BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Bùi Quốc Thụ NGHIÊN CỨU, XÂY DỰNG CHUẨN ĐO LƯỜNG QUỐC GIA LĨNH VỰC GÓC LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ Hà Nội – 2017 Luận án tiến sĩ Kĩ thuật BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Bùi Quốc Thụ NGHIÊN CỨU, XÂY DỰNG CHUẨN ĐO LƯỜNG QUỐC GIA LĨNH VỰC GÓC Chuyên ngành: Kỹ thuật khí Mã số: 62520103 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS NGUYỄN VĂN VINH PGS.TS VŨ KHÁNH XUÂN Hà Nội - 2017 Luận án tiến sĩ Kĩ thuật LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng Các kết số liệu trình bày luận án trung thực chưa cơng bố cơng trình khác Trong luận án sử dụng phần kết đề tài nghiên cứu khoa học phát triển công nghệ cấp “ Nghiên cứu thiết kế chế tạo chuẩn đầu góc phẳng nhỏ” đồng ý cho phép quan chủ trì đề tài thành viên tham gia đề tài Tập thể giáo viên hướng dẫn: Nghiên cứu sinh PGS TS Nguyễn Văn Vinh Bùi Quốc Thụ PGS.TS Vũ Khánh Xuân Luận án tiến sĩ Kĩ thuật LỜI CẢM ƠN Qua thời gian tìm tịi, nghiên cứu hướng dẫn tận tình thầy PGS TS Nguyễn Văn Vinh PGS.TS Vũ Khánh Xn tơi hồn thành luận án Ngồi hướng dẫn, định hướng mặt khoa học thầy quan tâm, động viên nghiên cứu sinh suốt trình nghiên cứu Đây động lực tinh thần lớn để tác giả tự tin say mê nghiên cứu khoa học Qua tác giả xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy giáo hướng dẫn Tác giả trân trọng cảm ơn tập thể thầy cô giáo Bộ mơn Cơ khí xác & Quang học, Viện Cơ khí đóng góp nhiều ý kiến xác đáng cho tác giả; Tập thể Phịng thí nghiệm Quang cơ_ Điện tử P307 – C45; Phòng Đo lường Độ dài Viện đo lường Việt Nam VMI tạo điều kiện tốt sở thiết bị thí nghiệm để tác giả hồn thành cơng trình nghiên cứu Trong luận án sử dụng phần kết đề tài nghiên cứu khoa học phát triển công nghệ cấp “ Nghiên cứu thiết kế chế tạo chuẩn đầu góc phẳng nhỏ” đồng ý cho phép quan chủ trì đề tài thành viên tham gia đề tài Tác giả xin trân trọng cảm ơn Tiến sĩ Tsukasa Watanabe Viện Đo lường Quốc gia Nhật Bản NMIJ/AIST giúp đỡ việc hỗ trợ phát triển phương pháp đo, đồng thời có góp ý hệ thống đo lường góc Cuối cùng, tác giả gửi lời cảm ơn đến đồng chí lãnh đạo, đồng chí đồng nghiệp cơng tác Viện Đo lường Việt Nam gia đình ln bên động viên giúp đỡ tác giả suốt trình nghiên cứu thực đề tài Hà nội, ngày 07 tháng 12 năm 2017 Tác giả Bùi Quốc Thụ Luận án tiến sĩ Kĩ thuật MỤC LỤC Trang DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT 10 DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ 12 DANH MỤC BẢNG BIỂU 15 MỞ ĐẦU 16 .Tính cấp thiết đề tài