòn cũng là yếu tố gây nên sai số. Thiết bị đo khoảng cách dịch chuyển h theo sơ đồ nguyên lý,

như trên hình 3.2 phải có độ chính xác cao mới đảm bảo yêu cầu kỹ thuật của bộ tạo góc nhỏ. Các thiết bị đo độ dài thông thường như panme đo, thước vạch quang khó đáp ứng

được yêu cầu về độ chính xác. Để đảm bảo độ chính xác của thiết bị đo khoảng dịch chuyển h, sử dụng thiết bị đo độ dài kiểu quang học trong đó giao thoa kế laser đảm bảo yêu cầu kỹ thuật, hơn nữa thiết bị này sử dụng phương pháp đo không tiếp xúc tạo điều kiện dễ dàng khi lắp đặt căn chỉnh hệ thống.

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

3.2.1.1 Sơ đồ nguyên lý

Sơ đồ nguyên lý bộ tạo góc nhỏ sử dụng giao thoa kế laser được thể hiện trên hình 3.3, bao gồm hai sơ đồ sử dụng gương phẳng và gương góc. Trong giao thoa kế laser đo chiều

dài các gương dịch chuyển phải đảm bảo độ ổn định về phương chuyển động, bộ tạo góc nhỏ sử dụng gương phẳng như trên hình 3.3 a, khi quay cánh tay đòn, tia laser vào và ra

lệch nhau một góc , điều này ảnh hưởng đến khả năng thu tín hiệu, dẫn đến phạm vi tạo

góc nhỏ do tia ra thay đổi phương khi cánh tay đòn dịch chuyển ảnh hưởng đến khả năng thu tín hiệu.

Gương góc

Gương phẳng

h O θ

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

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

a) b)

Bộ tạo góc nhỏ sử dụng gương góc bao gồm ổ quay 1, cánh tay đòn 2, gương góc (coner cube) 3, tia laser 4 đi vào gương góc 3, tia laser 5 đi ra khỏi gương góc hình 3.3 b. Xét cụ

thể đường đi của tia laser vào gương góc, (hình 3.4). Gương góc sử dụng là loại gương góc

90o tia laser đi vào tại vị trí 1 đi ra tại vị trí 3 khi dịch chuyển tia laser đi vào vị trí 2 tia laser đi ra tại vị trí 4 như trên hình 3.4. Ta có quang lộ tia 1, L1 = 1A+AD+D3, quang lộ tia 2, L2 = 2E+EF+F4

L=L1 +L2 = 2KB. Dễ dàng nhận thấy trong cả hai trường hợp quang lộ của tia laser

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

bằng nhau và bằng hai lần khoảng cách BK.

Điều này cho thấy quang lộ của tia laser không phụ thuộc vào vị trí của tia laser đi vào,

điểm B là tâm gương góc cũng chính là điểm để xác định khoảng cách L, một thông số quan trọng để tính toán thiết kế bộ tạo góc nhỏ.

3.2.1.2. Phương pháp khắc phục ảnh hưởng tâm quay đến sai số của bộ tạo góc nhỏ a) Độ ổn định tâm quay

Chiều dài cánh tay đòn L được xác định từ tâm của ổ quay đến tâm gương( điểm B trên hình 3.4). Khi hoạt động, do khe hở tâm ổ quay sẽ thay đổi, điều này ảnh hưởng đến độ

Hình 3.5: Sơ đồ bộ tạo góc nhỏ đối xứng

chính xác của bộ tạo góc nhỏ. Luận án đã nghiên cứu đề xuất sử dụng sơ đồ nguyên lý để thiết kế bộ tạo góc nhỏ mang tính đối xứng như trên hình 3.5.

Theo sơ đồ nguyên lý này, tâm quay đặt ở giữa cánh tay đòn khi đó hai gương góc H1 và H2 được lắp hai đầu của cánh tay đòn. Khi quay cánh tay đòn một góc θ vị trí gương góc dịch chuyển như trên hình 3.5. Khi đó ta có:

h1 L1

h2 L2

(3.4) θ = =

Theo tính chất của tỷ lệ thức:

h1+h2 L

h1 L1

h2 L2

h1+h2 L1+L2

(3.5) θ = = = =

Trong đó thành phần L=L1 +L2 chính là khoảng cách giữa hai tâm gương góc được gắn cố định trên cánh tay đòn. Do đó khi hoạt động khoảng cách L=L1 +L2 không bị ảnh hưởng nhiều do dao động tâm ổ quay đảm bảo độ chính xác của thiết bị. Với sơ đồ này không phải xác định các thành phần L1 và L2 , khi đó tâm quay là điểm rất khó xác định chính xác khi làm việc, thay vào đó xác định khoảng cách tổng chính là khoảng cách giữa hai tâm gương góc.

b) Vị trí đặt gương góc Theo sơ đồ hình 3.5 đường thẳng nối tâm hai gương góc đi qua tâm quay của bộ tạo

góc, để xây dựng được sơ đồ bộ tạo góc nhỏ cần thiết phải nghiên cứu ảnh hưởng của vị trí tâm ổ quay đối với tâm của gương góc. Giả thiết đường thẳng AB nối hai tâm của gương

góc không qua tâm quay hình 3.6 .

D’ O E

’ D h' 1 h' 2 E’

B A’ h1 θ A h2

Hình 3.6: Sơ đồ tính toán vị trí gương góc

. Đoạn thẳng DE đi qua tâm O song song với AB cũng quay điểm D đến

B’

Trên hình 3.6 điểm A, B là vị trí tâm của gương góc, O la tâm quay, khi AB quay quanh O một góc , khi đó điểm A,B di chuyển đến điểm A’ và B’. Cạnh A’ B’ sẽ tạo với cạnh AB một góc ’ điểm D’ và E di chuyển đến E’. Quan sát trên hình 3.6, đoạn ta có:

h1 + h2 = h′1 + h′2 (3.6)

Như vậy đối với bộ tạo góc nhỏ mang tính đối xứng đoạn thẳng nối tâm hai gương góc

không nhất thiết phải đi qua tâm quay.

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

Theo sơ đồ nguyên lý bộ tạo góc nhỏ đối xứng như hình 3.5, khoảng cách dịch chuyển h1, h2 phải được xác định chính xác trong quá trình hoạt động. Trong các loại giao thoa kế đo độ dài giao thoa kế laser hai tần số dựa trên cơ sở nguyên lý tần số phách (the frequency

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

based heterodyne principle) phù hợp với việc xác định khoảng cách dịch chuyển của gương góc. Nguyên lý hoạt động của giao thoa kế laser được thể hiện trên hình 3.7, nguồn laser phát ra hai tần số f1 và f2 vuông góc với nhau. Chùm tia đi qua bộ tách tia sẽ tách thành hai tia riêng biệt có tần số lần lượt là f1 và f2 tia f1 đi vào gương phản xạ góc 1, tia f2 đi vào gương phản xạ góc 2 sau đó phản xạ lại kết hợp với nhau và đi vào bộ thu nhận tín hiệu.

Khi gương góc 2 cố định, gương góc 1 dịch chuyển theo hướng dọc theo hướng của tia

laser khi đó tần số tia phản xạ lại thay đổi một lượng là f1 do hiệu ứng Doppler. Tại bộ thu

tín hiệu sẽ thu được tín hiệu có tần số f2 - ( f1 ± f1) tín hiệu này sẽ được so sánh với tín hiệu

gốc (f2 – f1), trên cơ sở so sánh các tín hiệu f1, f2 , f2 - f1, và f2 - (f1 ± f1) sẽ xác định được lượng dịch chuyển của gương phản xạ dịch chuyển 1. Theo nguyên lý này chỉ có sự dịch

chuyển dọc theo trục của tia laser mới được phát hiện, các dịch chuyển vuông góc với trục tia không được xác định.

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

Từ những nghiên cứu trên luận án đã đưa ra sơ đồ bộ tạo góc nhỏ sử dụng giao thoa

kế Laser được thể hiện trên hình 3.8. Chùm tia laser phát ra từ nguồn laser ổn định tần số (1) qua bộ tách tia (2) tách làm hai chùm tia có tần số là f1 và f2. tia f1 đi vào gương H1(3), tia f2 đi vào gương H2 (4) thông qua gương góc 450(5). Hai gương góc phản xạ (corner cube) H1 và H2 được gắn chặt vào cánh tay đòn, tia f1 và f2 sau khi phản xạ kết hợp với nhau tại bộ thu nhận tín hiệu đặt trong giao thoa kế laser. Giao thoa kế laser xác định được sự biên thiên góc thông qua sự thay đổi quang lộ K1 và K2, khi xoay cánh tay đòn (6) tạo ra sự dịch chuyển

gương H1 và H2. Quang lộ K2 thay đổi một lượng bằng ½ Lsin tương tự quang lộ K1 cũng

thay đổi một lượng bằng ½ Lsin. Giá trị sin sẽ tỷ lệ với lượng biên thiên quang lộ K1 -K2.

Giá trị góc  được xác định:

K1−K2 L

θ = arcsin ( ) ≅ (3.7)

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

Khác với sơ đồ bộ tạo góc nhỏ của các Viện đo lường quốc gia (NMIs )của các nước khác, bộ tạo góc nhỏ theo sơ đồ hình 3.8, nguồn laser đặt lệch một bên, tia laser sau khi đi qua bộ tách tia sẽ đi thẳng vào gương góc H1 gắn chặt trên cánh tay đòn. Sơ đồ này phù hợp giao thoa kế laser sẵn có tại Việt Nam do bộ thu nhận tín hiệu và nguồn nằm trên cùng một thiết bị, đồng thời giảm thiểu linh kiện quang học ví dụ như gương góc 45o thay đổi đương đi của tia laser mà vẫn đảm bảo được độ chính xác.

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

3.3.1. Phương pháp đánh giá độ không đảm bảo đo

3.3.1.1 Mô hình đo

Thông thường đại lượng đo ở đầu ra Y thường được xác định từ N đại lượng vào X1,

X2... Xn theo hàm f:

Y = f(X1, X2... XN) (3.8)

Chính các đại lượng vào X1, X2... XN lại cũng có thể được xem như các đại lượng đo phụ thuộc vào các đại lượng khác, bao gồm các số hiệu chính và hệ số hiệu chính các ảnh hưởng hệ thống và do đó dẫn đến mối quan hệ làm phức tạp f. Hàm f chứa mọi đại lượng

đóng góp một thành phần đáng kể của độ không đảm bảo vào kết quả đo, nó bao gồm tất cả các số hiệu chính và hệ số hiệu chính. Nếu hàm f không mô phỏng được phép đo tới phạm

vi gần với độ chính xác của kết quả đo, các đại lượng vào phụ thêm phải được đưa vào trong hàm f để khắc phục sự không đầy đủ này [24].

Ước lượng của đại lượng đo Y, ký hiệu là y, nhận được từ biểu thức 3.8 bằng cách sử dụng các ước lượng vào x1, x2... xN cho các giá trị của N đại lượng vào X1, X2... XN . Ước lượng đầu ra y, đó chính là kết quả của phép đo được cho bởi:

(3.9) y = f(x1, x2... xN)

Độ lệch chuẩn ước lượng gắn với ước lượng đầu ra y nhận được bằng cách kết hợp một cách thích hợp độ lệch chuẩn ước lượng (được gọi là độ không đảm bảo chuẩn và ký hiệu là u (xi) của từng ước lượng đầu vào xi. Mỗi độ không đảm bảo chuẩn u(xi) nhận được từ đánh giá loại A hoặc loại B . Đánh giá loại A của các thành phần không đảm bảo chuẩn dựa trên phân bố tần số trong khi đánh giá loại B dựa trên phân bố ưu tiên.

