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

GII THIU LUN ÁN  
1. Tính cp thiết ca lun án nghiên cu  
Góc là đại lượng đo thuộc lĩnh vực đo lường độ dài, chun góc  
được sdng rng rãi trong các ngành kthuật như cơ khí chính xác,  
điều khin tự động, trắc đạc, giao thông, xây dựng, thiên văn… Nghiên  
cu chế to chuẩn đo lường quốc gia lĩnh vực góc giúp cho Vit Nam  
làm chvmt kthut, to tiền đề vng chc cho vic duy trì và dn  
xut chuẩn đo lường góc, nâng cao trình độ nghiên cu vkhoa hc  
kthuật đo lường, đồng thi giúp cho chúng ta tiết kiệm được chi phí  
ngoi tệ để trang bchun góc nếu nhp khu của nước ngoài. Đó chính  
là nhng lý do lun án chọn hướng nghiên cu:  
“ Nghiên cứu, xây dng chuẩn đo lường quốc gia lĩnh vực góc ”.  
2. Mục đích đối tượng và phm vi nghiên cu  
a)Mục đích của lun án  
Nghiên cu xác lập cơ sở khoa hc và kthuật đcó thxây dng  
hthng thiết bị đo thực hiện được chức năng chuẩn đo lường quc  
gia lĩnh vực góc phng bao gm chun góc toàn vòng gia svà bto  
góc nhỏ đảm bo vic hiu chun cho chuẩn, phương tiện đo góc đáp  
ng nhu cu của cơ sở trong cả nước.  
b) Đối tượng và phm vi nghiên cu  
- Đối tượng nghiên cu ca lun án là xây dng hthng chun  
đo lường quc gia có phm vi làm việc và độ chính xác đảm bo duy  
trì và dn xut chuẩn lĩnh vực đo lưng góc ti Vit Nam. Nghiên cu  
các phương pháp xây dựng chun góc toàn vòng sdụng đĩa chia độ  
kiu gia snhiều đầu đọc có khả năng tự hiu chuẩn đm bảo độ chính  
xác và bto góc nhtheo nguyên lý sin sdng giao thoa kế laser.  
Xây dựng được các phương pháp duy trì và dẫn xut chuẩn đo lường  
lĩnh vực góc tchun quốc gia đến chun góc và phương tiện đo góc  
có độ chính xác thấp hơn, phù hợp vi yêu cu thc tế ca Vit Nam.  
- Phm vi nghiên cu ca lun án gii hn trong vic nghiên cu  
xây dng chun góc toàn vòng giá trị độ chia 0,1, sai s± 0,3.  
Nghiên cu chế to bto góc nhphạm vi đo ± 30' vi độ không  
đảm bảo đo U = (0,1~ 0,3). Tích hp các thiết bchun thành hệ  
thng chun, xây dựng phương pháp đánh giá, sao truyền chun.  
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. Bcc ca lun án  
Nội dung chính được trình bày trong 4 chương của lun án:  
- Chương 1: Tng quan vhthng chuẩn đo lường quốc gia lĩnh  
vc góc;  
- Chương 2: Cơ sở phương pháp xây dựng chun góc toàn vòng;  
- Chương 3: Cơ sở phương pháp xây dựng chun góc nh;  
- Chương 4: Xây dng hthng chuẩn quoocsgia lĩnh vực góc;  
- Kết lun;  
- Kiến ngh.  
5. Ý nghĩa khoa học và thc tin ca lun 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 ca lun án  
- Luận án đã xây dựng được thuật toán và chương trình xử lý  
sliu trên cơ sở phương pháp EDA cho phép tự hiu chun thành  
công chun góc toàn vòng gia số đạt độ chính xác 0,3"và khẳng định  
khả năng làm chủ phương pháp tự hiu chuẩn đối vi chuẩn đầu góc  
phằng. Phương pháp tự hiu chun có thể xác định chính xác sai svị  
trí ca tng vch chia, sai slệch tâm và độ nghiêng đĩa chia độ toàn  
bdliệu này được dùng để bù sai schun góc toàn vòng gia s.  
Đây là một yếu tbt buộc đối vi vic xây dựng cơ sở lý thuyết cho  
vic chế to chuẩn đầu quốc gia lĩnh vực góc. Đã chế to thành công  
chun toàn vòng sdụng 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 o giữa hai gương góc của cánh tay đòn sdng cm biến vtrí  
quang hc CCD kết hp vi giao thoa laser. Đây là mt trong hai vn  
đề quan trng quyết định đến độ chính xác ca bto góc nh. Vi  
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 ca bto góc nhỏ như: độ ổn định tâm quay, vị trí gương  
góc, xác lập điều kiện môi trường làm vic ca bto góc nhỏ đảm  
bảo độ chính xác theo yêu cu nhỏ hơn 0,1 . Chế to tích hp bto  
góc nhcó phạm vi đo ± 30', độ không đảm bảo đo 0,08″.  