luận án nghiên cứu 16 Mục đích, đối tượng phạm vi nghiên cứu 17 Phương pháp nghiên cứu 18 Nội dung luận án 18 Ý nghĩa khoa học thực tiễn luận án 19 Các đóng góp luận án 19 CHƯƠNG 21 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG CHUẨN ĐO LƯỜNG QUỐC GIA LĨNH VỰC GĨC 21 1.1 Góc chuẩn đo lường góc 21 1.1.1 Khái niệm góc 21 1.1.2 Hệ thống chuẩn đo lường 22 1.1.2.1 Chuẩn đo lường 22 1.1.2.2 Hệ thống chuẩn đo lường 22 1.2 Chuẩn đo lường góc 23 1.2.1 Các dạng chuẩn góc nhỏ 24 1.2.1.1 Ống tự chuẩn trực ( Autocollimator) 24 1.2.1.2 Thước sin (Sine bar) 25 1.2.1.3 Ni vô 25 1.2.1.4 Chuẩn góc dạng mẫu 26 1.2.2 Chuẩn góc tồn vịng 26 1.2.2.1 Đa diện góc 26 1.2.2.2 Bàn phân độ ( Indexing table) 27 1.2.2.3 Chuẩn góc tồn vịng dạng đĩa chia độ mã hóa (Rotary Encoder – RE) 27 1.3 Hiệu chuẩn chuẩn, phương tiện đo 28 1.3.1 Hiệu chuẩn 28 1.3.2 Độ không đảm bảo đo 28 1.4 Hệ thống chuẩn đo lường quốc gia lĩnh vực góc số quốc gia giới 29 1.4.1 Hệ thống chuẩn đo lường quốc gia lĩnh vực góc Viện Quốc gia chuẩn cơng nghệ Mỹ (NIST) 30 1.4.2 Hệ thống chuẩn đo lường lĩnh vực góc PTB 30 Luận án tiến sĩ Kĩ thuật 1.4.3 Hệ thống chuẩn đo lường quốc gia lĩnh vực góc INRIM 31 1.4.4 Hệ thống chuẩn đo lường quốc gia lĩnh vực góc NMIJ 31 1.4.5 Hệ thống chuẩn đo lường quốc gia lĩnh vực góc Viện đo lường Trung Quốc 32 1.5 Chuẩn góc tồn vịng 33 1.5.1 Chuẩn góc tồn vịng kiểu 34 1.5.2 Chuẩn góc tồn vịng sử dụng laser vịng 34 1.5.3 Chuẩn góc tồn vịng sử dụng đĩa chia độ mã hóa góc quay 35 1.5.4 Đầu đọc 37 1.5.5 Phương pháp đảm bảo đo lường chuẩn góc tồn vòng 38 1.5.5.1 Nguyên lý vịng trịn khép kín 39 1.5.5.2 Phương pháp hiệu chuẩn chéo 39 1.5.5.3 Phương pháp nhiều đầu đọc 40 1.6 Bộ tạo góc nhỏ 41 1.6.1 Mơ hình lý thuyết 41 1.6.2 Các nguyên lý tạo góc nhỏ 42 1.6.2.1 Nguyên lý tang 42 1.6.2.2 Nguyên lý sin 43 1.6.2.3 Phân tích nguyên lý tạo góc nhỏ 44 1.6.3 Một số tạo góc nhỏ 44 1.6.3.1 Bộ tạo góc nhỏ kiểu khí ( hình 1.28) 44 1.6.3.2 Bộ tạo góc nhỏ sử dụng động dịch chuyển nhỏ xác 44 1.6.3.3 Bộ tạo góc nhỏ kiểu quang 45 1.7 Thực trạng chuẩn đo lường góc Việt Nam nội dung nghiên cứu luận án 46 1.7.1 Hiện trạng chuẩn đo lường lĩnh vực góc Việt Nam 46 1.7.2 Đề xuất mơ hình chuẩn đo lường quốc gia lĩnh vực góc Việt Nam 47 1.7.3 Nội dung nghiên cứu 48 CHƯƠNG 49 CƠ SỞ PHƯƠNG PHÁP XÂY DỰNG CHUẨN GĨC TỒN VỊNG 49 2.1 Ngun lý, phương pháp tạo chuẩn góc tồn vịng đĩa chia độ kiểu gia số 49 2.1.1 Phương pháp đọc vạch chia 50 2.1.2 Phương pháp nội suy nâng cao độ phân giải 52 2.2 Nghiên cứu yếu tố ảnh hưởng đến độ xác chuẩn góc tồn vịng sử