3.3.1.2. Đánh giá độ không đảm bảo chuẩn loại A

Từ một dẫy n kết quả đo độc lập lặp lại qk ta tính được ước lượng của kỳ vọng q tức là giá

trị trung bình [24]:

. (3.10)

Ước lượng phương sai của hàm phân bố xác suất của q:

(3.11)

Độ lệch chuẩn thực nghiệm (độ lệch chuẩn) đặc trưng cho sự tản mạn của các kết quả đo

xung quanh giá trị trung bình [24]

(3.12)

Độ lệch chuẩn thực nghiệm s( ) của giá trị trung bình [24]

(3.13)

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

Đánh giá loại B độ không đảm bảo chuẩn được thực hiện bằng cách khác với sự phân tích thống kê một dãy các quan trắc. Nó thường dựa trên sự phán đoán khoa học bằng cách sử

dụng tất cả các thông tin liên quan có thể có, bao gồm:

+ Các số liệu đo trước đây; + kinh nghiệm hoặc hiểu biết về cách vận hành và tính chất của các phương tiện và

vật liệu có liên quan;

+ Quy định kỹ thuật của nhà sản xuất;

+ Số liệu được cho trong các báo cáo hiệu chuẩn và các báo cáo khác; + Độ không đảm bảo gắn với số liệu tham khảo lấy từ tài liệu tra cứu.

Khi xem xét độ không đảm bảo loại B cần phải chuyển đổi độ không đảm bảo đã được xem xét theo các mục ở trên thành độ không đảm bảo chuẩn theo những cách khác nhau

dưới đây.

Trường hợp độ không đảm bảo của giá trị q được lấy từ giấy chứng nhận hiệu chuẩn

hoặc từ tài liệu khác, trong đó độ không đảm bảo của nó được xác định là bội số của độ lệch chuẩn, thì độ không đảm bảo chuẩn u(q) chuyển đổi sang độ không đảm bảo chuẩn bằng

cách chia độ không đảm bảo đã biết cho số nhân. Trường hợp độ không đảm bảo của giá trị q được biết thông qua các phân bố xác xuất

của độ khi tính độ không đảm bảo chuẩn của q bằng cách chia độ không đảm bảo đã biết cho một hệ số, hệ số này phụ thuốc vào phân bố xác xuất

Phân bố xác xuất hình chữ nhật [24]:

Sử dụng trong trường hợp độ không đảm bảo được cho bằng một giới hạn cực đại

trong đó tất cả các giá trị có xác suất như nhau. Độ độ không đảm bảo chuẩn được tính bằng

cách chia nửa độ rộng của khoảng (ký hiệu là a) cho .

a

-a

+a

Hình 3.9. Phân bố xác xuất hình chữ nhật

Trục hoành X: Giá trị đo Trục tung Y: Mật độ phân bố xác suất

Phân bố xác xuất hình tam giác

Phân bố tam giác là một mô hình tốt hơn nếu biết rằng hầu hết các giá trị là nằm ở gần

tâm của phân bố. Độ không đảm bảo chuẩn được tính bằng cách chia nửa độ rộng của khoảng

(ký hiệu là a) cho .

a

+a

-a

Hình 3.10. Phân bố xác xuất hình tam giác

Trục hoành X: Giá trị đo Trục tung Y: Mật độ phân bố xác suất

Phân bố xác xuất chuẩn (Phân bố xác xuất Gauss):

Dạng phân bố này có thể được chấp nhận cho độ không đảm bảo để định nghĩa một

khoảng tin cậy có mức tin cậy đã cho thường là 95% hoặc 99%. Độ không đảm bảo chuẩn nhận được bằng cách chia độ không đảm bảo trích dẫn cho một hệ số tương ứng với phân

bố [24]. 3.3.1.4. Đánh giá độ không đảm bảo đo chuẩn tổng hợp uc

theo công Độ không đảm bảo tổng hợp uc(y) là căn bậc 2 của phương sai tổng hợp

thức 3.14 [24]:

(3.14)

Đạo hàm riêng được gọi là hệ số nhậy. Chúng mô tả ước lượng đầu ra y thay đổi như

thế nào khi giá trị của các ước lượng đầu vào x1, x2, ... xN biến đổi. Phương sai tổng hợp

có thể được xem như là tổng của các thành phần. Các thành phần này đại diện cho

phương sai ước lượng gắn với ước lượng đầu ra y và được tính từ các phương sai ước lượng gắn với từng ước lượng đầu vào xi.

Ký hiệu , có thể viết công thức như sau [24]:

(3.15)

với và

3.3.1.5. Độ không đảm bảo đo mở rộng

Mặc dù độ không đảm bảo chuẩn tổng hợp uc(y) thường được dùng để diễn tả độ không đảm bảo của kết quả đo, nhưng với một số việc sử dụng kết quả đo có tính chất thương mại, công nghiệp và có tính chất quy định (ví dụ như liên quan đến sức khoẻ hoặc an toàn), thường

đòi hỏi có một "thước đo" của độ không đảm bảo để xác định một khoảng xung quanh kết quả đo y mà có thể khẳng định một cách tự tin là giá trị của đại lượng đo Y nằm trong khoảng

đó. Thước đo của độ không đảm bảo phù hợp với yêu cầu trên được gọi là "độ không đảm bảo mở rộng", ký hiệu là U và nhận được bằng cách nhân uc(y) với hệ số phủ k (theo tiêu

chuẩn ISO/IEC 17025 k=2). Tức U = kuc(y) và có thể khẳng định một cách tự tin rằng [24]

. (3.16)

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

Sơ đồ xây dựng mô hình toán học của bộ tạo góc nhỏ như trên hình 3.11, điểm A và B chính là vị trí gương góc phản xạ H1 và H2. Khi AB quay quanh điểm O một góc θ như trên hình 3.9 điểm A,B sẽ dịch chuyển đến vị trí A’ và B’

B’

h2 O A B θ h1 h1

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

A’

Giá trị góc  được xác định

θ = arcsin

≅

(3.17)

h1+h2 L

Áp dụng công thức 3.14 độ không đảm bảo đo uc() được xác định:

2(θ) = [𝑐ℎu(h)]2 + [𝑐𝐿u(L)]2 (3.18)

u𝑐

Từ công thức 3.17 , 3.18 ta có:

= − h

𝑐ℎ =

và 𝑐𝐿 = ∂θ

∂θ ∂h

= 1 L

∂L

L2 (3.19)

2(θ) =

u2(L) (3.20)

L2 u2(h) + [ h L2] Từ công thức xác định độ không đảm bảo đo tổng hợp chuẩn uc(θ) của bộ tạo góc nhỏ nhận thấy giá trị uc(θ) phụ thuộc vào độ không đảm bảo đo của thiết bị đo khoảng dịch chuyển gương góc u(h) và độ không đảm bảo đo chiều dài cánh tay đòn u(L).

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

3.3.3.1. Đánh giá độ không đảm bảo đo của giao thoa kế laser uf(h)

Độ không đảm bảo đo của giao thoa kế laser u(h) được xác định bao gồm các thành

2 u2(H) (3.21)

2u2(t) + cp

2u2(λ) + ct

2u2(p) + cH

2(h) = cλ u𝑓

phần sau:

Trong đó:

- u(λ): Thành phần độ không đảm bảo đo phụ thuộc vào bước sóng laser - u(t): Thành phần độ không đảm bảo đo phụ thuộc vào nhiệt độ làm việc của

giao thoa kế laser

- u(p): Thành phần độ không đảm bảo đo phụ thuộc vào áp suất khí quyển khi

làm việc của giao thoa kế laser

- u(R): Thành phần độ không đảm bảo đo phụ thuộc vào độ ẩm không khí khi

làm việc của giao thoa kế laser

• Đánh giá độ không đảm bảo của bước sóng laser u(λ). Độ không đảm bảo của bước sóng laser u(λ) bao gồm hai thành phần + u1(λ): độ không đảm bảo đo được xác định thông qua giấy chứng nhận hiệu chuẩn của giao thoa laser. Bước sóng của giao thoa kế laser được hiệu chuẩn bằng cách so sánh trực

= 1,45 × 10−9 (3.22)

𝑢1(𝜆) =

2,9×10−9 2

tiếp với bước sóng nguồn laser ổn định tần số bằng I ốt chuẩn đầu đồng thời là chuẩn đo lường quốc gia lĩnh vực độ dài. Độ không đảm bảo đo tương đối của bước sóng laser của giao thoa kế laser : 2,9 10-9 (với hệ số phủ k=2). Giá trị u1(λ) được xác định:

= 1,16 × 10−8 (3.33)

𝑢2(𝜆) =

2×10−8 √3

+ u2(λ) Thành phần độ không đảm bảo đo phụ thuộc và độ không ổn định của bước sóng laser được xác định thông qua đặc trưng kỹ thuật của nguồn laser độ không ổn định của bước sóng laser ± 210-8 . Do độ ổn định của bước sóng laser phân bố đều trong khoảng (± 210-8 ), giá trị u2(λ) được xác định theo phân bố hình chữ nhật:

Hệ số nhậy cλ được xác định bằng khoảng dịch chuyển của h của gương góc. Độ không

đảm bảo đo u(λ) được xác định

2(λ) + c2

2(λ) (3.34)

λ × u1

λ × u2

2(λ)] × h2 (3.35)

u2(λ) = c2

2(λ) + u2

u2(λ) = [u1

•

Đánh giá độ không đảm bảo đo do ảnh hưởng của nhiệt độ, áp suất khí quyển và độ ẩm không khí

Khi thực hiện hiệu chuẩn giao thoa kế laser, giá trị bước sóng, độ ổn định tần số của laser được xác định trong chân không để phù hợp với định nghĩa mét theo quãng đường ánh

sáng đi được trong chân không. Bộ tạo góc nhỏ hoạt động tại điều kiện môi trường phòng thí nghiệm khi đó do ảnh hưởng của hệ số chiết xuất môi trường dẫn đến bước sóng laser

thay đổi:

n air = v (3.36)

Trong đó n: hệ số chiết xuất không khí.

 air ,  v : bước sóng của Laser trong không khí và trong chân không.

Giá trị bước sóng  v đã biết thông qua giấy chứng nhận hiệu chuẩn của nguồn laser. Để đảm bảo điều kiện làm việc của giao thoa kế phải tính toán hệ số chiết xuất không khí

xác định lượng thay đổi của bước sóng laser, đảm bảo độ ổn định khi đo khoảng cách của giao thoa kế laser.

Hệ số chiết xuất không khí n phụ thuộc vào nhiệt độ, áp suất khí quyển... n = f(t,p,H...)

Có nhiều cách xác định hệ số chiết xuất n không khí, có thể dùng thiết bị đo trực tiếp hệ số chiết xuất không khí, hoặc sử dụng các công thức thực nghiệm để xác định. Hiện nay tại

các phòng thí nghiệm đo lường thường dùng công thức Edlén để xác định hệ số chiết xuất không khí [7].

(n-1).10-8 =

× -

(3.37)

Trong đó p: áp suất khí quyển [Pa] t: nhiệt độ không khí [oC] R : độ ẩm của không khí [%]

[1/m]

Từ công thức (3.37).

(3.38)

(3.39)



(3.40)

(3.41)

Điều kiện chuẩn môi trường trong đo lường độ dài; nhiệt độ 20oC, áp suất khí quyển 101325Pa, độ ẩm 50 %RH, khi đó hệ số chiết suất nS = 1,0002699578. Nếu tiến hành đo tại điều kiện khác với điều kiện chuẩn, hệ số nhậy ct, cR,cp được xác định:

(3.42)

Khi sử dụng công thức Edlén để tính toán hệ số chiết suất không khí, do đây là công thức thực nghiệm nên bản thân nó cũng có sai số bằng 510-8 [6] phân bố theo quy luật hình chữ nhật.

2u2(p) (3.43)

2u2(t) + cp

2u2(R) + ct

Độ không đảm bảo đo u(h) được xác định

2(λ) + u2

2(λ)] × h2 + cE

2u2(E) + cR

u2(h) = [u1

Trong đó u(R),u(t),u(p) là độ biến thiên so với điều kiện chuẩn với phân bố hinhg chữ nhật.