- Xây dựng phương pháp đánh giá độ chính xác ca chun góc  
toàn vòng và bto góc nhthông qua quá trình thiu chun và tính  
toán độ không đảm bảo đo. Độ chính xác ca chuẩn góc được kim  
chng bng cách so sánh vòng vi KRISS trs|En |1 khẳng định  
độ chính xác ca chuẩn góc đạt yêu cu kthuật đề ra .  
3
- Xây dựng sơ đồ dn xut chuẩn đo lường lĩnh vực góc và  
phương pháp hiệu chun ng tchun trực và đa diện góc trên hệ  
thng chun mới được thiết lp.  
NI DUNG CHÍNH CA LUN ÁN  
CHƯƠNG 1: TNG QUAN HTHNG CHUẨN ĐO LƯỜNG  
QUỐC GIA LĨNH VỰC GÓC  
1.1. Góc và chuẩn đo lường góc  
Trong hệ đơn vị quc tế SI radian là tên gi của đơn vị góc  
được định nghĩa như sau:  
Radian là góc to bi hai tia bán kính ca vòng tròn ct trên  
vòng tròn đó một cung có độ dài bng vi bán kính”.  
1.1.2. Hthng chuẩn đo lường  
Chuẩn đo lường:Theo TCVN 6165, chuẩn đo lường, hay gi  
tt là chuẩn, được định nghĩa như sau: “Chuẩn đo lường là sthhin  
định nghĩa của đại lượng đã cho, với giá trị đại lượng được công bvà  
độ không đảm bo kèm theo, dùng làm mc quy chiếu”.  
Hthng chuẩn đo lường: Hthng chuẩn đo lường là cơ sở kỹ  
thut quan trng nhất để đảm bo tính thng nhất và độ chính xác cn  
thiết của phép đo trong phm vi quc gia và quc tế.  
1.2. Chuẩn đo lường góc  
Hin nay người ta nhìn nhn, chia các chun góc thông dng ra  
làm hai loi chính, phquát tt ccác chng loi chuẩn và phương  
tiện đo góc trong thực tế, đó là. Chun góc nh, phm vi góc nhỏ hơn  
1o (chun góc nh) các dng chun góc nhbao gm: ng tchun  
trc; Thước sin (sin bar); Ni vô; Chun dạng căn mẫu. Chun góc có  
phạm vi đến 360o hoc lớn hơn 360o bao gm: Đa diện góc; Bàn phân  
độ ( Indexxing Table); Chun góc toàn vòng dạng đĩa chia độ mã hóa.  
1.3. Hiu chun chuẩn, phương tiện đo  
1.3.1. Hiu chun  
Hiu chun là tp hợp các thao tác trong điều kiện quy định để  
thiết lp mi quan hgia các giá trcủa đại lượng được chbi  
4
phương tiện đo, hệ thống đo hoặc giá trị được thhin bng vật độ  
hoc mu chun và các giá trị tương ứng thhin bng chun.  
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 ca 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  
ca các giá trcó thể quy cho đại lượng mt cách hp lý  
1.4. Hthng chuẩn đo lường quốc gia lĩnh vực góc ti mt squc  
gia trên thế gii  
Hthng chuẩn đo lường quốc gia lĩnh vực góc thường là  
chuẩn đầu tc là chuẩn có độ chính xác cao mà giá trca nó không  
da vào các chuẩn khác cùng đại lượng. Hthng chun góc ca các  
NMIs là chuẩn góc toàn vòng độ chính xác cao như của NIST, PTB  
hay ca IRNIM. Hthng chuẩn đo lường góc của NMIJ và NIM đều  
xây dng trên cơ sở chun góc toàn vòng kết hp vi bto góc nh.  
Skết hp chun góc toàn vòng và bto góc nhỏ để đảm bo duy trì  
và dn xut chuẩn đo lường lĩnh vực góc giúp cho vic hoàn thin hệ  
thng chuẩn đo lường quốc gia lĩnh vực góc được thc hin mt cách  
kinh tế vẫn đảm bảo độ chính xác ca hthng.  
1.5. Chun góc toàn vòng  
Trong toán hc và thc tế vòng tròn khép kín được coi là chun  
tnhiên ca góc phng ( Natural Etalon) có giá trlà 2(360o) không  
có sai số. Do đó vòng tròn khép kín là cơ sở để thiết kế chun góc  
toàn vòng đạt độ chính xác cao và có khả năng tự hiu chun. Chun  
góc toàn vòng bao gm các dng: khí, laser vòng (Ring  
laser),chun góc toàn vòng sdụng đĩa chia độ mã hóa góc quay.  