dụng đĩa chia độ kiểu gia số 53 2.2.1 Các dạng sai số chuẩn góc tồn vịng sử dụng đĩa chia độ kiểu gia số 53 2.2.2 Sai số tồn vịng 54 2.2.2.1 Sai số vị trí vạch chia 54 Luận án tiến sĩ Kĩ thuật 2.2.2.2 Sai số chuyển động quay đĩa chia độ 55 2.2.2.3 Độ ổn định tâm quay 57 2.3 Nghiên cứu giải pháp giảm thiểu sai số chuẩn góc tồn vịng gia số 57 2.3.1 Phương pháp giảm thiểu sai số ảnh hưởng lệch tâm 57 2.3.2 Phương pháp giảm thiểu sai số ảnh hưởng độ nghiêng đĩa chia độ 61 2.4 Nghiên cứu, xây dựng phương pháp tự hiệu chuẩn chuẩn góc tồn vịng gia số 61 2.4.1 Cơ sở lý thuyết phương pháp tự hiệu chuẩn chuẩn góc tồn vịng gia số bố trí nhiều đầu đọc 62 2.4.2 Xây dựng phương pháp tự hiệu chuẩn chuẩn góc tồn vịng gia số áp dụng phương pháp EDA 64 2.5 Thiết kế, chế tạo chuẩn góc tồn vịng gia số 68 2.5.1 Nghiên cứu lựa chọn, bố trí sơ đồ lắp đặt đầu đo 68 2.5.2 Xác định chi tiết quan trọng 69 2.5.2.1 Đĩa chia độ đầu đọc 69 2.5.2.2 Bộ nội suy tín hiệu 71 2.5.2.3 Ổ quay 72 2.5.3 Lắp đặt tích hợp hệ thống 72 2.6 Đánh giá độ xác chuẩn tồn vịng gia số 73 2.6.1 Đánh giá độ xác phương pháp tự hiệu chuẩn 73 2.6.2 Đánh giá chuẩn góc tồn vịng gia số thơng qua so sánh vịng 78 2.6.2.1 Phương pháp so sánh vòng 78 2.6.2.2 So sánh kết đo với KRISS 80 2.7 Kết luận chương hai 81 CHƯƠNG 83 CƠ SỞ PHƯƠNG PHÁP XÂY DỰNG CHUẨN GÓC NHỎ 83 3.1 Cơ sở lý thuyết xây dựng chuẩn góc nhỏ 83 3.2 Nghiên cứu, xây dựng phương pháp tạo góc nhỏ 83 3.2.1 Thiết lập sơ đồ lý thuyết tạo góc nhỏ quang 84 3.2.1.1 Sơ đồ nguyên lý 84 3.2.1.2 Phương pháp khắc phục ảnh hưởng tâm quay đến sai số tạo góc nhỏ 85 3.2.1.3 Phương pháp đo xác định khoảng cách dịch chuyển gương góc 87 3.2.2 Xây dựng mơ hình lý thuyết tạo góc nhỏ theo ngun lý sin 87 3.3 Nghiên cứu ước lượng độ khơng đảm bảo đo tạo góc nhỏ 88 3.3.1 Phương pháp đánh giá độ không đảm bảo đo 88 3.3.1.1 Mơ hình đo 88 Luận án tiến sĩ Kĩ thuật 3.3.1.2 Đánh giá độ không đảm bảo chuẩn loại A 89 3.3.1.3 Đánh giá độ không đảm bảo đo chuẩn loại B 89 3.3.1.4 Đánh giá độ không đảm bảo đo chuẩn tổng hợp uc 91 3.3.1.5 Độ không đảm bảo đo mở rộng 92 3.3.2 Độ không đảm bảo đo tạo góc nhỏ 92 3.3.3 Nghiên cứu, tính tốn xác định yếu tố ảnh hưởng đến độ không đảm bảo đo tạo góc nhỏ 93 3.3.3.1 Đánh giá độ không đảm bảo đo giao thoa kế laser uf(h) 93 3.3.3.2 Đánh giá độ không đảm bảo đo chiều dài cánh tay đòn u(L) 96 3.4 Nghiên cứu phương pháp đo xác độ dài cánh tay đòn 97 3.4.1 Xây dựng phương pháp đo 97 3.4.2 Độ không đảm bảo đo phép đo độ dài cánh tay đòn 99 3.4.3 Xây dựng mơ hình thực nghiệm phép đo khoảng