Nguyên tắc của phương pháp này là so sánh góc cần đo với các phần chia trên mặt dụng cụ đo được coi là chuẩn. Phương tiện đo và thao tác đo tương đối đơn giản, phạm vi đo lớn song độ chính xác có hạn (phụ thuộc vào sai số thị giác người đo). a. Thước đo góc vạn năng :
Phòng thí nghiệm đo lường – Khoa Cơ Khí hình học (phần bản) Đo lường MỞ ĐẦU Khoa học người ta biết đo, ngày ngành " Kỹ thuật đo lường" sử dụng rộng rãi nhiệm vụ kiểm tra tự động, tự động hóa trình sản xuất công nghệ công tác nghiên cứu khoa học thuộc lónh vực khác Các phép đo bắt nguồn từ yêu cầu sản xuất đời sống người, với phát triển xã hội loài người, đo lường ngày phát triển người dần tìm nhiều phương pháp đo mới, chế tạo phương tiện đo mới, chuẩn để thực đơn vị đo, số lượng đại lượng đo ngày nhiều độ xác phép đo cao Mặt khác hình thức hoạt động quan trọng lãnh vực hoạt động xã hội hoạt động sản xuất, mà hoạt động sản xuất ngành chế tạo máy kỹ thuật điện tử lại chiếm lónh phần rộng lớn Sản phẩm ngành vật thể có kết cấu hình học định Để đảm bảo tính sử dụng tính lắp lẫn Sản phẩm cần chế tạo cho sai lệch kích thước hình học chúng phải nằm giới hạn cho phép Kỹ thuật đo độ dài tạo điều kiện để xác định sai lệch thực tế qua phân tích, theo dõi điều chỉnh chất lượng sản phẩm cho phù hợp với yêu cầu Kỹ thuật đo độ dài bao hàm phương pháp đo thiết bị đo dùng để xác định kích thước độ dài, góc, hình dáng, vị trí bề mặt sản phẩm… Cuốn sách cung cấp kiến thức đo lường như: dụng cụ đo, nắm nguyên tắc đo lường sử dụng dụng cụ đo thông dụng Phòng thí nghiệm đo lường – Khoa Cơ Khí hình học (phần bản) Đo lường CHƯƠNG I: CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN 1.1 ĐO LƯỜNG: 1.11 Định nghóa: Phép đo việc xác định giá trị đại lượng vật lý thực nghiệm nhờ phương tiện kỹ thuật đặc biệt (TCVN 2044 - 77) hay nói đo lường đại lượng việc thiết lập quan hệ đại lượng cần đo đại lượng tính chất vật lý với đại lượng đo dùng làm đơn vị đo hay với đại lượng tiêu chuẩn quy ước Đo việc so sánh đại lượng cần đo với đại lượng tính chất vật lý quy định dùng làm đơn vị Ví dụ: để đo độ chiều dài chi tiết ta đặt thước vạch sát vào đọc xem chiều dài chi tiết lớn (hay nhỏ hơn) lần đơn vị độ dài 1.12 Phân loại phép đo: Định nghóa phép đo nêu hiểu tập hợp thao tác thực nghiệm dựa phương tiện kỹ thuật đặc biệt nhằm đưa lại giá trị số đại lượng đo a/ Dựa vào quan hệ đầu đo mặt chi tiết đo, phân ra: đo tiếp xúc đo không tiếp xúc Khi đo tiếp xúc, đầu đo tiếp xúc với mặt chi tiết theo điểm, đường mặt Phần lớn máy đo chuyên dùng chuyển đổi khí, quang, điện dùng đo theo phương pháp Khi đo tiếp xúc, đầu đo đối tượng đo tồn lực, lực đo Lực đo có tác dụng làm tiếp xúc ổn định, tăng lực đo lực tiếp xúc tăng độ ổn định phép đo tăng Song thực tế lực tiếp xúc gây biến dạng, thường bề mặt chi tiết, sinh sai số gọi sai số lực đo Khi đo không tiếp xúc, mặt đầu