Tóm tắt Luận án Nghiên cứu, xây dựng chuẩn đo lường quốc gia lĩnh vực góc

GIỚI THIỆU LUẬN ÁN

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

1

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

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

2

- 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 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 .

3

- 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.

NỘI DUNG CHÍNH CỦA LUẬN ÁN

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN HỆ THỐNG CHUẨN ĐO LƯỜNG

QUỐC GIA LĨNH VỰC GÓC

1.1. Góc và chuẩn đo lường 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

1^o(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 360^ohoặc lớn hơn 360^obao 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

4

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 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 (360^o) 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.

5

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

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 N_Gkhoảng bằng nhau ta được một

góc chuẩn nhỏ nhất có giá trị 2π/N_G. Để tạo góc chuẩn θ tương ứng

với k vạch được xác định:

6

θ = k×_N^2π

(2.1)

G

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.

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

trong hình 2.1, trong đó L là nguồn sáng thường là đi ốt phát sáng

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

̉ ̉

̣ ̣

h tao xung đê chuyên

nhiễu xạ nên có dạng gần sin. Sư dun

̣

g môt

̣

mac

xung vuông.Để phát hiện

chiều chuyển động cần thiết hai tín hiệu lệch pha 90^o. Sau khi tạo ra 2

̉

đôi tư tin hiêu

̣

xung hinh sin sang tin hiêu

̣

̀

́

̀

́

day xung vuông lêc

̣

h pha nhau 90⁰, dưa

̣

vao thư tư

̣

cac pha cua tin

̉

̃

̀

́

̉ ̉

̣ ̣ ̣ ̀ ̣

hiêu co thê xac đinh đươc chiêu chuyên đông cua đĩa chia độ.

̉

́ ́

7

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,

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

b)

a)

Hình 2.2: Sơ đồ biểu diễn biến thiên bán kính R_θa) Sơ đồ, b) vị trí đọc

Khi đĩa chia độ quay với góc quay là θ quanh tâm quay O_qkhi

đó đầu đọc H đọc khoảng cách vạch chia tại các vị trí có bán kính khác

R_θnhau hình 2.2 b. Bán kính R_θphụ thuộc vào đường kính đĩa chia

8

R_θ= |O_qH| + e⃗ − 2|O_qH| e⃗ cos

(θ)

(2.2)

độ và độ lệch tâm, R_θthay đổi tương ứng với góc quay θ được xác

định, hình 2.2 a.

2

| |²

| |

⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗

√

Giá trị R_θbiến 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 R_θ

biến đổi tuần hoàn có dạng sin chu kỳ 2π từ giá trị nhỏ nhất R_θminđến

giá trị lớn nhất R_θmax, 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 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 θ_edo lệch tâm giữa tâm đĩa chia độ với tâm của

trục quay được thể hiện hình 2.3 .Sai số góc θ_eđược xác định:

∆θ_e= θ −θ′

(2.3)

Trong đó θ : Góc của trục quay; θ’: Góc trên đĩa chia độ

Sai số góc lệch tâm lớn nhất θ_emaxứng với vị trị θ’=90^ohình 2.3 b.

9

2e

∆θ_emax

≅

(2.3)

D

Ảnh hưởng của độ lệch tâm đến sai số góc của chuẩn góc toàn

vòng là lớn.

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,H₄cáchđều nhau một góc 90^ohình

2.4a, đồ thị sai số của H₁và H₃sẽ ngược pha với nhau, tương tự đối

với đầu đọc H₂và 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 N_Gvạch chia

trên đó bố trí N_Hđầu 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

10

chia thứ i+(j-1)N_G/N_Hhình 2.5. Khi đó độ lệch của vạch chia do đầu

đọc thứ j phát hiện là a_ijđược xác định:

⁡⁡⁡a_i,j= a_{i+(j−1)N /N}

(2.4)

G

H

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, µ_i,jđược xác định như sau:

δ_i,j=⁡a_i,1−a_i,j= a_i−a_{i+(j−1)/N /N}

(2.5)

(2.6)

G

H

1

N

H

∑

μ_i,j= _{N j=1}δ_i,j

H

Giá trị µ_i,jlà sai số góc của chuẩn góc toàn vòng được xác định

bằng giá trị a_itại đầu đọc thứ j trừ đi một lượng bằng trung bình cộng

của tất các các giá trị của N_Hđường cong lệch pha 2π/N_Htừ giá trị a_i.

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/N_Gtrên 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,jcủa các đầu đọc so với một đầu đọc định trước

gọi là đầu đọc chính.

11

Hình 2.6: Sơ đồ lắp đặt đầu đọc và chênh lệch sai số _ijso với sai số đầu

đọc chính

Để thực hiện xác định độ lệch _i,jsử 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 f_c, hình 2.6.

