Luận án Nghiên cứu, xây dựng chuẩn đo lường quốc gia lĩnh vực góc
MỤC LỤC
Trang
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
1.1. Góc và chuẩn đo lường góc...................................................................................... 17
1.1.1. Khái niệm về góc............................................................................................... 17
1.1.2. Hệ thống chuẩn đo lường .................................................................................. 18
1.1.2.1. Chuẩn đo lường....................................................................................................... 18
1.1.2.2. Hệ thống chuẩn đo lường ........................................................................................ 18
1.2. Chuẩn đo lường góc.................................................................................................. 19
1.2.1. Các dạng chuẩn góc nhỏ.................................................................................... 19
1.2.1.1. Ống tự chuẩn trực ( Autocollimator)....................................................................... 19
1.2.1.2. Thước sin (Sine bar)................................................................................................ 20
1.2.1.4. Chuẩn góc dạng căn mẫu......................................................................................... 21
1.2.2. Chuẩn góc toàn vòng......................................................................................... 22
1.2.2.1. Đa diện góc.............................................................................................................. 22
1.2.2.2. Bàn phân độ ( Indexing table)................................................................................. 23
1.3. Hiệu chuẩn chuẩn, phương tiện đo........................................................................... 24
1.3.1. Hiệu chuẩn......................................................................................................... 24
1.3.2. Độ không đảm bảo đo ....................................................................................... 24
công nghệ Mỹ (NIST) ................................................................................................. 26
1.4.2. Hệ thống chuẩn đo lường lĩnh vực góc của PTB............................................... 26
1
1.5. Chuẩn góc toàn vòng................................................................................................ 29
1.5.1. Chuẩn góc toàn vòng kiểu cơ ............................................................................ 30
1.5.2. Chuẩn góc toàn vòng sử dụng laser vòng......................................................... 30
1.5.4. Đầu đọc.............................................................................................................. 33
1.5.5.1. Nguyên lý vòng tròn khép kín................................................................................. 35
1.5.5.2. Phương pháp hiệu chuẩn chéo................................................................................. 35
1.5.5.3. Phương pháp nhiều đầu đọc ................................................................................... 36
1.6. Bộ tạo góc nhỏ......................................................................................................... 37
1.6.1. Mô hình lý thuyết. ............................................................................................. 37
1.6.2. Các nguyên lý tạo góc nhỏ ................................................................................ 38
1.6.2.3. Phân tích nguyên lý tạo góc nhỏ ............................................................................. 40
1.6.3. Một số bộ tạo góc nhỏ ...................................................................................... 40
1.6.3.1. Bộ tạo góc nhỏ kiểu cơ khí ( hình 1.28).................................................................. 40
1.6.3.2. Bộ tạo góc nhỏ sử dụng động cơ dịch chuyển nhỏ chính xác ................................. 40
1.6.3.3. Bộ tạo góc nhỏ kiểu cơ quang................................................................................ 41
1.7.3. Nội dung nghiên cứu ......................................................................................... 44
CHƯƠNG 2......................................................................................................................... 45
2.1.1. Phương pháp đọc vạch chia............................................................................... 46
2.1.2. Phương pháp nội suy nâng cao độ phân giải..................................................... 48
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
2.2.2.2. Sai số chuyển động quay của đĩa chia độ................................................................ 51
2.2.2.3. Độ ổn định của tâm quay......................................................................................... 53
trí nhiều đầu đọc.......................................................................................................... 58
phương pháp EDA....................................................................................................... 60
2.5. Thiết kế, chế tạo chuẩn góc toàn vòng gia số........................................................... 64
2.5.1. Nghiên cứu lựa chọn, bố trí sơ đồ lắp đặt đầu đo.............................................. 64
2.5.2. Xác định các chi tiết quan trọng........................................................................ 65
2.5.2.1. Đĩa chia độ và đầu đọc ............................................................................................ 65
2.5.2.2. Bộ nội suy tín hiệu .................................................................................................. 67
2.5.2.3. Ổ quay ..................................................................................................................... 68
2.5.3. Lắp đặt tích hợp hệ thống.................................................................................. 68
2.6. Đánh giá độ chính xác chuẩn toàn vòng gia số ........................................................ 69
2.6.2.1. Phương pháp so sánh vòng...................................................................................... 74
2.6.2.2. So sánh kết quả đo với KRISS ................................................................................ 76
2.7. Kết luận chương hai.................................................................................................. 77
CHƯƠNG 3..................................................................................................................... 79
3.1. Cơ sở lý thuyết xây dựng chuẩn góc nhỏ ................................................................ 79
3.2. Nghiên cứu, xây dựng phương pháp tạo góc nhỏ..................................................... 79
3.2.1. Thiết lập sơ đồ lý thuyết bộ tạo góc nhỏ quang cơ............................................ 80