cách cánh tay địn 100 3.4.4 Độ khơng đảm bảo đo phép đo chiều dài cánh tay địn mơ hình thực nghiệm 102 3.5 Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo, tích hợp tạo góc nhỏ 103 3.5.1 Sơ đồ nguyên lý 103 3.5.2 Cánh tay đòn 104 3.5.3 Giao thoa kế laser 104 3.5.4 Phần mềm đo 104 3.6 Tính tốn độ khơng đảm bảo đo tạo góc nhỏ chế tạo 106 3.6.1 Xác định thành phần độ không đảm bảo đo uf(h) giao thoa kế laser 106 3.6.2 Tính tốn thành phần độ không đảm bảo đo 𝒖𝒂(𝒉) ảnh hưởng việc lắp đặt hệ thống 107 3.6.3 Xác định thành phần u(L) 108 3.6.3.1 Xác định giá trị u(LC) 108 3.6.3.2 Xác định thành phần độ không đảm bảo đo 𝑢𝐸(𝐿) 109 3.6.4 Xác định độ không đảm bảo đo tổng hợp chuẩn 𝒖𝒄(𝜽)của tạo góc nhỏ 110 3.7 Đánh giá tạo góc nhỏ phương pháp so sánh liên phòng 110 3.8 Kết luận chương ba 112 CHƯƠNG 114 XÂY DỰNG HỆ THỐNG CHUẨN ĐO LƯỜNG QUỐC GIA LĨNH VỰC GÓC 114 4.1 Hệ thống chuẩn đo lường quốc gia lĩnh vực góc 114 4.2 Tích hợp hệ thống chuẩn đo lường quốc gia lĩnh vực góc 115 4.3 Dẫn xuất chuẩn đo lường lĩnh vực góc 116 4.4 Xây dựng phương pháp hiệu chuẩn sử dụng chuẩn đo lường góc thiết lập 118 Luận án tiến sĩ Kĩ thuật 4.4.1 Xây dựng phương pháp hiệu chuẩn ống tự chuẩn trực sử dụng tạo góc nhỏ 118 4.4.1.1 Sơ đồ hiệu chuẩn 118 4.4.1.2 Xác định vị trí kiểm ban đầu (vị trí gốc) 119 4.4.1.3 Phương pháp hiệu chuẩn 119 4.4.1.4 Độ không đảm bảo đo phép hiệu chuẩn ống tự chuẩn trực sử dụng tạo góc nhỏ 120 4.4.2 Xây dựng phương pháp hiệu chuẩn đa diện góc 120 4.4.2.1 Lắp đặt thiết bị 120 4.4.2.2 Phương pháp hiệu chuẩn 121 4.4.2.3 Tính tốn độ khơng đảm bảo đo phép hiệu chuẩn đa diện góc sử dụng chuẩn góc tồn vịng 123 4.5 Kết luận chương bốn 125 KẾT LUẬN 126 KIẾN NGHỊ 127 TÀI LIỆU THAM KHẢO 128 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 131 Luận án tiến sĩ Kĩ thuật DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Danh mục chữ viết tắt, thuật ngữ STT Ký hiệu Chữ viết tắt Tiếng Việt Tiếng Anh BIPM Tổ chức Cân đo Quốc tế Bureau International des Poids et Mesure CIPM Ủy ban Cân đo Quốc tế International Committee for Weights and Measures CMCs Năng lực đo hiệu chuẩn Calibration and Measurement Capabilites DFT Biến đổi Fourier rời rạc Discrete Fourier transform EDA Trung bình phân đoạn Equal division average FFT Biến đổi Fourier nhanh Fast Fourier transform INRIM Viện nghiên cứu Đo lường quốc gia (Italia) National Institute of Metrological Research (Italia) KRISS Viện nghiên cứu chuẩn khoa học Hàn Quốc Korea Research Institute of Standards and Science NA Sai số góc cục Narrow Angle Error 10 