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

Chia sẻ: Tỉ Thành | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:26

Thêm vào BST

Báo xấu

40
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

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 bao gồm chuẩn góc toàn vòng gia số và bộ tạo góc nhỏ đảm bảo việc hiệu chuẩn cho chuẩn, phương tiện đo góc đáp ứng nhu cầu của cơ sở trong cả nước.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Tóm tắt Luận án tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu, xây dựng chuẩn đo lường quốc gia lĩnh vực góc

Công trình được hoàn thành tại: Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS. NGUYỄN VĂN VINH PGS.TS. VŨ KHÁNH XUÂN Phản biện 1: PGS.TS. NGUYỄN TRỌNG HÙNG Phản biện 2: PGS.TSKH. PHAN BÁ Phản biện 3: PGS.TS. ĐÀO DUY TRUNG Luận án được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp Trường họp tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Vào hồi …….. giờ, ngày ….. tháng ….. năm ……… Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện: 1. Thư việnGIỚI THIỆU Tạ Quang Bửu LUẬN ÁN ĐHBK Hà Nội - Trường 1 Nam 2. Thư viện Quốc gia Việt
1. Tính cấp thiết của luận án nghiên cứu Góc là đại lượng đo thuộc lĩnh vực đo lường độ dài, chuẩn 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… 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. Đó chính là những lý do luận án chọn hướng nghiên cứu: “ Nghiên cứu, xây dựng chuẩn đo lường quốc gia lĩnh vực góc ”. 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 bao gồm chuẩn góc toàn vòng gia số và bộ tạo góc nhỏ đảm bảo việc hiệu chuẩn cho chuẩn, 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 là xây dựng hệ thống chuẩn đo lường quốc gia có phạm vi làm việc và độ chính xác đảm bảo duy trì và dẫn xuất chuẩn lĩnh vực đo lường góc tại Việt Nam. Nghiên cứu các phương pháp xây dựng chuẩn góc toàn vòng sử dụng đĩa chia độ kiểu gia số nhiều đầu đọc có khả năng tự hiệu chuẩn đảm bảo độ chính xác và bộ tạo góc nhỏ theo nguyên lý sin sử dụng giao thoa kế laser. 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, sai số ± 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 2
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 quá trình 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 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. Bố cục của luận án Nội dung chính được trình bày trong 4 chương của luận án: - Chương 1: Tổng quan về hệ thống chuẩn đo lường quốc gia lĩnh vực góc; - Chương 2: Cơ sở phương pháp xây dựng chuẩn góc toàn vòng; - Chương 3: Cơ sở phương pháp xây dựng chuẩn góc nhỏ; - Chương 4: Xây dựng hệ thống chuẩn quoocsgia lĩnh vực góc; - Kết luận; - Kiến nghị. 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 xác lập 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 không đảm bảo đo 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 3
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 đạt độ chính xác 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 nghiên cứu 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 chính xác theo 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 được thiết lập. 4
NỘI DUNG CHÍNH CỦA LUẬN ÁN CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN HỆ THỐNG CHUẨN ĐO LƯỜNG QUỐC GIA LĨNH VỰC GÓC 1.1 Góc và hệ thống chuẩn đo lường 1.1.1. Khái niệm về góc 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”. 1.1.2. Hệ thống chuẩn đo lường Chuẩn đo lường:Theo TCVN 6165, 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”. 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. 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 nhỏ, phạm vi góc nhỏ hơn 1º (chuẩn góc nhỏ) các dạng chuẩn góc nhỏ bao gồm: Ống tự chuẩn trực; Thước sin (sin bar); Ni vô; Chuẩn dạng căn mẫu. Chuẩn góc có phạm vi đến 360º hoặc lớn hơn 360º bao gồm: Đa diện góc; Bàn phân độ ( Indexxing Table); Chuẩn góc toàn vòng dạng đĩa chia độ mã hóa. 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. 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 5