1.6. Bto góc nhỏ  
Bto góc nhỏ được nghiên cu thiết kế, chế to trên cơ sở sử  
dng hàm số lưng giác theo nguyen lý sin hoc tang. Để đảm bảo độ  
chính xác ca bto góc nhcn thiết phi nghiên cu xây dng  
phương pháp đo chính xác khoảng cách cánh tay đòn và tính toán độ  
chính xác ca thiết bị đo khoảng cách dch chuyn.  
5
1.7. Mc tiêu và ni dung nghiên cu ca lun án  
Luận án đề xut mô hình chuẩn đo lường quốc gia lĩnh vực góc  
bao gm:  
+ Chun góc toàn vòng sdụng đĩa chia độ kiu gia số có độ phân  
gii 0,1, độ không đảm bảo đo U= 0,3 .  
+ Bto góc nhcó Phạm vi đo ± 30´, độ không đảm bảo đo  
U = (0,1 0,3) .  
+ Các chun này phải được tích hp thành hthống đáp ứng yêu  
cu hiu chun.  
+ Xây dựng các phương pháp sao truyền chun  
Ni dung nghiên cu:  
- Xây dng mô hình toán hc ca chun góc toàn vòng sdng  
đĩa chia độ kiu gia svà bto góc nhtheo nguyên lý sin sdng  
giao thoa kế laser.  
- Phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác ca chun góc  
toàn vòng và bto góc nhỏ, trên cơ sở đó đề xuất các phương pháp  
gim thiu sai số nâng cao độ chính xác ca chun.  
- Nghiên cu, xây dựng phương pháp thiu chuẩn đảm bảo độ  
chính xác, độ ổn định và tính liên kết chuẩn đối vi chun góc toàn  
vòng.  
-Xây dựng phương pháp đánh giá bto chun góc nhbng cách  
tính toán độ không đm bảo đo của chun thông qua việc đánh giá độ  
chính xác của các cơ cấu thành phn.  
-Xây dng hthng chuẩn đo lường quốc gia lĩnh vực góc trên  
cơ sở tich hp hai chuẩn được nghiên cu chế to.  
- Nghiên cu xây dựng phương pháp sao truyền chun tchun  
đo lường quốc gia lĩnh vực góc đến chuẩn có độ chính xác thấp hơn  
như ống tchun trực và đa diện góc.  
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ PHƯƠNG PHÁP XÂY DỰNG CHUN  
GÓC TOÀN VÒNG  
2.1. Nguyên lý, phương pháp tạo chun góc toàn vòng bằng đĩa  
chia độ kiu gia số  
Khi chia nhvòng tròn thành NG khong bng nhau ta đưc mt  
góc chun nhnht có giá tr2π/NG . Để to góc chuẩn θ tương ứng  
vi k vạch được xác định:  
6
θ = k×N2π  
(2.1)  
G
Đối với đĩa chia độ kiu gia scác vch chia bao gm vch  
trng và vạch đen có độ rng bng nhau, khong cách C bao gm vch  
trắng và đen được gi là chu kỳ đóng vai trò như một vch chia.  
2.1.1. Phương pháp đọc vch chia  
Phương pháp đọc vch chia da trên nguyên lý biến đổi tín  
hiu quang thành tín hiệu điện có nguyên tc 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 kiu gia s[8]  
Ánh sáng được truyn qua thu kính hi tụ để to ra chùm sáng  
song song đảm bảo chùm sáng là đồng nht. Mt nA có các vch  
chia ging vi vch chia của đĩa chia độ được lp cố định trong đầu  
đọc. Khi đĩa chia độ dch chuyn, ti cm biến quang học P cường độ  
sáng thay đổi theo thi gian do tín hiệu điện áp của đầu ra cũng thay  
đổi sự thay đổi điện áp này được sdụng như là thang thước để xác  
định schuyển động quay của đĩa chia độ. Vlý thuyết tín hiệu điện  
áp đầu ra dạng răng cưa trong thc tế do ảnh hưởng ca hiện tượng  
̉ ̉  
̣ ̣  
h tao xung đê chuyên  
nhiu xnên có dng gn sin. Sư dun  
̣
g môt  
̣
mac  
xung vuông.Để phát hin  
chiu chuyển động cn thiết hai tín hiu lch pha 90o. Sau khi to 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 cu các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác ca chun  
góc toàn vòng  
2.2.1. Các dng sai sca chun góc toàn vòng sdụng đĩa chia  
độ kiu gia số  
Khi chế to và làm vic chun góc toàn vòng gia sscó thể  
có nhng sai số như sai số phm vi nhvà sai strong phm vi ln  
hay còn gi là sai stoàn vòng. Sai sphm vi nhxut hin trong  
mt chu ktín hiu xung ca chun goc toàn vòng gia s, loi sai số  
này này chxut hin trong mi mt chu ktín hiu do ảnh hưởng ca  
dng xung ca tín hiu bị thay đổi trong quá trình đọc, chất lượng ca  
đầu đoc, vạch chia. Sai sphm vi ln hay còn gi sai stoàn vòng,  
loi sai snày chxut hin khi có schuyển động quay của đĩa chia  
độ sai stoàn vòng bao gm:  
+ Sai svtrí ca vch chia (sai số thang chia độ).  