đo tiếp xúc khí với mặt chi tiết đo Ví dụ đo kích thước theo phương pháp chắn sáng máy quang học, đo dụng cụ khí nén kiểu không tiếp xúc, đo dụng cụ đo theo phương pháp siêu âm phóng xạ… Phương pháp đo không tiếp xúc có ưu điểm lực tiếp xúc nên sai số lực đo, không làm hại bề mặt chi tiết Nó thích hợp với việc đo chi tiết nhỏ, mềm, mỏng, sản phẩm không cho phép có vết xước bề mặt Phòng thí nghiệm đo lường – Khoa Cơ Khí hình học (phần bản) Đo lường b/ Dựa vào quan hệ giá trị thị dụng cụ máy đo giá trị đại lượng đo, phân ra: phương pháp đo tuyệt đối phương pháp đo so sánh Phương pháp đo tuyệt đối cho phép ta đọc giá trị đại lượng đo cấu thị dụng cụ đo Ví dụ : Đo kích thước thước cặp, panme thông thường máy đo chiều dài có phạm vi đo lớn Đơlinômet, kính hiển vi dụng cụ, máy đo chiều dài ngang đứng… Phương pháp đo đơn giản song thường phạm phải sai sót sai điểm "không"; sai số nhiệt độ, độ dao động lực đo, biến động thị….khi trạng thái cấu đo điểm đo điểm "không' khác nhiều sai số lớn Phương pháp đo so sánh phương pháp đo mà thị dụng cụ máy đo cho ta biết sai lệch giá trị đo so với mẫu Do muốn biết giá trị đại lượng đo ta phải biết giá trị đại lượng mẫu Khi đo cần tiến hành chỉnh "không' cho dụng cụ đo máy đo theo giá trị mẫu Nói chung giá trị mẫu cần xấp xỉ giá trị đại lượng đo hình dáng mẫu giống chi tiết tốt Khi tình trạng cấu đo chi tiết mẫu gần giống đo chi tiết đo Các sai số lực đo, dao dộng lực đo, đô biến động thị, sai số tích lũy cấu đo hành trình đo, sai số nhiệt độ… gần khử hết Điều cho phép nâng cao độ xác đo, mở rộng phạm vi sử dụng dụng cụ đo Thông thường dụng cụ đo dùng đo so sánh cần phạm vi đo nhỏ nên dễ dàng đạt độ xác cao Tuy nhiên độ xác giá trị đo lúc tùy thuộc vào độ xác mẫu độ xác chỉnh "không" cho dụng cụ đo c/ Dựa vào quan hệ giá trị đại lượng cần tìm đại lượng đo, phân ra: đo trực tiếp đo gián tiếp Phương pháp biểu diễn phép đo là: Q = X; Trong Q đại lượng cần tìm; X giá trị thị Đo trực tiếp phương pháp đo mà kết phép đo (chỉ số X cấu thị) giá trị đại lượng cần tìm Q Ví dụ: đo đường kính hay sai lệch đường kính thước cặp, panme dụng cụ đo chiều dài khác Đo gián tiếp phương pháp đo mà giá trị đại lượng cần tìm đọc trực tiếp từ số dụng cụ đo, mà có quan hệ với hay nhiều đại lượng đo trực hàm số Ví dụ đo kích thước góc thông qua việc đo độ dài theo quan hệ lượng giác, đo modun đàn hồi vật liệu thông qua việc đo chuyển Phòng thí nghiệm đo lường – Khoa Cơ Khí hình học (phần bản) Đo lường vị điểm đặt tải P dầm có tiết diện chữ nhật a x h, chiều dài l Như phép đo gián tiếp, đại lượng cần đo biểu diễn qua kết đo đại lượng đo trực quan hệ hàm số chúng Phương trình biểu diễn phép đo gián tiếp là: Y =f (x1, x2, ……, xk ) Trong Y đại lượng cần tìm, xi đại lượng đo trực tiếp d/ Phân loại phép đo theo phụ thuộc đại lượng đo vào thời gian ta có phép đo tónh phép đo động Phép đo