giá trị có thể quy cho đại lượng một cách hợp lý. 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. Hệ thống chuẩn góc của các NMIs là chuẩn góc toàn vòng độ chính xác cao như của NIST, PTB hay của IRNIM. Hệ thống chuẩn đo lường góc của NMIJ và NIM đều xây dựng trên cơ sở chuẩn góc toàn vòng kết hợp với bộ tạo góc nhỏ. 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) 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 bao gồm các dạng: cơ khí, laser vòng (Ring laser), chuẩn góc toàn vòng sử dụng đĩa chia độ mã hóa góc quay. 1.6 Bộ tạo góc nhỏ Bộ tạo góc nhỏ được nghiên cứu thiết kế, chế tạo trên cơ sở sử dụng hàm số lượng giác theo nguyen lý sin hoặc tang. Để đảm bảo độ chính xác của bộ tạo góc nhỏ cần thiết phải 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 Mục tiêu và nội dung nghiên cứu của luận án 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. 6
Nội dung nghiên cứu: - 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 tich 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 2.1 Nguyên lý, phương pháp tạo chuẩn góc toàn vòng bằng đĩa chia độ kiểu gia số 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: 2π θ=k× (2.1) NG 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 bao gồm vạch trắng và đen được gọi là chu kỳ đóng vai trò như một vạch chia. - 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 trong hình 2.1, trong đó L là nguồn sáng thường là đi ốt phát sáng. 7
Hình 2.1: Mô tả phương pháp đọc vạch chia đĩa chia độ kiểu gia số[8] Ánh sáng được truyền qua thấu kính hội tụ để tạo ra chùm sáng song 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. Khi đĩa chia độ dịch chuyển, tại cảm biến quang học P cường độ sáng thay đổi theo thời gian do tín hiệu điện áp của đầu ra cũng thay đổi sự thay đổi điện áp này được sử dụng như là thang thước để xác định sự chuyển động quay của đĩa chia độ. 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.Để phát hiện chiều chuyển động cần thiết hai tín hiệu lệch pha 90º. Sau khi tạo ra 2 dãy xung vuông lệch pha nhau 90º, dựa vào thứ tự các pha của tín hiệu có thể xác định được chiều chuyển động của đĩa chia độ. 2.2 Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác của chuẩn góc toàn vòng 2.2.1. Các dạng sai số của chuẩn góc toàn vòng sử dụng đĩa chia độ kiểu gia số 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 là sai số toàn vòng. Sai số phạm vi nhỏ xuất hiện trong một chu kỳ tín hiệu xung của chuẩn goc toàn vòng gia số, loại sai số này này 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. Sai số phạm vi lớn hay còn gọi sai số toàn vòng, 8
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 của đĩa bao gồm độ lệch tâm và độ nghiêng của đĩa chia độ và độ ổn định của trục quay. 2.2.2. Sai số toàn vòng - 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. - Sai số chuyển động quay của đĩa chia độ a) Sai số do lệch tâm giữa đĩa chia độ và tâm quay a) b) Hình 2.2: Sơ đồ biểu diễn biến thiên bán kính Rθ a) Sơ đồ, b) vị trí đọc 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 khác Rθ nhau hình 2.2 b. 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, hình 2.2 a. 2 ⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗ R θ = √|O q H| + |e ⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗ ⃗ |2 − 2|O ⃗ |cos⁡(θ) q H||e (2.2) Giá trị Rθ biến đổi cho nên khoảng cách AB ≠ A’B’, hình 2.2 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. b) Sai số do độ nghiêng đĩa chia độ Trong chế tạo, lắp đặt đĩa chia độ bị nghiêng so với trục quay điều này cũng gây nên sai số góc của chuẩn góc toàn vòng. Sai số do ảnh 9