+ Sai schuyển động quay của đĩa chia độ bao gm sai lch tâm quay  
của đĩa bao gồm độ lệch tâm và độ nghiêng của đĩa chia độ và độ ổn  
định ca trc quay.  
2.2.2. Sai stoàn vòng  
- Sai svtrí ca vch chia  
Do các vch chia chế to có sai snhất định điều này có nh  
hưởng đến sai số khi đầu đọc thc hin việc đọc tín hiu tiến hành ni  
suy để xlý tín hiu góc ca thiết bị  
- Sai schuyển động quay của đĩa chia độ  
a) Sai sdo lch tâm giữa đĩa chia độ và tâm quay  
b)  
a)  
Hình 2.2: Sơ đồ biu din biến thiên bán kính Rθ a) Sơ đ, b) vị trí đc  
Khi đĩa chia độ quay vi góc quay là θ quanh tâm quay Oq khi  
đó đầu đc H đọc khong cách vch chia ti các vtrí có bán kính khác  
Rθ nhau hình 2.2 b. Bán kính Rθ phthuc vào đường kính đĩa chia  
8
Rθ = |OqH| + e 2|OqH| e⃗ cos  
                                                                             
(θ)  
(2.2)  
độ và độ lch tâm, Rθ thay đổi tương ứng vi góc quay θ được xác  
định, hình 2.2 a.  
2
| |2  
| |  
⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗  
⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗  
Giá trRθ biến đổi cho nên khoảng cách AB ≠ A’B’, hình 2.2 b,  
vì vy giá trị góc θ thay đổi dẫn đến sai sgóc do lch tâm. Giá trRθ  
biến đổi tun hoàn có dng sin chu kỳ 2π từ giá trnhnht Rθmin đến  
giá trln nht Rθmax, do đó sai số góc cũng biến đổi theo dng hàm số  
sin cũng có chu kỳ 2π.  
b) Sai số do độ nghiêng đĩa chia độ  
Trong chế to, lắp đặt đĩa chia độ bnghiêng so vi trc quay  
điều này cũng gây nên sai số góc ca chun góc toàn vòng. Sai sdo  
ảnh hưởng độ nghiêng của đĩa chia độ biến đi theo quy lut tun hoàn  
có chu kbng na chu kquay của đĩa chia độ, vi mt vòng quay  
sai scó hai cực đại và hai cc tiu.  
-
Độ ổn định ca tâm quay  
Các ổ quay thông thường như ổ bi không đáp ứng được yêu cu  
do đó đối vi chun góc toàn vòng gia scác quay đệm khí thường  
được chn là quay đảm bảo độ chính xác tâm quay.  
2.3. Nghiên cu gii pháp gim thiu sai schun góc toàn vòng  
gia số  
2.3.1. Phương pháp giảm thiu sai sdo ảnh hưởng ca lch tâm  
a)  
b
Hình 2.3: Sai sgóc do lch tâm a) Vrí bt k, b) Vtrí sai sgóc ln nht  
Sai sgóc θe do lch tâm giữa tâm đĩa chia độ vi tâm ca  
trc quay được thhin hình 2.3 .Sai sgóc θe được xác định:  
∆θe = θ θ′  
(2.3)  
Trong đó θ : Góc ca trc quay; θ’: Góc trên đĩa chia độ  
Sai sgóc lch tâm ln nht θemax ng vi vtrị θ’=90o hình 2.3 b.  
9
2e  
∆θemax  
(2.3)  
D
Ảnh hưởng của độ lệch tâm đến sai sgóc ca chun góc toàn  
vòng là ln.  
Hình 2.4: a) Sơ đồ bố trí đầu đọc đối xng, b) Dạng đthsai số  
Bố trí 4 đầu đọc H1,H2,H3,H4 cáchđều nhau mt góc 90o hình  
2.4a, đồ thsai sca H1 và H3 sẽ ngược pha vi nhau, tương tự đối  
với đầu đọc H2 và H4, hình 2.4b vi cách bố trí như trên sau khi tổng  
hp sai sskhc phục được độ lch tâm.Tuy nhiên sai sgóc do lch  
tâm vn tn ti do vic các đầu đọc lắp đặt không đi qua tâm đĩa chia  
độ. Điều này có thkhc phc bng cách khp sliu với đồ thsai  
sdng sin do lch tâm  
2.3.2. Phương pháp giảm thiu sai sdo ảnh hưởng độ nghiêng đĩa  
chia độ  
Để gim thiu sai số do độ nghiêng của đĩa chia độ có tháp  
dụng phương pháp căn chỉnh cơ khí thông thường như sử dụng đồng  
hso... để căn chỉnh độ nghiêng của đĩa chia độ đạt yêu cu kthut.  