tónh: phép đo đại lượng đo coi không đổi khoảng thời gian đủ để đọc kết đo đọc, phương tiện đo làm việc chế độ tónh tín hiệu coi không đổi Ví dụ phép đo độ dài, khối lượng, dung tích đại lượng không đổi thông thường khác đại lượng dòng điện chiều; phép đo đại lượng trung bình, hiệu dụng dòng điện xoay chiều; phép đo biên độ trung bình đại lượng dao động xung Phép đo động : phép đo đại lượng đo Q(t) biến thiên nhanh theo thời gian, tín hiệu R(t) biến thiên không kịp phản ánh đắn biến thiên đại lượng vào (do quán tính ma sát dụng cụ đo…) Để nhận kết đo để đánh giá độ xác phép đo, phương diện lý thuyết người ta thường xuất phát từ tín hiệu đầu R(t) để suy tín hiệu đầu vào Q(t) cách nghiên cứu đặc trưng động phương tiện đo : thời gian ổn định, phương trình biểu thị mối quan hệ tín hiệu đầu vào đầu Dạng tổng quát phương trình biểu thị mối quan hệ đầu vào đầu là: R = Q toán tử 1.2 KIỂM TRA: 1.2.1 Định nghóa: Kiểm tra đại lượng việc đánh giá giá trị thực đại lượng đo có nằm giới hạn quy định hay không Sự khác kiểm tra đo lường kiểm tra không cần định lượng "bao nhiêu" mà so sánh đại lượng cần kiểm tra có giới hạn quy định để khẳng định chất đại lượng "đạt" hay " không đạt", "thành phẩm" hay "phế phẩm" 1.22 Phân loại: Các hình thức kiểm tra phân biệt theo hai đặc điểm: Phòng thí nghiệm đo lường – Khoa Cơ Khí hình học (phần bản) Đo lường a/ Dựa vào tính chất sử dụng kết kiểm tra, phân ra: kiểm tra bị động kiểm tra chủ động Kiểm tra bị động (còn gọi kiểm tra tiêu cực hay kiểm tra thụ động ngẫu nhiên) hình thức kiểm tra mà kết cho phép ta kết luận chất lượng sản phẩm sau chế tạo tốt hay xấu Nghóa việc kiểm tra đứng trước "sự rồi" sản xuất, tác dụng tích cực giúp cho việc hạn chế tạo phế phẩm Hình thức kiểm tra thường dùng kiểm tra thu nhận sản phẩm nên gọi kiểm tra thu nhận Kiểm tra chủ động hình thức kiểm tra mà kết kiểm tra phản ảnh thông số đo trình công nghệ tiến hành Khi thông số đo phát thấy sản phẩm vượt giới hạn kỹ thuật quy định phát lệnh "cảnh cáo" qua hệ thống tự động điều chỉnh điều chỉnh trình gia công để không tiếp tục tạo phế phẩm Như kết kiểm tra có tác dụng tích cực, chủ động phòng ngừa phế phẩm, nên gọi kiểm tra dự phòng Tuyệt đại đa số hệ thống kiểm tra trang bị tự động nên gọi kiểm tra tự động Việc kiểm tra tiến hành đồng thời gia công chi tiết máy nên người ta gọi kiểm tra gia công b/ Dựa vào nội dung kiểm tra, phân hai hình thức: kiểm tra yếu tố kiểm tra tổng hợp Kiểm tra yếu tố tiến hành với yếu tố riêng biệt sản phẩm Hình thức kiểm tra dùng nghiên cứu độ xác gia công, phân tích nguyên nhân gây sai số hỏng sản phẩm, nhằm cải thiện qui trình công nghệ để đạt độ xác gia công Ví dụ kiểm tra yếu tố đảo vành Khi kiểm tra cần dùng chuẩn kiểm tra chuẩn công nghệ nguyên công gia công lỗ bánh Ngoài dùng để kiểm tra yếu tố chức có yêu cầu nghiêm khắc ví dụ cần kiểm tra độ xác bước ren