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 sai số có hai cực đại và hai cực tiểu. - Độ ổn định của tâm quay 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. 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 a) b ) Hình 2.3: Sai số góc do lệch tâm a) Vị rí bất kỳ, b) Vị trí sai số góc lớn nhất Sai số góc θe do lệch tâm giữa tâm đĩa chia độ với tâm của trục quay được thể hiện hình 2.3 .Sai số góc θe được xác định: ∆θe = θ − θ′ (2.3) Trong đó θ : Góc của trục quay; θ’: Góc trên đĩa chia độ Sai số góc lệch tâm lớn nhất θemax ứng với vị trị θ’=90o hình 2.3 b. 2e ∆θemax ≅ (2.3) D Ảnh hưởng của độ lệch tâm đến sai số góc của chuẩn góc toàn vòng là lớn. 10
Hình 2.4: a) Sơ đồ bố trí đầu đọc đối xứng, b) Dạng đồ thị sai số Bố trí 4 đầu đọc H1,H2,H3,H4 cách đều nhau một góc 90o hình 2.4a, đồ thị sai số của H1 và H3 sẽ ngược pha với nhau, tương tự đối với đầu đọc H2 và H4, hình 2.4b với cách bố trí như trên sau khi tổng hợp sai số sẽ khắc phục được độ lệch tâm.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 khớp số liệu với đồ thị sai số dạng sin do lệch tâm 2.3.2. Phương pháp giảm thiểu sai số do ảnh hưởng độ nghiêng 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. 2.4 Nghiên cứu, xây dựng phương pháp tự hiệu chuẩn chuẩn góc toàn vòng gia số 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. Khi đĩa chia độ quay, đầu đọc thứ nhất đang đọc vạch thứ i đầu đọc thứ j sẽ đọc vạch chia thứ i+(j-1)NG/NH hình 2.5. Khi đó độ lệch của vạch chia do đầu đọc thứ j phát hiện là aij được xác định: ⁡⁡⁡ai,j = ai+(j−1)NG/NH (2.4) 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: 11
δi,j = ⁡ ai,1 − ai,j = ai − ai+(j−1)/NG /NH (2.5) 1 NH μi,j = N ∑j=1 δi,j (2.6) H 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 . Hình 2.5: Thứ tự tín hiệu ra từ các đầu đọc Phương pháp này 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. 12
Hình 2.6: Sơ đồ lắp đặt đầu đọc và chênh lệch sai số ij so với sai số đầu đọc chính Để thực hiện xác định độ lệch i,j sử dụng bộ tạo xung chuẩn bên ngoài phương pháp được thực hiện như sau. 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, hình 2.6. 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 vị 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 lệch sai số tích lũy i,j so với sai số đầu đọc chính trong hình 2.6 trong trường hợp này đầu đọc chính là đầu đọc NH1, giá trị μi,j được xác định: 1 1 μi,j = ∑NH δ = ai,j − ∑N H a (2.7) NH j=1 i,j NH j=1 i,j 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 2.7 13
Hình 2.7: Sơ đồ xác định µi,j Giá trị t i,NHj là số xung của bộ đếm tần số fc khi phát hiện vạch chia thứ i của đầu đọcNHj và t i+1,NHj là số xung của bộ đếm khi phát hiện vạch chia tiếp theo, hình 2.20. Giá trị µi,j sai số góc tại vạch chia thứ i của đầu đọc j được xác định: 2π 1 NH NG μi,j = (t i,NHj − ⁡ N ∑j=1 t i,NHj ) × 1 NH (2.8) H ∑j=1(ti+1,N −ti,NHj ) NH Hj 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 1 NH μ̅ = N ∑j=1 μi,j (2.8) H Giá trị μji 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 tinhs toán sử lý số liệu, xây dựng đồ thị sai số sẽ xác định độ chính xác của chuẩn góc toàn vòng. 14
2.5 Thiết kế, chế tạo chuẩn góc toàn vòng gia số 2.5.1. Nghiên cứu lựa chọn, bố trí sơ đồ lắp đặt đầu đo Hình 2.8: Sơ đồ bố trí đầu đọc Lựa chọn số lượng 6 đầu đọc và bố trí đầu đọc theo sơ đồ hình 2.8 bao gồm nhóm 1: 4 đầu đọc bố trí cách đều mỗi đầu đọc cách nhau một góc 90o gồm các đầu đọc H1, H2, H4, H6, nhóm 2: gồm 03 đầu đọc H1, H3, H5 bố trí cách đều nhau một góc 120o . 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. Giá trị góc của chuẩn góc toàn vòng gia số được xác định θ4 +θ3 7θ(H1 )+[θ(H2 )+θ(H4 )+θ(H6 )]+4[θ(H3 )+θ(H5 )] θ= 2 ={ 24 } 2.5.2. Lắp đặt, tích hợp hệ thống Chuẩn góc toàn vòng gia số bao gồm bàn đo và đĩa chia độ có 10800 vạch chia lắp trên trục của ổ đệm khí. Hệ đầu đọc bao gồm 6 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. Để nâng cao độ phân giải của chuẩn toàn vòng gia số luận án sử dụng bộ nội suy 210 độ phận giải đạt 0,12" 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 Thực hiện tự hiệu chuẩn theo phương pháp EDA, tiến hành bù sai số sai số của chuẩn góc toàn vòng đạt ± 0,3". 15