2.4. Nghiên cu, xây dựng phương pháp tự hiu chun chun góc  
toàn vòng gia số  
2.4.1. Cơ sở lý thuyết của phương pháp tự hiu chun chun góc  
toàn vòng gia sbtrí nhiều đầu đọc  
Đĩa chia độ ca chun góc toàn vòng gia scó NG vch chia  
trên đó bố trí NH đầu đọc cách đều trên đĩa chia độ. Khi đĩa chia độ  
quay, đầu đọc thnhất đang đọc vch thứ i đầu đọc thj sẽ đọc vch  
10  
chia thi+(j-1)NG/NH hình 2.5. Khi đó độ lch ca vạch chia do đầu  
đọc thj phát hin là aij được xác định:  
⁡⁡⁡ai,j = ai+(j1)N /N  
(2.4)  
G
H
Độ lch ca tín hiêu góc giữa đầu đọc thnhất và đầu đọc thj  
và giá trtrung bình ca nó ký hiu là ij , µi,j được xác định như sau:  
δi,j =ai,1 ai,j = ai ai+(j1)/N /N  
(2.5)  
(2.6)  
G
H
1
N
H
μi,j = N j=1δi,j  
H
Giá trµi,j là sai sgóc ca chun góc toàn vòng được xác định  
bng giá trai tại đầu đc thj trừ đi một lượng bng trung bình cng  
ca tt các các giá trca NH đường cong lch pha 2π/NH tgiá trai .  
Hình 2.5: Thttín hiu ra từ các đầu đọc  
Phương pháp này gọi là phương pháp trung bình phân đoạn  
bng nhau ( The Equal Diviation Average EDA)  
2.4.2. Xây dựng phương pháp tự hiu chun chun góc toàn vòng  
gia sáp dụng phương pháp EDA  
Trong phương pháp EDA các góc danh nghĩa /NG trên đĩa chia  
độ không xác định được trong suốt quá trình đo nên sai số góc tích lũy  
không thtrc tiếp xác định được. Để gii quyết vấn đề này thay bng  
việc xác định sai số góc tích lũy so với giá trị góc danh nghĩa bằng  
việc xác định độ lch i,j của các đầu đọc so vi một đầu đọc định trước  
gọi là đầu đc chính.  
11  
Hình 2.6: Sơ đồ lắp đặt đầu đọc và chênh lch sai sij so vi sai số đầu  
đọc chính  
Để thc hiện xác định đlch i,j sdng bto xung chun bên  
ngoài phương pháp được thc hiện như sau. Khi đĩa chia độ quay hết  
mt vòng quay, tín hiu tại các đầu đọc được đưa vào bộ xlý tín hiu  
trn ln tín hiu vi bto xung chun có tn sfc, hình 2.6.  
Giá tri,j được xác định trong mt vòng quay của đĩa chia độ  
bng cách đếm sxung ca bto xung chun ti vtrí vch chia ca  
đầu đọc thông qua bộ đếm tn s. Quá trình thc hiện được thhin  
trên sơ đồ xác định chênh lch sai số tích lũy i,j so vi sai số đầu đọc  
chính trong hình 2.6 trong trường hợp này đầu đọc chính là đầu đọc  
NH1, giá trμi,j được xác định:  
1
1
N
N
H
H
μi,j = N j=1δi,j = ai,j N j=1ai,j  
(2.7)  
H
H
12  
Giá trị δij thc chất là độ lch pha ca các tín hiêu trên từng đầu  
đọc riêng bit so với đầu đọc chính trong mt chu ký tín hiu ca mt  
vch chia quan sát trên hình 2.7  
Hình 2.7: Sơ đồ xác định µi,j  
Giá trti,N là sxung ca bộ đếm tn sfc khi phát hin vch  
Hj  
chia thi của đầu đọcNHj ti+1,N là sxung ca bộ đếm khi phát  
Hj  
hin vch chia tiếp theo, hình 2.20. Giá trµi,j sai sgóc ti vch chia  
thi của đầu đọc j được xác định:  
2π  
1
N
N
H
G
μi,j = (ti,NHj ⁡  
j=1ti,NHj) ×  
(2.8)  
N
1
H
N
H
(t  
−t  
i,N  
)
Hj  
i+1,N  
j=1  
N
Hj  
H
Sai sgóc ca chun góc toàn vòng có NH đầu đo bố trí cách  
đều trên đĩa chia độ được xác định bng trung bình cng các sai sca  
từng đầu đọc  
1
N
H
μ̅ = N j=1μi,j  
(2.8)  
H
Giá trị μji bao gm các sai số độ lệch tâm, độ chính xác ca  
vch chia do các đầu đọc đọc trc tiếp khong cách vch chia trong  
một vòng quay. Phương pháp tự hiu chuẩn này không đòi hỏi phi  
thiết kế hệ cơ khí phức tạp để đảm bảo độ đồng tâm, hơn nữa phương  
pháp này chcần quay đĩa chia độ một vòng sau đó thông qua tinhs  
toán ssliu, xây dựng đồ thsai ssẽ xác định độ chính xác ca  
chun góc toàn vòng.  