Giá trị _i,jđược 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,jso với sai số đầu đọc

chính trong hình 2.6 trong trường hợp này đầu đọc chính là đầu đọc

N_H1,giá trị μ_i,jđược xác định:

1

N

H

∑

μ_i,j= _{N j=1}δ_i,j= a_i,j−_{N j=1}a_i,j

(2.7)

H

12

Giá trị δ_ijthực 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

Hình 2.7: Sơ đồ xác định µ_i,j

Giá trị t_i,Nlà số xung của bộ đếm tần số f_ckhi phát hiện vạch

Hj

chia thứ i của đầu đọcN_Hjvà t_i+1,Nlà số xung của bộ đếm khi phát

Hj

hiện vạch chia tiếp theo, hình 2.20. Giá trị µ_i,jsai số góc tại vạch chia

thứ i của đầu đọc j được xác định:

2π

1

N

H

G

∑

μ_i,j= (t_i,N_Hj−⁡

_j=1t_i,N_Hj) ×

(2.8)

N

1

H

N

∑

H

(t

−t

i,N

)

Hj

i+1,N

j=1

N

Hj

H

Sai số góc của chuẩn góc toàn vòng có N_Hđầu đo bố trí cách

đều trên đĩa chia độ được xác định bằng trung bình cộng các sai số của

từng đầu đọc

1

N

H

∑

μ̅ = _{N j=1}μ_i,j

(2.8)

H

Giá trị μ_jibao 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.

13

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 90^ogồm các đầu đọc H₁, H₂, H₄, H₆, nhóm 2: gồm 03 đầu đọc H₁,

H₃, H5 bố trí cách đều nhau một góc 120^o. 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

θ +θ

(

) [ (

)

(

)

(

)]

(

)

(

)

]

5

³= {^{7θ H + θ H +θ H +θ H +4[θ H +θ H}

}

1

2

4

6

3

4

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".

14

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

0

-5

0

3

6

9

12

15

18

21

24

thứ tự điểm đo

KRISS thực hiện (")

Luận án thực hiện (")

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 퐸_푛≤ 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

15

sai số này xuất hiện khi có chuyển động quay của đĩa chia độ và có

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 f_cchuẩn 100 MHz để

xác định sai số tích lũy δ_ijtừ 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 90^ovà nhóm 3 đầu đọc cách

đều 120^olựa 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 퐸_푛≤ 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

16

Giá trị góc θ được xác định

θ = arcsin

AB

≅

(3.1)

OA

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:

h

L

θ = ^h_L

=

(3.2)

1

2

1

2

Theo tính chất của tỷ lệ thức:

h

L

h +h

θ = ^h_L

=

²=⁡

=

(3.3)

1

2

1

2

L +L

L

1

2

1

2

Trong đó thành phần L=L₁+L₂chính 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+L₂không 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 f₁và f₂. tia f₁đi vào gương H₁(3), tia f₂đi vào gương H₂(4)

thông qua gương góc 45⁰(5). Hai gương góc phản xạ (corner cube) H₁

và H₂được gắn chặt vào cánh tay đòn, tia f₁và f₂sau 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

17

K₁và K₂, khi xoay cánh tay đòn (6) tạo ra sự dịch chuyển gương H₁

và H₂

Hình 3.3: Sơ đồ bộ tạo góc nhỏ được xây dựng

Quang lộ K₂thay đổi một lượng bằng ½ Lsin tương tự quang

lộ K₁cũng 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

θ = arcsin(^{K −K}²) ≅⁡

⁡

(3.4)

1

2

L

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

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

Giá trị góc  được xác định :

∆h

⁡⁡sinθ =⁡

(3.5)

L

Độ không đảm bảo đo u() được xác định:

2

∂θ

u(h)] +[^∂_∂^θ_Lu(L)] ; _{⁡⁡⁡∂h}= ¹_L⁡⁡và⁡ = −_L^h(3.6)

√

[

( )

u θ =

2

∂h

∂L

3.3.2. Nghiên cứu, tính toán xác định các yếu tố 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 u_f(h)

18

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

gồm các thành phần sau:

2

²( )

2

u_푓h = c_λu λ +c_tu t + c_pu p +c_Ru (R)

(3.7)

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

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 = L_c+ ∆t×α×L_c

(3.8)

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

định

2

∂L

u L =⁡[_∂^∂_L^L×u(L_C)] +[_∂∆t×u(∆t)] +[_∂^∂_α^L×u(α)]

(3.9)

²( )

c

Trong đó giá trị u(L_C) được xác định thông qua phép đo độ

khoảng cách tâm giữa hai gương góc.

Trong đó L_c:Độ dài cánh tay đòn tại điều kiện nhiệt độ tiêu

chuẩn 20^oC. ∆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 90^ođược 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

19

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 X₁của

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 L_D. Tại vị trí này tia laser 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 L_Dvà tọa độ X₁,X₂sẽ xác định chính xác khoảng cách

giữa hai tâm ảo của gương góc

Hình 3.4: Sơ đồ nguyên lý đo khoảng cách giữa hai tâm ảo của gương góc

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

tạo góc nhỏ u(L_C) = 2,1 μm

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

Bộ tạo góc nhỏ sử dụng giao thoa kế laser đo khoảng cách dịch

chuyển của gương, độ dài cánh tay đòn L= (299,9861 ± 0,0021) mm.

Bộ tạo góc nhỏ có phạm vi đo ± 30´, độ không đảm bảo đo mở rộng

U= 0,08 .

Hình 3.6: Bộ tạo góc nhỏ được xây dựng

20