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

Hệ số nhậy ci =

Thành phần Độ lớn Loại

B h Bước sóng laser 1,45 ×10-9h 1,1610-8h u1(λ)= 1,45 ×10-9 u1(λ)=1,1610-8

5×10-8 h B 2,89  10-8 ×h Sai số phương trình Edlen

u(t) × 9,3 × 10−9 B u(t) -9,310-9h √3 Nhiệt độ không khí × h

u(p) × 2,7 × 10−9 B u(p) 2,710-9 √3 Áp suất khí quyển × h

u(R) × 8,5 × 10−9 Độ ẩm không B u(R) -8,510-9h √3 khí × h

u(h)

u(t)

u(p)

u(R)

u2(h) = (1,45 × 10−9 × ℎ)2 + (1,16 × 10−8)2 + (2,89  10 − 8 × h)2 +

√3

√3 (3.44)

( × 9,3 × 10−9 × h)2 + ( × 2,7 × 10−9 × h)2 + ( × 8,5 × 10−9 × h)2

* Trong đó h là khoảng cách dịch chuyển của gương góc phản xạ được tính bằng m.

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

Độ dài cánh tay đòn chính là khoảng cách giữa hai tâm gương góc được gắn cố định với

thân cánh tay đòn, theo sơ đồ bộ tạo góc nhỏ hình 3.8. Để xác định độ không đảm bảo đo của cánh tay đòn trước tiên phải thiết lập mô hình toán học tính toán độ dài cánh tay đòn.Tại

L = Lc + ∆t × α × Lc (3.45)

điều kiện môi trường làm việc khoảng cách cánh tay đòn được xác định bằng công thức

Trong đó: L: Độ dài cánh tay đòn

Lc: Độ dài cánh tay đòn tại điều kiện nhiệt độ tiêu chuẩn 20oC ∆t = (tT − 20)℃ , tT : Nhiệt độ làm việc của bộ tạo góc nhỏ α hệ số dãn nở nhiệt của vật liệu chế tạo thân cánh tay đòn.

+ [c∆t × u(∆t)]2 + [cα × u(α)]2 (3.46)

2 u2(L) = [cLc × u(LC)]

Độ không đảm bảo đo của độ dài cánh tay đòn u(L) được xác định [21]

Từ công thức 3.17, 3.18:

=1; 𝑐∆𝑡 =

= ∆t × Lc (3.47)

= α × Lc ; 𝑐𝛼 =

𝑐𝐿𝑐 =

∂L ∂∆t

∂L ∂α

∂L ∂Lc

Trong đó giá trị u(LC) được xác định thông qua phép đo độ dài khoảng cách tâm giữa

hai gương góc.

Giá trị 𝑢(∆𝑡) được xác định thông qua biến thiên nhiệt độ làm việc của bộ tạo góc .

Giá trị 𝑢(𝛼) là độ không đảm bảo đo của hệ số dãn nở nhiệt của vật liệu chế tạo cánh

tay đòn.

Từ những nghiên cứu ở trên có thể thấy độ không đảm bảo đo của bọ tạo góc nhỏ phụ thuộc vào độ chính xác của thiết bị đo khoảng dịch chuyển h và chiều dài cánh tay đòn, điều

kiện môi trường làm việc của chuẩn. Điều này đặt ra yêu cầu phải nghiên cứu đo chiều dài khoảng cách cánh tay đòn của bộ tạo góc nhỏ.

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

3.4.1. Xây dựng phương pháp đo

Bộ tạo góc nhỏ sử dụng giao thoa kế laser có gương góc gắn cố định vào cánh tay đòn theo sơ đồ nguyên lý, hình 3.8. Gương góc được chế tạo theo dạng một khối bao gồm ba

mặt phản xạ vuông góc với nhau (tam diện vuông) như trên hình 3.12.

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

a) b)

Theo sơ đồ nguyên lý của gương góc, tia tới gương và tia phản xạ song song với nhau

và đối xứng với tia trung tâm. Bộ tạo góc nhỏ sơ đồ hình 3.8 có độ dài cánh tay đòn chính là khoảng cách giữa hai tâm gương. Theo định nghĩa tâm gương chính là giao điểm của ba mặt

gương vuông góc nhau sở dĩ tâm này được coi là tâm ảo do những đặc điểm về cấu tạo như sau:

- Về lý thuyết tâm gương là giao điểm thật của 3 mặt phẳng và có kích thước hình học

bằng không;

- Trong thực tế trong kỹ thuật và công nghệ gương góc là một thực thể vật lý nên không

thể chế tạo được giao điểm có kích thước bằng không;

- Với một gương góc thực tâm gương được coi là trung điểm của tia vào (tới) và tia ra

(phản xạ).

Với các phương pháp đo độ dài thông thường xác định chính xác tâm gương góc khó do tâm gương góc là tâm ảo là điểm giao của ba mặt phẳng gương. Phương pháp xác định

độ dài cánh tay đòn sử dụng hai bàn quay phân độ kết hợp với ống tự chuẩn trực giống phương pháp đo của một số NMIs [33] đảm bảo độ chính xác và khả năng tự hiệu chuẩn.

Tuy nhiên phương pháp này cũng gặp phải vấn đề do sử dụng hai bàn quay phân độ có giá trị độ chia nhỏ hơn hoặc bằng giá trị độ chia của bộ tạo góc nhỏ. Để giải quyết vấn đề này

luận án đã nghiên cứu đề xuất phương pháp đo khoảng cách tâm ảo giữa hai gương góc. Phương pháp này cho phép đo khoảng cách tâm ảo gương bằng thiết bị đo độ dài cấp chính

xác cao kết hợp với cảm biến quang điện để xác định vị trí tâm gương. Sơ đồ đo của phương pháp được thể hiện trên hình 3.13.

x 1

2 LC

Y1 Y2

45º 45º A B 45º 45º 3 4

D C G I

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

X1 5 6 X2

Tiến hành đo:

Gương góc 3 và 4 có góc ở đỉnh 90o được gắn chặt trên thân cánh tay đòn 2, toàn bộ cánh tay đòn đặt trên bàn đo dịch chuyển theo phương x của máy đo độ dài. Sử dụng nguồn phát sáng 5 (thường dùng tia laser ) và cảm biến vị trí quang 6 được gắn cố định để thực hiện phép đo khoảng cách. Tại vị trí ban đầu, tia sáng phát ra tới gương góc 3 tại vị trí A đi tới vị trí B phản xạ lại, cảm biến vị trí quang sẽ lưu lại và xác định vị trí X1 của tia sáng phản xạ. Di chuyển bàn đo đến vị trí tiếp theo lúc này đỉnh gương 4 nằm tại vị trí Y2, khoảng cách

dịch chuyển của bàn đo ký hiệu là LD. Tại vị trí này tia sáng đi tới gương 4 tại vị trí C tiếp tục tới vị trí D phản xạ lại cảm biến vị trí quang tại điểm X2. Kết hợp khoảng cách chuyển bàn đo LD và tọa độ X1,X2 sẽ xác định chính xác khoảng cách giữa hai tâm ảo của gương góc.

Theo phương pháp đo được thể hiện trên hình 3.13, độ dài cánh tay đòn LC được xác định:

L𝐶 = LD + Y2Y1 (3.48)

Đoạn thẳng 𝑌2𝑌1 không xác định được vì đó là tâm ảo, tuy nhiên có thể xác định

Trên sơ đồ hình 3.13, nhận thấy độ dài hai đoạn thẳng DI bằng Y1Y2 , đồng thời ta có

khoảng cách Y2Y1 thông qua giá trị tọa độ X1,X2 . AC và Y1Y2 bằng nhau do tứ giác CAY1Y2 là hình thang cân.

AC = BG (3.49)

Tam giác BGI là tam giác cân:

BG = IG (3.50)

Từ 3.21 và 3.22 suy ra

Y1Y2 = DI = IG (3.51)

DG (3.52) Y1Y2 =

DG = X1X2 Suy ra Y1Y2 = X1X2 (3.53)

Khoảng cách L được xác định:

L𝐶 = LD + X1X2 (3.54)

Trong đó : LD được xác định thông qua khoảng dịch chuyển của bàn đo của máy đo

chiều dài .

𝑋1X2 được xác định thông qua cảm biến vị trí quang.

Về nguyên tắc có thể đo bằng cách điều chỉnh cho Y1 Trùng với Y2 , khi đó LC = LD tuy nhiên do tâm gương góc là tâm ảo vì vậy khó nhận biết cho hai điểm Y1 và Y2 trùng nhau. Do đó sử dụng cảm biến quang để xác định tọa độ X1 và X2 có khả năng đạt độ chính xác.

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

Độ không đảm bảo của phép đo độ dài cánh tay đòn u(LC) được xác định:

2 uLD

2 + uA

2 2 + cCMR

2 uCMR

(3.55) u2(LC) = cLD

Trong đó:

+ 𝑢𝐿𝐷 : Thành phần độ không đảm bảo đo của máy đo chiều dài khi xác định khoảng cách LD được xác định thông qua đặc trưng kỹ thuật của máy đo độ dài xác định khoảng cách LD

+ 𝑢𝐴 : Thành phần độ không đảm bảo đo loại A khi đo lặp lại độ dài cánh tay đòn được xác định thông qua các phép đo lặp lại áp dụng công thức 3.13 tính độ không đảm bảo

loại A

+ 𝑢𝐶𝑀𝑅: Thành phần độ không đảm bảo đo của phép đo xác định tọa độ vị trí X1,X2 tia

phản xạ được xác định thông qua độ chính xác của phương pháp xác định tọa độ X1,X2

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

Để thực hiện phép đo khoảng cách giữa hai tâm ảo của cánh tay đòn, luận án đã xây dựng sơ đồ đo sử dụng giao thoa kế laser kết hợp với băng máy dịch chuyển để tiến hành đo khoảng cách LD. Sử dụng camera đo kết hợp với màn chắn sáng, xác định vị trí tia laser phản xạ thông qua cảm biến vị trí quang CCD như trên hình 3.14.

Theo sơ đồ được thể hiện trên hình 3.14, cánh tay đòn 2 đặt lên bàn đo 1 dịch chuyển, gương đo khoảng cách 3 được gắn trực tiếp trên cánh tay đòn sao cho tay đòn L nằm trùng

4 với phương dịch chuyển bàn máy mục đích giảm thiểu sai số Abbe. Sử dụng giao thoa kế laser 4 kết hợp băng máy dịch chuyển để đo khoảng cách LD như trên hình 3.14 3 LD

Hình 3.14: Sơ đồ đo khoảng cách cánh tay đòn

Tia laser 5 sau khi phát ra từ nguồn phát 5 phản xạ lại đi đến màn chắn 6, camera 7 sẽ chụp xác định vị trí tia laser phản xạ, mô hình thực nghiêm đo khoảng cách cánh tay đòn

được thể hiện trên hình 3.15. Giao thoa kế laser đo khoảng cách

Gương góc

Camera Bàn đo dịch chuyển

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

Màn chắn Nguồn phát laser

Như đã phân tích ở bên trên độ chính xác của phép đo không chỉ phụ thuộc vào độ chính xác của giao thoa kế laser đo khoảng cách mà còn phụ thuộc rất nhiều đến độ chính xác khi xác định vị trí tia laser phản xạ. Việc xác định tâm của vết laser sử dụng phương

pháp nội suy trọng tâm [4,19]. Theo phương pháp này trọng tâm của vết laser được xác định thông qua cường độ sáng của từng điểm ảnh không phụ thuộc vào hình dạng và dạng phân

bố cường độ sáng của ảnh [21,52] chỉ cần hình dạng và phân bố cường độ của ảnh không thay đổi trong quá trình đo khi đó trọng tâm ảnh được xác định chính xác. Với phương pháp

nội suy trọng tâm cho phép nội suy điểm ảnh nhỏ hơn kích thước của pixel ( sub pixel) Hình 3.16, thể hiện ảnh của tia laser phản xạ, giá trị x,y trên hình là tọa độ tâm của tia laser đơn

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

vị là pixel.