3.2.1.1 Sơ đồ nguyên lý........................................................................................................ 80
3.3.1. Phương pháp đánh giá độ không đảm bảo đo ................................................... 84
3.3.1.1 Mô hình đo ............................................................................................................... 84
3
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
3.3.2. Độ không đảm bảo đo của bộ tạo góc nhỏ ........................................................ 88
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
3.3.3.2. Đánh giá độ không đảm bảo đo chiều dài cánh tay đòn u(L).................................. 92
3.4.1. Xây dựng phương pháp đo ................................................................................ 93
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
hệ thống ..................................................................................................................... 103
3.6.3. Xác định thành phần u(L)................................................................................ 104
3.6.3.1 Xác định giá trị u(LC) ............................................................................................. 104
3.6.3.2. Xác định thành phần độ không đảm bảo đo 푢퐸(퐿)............................................... 105
3.8. Kết luận chương ba................................................................................................. 108
CHƯƠNG 4....................................................................................................................... 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
4.4.1.1 Sơ đồ hiệu chuẩn.................................................................................................... 114
4.4.1.2. Xác định vị trí kiểm ban đầu (vị trí gốc) ............................................................... 115
4.4.1.3. Phương pháp hiệu chuẩn ....................................................................................... 115
nhỏ...................................................................................................................................... 116
4.4.2. Xây dựng phương pháp hiệu chuẩn đa diện góc ............................................. 116
4.4.2.1 Lắp đặt thiết bị........................................................................................................ 116
4.4.2.2. Phương pháp hiệu chuẩn ....................................................................................... 117
4.5. Kết luận chương bốn .............................................................................................. 121
KẾT LUẬN ....................................................................................................................... 122
KIẾN NGHỊ....................................................................................................................... 123
TÀI LIỆU THAM KHẢO................................................................................................. 124
5
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
1. Danh mục chữ viết tắt, thuật ngữ
STT
Ký hiệu
Chữ viết tắt
BIPM
Tiếng Việt
Tiếng Anh
1
2
3
Tổ chức Cân đo Quốc tế
Ủy ban Cân đo Quốc tế
Bureau International des Poids
et Mesure
CIPM
CMCs
International Committee for
Weights and Measures
Năng lực đo và hiệu chuẩn Calibration and Measurement
Capabilites
4
5
DFT
EDA
Biến đổi Fourier rời rạc
Trung bình phân đoạn
bằng nhau
Discrete Fourier transform
Equal division average
6
7
FFT
Biến đổi Fourier nhanh
Fast Fourier transform
INRIM
Viện nghiên cứu Đo lường National Institute of
quốc gia (Italia)
Metrological Research (Italia)
8
KRISS
Viện nghiên cứu chuẩn và Korea Research Institute of
khoa học Hàn Quốc
Sai số góc cục bộ
Standards and Science
9
NA
NMIs
NIM
Narrow Angle Error
10
11
Viện Đo lường Quốc gia
Viện đo lường quốc gia
Trung Quốc
National Metrology Institutes
National Metrology Íntitute
12
13
NIST
Viện chuẩn và Công nghệ National Institute of Standards
Quốc gia (USA)
and technology (USA)
National Institute Metrology of
Thailand
NIMT
Viện Đo lường quốc gia
Thái Lan
14
15
16
RE
RL
Thiết bị mã hóa góc quay
Laser vòng
Rotary Encoder
Ring Laser
PTB
Cục vật lý kỹ thuật Đức
17
18
VMI
WA
Viện Đo lường Việt Nam
Sai số góc lớn
Vietnam Metrology Institute
Wide angle errors
6
2. Danh mục ký hiệu
STT
Ký hiệu
Tiếng việt
Chu kỳ vạch chia đĩa chia độ kiểu gia số
Đường kính đĩa chia độ
1
2
3
4
C
D
δji
µi,j
Sai số góc tích lũy từ các đầu đọc đến đầu đọc chính
Sai số góc của đầu đọc thứ j tại vị trí vạch thứ i của chuẩn góc
toàn vòng
5
Sai số góc của chuẩn góc toàn vòng
μ̅
e
6
Độ lệch tâm giữa tâm quay và tâm đĩa chia độ
Độ dài cánh tay đòn bộ tạo góc nhỏ
Góc nghiêng của đĩa chia độ
7
L
8
9
NG
NH
r
Số vạch chia của đĩa chia độ
10
11
12
13
14
15
Số đầu đọc
Độ phân giải của chuẩn góc toàn vòng
Độ phân giải cơ bản của chuẩn góc toàn vòng
Khoảng cách giữa chia vạch chia liên tiếp của đĩa chia độ
Độ không đảm bảo đo tổng hợp
rcb
S
uc
U
Độ không đảm bảo đo mở rộng
7
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 1.10: Chuẩn đo lường lĩnh vực góc tại NIST [41] ..................................................... 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
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
3: Đầu đọc ........................................................................................................................... 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 1.25: 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 1.31: Chuẩn góc hiện có tại VMI ............................................................................... 42
Hình 2.1: a) Đĩa chia độ, b) Vạch chia ............................................................................... 45
Hình 2.2: Vạch chia gốc của đĩa chia độ[7] ....................................................................... 46
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
8
Hình 2.13: a) Sơ đồ bố trí đầu đọc đối xứng, b) Dạng đồ thị sai số................................... 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 2.21: 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 2.32: a) Nhóm 3 đầu đọc, b) Nhóm 4 đầu đọc ........................................................... 71
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 2.37: 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
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 3.12: Gương góc, a) Nguyên lý, b) Hình ảnh............................................................. 93
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
9
Hình 3.21: Sơ đồ tính toán ĐKĐB đo do lắp đặt hệ thống ............................................... 103
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 4.6: 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
10
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 3.3: 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
11
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
12
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.