truyền động cấu dẫn động xác Kiểm tra tổng hợp phương pháp kiểm tra tiến hành đồng thời với yếu tố có ảnh hưởng tới chất lượng sử dụng sản phẩm Ví dụ kiểm tra chất lượng bánh theo phương pháp án khớp bên hai bên Hình thức kiểm tra thường dùng để kiểm tra lần cuối trước đưa sản phẩm lắp rắp, bao gói nhập kho, xuất xưởng Khi kiểm tra tổng hợp chất lượng sản phẩm, chuẩn kiểm tra cần dùng chuẩn lắp ráp, chất lượng sản phẩm kiểm tra giống điều kiện làm việc thực nó, chẳng hạn kiểm tra tổng hợp chất lượng bánh người ta dùng chuẩn kiểm tra lỗ bánh mặt Phòng thí nghiệm đo lường – Khoa Cơ Khí hình học (phần bản) Đo lường đầu moa giống chuẩn dùng lắp ráp bánh trục làm việc Việc chọn dùng hình thức kiểm tra tùy thuộc vào yêu cầu, tầm quan trọng thông số, khối lượng sản phẩm yêu cầu sử dụng kết kiểm tra Đối với sản phẩm phức tạp, nhiều thông số tương quan bánh răng, then hoa, ren,…nói chung cần kết hợp kiểm tra tổng hợp kiểm tra riêng thông số cần thiết 1.3 CÁC NGUYÊN TẮC CƠ BẢN TRONG ĐO LƯỜNG: 1.3.1 Nguyên tắc ABBE: Khi thiết kế phương án sơ đồ nguyên tắc đo, kích thước mẫu kích thước đo đặt song song nối tiếp Nguyên tắc ABBE phát biểu đường tâm kích thước đo đường tâm kích thước mẫu đặt đường thẳng phép đo đạt độ xác cao Như việc đặt kích thước mẫu kích thước đo theo phương án nối tiếp phù hợp nguyên tắc ABBE Các dụng cụ đo theo phương án kích thước mẫu song song với kích thước đo gọi dụng cụ đo không ABBE Khoảng cách L l l' f1 f2 L kích thước mẫu kích thước đo gọi khoảng ABBE 1.3.2 Nguyên tắc xích truyền kích thước ngắn nhất: Mỗi khâu, khớp tham gia xích truyền kích thước từ kích thước đo lên tới kích thước mẫu để so sánh, thân chúng mang sai số công nghệ S Hình 1.1 định Do đó, khâu tham gia vào xích truyền kích thước nhiều sai số tích lũy tăng làm sai số phép đo lớn, độ xác phép đo Để đạt độ xác cao, dụng cụ máy đo cần thiết kế đảm bảo tỷ số truyền với số khâu Đối với sơ đồ nguyên tắc đo cho số khâu thành phần Phòng thí nghiệm đo lường – Khoa Cơ Khí hình học (phần bản) Đo lường tham gia vào chuỗi kích thước để giải kích thước đo Ví dụ : Đo khoảng cách tâm hai lỗ hình 2, thông số L đo theo phương án : a/ L = L1 + b/ L = L2 - c/ L = Trong phương án c phương án đo hợp lý Vì dùng loại dụng cụ đo có sai số f để đo sai số đo L phương án a b : L = L + L = L + D2 D1 L1 L L2 Hình 1.2 Còn phương án c: L = Rõ ràng sai số đo theo hai phương án a,b lớn phương án c 1.3.3 Các nguyên tắc chuẩn thống Mỗi chi tiết, qua thiết kế, gia công, kiểm tra, bước có chuẩn để thiết kế, tạo hình, lắp ráp chuẩn để kiểm tra phù hợp chi tiết gia công với yêu cầu thiết kế nêu Nguyên tắc chuẩn thống nêu ba chuẩn dùng thống kết kiểm tra phù hợp với chất lượng làm việc chi tiết sử dụng Vì thông số mang sai số chế tạo, dùng chuẩn khác, hay gọi chuyển chuẩn mang thêm sai số chuyển chuẩn Phòng thí nghiệm đo lường – Khoa Cơ Khí hình