Quá trình quy đổi đơn vị pixel sang đơn vị độ dài mm được thực hiện như sau: dịch

chuyển bàn đo một khoảng cách nhỏ (trong phạm vi của một gương góc) sao cho ảnh của tia laser phản xạ nằm trong trường quan sát, so sánh tọa độ dịch chuyển của ảnh với kết quả

hiển thị trên giao thoa kế laser đo độ dài sẽ xác định được giá trị một pixel tương ứng với bao nhiêu mm. Tiến hành đo khảo sát xác định giá trị quy đổi pixel sang mm kết quả đạt

được mỗi một pixel tương ứng với 0,0032 mm. Độ lặp lại của camera xác định vị trí là 1 pixel

Quá trình đo thử nghiệm được tiến hành trong điều kiện môi trường

- Nhiệt độ: (20 ± 1) oC

- Độ ẩm không khí: (40  60) %RH.

- Áp suất khí quyển: (101325 ± 100) Pa

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

+ Xác định thành phần u(LD) Trong phép đo chiều dài cánh tay đòn luận án sử dụng sử dụng giao thoa kế laser hai tần số để đo khoảng cách LD giống với thiết bị được sử dụng trong mục 3.3.2. Độ không đảm bảo của phép đo độ dài cánh tay đòn u(LC) được xác định theo công thức 3.21, khi đó thay thế giá trị h bằng khoảng cách dịch chuyển bàn đo trong trường hợp này lấy bằng giá trị LD giá trị dịch chuyển của bàn đo.

+ Xác định Giá trị 𝒖𝑨

Giá trị uA xác định thông qua phép đo lặp lại thực hiện lặp lại các phép đo khoảng cách LD Áp dụng công thức tính độ không đảm bảo loại A [24] :

(3.56)

uA = √∑ (Li−L̅)

n 1 (n−1)×n

Trong đó:

Li : kết quả đo riêng rẽ n : là số lần đo L̅ : là giá trị trung bình của các lần quan trắc

+ Xác định 𝒖𝑪𝑴𝑹

- 𝑢𝐶𝑀𝑅: độ không đảm bảo đo của phép đo xác định vị trí tia laser phản xạ được xác

định:

2 + 𝑐𝐶𝑀𝑅2

2 = 𝑐𝐶𝑀𝑅1 uCMR

2 uCMR1

2 uCMR2

(3.57)

Trong đó:

𝑢𝐶𝑀𝑅1: Thành phần độ không đảm bảo do ảnh hưởng giá trị độ chia của camera xác

: Thành phần độ không đảm bảo đo do ảnh hưởng độ lặp lại của camera xác

định vị trí 2 𝑢𝐶𝑀𝑅2 định vị trí.

Theo GUM [24] giá trị 𝑐𝐶𝑀𝑅1 , 𝑐𝐶𝑀𝑅2 xác định như sau:

2√3

√3

(3.58) 𝑐𝐶𝑀𝑅1 = và 𝑐𝐶𝑀𝑅2 =

rc: Giá trị độ chia của camera, Rp: Độ lặp lại

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

3.5.1. Sơ đồ nguyên lý

Trên cơ sở nghiên cứu xây dựng các phương pháp khắc phục sai số, nghiên cứu phương pháp đánh giá độ không đảm bảo đo, mục tiêu của luận án đề ra đối với của bộ tạo góc nhỏ:

+ Phạm vi tạo góc ± 30' + Độ không đảm bảo đo U =0,1"

Luận án đã thiết kế tích hợp bộ tạo góc nhỏ có sơ đồ nguyên lý như trên hình 3.17.

L 2 1

H2 7 H1 3

f2 – f1 ± ∆f

4 6

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

Chùm tia laser phát ra từ giao thoa kế laser hai tần số HP 5529 A 5 qua bộ tách tia 6 chia thành hai chùm tia có tần số là f1 và f2. tia f1 đi vào gương 7 H1, tia f2 đi vào gương 3 H2 thông qua gương góc 450 4. Hai gương góc phản xạ (corner cube) H1 và H2 được gắn chặt vào cánh tay đòn 1, tia f1 và f2 sau khi phản xạ kết hợp với nhau tại bộ thu nhận tín hiệu của giao thoa kế laser. Khi xoay cánh tay đòn một góc bằng cách vặn vít me đo 2 tạo ra sự

dịch chuyển gương H1 và H2, thành phần f2 – f1 thay đổi một lượng f tỷ lệ với sự dịch

chuyển của gương, giá trị góc  được xác định bằng tỷ số giữa khoảng dịch chuyển h và

chiều dài cánh tay đòn L.

Hình 3.18: Kết cấu cánh tay đòn

3.5.2. Cánh tay đòn

Cánh tay đòn là cụm chi tiết quan trọng của bộ tạo góc nhỏ, để đảm bảo kết cấu cứng

vững, cơ cấu tạo chuyển động quay của cánh tay đòn là pam me (2). Hai gương góc phản xạ (3) được lắp cố định trên thân cánh tay đòn, khoảng cách giữa hai tâm gương chính là

khoảng cách cánh tay đòn L là một trong hai kích thước quan trọng ảnh hưởng đế độ chính xác của bộ tạo góc nhỏ. Luận án thiết kế chế tạo bộ tạo góc nhỏ có giá trị danh nghĩa chiều dài cánh tay đòn L= 300 mm.

3.5.3. Giao thoa kế laser

Bộ tạo góc nhỏ sử dụng giao thoa kế laser:

- Hãng sản xuất: HEWLETT PACKARD - Nước sản xuất: Mỹ

- Ký hiệu HP5529A Số hiệu: S/N 3403A00531

+ Phạm vi đo: (0-30) m + Độ chính xác ổn định tần số tương đối: 2,9 x 10-9.

Bước sóng của giao thoa kế laser được so sánh trực tiếp với nguồn laser He-Ne ổn định

tần số bằng I ốt bước sóng 633 nm chuẩn đầu đo lường lĩnh vực độ dài.

3.5.4 Phần mềm đo

Trong quá trình nghiên cứu thiết kế bộ tạo góc nhỏ đã tìm hiểu phần mềm đo góc của nguồn giao thoa kế laser, cải tiến phần mềm để phù hợp với các kích thước động học của

bộ tạo góc nhỏ

100

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

Nội dung chủ yếu là dựa trên các kích thước chiều dài cánh tay đòn khảo sát tính toán

giá trị hệ số giao thoa ( Optics Calibration Factor).

Bộ tạo góc nhỏ được chế tạo và lắp đặt trên tấm đế bằng thép dầy 20 mm bao gồm các

cụm chi tiết cánh tay đòn được chế tạo bằng hợp kim nhôm trên đó có gắn 02 gương góc phản xạ khoảng cách giữa hai tâm gương chính là chiều dài cánh tay đòn L được xác định

theo phương pháp được xây dựng theo mục 3.4.3.

Luận án đã sử dụng ổ quay có điều chỉnh được khe hở căn chỉnh khe hở của ổ quay. Pan

me dịch chuyển có phạm vi đo (0-25) mm, giá trị độ chia 0,001 mm dùng để tạo ra chuyển động quay mịn và chính xác.

02 gương

phản xạ góc

Nguồn laser

Cánh tay đòn

Đế

Hình 3.20: Bộ tạo góc nhỏ

Bộ tách tia

101

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

Bộ tạo góc nhỏ được chế tạo có giá trị danh nghĩa chiều dài cánh tay đòn L= 300 mm

Phạm vi tạo góc lớn nhất của bộ tạo góc nhỏ ± 30', như vậy góc θ sẽ dịch chuyển từ -

30' đến +30', khi đó khoảng dịch chuyển h lớn nhất hM xác định

hM = 2 × L × sin θMax = 2 × 300 × sin 30′ = 5,23 mm ( 3.59)

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

Bộ tạo góc nhỏ được sử dụng trong điều kiện môi trường như sau:

- Nhiệt độ: (20 ± 1) oC - Độ ẩm không khí: (50 ± 10) %RH. - Áp suất khí quyển: (101325 ± 100) Pa

Thành phần độ không đảm bảo đo của giao thoa kế laser đo khoảng dịch chuyển h của

bộ tạo góc nhỏ được chế tạo làm việc tại điều kiện môi trường phòng thí nghiệm được cho trong bảng 3.2 khi đó các giá trị u(t), u(R), u(p) được xác định :u(t) =1oC , u(R) = 10 % RH, u(p) = 100 Pa

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

Hệ số nhậy ci =

Thành phần Độ lớn Loại

Bước sóng laser h B

1,45 ×10-9h 1,1610-8h u1(λ)= 1,45 ×10-9 u1(λ)=1,1610-8

5 × 10−8 × h 5×10-8 h B Sai số phương trình Edlen √3

1 Nhiệt độ không × 9,3 × 10−7 × h u(t) B -9,310-7h khí √3

100 Áp suất khí × 2,7 × 10−9 × h u(p) B 2,710-9 quyển √3

10 × 8,5 × 10−9 × h u(R) B -8,510-9h Độ ẩm không khí √3

u(h)

Giá trị u(h) được xác định theo công thức 3.44, thay giá trị u(t), u(h), u(R) như trên ta

2(h) = (1,45 × 10−9 × ℎ)2 + (1,16 × 10−8)2 + (2,89  10 − 8 × h)2 + u𝑓

có u(h)

(0,58 × 9,3 × 10−9 × h)2 + (57,73 × 2,7 × 10−9 × h)2 + (5,78 × 8,5 × 10−9 × h)2 (3.60)

102

uf(h) = 0,5610-6h = 0, 56h µm (3.61)

Trong đó giá trị h khoảng dịch chuyển của gương góc tính bằng m. Khoảng dịch chuyển h trong bộ tạo góc nhỏ có gía trị lớn nhất là 5,3 mm (0,0053 m) thay thế giá trị hM vào công thức 3.61 ta có

uf(h) = 0,560,0053 = 0,00296 µm (3.62)

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

Thành phần 𝒖𝒂(h ) gây ra do việc lắp đặt hệ thống, khi lắp đặt đoạn AB đường

thẳng nối hai tâm của gương góc phản xạ không vuông góc với chùm tia laser phát ra như trên hình 3.21. Khi đó khoảng dịch chuyển h1 và h2 thay đổi một lượng:

- h1(1-cos)

- h2 (1-cos)

α B A

Gương 45o

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

Nguồn laser

Với góc  nhỏ ta có

α2 2

( 3.63) cos(α) ≅ 1 −

h1α2 ( 3.64)

h1(1 − cosα) ≅

h2α2 (3.65)

h2(1 − cosα) ≅

Trong kỹ thuật đo độ dài, thành phần sai số d thuộc loại sai số cosin

α2(h1 + h2) (3.66)

h = h1(1 − cosα) + h2(1 − cosα) ≅

Xét theo phân bố hình chữ nhật ta có:

(3.67)

=

2×√3

α2(h1+h2) 2×√3

ua(h) =

Luận án đã tiến hành lắp đặt căn chỉnh bộ tạo góc nhỏ xác định góc  có giá trị lớn

nhất là 0,0029 rad. Thành phần độ không đảm bảo đo ua(h) được xác định

103

h 0,00292 × 5,23 = = = 0,000013 mm = 0,013 μm ua(h) = 2 × √3 α2(h1 + h2) 2 × √3 2 × √3

2(h) (3.68)

2(h) + ua

Độ không đảm bảo đo u(h) được xác định

u2(h) = uf

u (h) = √0,002962 + 0,0132= 0,0133µm (3.69)

3.6.3. Xác định thành phần u(L)

Theo công thức 3.45 mục 3.3.3.1 xác định chiều dài cánh tay đòn và công thức 3.46

tính toán độ không đảm bảo đo u(L) bao gồm hai thành phần

- Thành phần u(LC) được xác định thông qua phép đo độ dài khoảng cách tâm giữa

hai gương góc

- Thành phần độ không đảm bảo đo uE(L) phụ thuộc vào điều kiện môi trường làm

việc của bộ tạo góc nhỏ. 3.6.3.1 Xác định giá trị u(LC)

Áp dụng phương pháp tính được thể hiện trong mục 3.4.2 tính toán u(LC) đối với bộ

tạo góc nhỏ được chế tạo như sau

- Xác định Giá trị 𝑢𝐴

Luận án đã tiến hành đo thử nghiệm để xác định giá trị uA kết quả đo thử nghiệm được cho trong bảng 3.3