a) b) Hình 2.10: a) Sai số chuẩn góc toàn vòng b) Độ tái lập 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". 2.6.2. Đánh giá chuẩn góc toàn vòng gia số thông qua so sánh vòng Biểu đồ so sánh kết quả đo so sánh đa diện góc 5 Độ lệch góc ["] 0 -5 0 3 6 9 12 15 18 21 24 KRISS thực hiện (") Luận án thực hiện (") thứ tự điểm đo Hình 2.11: Kết quả đo so sánh đa diện góc với KRISS Sử dụng phương pháp hiệu chuẩn chéo thực hiện so sánh vòng với KRISS vật mẫu được sử dụng là đa diện góc 24 mặt số hiệu LE 3178, hình 2.11. 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: là 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 16
tính chất tuần hoàn sau một được gọi là sai số toàn vòng. Luận án đã nghiên cứu, phân tích 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 không thể thiếu được là khả năng tự hiệu chuẩn của chuẩn đầu quốc gia lĩnh vực góc. - 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 thuất của chuẩn góc quốc gia. Kết quả này được khẳng định bằng phương pháp so sánh vòng 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: PHƯƠNG PHÁP XÂY DỰNG CHUẨN GÓC NHỎ 3.1 Cơ sở lý thuyết xây dựng chuẩn 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 hình 3.1. Hình 3.1: Minh họa góc nhỏ Giá trị góc θ được xác định 17
AB AB θ = arcsin OA ≅ OA (3.1) 3.2 Nghiên cứu, xây dựng phương pháp 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 điều này đã giảm thiểu ảnh hưởng của dao động tâm quay của chuẩn hình 3.2. Hình 3.2: Sơ đồ bộ tạo góc nhỏ đối xứng Khi quay cánh tay đòn một góc θ vị trí gương góc dịch chuyển như trên hình 3.2. Khi đó ta có: h1 h2 θ= = (3.2) L1 L2 Theo tính chất của tỷ lệ thức: h h h +h h1 +h2 θ = L1 = L2 = ⁡ L1 +L2 = L (3.3) 1 2 1 2 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.Từ những nghiên cứu tính toán trên luận án đã đưa ra sơ đồ bộ tạo góc nhỏ sử dụng giao thoa kế Laser được thể hiện trên hình 3.3. 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 của giao thoa kế laser. Giao thoa 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 18
Hình 3.3: Sơ đồ bộ tạo góc nhỏ được xây dựng 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: K −K K −K θ = arcsin ( 1 L 2 ) ≅ ⁡ 1 L 2 ⁡ (3.4) 3.3 Nghiên cứu ước lượng độ không đảm bảo đo của bộ tạo góc nhỏ 3.3.1. Độ không đảm bảo đo của bộ tạo góc nhỏ Giá trị góc  được xác định : ∆h ⁡⁡sin θ = ⁡ L (3.5) Độ không đảm bảo đo u() được xác định: ∂θ 2 ∂θ 2 ∂θ 1 ∂θ h u(θ) = √[∂h u(h)] + [∂L u(L)] ; ⁡⁡⁡∂h = L ⁡⁡và⁡ ∂L = − L2 (3.6) 3.3.2. Nghiên cứu, tính toán xác định các yếu tố độ không đảm bảo đo của bộ tạo góc nhỏ 3.3.2.1. 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 phần sau: u𝑓2 (h) = cλ2 u2 (λ) + ct2 u2 (t) + cp2 u2 (p) + cR2 u2 (R) (3.7) Trong đó: 19
- 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 Giao thoa kế laser hoạt động tại điều kiện mội trường Nhiệt độ: (20±1) oC; độ ẩm không khí: (50 ± 10) %R.H; Áp suất khí quyển: (101325 ± 100) Pa 3.3.2.2 Xác định điều kiện đảm bảo độ chính xác độ dài cánh tay đòn Tại điều kiện môi trường làm việc khoảng cách cánh tay đòn được xác định bằng công thức L = Lc + ∆t × α × Lc (3.8) Độ không đảm bảo đo của độ dài cánh tay đòn u(L) được xác định ∂L 2 ∂L 2 ∂L 2 u2 (L) = ⁡ [ × u(LC )] + [ × u(∆t)] + [ × u(α)] (3.9) ∂Lc ∂∆t ∂α Trong đó giá trị u(LC ) được xác định thông qua phép đo độ khoảng cách tâm giữa hai gương góc. Trong đó Lc: Độ dài cánh tay đòn tại điều kiện nhiệt độ tiêu chuẩn 20oC. ∆t = (t T − 20)℃ , t T : Nhiệt độ làm việc của bộ tạo góc nhỏ.α hệ số dãn nở nhiệt của vật liệu chế tạo thân cánh tay đòn. 3.4 Nghiên cứu phương pháp đo chính xác độ dài cánh tay đòn Luận án đã nghiên cứu đề xuất phương pháp đo khoảng cách tâm ảo giữa hai gương góc.. Sơ đồ đo của phương pháp được thể hiện trên hình 3.4. Phương pháp đo được thực hiện như sau: 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 cấp chính xác cao.Nguồn phát tia laser 5 và cảm biến vị trí quang 6 được gắn cố định để thực hiện phép đo khoảng cách. Tại vị trí ban đầu tia laser 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 laser 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 20