học (phần bản) Đo lường Ví dụ : Đo độ đảo vành trục hình (1.3) B B Hình 1.3 Khi thiết kế, chuẩn thiết kế chọn dùng đường trục Chuẩn công nghệ gia công hai tâm lỗ Khi kiểm tra phương tiện chống tâm nên dùng phần trụ B làm chuẩn,khi kiểm tra - kết kiểm tra phạm sai số chuyển chuẩn từ lỗ tâm phần trụ B gồm độ méo B độ đồng tâm A với B Việc chuyển chuẩn nhiều mắc nhiều sai lầm Tuy cần nhớ việc dùng chuẩn "thống nhất" có điều kiện, tùy thuộc vào mục đích việc kiểm tra Chẳng hạn kiểm tra công nghệ cần dùng thống chuẩn kiểm tra chuẩn công nghệ nguyên công tiến hành; kiểm tra thu nhận cần dùng thống chuẩn kiểm tra chuẩn lắp ráp hay thiết kế 1.3.4 Nguyên tắc kinh tế: Nguyên tắc kinh tế nhằm đảm bảo độ xác đo lường điều kiện kinh tế nhất, tức yêu cầu điều kiện đo thấp với suất cao nhất, hợp lý nhất, tức : - Độ xác phương tiện đo đủ dùng - Dễ điều chỉnh, gá đặt, thao tác, dễ khí hóa, tự động hóa, đo hàng loạt với suất cao - Yêu cầu bậc thợ điều chỉnh thao tác thấp - Chu kỳ điều chỉnh đo, sửa chữa dài - Thiết bị đo đơn giản, rẻ tiền, phổ thông, dễ kiếm, dễ chế tạo, có điều kiện tự trang tự chế - Dựa vào khả vốn có Trên trình bày tóm tắt nguyên tắc đo lường nhằm đảm bảo độ xác tính kinh tế phép đo Trong thực tế cần vào yêu cầu kỹ thuật chức cụ thể mà đặc biệt coi trọng nguyên tắc 1.4 CÁC ĐẶC TRƯNG CƠ BẢN CỦA DỤNG CỤ ĐO: Các khái niệm sau biểu thị tính chất đo lường giới hạn sử dụng dụng cụ đo chúng gồm đặc trưng tónh động 1.41 Các đặc trưng tónh a/ Giá trị độ chia (c): Giá trị độ chia dụng cụ đo độ biến thiên đại lượng đo ứng với chuyển vị Phòng thí nghiệm đo lường – Khoa Cơ Khí hình học (phần bản) Đo lường vật thị vạch bảng chia độ dụng cụ đo Thí dụ: đại lượng đo thay đổi 0,01mm làm kim đồng hồ dịch chuyển đoạn khoảng cách hai vạch chia giá trị độ chia đồng hồ 0,01 mm b/ Khoảng chia vạch: dụng cụ đo khoảng cách hai trục hại vạch chia nhỏ kề thang chia, thường có giá trị từ 0,8 đến 6mm để người đo nội suy 1/10 khoảng chia vạch c/ Độ nhạy E: dụng cụ đo tỉ số độ biến thiên đại lượng y (đại lượng thị) độ biến thiên đại lượng vào (đại lượng đo) x tương ứng y x E= Dụng cụ đo thị liên tục, độ nhạy E tỉ số độ dịch chuyển kim L (có đơn vị mm) độ biến thiên đại lượng gây độ dịch chuyển Thí dụ: khoảng cách hai vạch chia nhỏ kề thang chia đồng hồ so sánh xác 1mm (L) giá trị độ chia m cho biết độ nhậy E đồng hồ 1mm: m = 1000 Như thay đổi đại lượng đóù m thị dụng cụ đo dịch chuyển đoạn 1000 lần lớn d/ Đường đặc trưng: biểu thị mối quan hệ đại lượng y đại lượng vào x, quan hệ chuyển vị kim thị thang đo độ biến thiên đại lượng đo Nếu đường đặc trưng tuyến tính (như hình 4a), độ nhậy số Nếu đường đặc trưng đường cong (trong hình 4b) quan hệ y x phi tuyến, độ nhậy thay đổi thể góc tiếp tuyến với đường đặc trưng điểm khảo sát, thí dụ: đường đặc trưng dụng cụ đo khí nén làm việc theo phương pháp đo áp suất Phòng thí