13  
2.5. Thiết kế, chế to chun góc toàn vòng gia số  
2.5.1. Nghiên cu la chn, bố trí sơ đồ lắp đặt đầu đo  
Hình 2.8: Sơ đồ btrí đầu đọc  
La chn số lượng 6 đầu đọc và bố trí đầu đọc theo sơ đhình 2.8 bao  
gm nhóm 1: 4 đầu đọc bố trí cách đều mỗi đầu đọc cách nhau mt  
góc 90o gm các đầu đọc H1, H2, H4, H6, nhóm 2: gồm 03 đầu đọc H1,  
H3, H5 bố trí cách đều nhau mt góc 120o . Khi quay đĩa chia độ để to  
ra góc chun mt góc θ, khi đó giá trị góc θ ca chun góc toàn vòng  
gia số được xác định bng trung bình cng ca ca nhóm 1 và nhóm  
2. Giá trgóc ca chun góc toàn vòng gia số được xác định  
θ +θ  
(
) [ (  
)
(
)
(
)]  
(
)
(
)
]
5
3 = {7θ H + θ H H H +4[θ H H  
}
1
2
4
6
3
4
θ =  
2
24  
2.5.2. Lp đặt, tích hp hthng  
Chun góc toàn vòng gia sbao gồm bàn đo và đĩa chia độ có  
10800 vch chia lp trên trc ca ổ đệm khí. Hệ đầu đọc bao gm 6  
đầu đọc được lp cố định trên thân máy, khi quay tay quay trc quay  
mang theo đĩa chia độ và bàn đo quay theo hệ đầu đọc sẽ đọc các dch  
chuyn ca vch chia tạo ra các góc quay tương ứng. Để nâng cao độ  
phân gii ca chun toàn vòng gia slun án sdng bni suy 210  
độ phn giải đạt 0,12"  
2.6. Đánh giá độ chính xác chun toàn vòng gia số  
2.6.1. Đánh giá độ chính xác bằng phương pháp tự hiu chun  
Thc hin thiu chuẩn theo phương pháp EDA, tiến hành bù  
sai ssai sca chuẩn góc toàn vòng đạt ± 0,3".  
14  
a)  
b)  
Hình 2.10: a) Sai schuẩn góc toàn vòng b) Độ tái lp  
Thc hin thiu chun chun góc toàn vòng gia smới đươc  
chế to nhiu ln ti nhiu thời điểm khác nhau kết qua cho thy chênh  
lch kết qugia các lần đo nằm trong phm vi ± 0,3".  
2.6.2. Đánh giá chuẩn góc toàn vòng gia sthông 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 vi KRISS  
Sdụng phương pháp hiệu chun chéo thc hin so sánh vòng  
vi KRISS vt mẫu được sdụng là đa diện góc 24 mt shiu LE  
| |  
3178, hình 2.11. Kết quso sánh cho thy giá tr1 chun góc  
toàn vòng đảm bo yêu cu kthuật đề ra.  
2.7. Kết luận chương hai  
- Chun góc toàn vòng sdụng đĩa chia độ kiu gia scó hai  
loi sai schính: là sai svch chia và sai sdo tâm quay.  
+ Sai svch chia phthuc công nghchế tạo, để khc phc  
loi sai snày luận án đã sử dụng phương pháp trung bình phân đoạn  
bằng nhau để tính toán toán xác định sai stng vch chia sau mt  
vòng quay để đưa vào bù sai số chính xác cho tng vch chia ca  
chun góc toàn vòng.  
+ Sai stâm quay bao gm: sai sdo lch tâm của đĩa chia độ  
so với tâm quay, do độ nghiêng đĩa chia độ, độ ổn định tâm quay. Loi  
15  
sai snày xut hin khi có chuyển động quay của đĩa chia độ và có  
tính cht tun hoàn sau một được gi là sai stoàn vòng. Luận án đã  
nghiên cu, phân tích tính cht ca sai stoàn vòng xác lập được các  
công thức xác định sai stừ 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 dng hàm sin chun, hiu chính sai stoàn vòng.  