13
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
14
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
15
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.
16
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG CHUẨN ĐO LƯỜNG QUỐC GIA LĨNH
VỰC GÓC
Nội dung nghiên cứu trong chương này bao gồm các vấn đề sau:
- Tổng quan về hệ thống chuẩn đo lường nói chung và hệ thống chuẩn đo lường quốc
gia lĩnh vực góc phẳng, chuẩn và phương tiện đo góc.
- Nghiên cứu phương pháp thiết lập chuẩn đo lường quốc gia lĩnh vực góc của một số
viện đo lường quốc gia trên thế giới. Phân tích các hệ thống chuẩn góc của một số viện đo
lường quốc gia, trên cơ sở đó xác định hướng nghiên cứu thiết lập hệ thống chuẩn đo lường
quốc gia lĩnh vực góc tại Việt Nam.
1.1. Góc và hệ thống chuẩn đo lường
1.1.1. Khái niệm về góc
Góc phẳng là phần mặt phẳng được giới hạn bởi 2 tia Oa và Ob có chung một điểm
gọi là đỉnh góc hình 1.1a., Oa tia đầu và Ob tia cuối, và đỉnh góc O (điểm giao nhau của hai
tia). Một góc được coi là góc dương khi có chiều quay tia đầu Oa đến tia cuối Ob ngược
chiều kim đồng hồ và ngược lại.
.
b
s=r
r
θ
O
θ
a
a)
b)
Hình 1.1: a) Định nghĩa góc b) Định nghĩa radian
Góc θ là góc được tạo bởi hai tia bán kính của đường tròn hình 1.1b, giá trị độ lớn của
góc θ được xác định bằng tỷ số giữa chiều dài cung s và chiều dài bán kính của vòng tròn đó
s
θ =
(1.1)
r
Trong hệ đơn vị quốc tế SI radian là tên gọi của đơn vị góc được định nghĩa như sau:
17
“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.
18
Số bậc N bằng bao nhiêu là tuỳ thuộc yêu cầu của từng lĩnh vực đo. Lĩnh vực độ dài
có chuẩn đầu, chuẩn thứ, chuẩn bậc I,II,...,N, như trên hình 1.2.
Hình 1.2: Sơ đồ minh họa phân chia chuẩn
Dạng 2: Căn cứ theo chức năng, mục đích sử dụng có thể phân loại chuẩn thành: chuẩn
quốc tế, chuẩn quốc gia, chuẩn chính, chuẩn công tác.
Chuẩn quốc tế: Là chuẩn được một hiệp định quốc tế công nhận, để làm cơ sở ấn định
giá trị cho các chuẩn khác của đại lượng có liên quan trên phạm vi quốc tế.
Chuẩn quốc gia: Chuẩn đo lường được công nhận bởi cơ quan thẩm quyền quốc gia,
để dùng trong một nước hoặc nền kinh tế, là cơ sở ấn định giá trị đại lượng cho các chuẩn
đo lường khác của loại đại lượng có liên quan.
Chuẩn chính: Là chuẩn thường có chất lượng cao nhất về mặt đo lường có thể có ở
một địa phương hoặc một tổ chức xác định mà các phép đo ở đó đều được dẫn xuất từ chuẩn
này.
Chuẩn công tác: Là chuẩn được dùng thường xuyên để hiệu chuẩn hoặc kiểm tra vật
đọ, phương tiện đo hoặc mẫu chuẩn. Chuẩn công tác thường xuyên được hiệu chuẩn bằng
cách so sánh với chuẩn chính. [23]
1.2. Chuẩn đo lường góc
Hiện nay người ta nhìn nhận, chia các chuẩn góc thông dụng ra làm hai loại chính, phổ
quát tất cả các chủng loại chuẩn và phương tiện đo góc trong thực tế, đó là:
+ Chuẩn góc lớn, phạm vi góc đến 360o hoặc lớn hơn 360 o ( chuẩn góc toàn vòng).
+ Chuẩn góc nhỏ, phạm vi góc nhỏ hơn 1o (chuẩn góc nhỏ)
19
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
2
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 = f × tan2α
(1.2)
(1.3)
d
tan2α =
f
2α = arctan df
(1.4)
Trong trường hợp α nhỏ ta có α tan α
d
f
d
2α ≈
; α ≈
(1.5)
2f
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
20
Tải về để xem bản đầy đủ
128 trang
23740
Free
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Luận án Nghiên cứu, xây dựng chuẩn đo lường quốc gia lĩnh vực góc", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- luan_an_nghien_cuu_xay_dung_chuan_do_luong_quoc_gia_linh_vuc.pdf