Kết quả đo

(mm)

299,9891

299,9883

299,9821

299,9861

299,9864

299,9868

299,9881

299,9884

299,9892

299,9831

299,9883

299,9886

299,9876

299,9887

299,9871

299,9857

299,9862

299,9896

299,9838

299,9864

299,9836

299,9832

299,9861

299,9846

299,9879

299,9863

299,9838

299,9832

299,9863

299,9839

299,9847

299,9834

299,9872

299,9837

299,9836

299,9838

299,9834

299,9857

299,9882

299,9857

299,9861

299,9859

299,9866

299,9838

299,9898

299,9834

299,9892

299,9878

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

Áp dụng công thức tính 3.13 độ không đảm bảo loại A :

104

n 1 (n−1)×n

= 0,0003 mm = 0,3 μm (3.70) uA = √∑ (LDi−L̅𝐷)

Trong đó: Li : kết quả đo riêng rẽ n : là số lần đo

𝐿𝐷̅̅̅̅ : là giá trị trung bình của các lần quan trắc

= 299,9861 mm (3.71)

L̅𝐷 =

n ∑ Li 1 n

- Xác định u(LD) Thành phần độ không đảm bảo đo của máy đo chiều dài khi xác định khoảng cách LD được xác định thông qua đặc trưng kỹ thuật của máy đo độ dài xác định khoảng cách LD. Luận án sử dụng đồng thời giao thoa kế laser hai tần số tiến hành đo khoảng cách LD, và khoảng cách dịch chuyển gương góc h của bộ tạo góc nhỏ. Do đó có thể sử dụng phương

pháp tính độ không đảm bảo đo giao thoa kế laser mục 3.61 để xác định độ không đảm bảo của phép đo độ dài cánh tay đòn u(LD), khi đó thay giá trị h bằng giá trị LD.

u(LD) = 0,5610-6LD = 0, 56LD µm (3.72)

Giá trị LD được xác định bằng kết quả trung bình L̅𝐷 = 299,9861 mm

u(LD) = 0, 560,2999861 = 0,18 µm (3.73)

Trong công thức 3.69 giá trị LD được đổi sang đơn vị m.

- Xác định 𝑢𝐶𝑀𝑅

Thành phần độ không đảm bảo đo của phép đo xác định vị trí tia laser phản xạ được

xác định theo công thức 3.57, sử dụng các số liệu tính trong mục 3.4.3.

2 = ( uCMR

× 3,22 + ( × 3, 22 (3.74) ) 2√3 ) √3

× 3,22 + ( × 3, 22 = 2,07 µm (3.75) uCMR = √( ) 2√3 ) √3

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

Bộ tạo góc nhỏ làm việc trong môi trường phòng thí nghiệm, nhiệt độ phòng thí nghiệm

2(𝐿) = [𝑐∆𝑡 × u(∆t)]2 + [𝑐𝛼 × u(α)]2 (3.76) 𝑢𝐸

biến thiên điều này dẫn đến chiều dài cánh tay đòn L cũng thay đổi ảnh hưởng đến độ không đảm bảo đo tổng của bộ tạo góc nhỏ. Bộ tạo góc nhỏ làm việc trong điều kiện nhiệt độ biến thiên trong khoảng : (20 ± 1) oC, áp dụng công thức 3.46 và 3.47.

Vật liệu chế tạo thân cánh tay đòn là hợp kim A600 có hệ số dãn nở nhiệt

α = (14±1,4) ×10-6 / oC, do đó u(α) có giá trị là 1,4  10-6 phân bố hình chữ nhật.

105

Khoảng biến thiên nhiệt độ so với nhiệt độ tiêu chuẩn 20oC là ± 1oC, độ không đảm

𝑐∆𝑡 =

bảo đo u(t) = 1 và có phân bố hình chữ nhật.

= ∆t × Lc

= α × Lc ; 𝑐𝛼 =

∂L ∂∆t

∂L ∂α

Giá trị uE(L) được xác định

√3

1,4×10−6 √3

]2 + [1 × 0,2999861 × ] = 2,4 μm uE(L) = √[14 × 10−6 × 0,2999861 ×

(3.77)

2(L)

2 + uLD

2 + uE

Độ không đảm bảo đo chiều dài cánh tay đòn u(L) được xác định

2 (LD) + uCMR

u(L) = √uA

u(L) = √0, 32 + 0,182 + 2,072 + 2, 42 = 3,19 μm (3.78)

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

Độ không đảm bảo đo tổng hợp của bộ tạo góc phẳng nhỏ được xác định theo công

thức 3.18:

× u(h))

+ ( h

L2 × u(L))

5,23

2 × 0,0000133]

+ [

= 1,9 × 10−7 𝑟𝑎𝑑

uc(θ) = √[

299,9861

299,98612 × 0,00319 ]

(3.79) uc(θ) = √(1

(3.80)

Giá trị uc(θ) = 1,9 × 10−7 𝑟𝑎𝑑 đổi sang đơn vị giây uc(θ) ≅ 0,04" Độ không đảm bảo đo mở rộng của bộ tạo góc nhỏ được xác định theo tiêu chuẩn

ISO/IEC 17025 với hệ số phủ k=2

U = k × uc(θ) = 2 × 0,04 = 0,08

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

Do bộ tạo góc nhỏ là chuẩn đo lường được xây dựng theo dạng chuẩn đầu nên phương

pháp đánh giá độ chính xác của nó là xây dựng phương pháp tính toán độ không đảm bảo đo của các yếu tố thành phần và của cả hệ thống. Đồng thời để kiểm chứng lại kết quả tính toán

độ chính xác luận án tiến hành so sánh liên phòng với phòng thí nghiệm đo lường độ dài của KRISS. Sử dụng ống tự chuẩn trực kiểu H&W số A142/12 137S do hãng Higer Walt chế

tạo có phạm vi đo (0-10)' và giá trị độ chia 0,2"làm vật mẫu. Phương pháp đo được thực hiện bằng cách đặt gương phẳng lên bàn đo của bộ tạo góc nhỏ, điều chỉnh trục đo của ống tự chuẩn trực (vật mẫu) vuông góc với mặt phản xạ của gương phẳng, xác định vị trí gốc sau

đó lần lượt quay bộ tạo góc nhỏ tạo thành các góc cách nhau 30, Độ lệch góc do của ống tự

chuẩn trực được xác định:

106

do = MC − M0 (3.81)

Trong đó: , MC, Mo là giá trị đọc trên bộ tạo góc nhỏ và ống tự chuẩn trực cùng một vị

trí đo. Kết quả đo của KRISS được cho trong giấy chứng nhận hiệu chuẩn số:07-04231-003

Kết quả đo của luận án được cho trong giấy chứng nhận hiệu chuẩn V01.CN5.0003.17 Kết quả đo so sánh như sau:

Độ lệch ["]

Trị số En

Thứ tự

Giá trị danh nghĩa 0’ 30” 1’ 1’30” 2 2’30” 3’ 3’30” 4’ 4’30” 4’40” 4’50”

Luận án 0 0 -0.1 0 -0.1 0 0 -0.1 -0.1 -0.2 0 0.1

KRISS 0 0 0 -0.1 0 -0.1 -0.1 -0.1 0 -0.1 -0.1 -0.1

0.00 0.00 0.20 -0.20 0.20 -0.20 -0.20 0.00 0.20 0.20 -0.20 -0.39

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

5’ (Điểm gốc) 0 0

0.00 0.00 -0.20 -0.20 0.20 0.00 0.20 0.39 -0.20 -0.20 0.20 0.20 0.20

5,10” 5’20” 5’30” 6’ 6’30” 7’ 7’30” 8’ 8’30” 9’ 9’30” 10’ 0 0.1 0.1 -0.1 -0.1 -0.2 -0.3 -0.1 -0.2 -0.5 -0.5 -0.6 0 0 0 0 -0.1 -0.1 -0.1 -0.2 -0.3 -0.4 -0.4 -0.5

107

Biểu đồ so sánh

0.4

0.2

Thứ tự điểm đo

9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26

-0.2

] " [ h c ệ

-0.4

ộ Đ

-0.6

-0.8

-1

KRISS thực hiện

Luận án thực hiện

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

Tiến hành so sánh kết quả đo giữa VMI và KRISS thông qua tính toán trị số En công

thức

(3.82)

En =

xlab−xref 2 +ULab

√URef

Trong đó: - xref và xlab Là kết quả đo tại KRISS và kết quả đo do luận án thực hiện

- Uref và Ulab là độ không đảm bảo đo của KRISS và độ không đảm bảo đo

tại do luận án thực hiện.

Thông qua kết quả tính toán Trị số En lớn nhất là tại điểm 4’50” là -0,39 tại điểm 7’30” là

0,39. Trị số : |En | 1 Kết quả đo đạt yêu cầu

3.8. Kết luận chương ba

Khi tạo góc nhỏ theo nguyên lý sin dùng độ chính xác của nó phụ thuộc độ chính xác

của cánh tay đòn, và thiết bị đo khoảng cách dịch chuyển.

- Luận án đã nghiên cứu đưa ra phương pháp đo khoảng cách tâm ảo giữa hai gương góc của cánh tay đòn, đây là một trong hai yếu tố quan trọng quyết định đến độ chính xác của bộ tạo góc nhỏ. Với phương pháp đo mới này đã ứng dụng để đo đo độ dài cánh tay đòn đạt độ chính xác đến 2,07 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 chính xác theo yêu cầu nhỏ hơn 0,1 .

- Bộ tạo góc nhỏ được nghiên cứu, thiết kế chế tạo có đặc trưng kỹ thuật: phạm vi đo

± 30', độ không đảm bảo đo mở rộng U= 0,08.

- Độ chính xác của bộ tạo góc nhỏ đạt được đã được kiểm chứng thông qua so sánh

quốc tế với Viện nghiên cứu về chuẩn và khoa học Hàn Quốc (KRISS).

108

- Để đạt được yêu cầu về khả năng tự hiểu chuẩn đối với chuẩn đầu/quốc gia, luận án đã dẫn truyền độ chính xác góc bằng phương pháp đo độ dài từ giao thoa kế laser theo định

nghĩa radian trong hệ đơn vị đo lường quốc tế SI.

109

CHƯƠNG 4 XÂY DỰNG HỆ THỐNG CHUẨN ĐO LƯỜNG QUỐC GIA LĨNH VỰC GÓC

Nội dung nghiên cứu của chương này bao gồm: 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.

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

Hệ thống chuẩn đo lường quốc gia lĩnh vực góc phải đảm bảo đầy đủ các yêu tố kỹ thuật để hiệu chuẩn được các chuẩn, phương tiện đo góc trong xã hội và nghiên cứu khoa

học của quốc gia. Dựa trên các kết quả nghiên cứu của luận án thiết lập hệ thống chuẩn quốc gia lĩnh vực góc theo sơ đồ hình 4.1

HỆ THỐNG CHUẨN ĐO LƯỜNG QUỐC GIA LĨNH VỰC GÓC

Chuẩn góc toàn vòng

Độ chính xác: 0,3" Tự hiệu chuẩn theo phương pháp Bộ tạo góc nhỏ sử dụng giao thoa Laser Phạm vi đo: ±30'

U = 0, 08 EDA áp dụng nguyên lý vòng tròn khép kín. Liên kết trực tiếp đến chuẩn đầu độ

dài

Ống tự chuẩn Trực

Độ phân giải: 0, 010,1

Độ không đảm bảo đo Đa diện góc Độ không đảm bảo đo U= (0,10, 3) U=0,3"

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

Chuẩn góc công tác, phương tiên đo góc

110

bảo việc liên kết chuẩn, đánh giá được độ chính xác của chuẩn, đảm bảo độ ổn định của chuẩn.