- Đã xây dựng thut toán thiu chun chun góc toàn vòng  
gia số theo phương pháp EDA, sử dng xung fc chuẩn 100 MHz để  
xác định sai số tích lũy δij từ đó tính toán và xây dựng đồ thsai số  
trong quá trình thiu chun kết quả độ không đảm bảo đo U= 0,3".  
Kết quả này đáp ứng được yêu cu không ththiếu được là khả năng  
thiu chun ca chuẩn đầu quốc gia lĩnh vực góc.  
- Đã nghiên cứu phương án sử dụng 6 đầu đọc btrí thành hai  
nhóm: nhóm 1 gồm 4 đầu đọc cách đều 90o và nhóm 3 đầu đọc cách  
đều 120o la chn,các cm chi tiết quan trng, xây dng phn mm  
đọc sliu, chế to, tích hp thành công chun góc toàn vòng gia s.  
- Thc nghiệm đánh giá độ chính xác bằng phương pháp tự  
hiu chun cho thy độ không đảm bảo đo của chun góc toàn vòng  
U=0,3" đạt yêu cu kthut ca chun góc quc gia. Kết quả này được  
khẳng định bằng phương pháp so sánh vòng với KRISS thông qua chỉ  
|
|
sEn, kết qugiá tr1 cho thy chun góc toàn vòng hoạt động  
đảm bảo độ chính xác, khẳng định phương pháp tự hiu chuẩn đã xây  
dựng trên cơ sở EDA có thlàm việc chính xác đáp ứng khả năng tự  
hiu chun chun góc toàn vòng cho chuẩn đo lường quốc gia lĩnh vực  
góc Vit Nam.  
CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP XÂY DỰNG CHUN GÓC NHỎ  
3.1. Cơ sở lý thuyết xây dng chun góc nhỏ  
Chun góc nhlà chun có phm vi nhkhong ± 30´, để to các  
chuẩn này thường dùng phương pháp lượng giác để thc hin hình 3.1.  
Hình 3.1: Minh ha góc nhỏ  
16  
Giá trgóc θ được xác định  
θ = arcsin  
AB  
AB  
(3.1)  
OA  
OA  
3.2. Nghiên cu, xây dựng phương pháp tạo góc nhỏ  
Luận án đã nghiên cứu đề xut sdụng sơ đồ nguyên lý đthiết  
kế bto góc nhỏ mang tính đối xứng điều này đã giảm thiu nh  
hưởng của dao động tâm quay ca chun hình 3.2.  
Hình 3.2: Sơ đồ bto góc nhỏ đối xng  
Khi quay cánh tay đòn một góc θ vị trí gương góc dịch chuyn  
như trên hình 3.2. Khi đó ta có:  
h
L
θ = hL  
=
(3.2)  
1
2
1
2
Theo tính cht ca tlthc:  
h
L
h +h  
h +h  
θ = hL  
=
2 =⁡  
=
(3.3)  
1
1
2
1
2
L +L  
L
1
2
1
2
Trong đó thành phần L=L1 +L2 chính là khong cách gia hai  
tâm gương góc được gn cố định trên cánh tay đòn. Do đó khi hoạt  
động khong cách L=L1 +L2 không bị ảnh hưởng nhiều do dao động  
tâm ổ quay đảm bảo độ chính xác ca thiết b.Tnhng nghiên cu  
tính toán trên luận án đã đưa ra sơ đồ bto góc nhsdng giao thoa  
kế Laser được thhin trên hình 3.3. Chùm tia laser phát ra tngun  
laser ổn định tn s(1) qua btách tia (2) tách làm hai chùm tia có  
tn slà 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 x(corner cube) H1  
và H2 được gn chặt vào cánh tay đòn, tia f1 và f2 sau khi phn xkết  
hp vi nhau ti bthu nhn tín hiu ca giao thoa kế laser. Giao thoa  
laser xác định được sbiên thiên góc thông qua sự thay đổi quang lộ  
17  
K1 và K2, khi xoay cánh tay đòn (6) tạo ra sdch chuyển gương H1  
và H2  
Hình 3.3: Sơ đồ bto góc nhỏ được xây dng  
Quang lK2 thay đổi một lượng bng ½ Lsintương tự quang  
lK1 cũng thay đổi một lượng bng ½ Lsin. Giá trsinstlvi  
lượng biên thiên quang lK1 -K2.  