nghiệm đo lường – Khoa Cơ Khí hình học (phần bản) Xa Đo lường Xa E= Xa/Xe Ed = (dxa /dxe)p E Ed Xa Xe a/ Xe b/ ĐIỂM LÀM VIỆC Xe Hình 4: đường đặc trương dụng cụ đo e/ Phạm vi thị: phạm vi thang đo giới hạn giá trị đầu giá trị cuối thang Nếu kim nằm thang đo có nghóa nằm phạm vi f/ Phạm vi đo: miền phạm vi thị, sai số dụng cụ đo nằm giới hạn sai số cho phép Một số dụng cụ có nhiều phạm vi đo thường phạm vi đo lớn phạm vi thị: L1 = L + A L : giá trị lớn đo dụng cụ A: giới hạn đo theo bảng thị g/ Lực đo: dụng cụ đo lực nén trục đo tác dụng lên vật đo phép đo tiếp xúc h/ Sai số giới hạn: dụng cụ đo sai số lớn cho phép dụng cụ đo hay mẫu kích thước i/ Độ xác: đọc số (độ xác dụng cụ đo) độ xác đạt đo thông qua thiết bị đọc số máy đo Độ xác đọc số máy đo tiêu chuẩn hoá quy định giá trị vạch chia bảng chia j/ Độ nhạy giới hạn: thay đổi nhỏ kích thước đo có khả gây thay đổi phận thị lượng ổn định quan sát , có thứ nguyên đại lượng đo k/ Sai số thị dụng cụ đo: hiệu số giá trị thị dụng cụ đo giá trị thực đại lượng đo Giá trị thực xác định dụng cụ đo có cấp xác cao kích thước mẫu ghi sẵn tờ kiểm nhận m/ Độ biến động thị độ ổn định: Tính ổn định máy dụng cụ đo đặc tính bảo đảm giá trị chúng bất biến theo thời gian Độ ổn định mẫu đo tính bất biến theo thời gian giá trị đo thực mẫu Độ biến động tónh thị (gọi độ ổn định): sai khác giá trị thị lần đo tiến hành đo lặp lại nhiều lần với kích 10 Phòng thí nghiệm đo lường – Khoa Cơ Khí hình học (phần bản) Đo lường thước đối tượng đo điều kiện đo Nó hiệu số giá trị thị lớn nhỏ 1.42 Các tiêu đặc trưng động Ngày nay, điều kiện sản xuất đại, người ta phải giải thực tiễn kích thước đại lượng đo biến đổi nhanh phép đo động mà dụng cụ không kịp phản ánh lên số chỉ, thí dụ đo quán tính, ma sát, đo cấu giảm sóc hay dao động riêng chi tiết tạo thành dụng cụ đo… Do đó, số dụng cụ đo lại mang thêm thành phần sai số động Để có kết đo đúng, để đánh giá độ xác phép đo động, lý thuyết người ta đưa đặc trưng động dụng cụ đo thể mối quan hệ tín hiệu đầu xa(l) đầu vào xe(l) dạng phương trình vi phân Việc lập giải phương trình vi phân phức tạp kỹ thuật viên đo lường nên thường xác định theo thời gian tần số thông qua hàm thực nghiệm Hàm thực nghiệm thứ hàm độ h (t), biểu thị đặc trưng động dụng cụ đo theo thời gian độ Hình 1.5 giới thiệu hai hàm độ thường gặp dụng cụ đo độ dài Hình 1.5a thể hàm độ hệ tỉ lệ có biên độ tắt dần bậc (hệ PT1) dụng cụ đo khí nén hay vài dụng cụ đo khác, Hình 1.5b thể hàm độ hai hệ tỉ lệ có biên độ tắt dần bậc hai (hệ PT2) dụng cụ đo ghi,… Từ hàm độ này, suy hai đặc trưng động quan trọng số có thời gian T t hời gian ổn định dao động te Hằng số thời gian T hệ PT1 định nghóa hình 1.5a Còn thời gian ổn định dao động t e thời gian cần thiết để hàm độ h (t) dụng cụ đo nằm khoảng giới hạn 10,05 h(t)/E (hình 1.5a b) Sau thời gian te, sai số động tương đối