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

Hệ thống chuẩn đo lường quốc gia lĩnh vực góc được kết hợp từ bộ tạo góc nhỏ và chuẩn

góc toàn vòng giúp cho hệ thống thực hiện được việc hiệu chuẩn các chuẩn, phương tiên đo góc nhỏ và phạm vi đo đến 360o. Hệ thống được thực hiện bằng cách cố định chuẩn góc toàn vòng lên bàn đo của bộ tạo góc nhỏ như trên hình 4.2.

Đa diện góc Ống tự chuẩn trực

Chuẩn góc toàn vòng

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

Bộ tạo góc nhỏ

Hệ thống bao gồm chuẩn góc nhỏ và chuẩn góc toàn vòng, việc tích hợp này giúp cho

hệ thông làm việc ổn định thỏa mãn được yêu cầu về độ chính xác khi hiệu chuẩn các chuẩn góc khác như ống tự chuẩn trực và đa diện góc. Trong trường hợp hiệu chuẩn đa diện góc

bằng phương pháp hiệu chuẩn chéo sự kết hợp này sẽ nâng cao khả năng đọc, độ chính xác của thiết bị bằng cách quay chuẩn góc toàn vòng mang đa diện góc đến vị trí cần đo sau đó

tiếp tục tinh chỉnh bằng bộ tạo góc nhỏ đến giá trị cần kiểm. Tổng hợp số đọc trên chuẩn góc toàn vòng và bộ tạo góc nhỏ chính là số đọc khi hiệu chuẩn đa diện góc hay nói cách

khác khi hiệu chuẩn đa diện quang học phạm vi đo phụ thuộc và chuẩn góc toàn vòng, độ

111

chính xác phụ thuộc bộ tạo góc nhỏ. Khi tiến hành hiệu chuẩn ống tự chuẩn trực gương đo sẽ được đặt lên bàn đo của chuẩn góc toàn vòng cố định bàn đo của chuẩn góc toàn vòng lúc

này chuẩn góc toàn vòng có tác dụng như một đồ gá để thực hiện việc hiệu chuẩn. Hệ thống chuẩn đo lường quốc gia lĩnh vực góc được xây dựng có đặc trưng kỹ thuật

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

Chuẩn góc toàn vòng

Tên gọi Đặc trưng kỹ thuật

Đĩa chia độ 10800 vạch

Giá trị vạch chia 20μm

Đầu đọc

Bộ nội suy tín hiệu

06 đầu đo SMD-01 Nội suy 210 bit ( X 1024)

Độ phân giải thiết bị 0,12”

Sai số ± 0,3

Bộ tạo góc nhỏ

Cánh tay đòn L = (299,9861 ± 0,00207) mm

Giao thoa kế laser đo khoảng cách dịch

chuyển h

Laser He-Ne bước sóng 633 nm ổn định tần số 2×10-9 Được dẫn xuất trực tiếp từ nguồn laser ổn định tần số bằng i ốt chuẩn

đầu/quốc gia đo lường độ dài

Phạm vi đo ± 30´

Bước dịch chuyển 1

Độ không đảm bảo đo U=0,08

Luận án sử đã tích hợp một số chuẩn góc để xây dựng hệ thống chuẩn đo lường quốc

gia lĩnh vực góc phẳng: + Giao thoa kế laser HP 5529A

+ Ống tự chuẩn trực H&W 137S + Đa diện quang học H&W LE 3573

4.3. Dẫn xuất chuẩn đo lường lĩnh vực góc

Hệ thống chuẩn đo lường quốc gia lĩnh vực góc được xây dựng thực hiện liên kết đến

chuẩn tự nhiên (vòng tròn giá trị độ lớn 2π không có sai số) đối với chuẩn góc toàn vòng. Hệ thống cũng được liên kết đến định nghĩa radian trong hệ đơn vị SI được xác định bằng tỷ số giữa chiều dài cung tròn và bán kính thông qua bộ tạo góc nhỏ. Chuẩn đơn vị góc từ

hệ thống chuẩn đo lường quốc gia lĩnh vực góc sẽ được duy trì và dẫn xuất tới chuẩn, phương tiện đo góc có độ chính xác thấp hơn [43]. Để đảm bảo duy trì độ chính xác của chuẩn đối

112

với chuẩn góc toàn vòng phải xây dựng quy trình đánh giá chuẩn thông qua phương pháp tự hiệu chuẩn. Xác định độ chính xác của bộ tạo góc nhỏ thông qua phép đo chiều dài như xác

định chính xác cánh tay đòn, giao thoa kế laser đo khoảng cách dịch chuyển sẽ được liên kết đến nguồn laser ổn định tần số bằng i ốt chuẩn đầu đo lường độ dài.

Nguồn laser ổn định tần số bằng Iốt Bước sóng 633 nm chuẩn đầu đo lường lĩnh vực độ dài Vòng tròn khép kín chuẩn tự nhiên góc phẳng 2π

Chuẩn góc toàn vòng gia số Độ chính xác 0,3 Bộ tạo góc nhỏ Phạm vi đo: ± 30´ U=0,08

Hệ thống chuẩn đo lường quốc

gia lĩnh vực góc

Ống tự chuẩn trực cấp chính xác cao

Bàn quay phân độ Ống tự chuẩn trực Ni vô điện tử.. Đa diện quang học Căn mẫu góc

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

Chuẩn, thiết bị đo góc dùng trong sản xuất và nghiên cứu khoa học và đo lường dân dụng

Sử dụng bộ tạo góc nhỏ để hiệu chuẩn ống tự chuẩn trực, kết hợp chuẩn góc toàn vòng

với ống tự chuẩn trực hiệu chuẩn đa diện quang học, căn mẫu góc. Đối với các thiết bị mã hóa góc quay (Rotary Encoder) được hiệu chuẩn trực tiếp thông qua chuẩn góc toàn vòng.

113

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

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

Ống tự chuẩn trực là chuẩn góc nhỏ có độ chính xác cao được sử dụng rộng rãi trong

việc hiệu chuẩn và kỹ thuật đo góc. Nguyên lý hoạt động của ống tự chuẩn trực được trình bày trong mục 1.2.1.1.Xây dựng phương pháp hiệu chuẩn ống tự chuẩn trực sử dụng bộ tạo

góc nhỏ đảm bảo độ chính xác, thực hiện sao truyền chuẩn là một trong nhiệm vụ xây dựng hệ thống chuẩn đo lường quốc gia lĩnh vực góc. Phương pháp hiệu chuẩn ống tự chuẩn trực

được cũng dược sử dụng để thực hiện so sánh liên phòng với các phòng thí nghiệm khác. 4.4.1.1 Sơ đồ hiệu chuẩn

Lắp đặt ống tự chuẩn trực và bộ tạo góc nhỏ theo sơ đồ, điều chỉnh ống tự chuẩn trực

sao cho truc đo của ống tự chuẩn trực vuông góc với mặt gương phẳng như trên hình 4.4.

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

H1 H2

- Nghiên cứu ảnh hưởng vị trí đặt gương phẳng đến độ chính xác của phép hiệu chuẩn x x’

y’ y Bàn đo

θ θ

Ống tự chuẩn trực Gương phẳng

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

114

Giả sử gương phẳng đặt trên bàn đo của bộ tạo góc nhỏ phương y măt phẳng gương không trùng với phương x đi qua tâm bàn đo cách nhau môt đọan a như hình 4.5. Khi bàn

đo quay môt góc θ trục x quay đến vị trí x’ khi đó mặt gương phẳng cũng quay một góc 

do tính chất song song của đường thẳng. Nguyên lý hoạt động của bộ tạo góc nhỏ không đòi

hỏi vị trí của gương phẳng trùng với tâm của bàn đo bộ tạo góc nhỏ điều này giúp cho việc gá đặt gương phẳng được thuận tiện trong quá trình hiệu chuẩn.

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

a ủ c

Trong quá trình hiệu chuẩn, vị trí 0 của bộ tạo góc nhỏ là vị trí khi đó đường thẳng nối hai tâm của gương góc phản xạ H1 và H2 vuông góc với tia đo của giao thoa kế laser hình 4.4. Khi tiến hành hiệu chuẩn ống tự chuẩn trực phải điều chỉnh điểm giữa của thang đo của ống tự chuẩn trực trùng với vị trí 0 của bộ tạo góc như trên hình 4.6.

o đ g n a h T

-

c ự r t n ẩ u h c ự t g n Ố

+

Ống tự chuẩn trực

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

được hiệu chuẩn

Nếu thang đo của ống tự chuẩn trực có dạng ± α thì điểm 0 của ống tự chuẩn trực trùng với điểm 0 của bộ tạo góc nếu thang đo của ống tự chuẩn trực có dạng (0~ α) khi đo điểm

đo có giá trị α/2 sẽ là điểm gốc và được điều chỉnh trùng với điểm 0 của bộ tạo góc. Khi tiến hành hiệu chuẩn điều chỉnh vị trí kiểm theo hai hướng của bộ tạo góc nhỏ, điều này giúp cho việc dịch chuyển tạo khoảng cách dịch chuyển h của gương H1 và H2 h là nhỏ nhất mà vẫn kiểm được toàn bộ thang đo của ống tự chuẩn trực.

4.4.1.3. Phương pháp hiệu chuẩn

Điều chỉnh du xích panme của bộ tạo góc nhỏ về vị trí: 12.5 mm theo thiết kế đây chính

là vị trí gốc của bộ tạo góc nhỏ, vị trí này đảm bảo tia đo của nguồn laser vuông góc với đường thẳng nối tâm của hai gương góc. Đặt gương phẳng lên bàn đo điều chỉnh ống tự

chuẩn trực sao cho trục đo của nó vuông góc với mặt gương phẳng, căn chỉnh chiều cao tiêu của ống tự chuẩn trực trùng với tâm của gương.

Điều chỉnh vị trí đo theo phương đứng và ngang của ống tự chuẩn trực cho tới khi trùng với điểm gốc phép đo. Từ vị trí gốc điều chỉnh cách tay đòn về hai phía để tạo ra tập hợp các

góc chuẩn so sánh với giá trị hiển thị trên ống tự chuẩn trực.

Sai số được xác định bằng hiệu số giữa giá trị chỉ thị trên ống tự chuẩn trực và giá trị

góc của thiết bị tạo góc.

115

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

Độ không đảm bảo đo của phép hiệu chuẩn ống tự chuẩn trực được xác định theo công

2 (θ) (4.4)

2 (θ) = uc uEA

2(θ) + uR

2 (θ) + uA

thức 4.4 [24] như sau

Trong đó: uEA(θ): Độ không đảm bảo đo của phép hiệu chuẩn ống tự chuẩn trực.

uc (θ): Độ không đảm bảo đo của bộ tạo góc nhỏ uR (θ): Độ không đảm bảo đo phụ thuộc độ phân giải của ống tự chuẩn

trực được hiệu chuẩn.

(4.5)

Giá trị uR (θ): được xác định:

uR =

2×√3

Trong đó r: độ phân giải của ống tự chuẩn trực được hiệu chuẩn

uA (θ): Thành phần độ không đảm bảo đo của phép đo lặp khi hiệu chuẩn ống tự

chuẩn trực.

uA (θ): được xác định trên cở sở tính toán độ lệch chuẩn thực nghiệm [24].

(4.6)

uA(θ) = √∑ (Mi−M̅ )

n 1 (n−1)×n

Trong đó Mi : Là kết quả đo lặp lại ống tự chuẩn trực trên cùng một vị trí đo

n: Số lần đo

Luận án đã tiến hành hiệu chuẩn ống tự chuẩn trực theo phương pháp mới được sử

dụng sử dụng bộ tạo góc nhỏ, Kết quả giấy chứng nhận hiệu chuẩn số: V01.CN5.0004.17

4.4.2. Xây dựng phương pháp hiệu chuẩn đa diện góc

Thực hiện hiệu chuẩn đa diện góc bằng cách sử dụng tổ hợp chuẩn góc toàn vòng và

ống tự chuẩn trực để thực hiện trên cơ sở nguyên lý vòng tròn khép kín kép phương pháp này còn được gọi là phương pháp hiệu chuẩn chéo [40]. Phương pháp hiệu chuẩn chéo được

thực hiện bằng cách so sánh các góc riêng biệt của đa diện với các góc của chuẩn góc toàn vòng tương ứng. Thiết lập mô hình tính toán, giải hệ phương trình theo bình phương nhỏ nhất sẽ xác định sai số góc của đa diện góc và thiết bị.