Giá trgóc được xác định:  
K K  
θ = arcsin(K K2) ⁡  
(3.4)  
1
1
2
L
L
3.3. Nghiên cứu ước lượng độ không đảm bảo đo của bto góc  
nhỏ  
3.3.1. Phương pháp đánh giá độ không đảm bảo đo  
3.3.2. Độ không đảm bảo đo của bto góc nhỏ  
Giá trgóc được xác định :  
∆h  
⁡⁡sinθ =⁡  
(3.5)  
L
Độ không đảm bảo đo u() được xác định:  
2
2
θ  
θ  
θ  
u(h)] +[θL u(L)] ; ⁡⁡⁡∂h = 1L⁡⁡và⁡ = Lh (3.6)  
[
( )  
u θ =  
2
∂h  
∂L  
3.3.2. Nghiên cứu, tính toán xác định các yếu tố độ không đảm bo  
đo của bto góc nhỏ  
3.3.3.1. Đánh giá độ không đảm bảo đo của giao thoa kế laser uf(h)  
18  
Độ không đảm bảo đo của giao thoa kế laser u(h) được xác định bao  
gm các thành phn sau:  
2
2( )  
2( )  
2( )  
2( )  
2
2
2
2
uh = cλu λ +ct u t + cpu p +cRu (R)  
(3.7)  
Trong đó:  
-
-
-
-
u(λ): Thành phần độ không đảm bo đo phụ thuộc vào bước  
sóng laser  
u(t): Thành phần độ không đảm bảo đo phụ thuc vào nhit  
độ làm vic ca giao thoa kế laser  
u(p): Thành phần độ không đảm bảo đo phụ thuc vào áp sut  
khí quyn khi làm vic ca giao thoa kế laser  
u(R): Thành phần độ không đảm bảo đo phụ thuộc vào độ ẩm  
không khí khi làm vic ca giao thoa kế laser  
Giao thoa kế laser hoạt động tại điều kin mội trường Nhit  
độ: (20±1) oC; độ ẩm không khí: (50 ± 10) %R.H; Áp sut khí quyn:  
(101325 ± 100) Pa  
3.3.2.2 Xác định điều kiện đảm bảo độ chính xác độ dài cánh tay đòn  
Tại điu kiện môi trường làm vic khoảng cách cánh tay đòn được  
xác định bng công thc  
L = Lc + ∆t×α×Lc  
(3.8)  
Độ không đảm bảo đo của độ dài cánh tay đòn u(L) được xác  
định  
2
2
2
∂L  
u L =[LL ×u(LC)] +[∂∆t ×u(∆t)] +[αL ×u(α)]  
(3.9)  
2( )  
c
Trong đó giá trị u(LC) được xác định thông qua phép đo độ  
khong cách tâm giữa hai gương góc.  
Trong đó Lc: Độ dài cánh tay đòn tại điều kin nhiệt độ tiêu  
chun 20oC. ∆t = (tT 20)℃ , tT : Nhiệt độ làm vic ca bto góc  
nh.α hsdãn nnhit ca vt liu 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 xut phương pháp đo khoảng cách  
tâm o giữa hai gương góc.. Sơ đồ đo của phương pháp được thhin  
trên hình 3.4. Phương pháp đo được thc hiện như sau: Gương góc 3  
và 4 có góc ở đỉnh 90o được gn 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 cp chính xác cao.Ngun phát tia laser 5 và cm biến vtrí  
quang 6 được gn cố định để thc hiện phép đo khoảng cách. Ti vị  
trí ban đầu tia laser phát ra tới gương góc 3 tại vị trí A đi tới vtrí B  
phn xli, cm biến vtrí quang sẽ lưu lại và xác định vtrí X1 ca  
tia laser phn x. Di chuyển bàn đo đến vtrí tiếp theo lúc này đỉnh  
gương 4 nằm ti vtrí Y2, khong cách dch chuyn của bàn đo ký hiệu  
là LD. Ti vtrí này tia laser đi tới gương 4 tại vtrí C tiếp tc ti vtrí  
D phn xli cm biến vtrí quang tại điểm X2. Kết hp khong cách  
chuyển bàn đo LD và tọa độ X1,X2 sẽ xác định chính xác khong cách  
gia hai tâm o của gương góc  
Hình 3.4: Sơ đồ nguyên lý đo khoảng cách gia hai tâm o của gương góc  
Độ không đảm bảo đo của phép đo độ dài cánh tay đòn ca bộ  
to góc nhu(LC) = 2,1 μm  
3.5. Nghiên cu, thiết kế, chế to, tích hp bto góc nhỏ  
Bto góc nhsdng giao thoa kế laser đo khoảng cách dch  
chuyn của gương, độ dài cánh tay đòn L= (299,9861 ± 0,0021) mm.  
Bto góc nhcó phạm vi đo ± 30´, độ không đảm bảo đo mở rng  
U= 0,08 .  
Hình 3.6: Bto góc nhỏ được xây dng  
20  
Tải về để xem bản đầy đủ
pdf 24 trang yennguyen 31/03/2022 7580
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Tóm tắt 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:

  • pdftom_tat_luan_an_nghien_cuu_xay_dung_chuan_do_luong_quoc_gia.pdf