4.4.2.1 Lắp đặt thiết bị

Đặt đa diện góc lên bàn đo của chuẩn góc toàn vòng theo sơ đồ hình 4.7, điều chỉnh độ

cao của ống tự chuẩn trực trùng với tâm mặt đo của đa diện góc.

116

Đa diện góc

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

Chuẩn góc toàn vòng Ống tự chuẩn trực

4.4.2.2. Phương pháp hiệu chuẩn

Theo sơ đồ hình 4.7, tại vị trí 1, mặt 1 của đa diện quang học là mặt có giá trị danh nghĩa

là 0° đặt trùng với vị trí 0 của bàn chia độ, căn chỉnh sao cho giá trị đọc của ống tự chuẩn là nhỏ nhất ghi lại giá trị đọc trên ống tự chuẩn trực và chuẩn góc toàn vòng tại vị trí 1 ký hiệu

là 1, 1.

Quay chuẩn góc toàn vòng một góc bằng giá trị góc danh nghĩa của đa diện góc ký

hiệu  =360o/n.

Điều chỉnh sao cho giá trị đọc trên ống tự chuẩn trực là nhỏ nhất ghi lại kết quả trên

ống tự chuẩn trực và chuẩn góc toàn vòng tại vị trí 2 ký hiệu 2, 2, mô hình toán học của phép đo được biểu diễn:

(4.7)

Trong đó: A1,2 sai lệch góc giữa mặt 1 và mặt 2 của đa diện góc B1,2 sai lệch góc giữa vị trí 1và vị trí 2 của chuẩn góc toàn vòng.

1,1 Giá trị đo được tại mặt 1 và vị trí 1 của đa diện góc và chuẩn góc toàn vòng. Lần lượt quay chuẩn góc toàn vòng một góc  =360o/n đến vị trí thứ n kết quả đo được

biểu diễn như sau:

(4.8)

Sau khi đo các mặt của đa diện góc quang học kết thúc một vòng tròn khép kín, cố định chuẩn góc toàn vòng, quay mặt 2 của đa diện quang học về vị trí (0) của chuẩn góc toàn

vòng. Sau đó tiếp tục lặp các bước như trên kết hợp với nguyên lý vòng tròn khép kín, ta có

117

hệ phương trình tuyến tính biểu diễn quan hệ giữa sai lệch góc của đa diên quang học và chuẩn góc toàn vòng như sau

(4.9)

Hệ phương trình tính toán sai số góc của đa diện và chuẩn góc toàn vòng, hệ phương

trình được biểu diễn.

A × X = Y (4.10)

Hệ phương trình tính toán sai số góc của đa diện góc và bàn chia độ được biểu diễn dưới

dạng ma trận.

(4.11)

118

Trong đó A ma trận hệ số bao gồm (n2+2) hàng và 2n cột, X là vector bao gồm 2n phần tử giá trị sai lệch góc của đa diện góc và chuẩn góc toàn vòng, Y vector có (n2+2) phần từ giá trị đo được trong quá trình đo, áp dụng phương pháp bình phương nhỏ nhất xác định giá trị X như sau:

X = (ATA)−1ATY (4.12)

Giải hệ phương trình trên theo phương pháp bình phương nhỏ nhất sẽ tìm được tập hợp

các nghiệm Ai,i+1, Bi,i+1 là sai lệch góc của đa diện góc và chuẩn góc toàn vòng [12].

Trên cơ sở các công thức luận án đã xây dựng phần mềm tính toán xử lý kết quả đo hiệu

chuẩn đa diện góc sử dụng chuẩn góc toàn vòng. Theo giao diện của chương trình tính vùng 1 thể hiện ma trận đơn vị vùng 3 ghi kết quả quan trắc, ví dụ khi thực hiện phép đo đa diện góc có 8 mặt kết quả quan trắc bao gồm (n2 +2) phương trình. Kết quả đo tương ứng với các giá trị đo được tính toán theo phương trình 4.12. Vùng 2 vùng kết quả đo bao gồm 8 số hạng

đầu là sai số của đa diện góc 8 số hạng sau là sai số của chuẩn góc toàn vòng. Sau khi kết thúc quá trình đo, xử lý số liệu ta có kết quả đo của đa diện góc quang học và chuẩn góc toàn vòng, hình 4.8.

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

4.4.2.3. Tính toán độ không đảm bảo đo của phép hiệu chuẩn đa diện góc sử dụng chuẩn góc toàn vòng

Công thức tổng quát của giá trị Ak,k+1 và Bk,k+1 như sau khi giải hệ phương trình (4.12):

3n2 [(3n − 2) × R1] − 2 × R2 (4.13)

Ak,k+1 =

119

Trong đó R1: Là tổng các giá trị đo α riêng biệt thuộc biến Ak,k+1 R2: Là tổng các giá trị đo còn lại.

3𝑛2 [−(3𝑛 − 2) × 𝑍1] + 2 × 𝑍2) (4.14)

𝐵𝑘,𝑘+1 =

Trong đó Z1: Là tổng các giá trị đo α riêng biệt thuộc biến Bk,k+1

Z2: Là tổng các giá trị đo còn lại k=1,2,3,…,n

Theo tài liệu hướng dẫn tính toán độ không đảm bảo đo [24] đại lượng đo đầu ra Y

thường được xác định từ n đại lượng đầu vào z1,z2,…zn .

Y = f(z1, z2,, z3 … zk … . , n) (4.15)

)

2(Y) = ∑

Khi đó độ không đảm bảo đo của đại lượng đo Y được xác định

2(zk) (4.16) uc

n k=1

( ∂f ∂zk

u c

2 )

Trong đó : uc(Y) độ không đảm bảo đo tổng hợp chuẩn của đại lượng Y uc(zk) độ không đảm bảo đo của đại lượng đầu vào zk Từ công thức 4.15 và 4.16 độ không đảm bảo đo u(Ai) được xác định:

2(Ai) = ∑

2(αi,i+1) (4.17) uc

n k=1

( ∂f ∂αi,i+1

u c

Trong phương pháp này việc xác định sai lệch góc của đa diện quang học cần hiệu chuẩn thông qua thiết bị đo góc nhỏ là ống tự chuẩn trực, do đó giá trị 𝑢𝑐(𝛼𝑖,𝑖+1) chủ yếu phụ thuộc độ không đảm bảo đo ống tự chuẩn trực.

Vì vậy ta có:

u c

2( αi,i+1 ) ≅ uo

(4.18)

Trong đó giá trị uo là độ không đảm bảo đo của ống tự chuẩn trực sử dụng. Từ công thức

2 =

2 (4.19)

(4.16), (4.17) và (4.18) ta có:

2(Ai,i+1) = (

3n2 ) 2[n(3n − 2)2 + 4n(n − 1)]u o

9n2 (9n − 8)uo

u c

−

uc(Ai,i+1) = √(1

9n2) uo (4.20)

Độ không đảm bảo đo được xác định

Dễ dàng nhận thấy giá trị độ không đảm bảo đo uc(Ai,i+1 ) của phương pháp hiệu chuẩn đa diện góc quang học bằng độ không đảm bảo đo của ống tự chuẩn trực được sử dụng nhân

𝑛

9𝑛2) . Hệ số này luôn nhỏ hơn 1, do đó khi áp dụng nguyên lý vòng tròn

với hệ số √( −

120

khép kín để hiệu chuẩn đa diện góc quang học bằng phương pháp hiệu chuẩn chéo độ không đảm bảo đo chủ yếu phụ thuộc và nhỏ hơn độ không đảm bảo đo của ống tự chuẩn trực được

sử dụng [17,47].

Luận án đã tiến hành hiệu chuẩn đa diện góc quang học theo phương pháp mới được

xây dựng, kết quả có trong phụ lục 3.

4.5. Kết luận chương bốn

- Hệ thống chuẩn đo lường quốc gia lĩnh vực góc được nghiên cứu chế tạo bao gồm bộ tạo góc nhỏ và chuẩn góc toàn vòng được tích hợp thành hệ thống đảm bảo khả năng hiệu

chuẩn các chuẩn, thiết bị đo góc. Trên cùng một hệ thống có thể thực hiện được hiệu chuẩn các chuẩn góc nhỏ và chuẩn toàn vòng. Đã tiến hành chuẩn ống tự chuẩn trực với độ không

đảm bảo đo của phép hiệu chuẩn U=0,1, phương pháp hiệu chuẩn ống tự chuẩn trực đã

được Văn phòng Công nhận Việt Nam đánh giá và công nhận mang mã số V01.M-07.10,

xây dựng phương pháp hiệu chuẩn đa diện góc với độ không đảm bảo đo U=0,3.

- Đã xây dựng được sơ đồ dẫn xuất chuẩn đo lường lĩnh vực góc, từ hệ thống chuẩn quốc gia đơn vị góc sẽ được dẫn xuất xuống các chuẩn có độ chính xác thấp hơn thông qua

việc hiệu chuẩn, đảm bảo tính liên kết chuẩn đo lường.

121

KẾT LUẬN Sau quá trình nghiên cứu lý thuyết và xây dựng thực nghiệm, luận án đã đạt được kết quả

với những đóng góp mới mang ý nghĩa khoa học và thực tiễn như sau:

• Trên cơ sở nghiên cứu các phương pháp thiết lập Hệ thống chuẩn quốc gia lĩnh vực góc của các nước trên thế giới và các công trình nghiên cứu về chuẩn góc, luận án đã xác định được yêu cầu kỹ thuật đối với Hệ thống chuẩn đo lường quốc gia lĩnh vực

góc tại Việt Nam bao gồm bộ tạo góc nhỏ chính xác và chuẩn góc toàn vòng, đáp ứng nhu cầu dẫn xuất/hiệu chuẩn lĩnh vực góc tại Việt Nam.

• Đã nghiên cứu luận giải phương pháp tạo chuẩn góc toàn vòng trên cơ sở sử dụng đĩa chia độ kiểu gia số và 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.

• Đã chế tạo thành công chuẩn góc toàn vòng sử dụng đĩa chia độ gia số có 10800 vạch chia với 6 đầu đọc chia ra hai nhóm 4 đầu đọc và 3 đầu đọc sử dụng chung một đầu

đọc ( đầu đọc chính) việc xử lý số liệu đo được thực hiện trên hai nhóm 4 và 3 đầu

đọc. Độ phân giải của chuẩn góc toàn vòng đạt 0,1, độ không đảm bảo đo U= 0,3.

Độ chính xác của chuẩn góc toàn vòng đã được đánh giá thông qua việc tự hiệu chuẩn

và được kiểm chứng bằng cách so sánh vòng với Viện nghiên cứu chuẩn và khoa học Hàn Quốc KRISS.

• Luận án đã nghiên cứu đưa ra phương pháp đo khoảng cách tâm ảo giữa hai gương góc của cánh tay đòn, 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.

• Đã phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác của bộ tạo góc nhỏ, xác lập điều kiện môi trường làm việc của bộ tạo góc nhỏ đảm bảo độ không đảm bảo đo nhỏ hơn

0,1 .

• Bộ tạo góc nhỏ được nghiên cứu, thiết kế chế tạo có đặc trưng kỹ thuật: Phạm vi đo

± 30', Độ không đảm bảo đo mở rộng U= 0,08. Độ chính xác của bộ tạo góc nhỏ đạt

được đã được kiểm chứng thông qua so sánh quốc tế với Viện nghiên cứu về chuẩn và

khoa học Hàn Quốc (KRISS).

• Thiết lập được hệ thống chuẩn đo lường quốc gia lĩnh vực góc phẳng có khả năng đảm bảo đo lường đối với các chuẩn, phương tiện đo góc sử dụng trong toàn quốc. Xây dựng quy trình hiệu chuẩn ống tự chuẩn trực và đa diện góc sử dụng các chuẩn góc

mới được chế tạo.

122

KIẾN NGHỊ 1. Tiếp tục nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng độ chính xác của bộ tạo góc nhỏ như ảnh hưởng của rung động, các thông số môi trường nâng cao độ chính xác của thiết bị. 2. Nghiên cứu tự động hóa điều khiển quá trình hoạt động của chuẩn góc toàn vòng nâng

cao khả năng làm việc của chuẩn.

3. Nghiên cứu giải pháp nâng cao độ chính xác của chuẩn góc toàn vòng như tăng cường thêm đĩa chia độ để thực hiện tự hiệu chuẩn bằng phương pháp hiệu chẩn chéo kết hợp với phương pháp trung bình phân đoạn bằng nhau.

123

TÀI LIỆU THAM KHẢO TIẾNG VIỆT

[1] Bùi Quốc Thụ, “ Nghiên cứu thiết kế chế tạo bộ chuẩn đầu góc phẳng nhỏ” (2007) Báo cáo tổng hợp đề tài.

[2] Tiêu chuẩn Quốc gia “ Từ vựng quốc tế về Đo lường học – Khái niệm, thuật ngữ chung và cơ bản” TCVN 6165 : 2009.

[3]Tổng cục Tiêu chuẩn Đo lường Chất lượng “ Kỹ thuật đo độ dài” Xưởng in tiêu chuẩn. HÀ nội 1990

TIẾNG ANH [4] Akondi Vyas, M B Roopashree, B R Prasad (2009 )“Performance of Centroiding Algorithms at Low Light Level Conditions in Adaptive Optics” International Conference on Advances in Recent Technologies in Communication and Computing

[5] A. Just, M. Krause, R. Probst, H. Bosse, H. Haunerdinger, Ch. Spaeth, G. Metz, and W.

Israel (2009),Comparison of angle standards with the aid of a high-resolution angle

encoder. Precision Engineering, 33(4):530 – 533,. pp 1, 9, 34

[6] APMP.L-K1.1 Final.doc 2005

[7] BIPM (2006), The International System of Units (SI). Comité International des Poids et

Mesures

[8] Brunson Instrument Company ; www.brunson.us

infrared. Applied Optics, 35(9): p. 1566-1573

[9]. Ciddor, P.E (1996)., Refractive index of air: New equations for the visible and near

[10] C. J. Evans, R. J. Hocken, and W. T. Estler(1996), Self- Calibration: Reversal,

redundancy, Error Separation, and Absolute Testing,Ann. CIRP 45, 17–34).

[11] Danaher Industrial control (2003), Encoder Application Handbook. 1-800-873-

8731-847-662-2666 Available:http://www.dancom.com )

[12] D Amin-Shahidi (2009.). Ultra-precise on-axis encoder self-calibration for fast

rotary platforms. Master’sthesis, The University of British Columbia, 2009

by I. M. Mills et al. Metrologia,. 39(1): p. 105-109.

[13]. Emerson, W.H. 2002, A reply to "Definitions of the units radian, neper, bel and decibel"

[14] E-Motionsystem 2015 “The Equal- Division- Averaged (EDA) Method” Technical

Information

[15]. Evans, J.C., et al 1986, Measurement of angle in engineering. 3rd ed , ed., London:

H.M.S.O : HMSO Publications Centre. vii, 48

[16] E. W. Palmer (1988), Goniometer with continuously rotating gratings for use as an

angle standard, Prec. Eng. 10, 147–152.

[17] F. S Jing, Y. C. Lin, Y. F. Zhou, and G. X. Zhang (1992, Angular measurement by means

of rotation of linear gratings, Ann.CIRP 41, 585–587.

124

[18] Heindehain. (2006), Heidenhain's angle encoders without integral bearings

brochures.

[19] J. Vargas,1,* R. Restrepo,2 J. C. Estrada,3 C. O. S. Sorzano (2012), Shack–Hartmann centroid detectionusing the spiral phase transform, (Doc.ID171465) [http://goo.gl/o2JhD]. © 2012 OpticalSociety of America [20] L. L. Deck and P. J. de Groot (1998), Punctuated quadrature phaseshifting

interferometry, Opt. Lett. 23, 19-21).

[21]Manuel Guizar-Sicairos, Samuel T. Thurman, and James R. Fienup* (2008)“

Efficient subpixel image registration algorithms”The Institute of Optics, University of

Rochester,Rochester,NewYork,14627,USA

[22] M.J.A.vanKuijk2009. Autocalibration of incremental analogquadrature encoders

DCT2009.053 Master’s thesis

general concepts and associated terms (VIM). First edition ed. 2007: International

[23] ISO, ISO/CEI GUIDE 99:2007: International vocabulary of metrology — Basic and

Organization for Standardization.

[24] ISO - International Organization for Standardization (2008). Guide to the

expression of uncertainty in measurement.

[25] INTERNATIONALDOCUMENT (Edition 1999 E) OIML D2 Legal Units

measurement, International Organization of Legal Metrology

[26] J Sharp (2010) Laser_Gyro Ring laser

[27] Lauryna Siaudinyte1, Vytautas Giniotis (2011), New approach to vertical angle

Vilnius,Lithuania. Environmental engineering,The 8th International Conference

calibration, Vilnius Gediminas Technical University, Saulėtekio ave. 11, LT - 10223

[28] Lienhard Beckwith, Marangoni (1995), Mehcanical Measurements. Addison-

Wesley Longman,fifth edition, June

[29] Lu X D and Trumper D L 2007 Self-calibration of on-axis rotary encoders Ann. CIRP

56 499-504

[30] OIML - International Organization of Legal Metrology. Methods of reproduction of

plane angle units

[31] P. A. Orton, J. F. Poliakoff, E. Hatiris and P. D. Thomas. Automatic self-calibration of

an incremental motion encoder. Presented at IEEE Instrumentation and Measurement

Technology Conference.

[32] Peter L. Heydemann (1981). Determination and correction of quadrature fringe

measurement errors in interferometers. applied optics, 20:3382–3384, October.

[33] Peter G. Cramer 2010 Mathematical Tools for Analysis, Simulation and Design of

Robotic Angular Encoders – Roboticsprocedings.org

[34] Probst R 2008 Self-calibration of divide circle on the basis of a prime factor

algorithm Meas. Sci.Technol. 19 015101

125

[35] TaeBong Eom, DonYoung Chung, Tai Hyun Yoon, The small angle generator based

on a laser angle interferometer,Korea Research Institute of Standards and Science, P.O.

Box 102, Yousong, Taejeon305-600, Korea

[36] Tesa_Catalogue_En_pdf 2010

[37] Tanfer Yandayan, Bulent Ozgur, Nuraykaraboce and Orhan yaman .2012 High

precision small angle generator for realization of the SI unit of plane angle and

calibration of high precision autocollimator- Measurement Science and Technology

[38] The accuracy of angle encoders, 2009 Renishaw plc Issued 0909

[39] T.Masuda and M.Kajitani 1993 J. Robotics and Mechatronics 5 5 448

[40] T. Matsuda and M. Kajitani (1989), An automatic calibration system for angular

encoders, Prec. Eng. 11, 95–100.

[41] Tsukasa Watanabe, Hiroyuki Fujimoto and Tadashi Masuda 2005. Self-

Calibratable Rotary Encoder. Journal of Physics: Conference Series., 13, pp. 240-245.

[42] Tsukasa Watanabe (2014), Angle Metrology, TCL Workshop APMP 20 Sep National

Metrology Institute of Japan

[43] Valery A. Granovsky, Mikhail D. Kudryavtsev (2006) the plane angle concept and

its unit in the context of traceability problem XVIII IMEKO WORLD CONGRESS

Metrology for a Sustainable DevelopmentSeptember, 17 – 22

[44] Watanabe T et al. 2003 Automatic high precision calibration system for angle

encoder (II) Proc. SPIE5190 400-409

[45] Watanabe T et al. 2005 Self-calibratable rotary encoder J. Phys.: Conf. Ser. 240-245

[46] W. R. Moore, (1970). Foundations of Mechanical Accuracy, The Moore Special Tool

Co., Bridgeport, CT, USA, 201–50

[47] W. T. Elster. (1998), Uncertainty analysis for angle calibrations using circle colsure.

Journal of Research of the National Institute of Standards and Technology 103(2), pp.

141. 201

[48] W. T. Estler and Y. H. Queen (1993), An Advanced Angle Metrology System, Ann.

CIRP. 42, 573–76.

[49] X. Lu. (2007), Self-calibration of on-axis rotary encoders. CIRP annals -

manufacturing technology 56(1),

[50] X.-D. Lu and D.L. Trumper (2007). Self-calibration of on-axis rotary encoders. CIRP

Annals Manufacturing Technology, 56(1):499 – 504,.pp 11, 17, 37, 40

[51] Xiaodong Lu, Arash Jamalian, and Richard Graetz(2011) A new method for

characterizing axis of rotation radial error motion: Part 2. experimental results.

Precision Engineering,35(1):95–107

[52]Xiaoming Yin, Xiang Li, Liping Zhao and Zhongping Fang (2009) “Automatic

Centroid Detection for Shack-Hartmann Wavefront Sensor” 2009 IEEE/ASME

International Conference on Advanced Intelligent MechatronicsSuntec

126

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN

1- Bùi Quốc Thụ, Vũ Khánh Xuân, Nguyễn Văn Vinh (2013), Ứng dụng mã hóa chuỗi Fibonacci để đo góc theo phương pháp tuyệt đối, Hội nghị khoa học và công toàn quốc về cơ khí lần thứ III, trang 509-514.

2- Bui Quoc Thu, Vu Khanh Xuan, Nguyen Van Vinh (2014), creation the measurement device of small angle with high accuracy . ISEPD 2014 International

Symposium on Eco- materials Processing ang Design, Organized by international Materials Socienty In coopetarion with Hanoi University of Science and Technology

and materials Research Society – Vietnam (V_MRS) ISBN 978-89-5708-236-2pp .251-254.

3- Bùi Quốc Thụ, Vũ Khánh Xuân, Nguyễn Văn Vinh (2015), Ứng dụng nguyên lý vòng tròn khép kín xây dựng phươg pháp hiệu chuẩn đa diện góc quang học, Hội nghị

khoa hoc và kỹ thuật đo lường toàn quốc lần thứ VI, cơ quan tổ chức: Tổng cục Tiêu chuẩn Đo lường Chất lượng tại Hà Nội năm 2015, trang 269-275.

4- Bùi Quốc Thụ, Nguyễn Văn Vinh, Vũ Khánh Xuân (2016), Nghiên cứu thiết kế, chế tạo chuẩn đo lường góc có khả năng tự hiệu chuẩn đĩa chia độ sử dụng phương pháp

trung bình phân đoạn bằng nhau Tạp chí cơ khí Việt Nam số 8-2016 trang 76-79. 5- Bùi Quốc Thụ, Nguyễn Văn Vinh, Vũ Khánh Xuân (2016), Thiết lập, duy trì và dẫn xuất chuẩn hệ thống chuẩn đo lường quốc gia lĩnh vực góc tại Việt Nam. Hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí-động lực 2016 trang 42-47.

7- Bùi Quốc Thụ, Nguyễn Văn Vinh, Vũ Khánh Xuân (2016) , Hiệu chỉnh sai số do độ lệch tâm và độ nghiêng của đĩa chia độ bằng phương pháp nhiều đầu đọc. Tạp

6- Bùi Quốc Thụ, Nguyễn Văn Vinh, Vũ Khánh Xuân (2016), Nghiên cứu phương pháp thiết lập hệ thống chuẩn đo lường quốc gia lĩnh vực góc Tạp chí cơ khí Việt Nam số 10 2016, trang 64-69.

chí Khoa học và công nghệ các trường đại học kỹ thuật số 121 trang83-88 ISSN 2354-1083.

127

PHỤ LỤC

1- Thuật toán, phần mềm xử lý số liệu thực hiện tự hiệu chuẩn theo phương pháp EDA 2- Các giấy chứng nhận hiệu chuẩn ống tự chuẩn trực, đa diện quang học

128