NMIs Viện Đo lường Quốc gia National Metrology Institutes 11 NIM Viện đo lường quốc gia National Metrology Íntitute Trung Quốc 12 NIST Viện chuẩn Công nghệ Quốc gia (USA) National Institute of Standards and technology (USA) 13 NIMT Viện Đo lường quốc gia Thái Lan National Institute Metrology of Thailand 14 RE Thiết bị mã hóa góc quay Rotary Encoder 15 RL Laser vịng Ring Laser 16 PTB Cục vật lý kỹ thuật Đức Physikalisch-Technische Bundesanstalt 17 VMI Viện Đo lường Việt Nam Vietnam Metrology Institute 18 WA Sai số góc lớn Wide angle errors 10 Luận án tiến sĩ Kĩ thuật 4.4 Xây dựng phương pháp hiệu chuẩn sử dụng chuẩn đo lường góc thiết lập 4.4.1 Xây dựng phương pháp hiệu chuẩn ống tự chuẩn trực sử dụng tạo góc nhỏ Ống tự chuẩn trực chuẩn góc nhỏ có độ xác cao sử dụng rộng rãi việc hiệu chuẩn kỹ thuật đo góc Nguyên lý hoạt động ống tự chuẩn trực trình bày mục 1.2.1.1.Xây dựng phương pháp hiệu chuẩn ống tự chuẩn trực sử dụng tạo góc nhỏ đảm bảo độ xác, thực truyền chuẩn nhiệm vụ xây dựng hệ thống chuẩn đo lường quốc gia lĩnh vực góc Phương pháp hiệu chuẩn ống tự chuẩn trực dược sử dụng để thực so sánh liên phịng với phịng thí nghiệm khác 4.4.1.1 Sơ đồ hiệu chuẩn Lắp đặt ống tự chuẩn trực tạo góc nhỏ theo sơ đồ, điều chỉnh ống tự chuẩn trực cho truc đo ống tự chuẩn trực vng góc với mặt gương phẳng hình 4.4 H1 H2 Hình 4.4: Sơ đồ hiệu chuẩn ống tự chuẩn trực sử dụng tạo góc nhỏ, 1) Giao thoa kế laser, 2) Cánh tay đòn, 3) Gương phẳng, 4) Ống tự chuẩn trực cần hiệu chuẩn - Nghiên cứu ảnh hưởng vị trí đặt gương phẳng đến độ xác phép hiệu chuẩn x’ x y’ θ y Bàn đo θ O Gương phẳng Ống tự chuẩn trực a Hình 4.5: Sơ đồ tính tốn ảnh hưởng vị trí đặt gương bàn đo tạo góc nhỏ 118 Luận án tiến sĩ Kĩ thuật Giả sử gương phẳng đặt bàn đo tạo góc nhỏ phương y măt phẳng gương không trùng với phương x qua tâm bàn đo cách mơt đọan a hình 4.5 Khi bàn đo quay mơt góc θ trục x quay đến vị trí x’ mặt gương phẳng quay góc + Ống tự chuẩn trực - Thang đo tính chất song song đường thẳng Nguyên lý hoạt động tạo góc nhỏ khơng địi hỏi vị trí gương phẳng trùng với tâm bàn đo tạo góc nhỏ điều giúp cho việc gá đặt gương phẳng thuận tiện trình hiệu chuẩn 4.4.1.2 Xác định vị trí kiểm ban đầu (vị trí gốc) Trong q trình hiệu chuẩn, vị trí tạo góc nhỏ vị trí đường thẳng nối hai tâm gương góc phản xạ H1 H2 vng góc với tia đo giao thoa kế laser hình 4.4 Khi tiến hành hiệu chuẩn ống tự chuẩn trực phải điều chỉnh điểm thang đo ống tự chuẩn trực trùng với vị trí tạo góc hình 4.6 Ống tự chuẩn trực hiệu chuẩn Hình 4.6: Sơ đồ xác định điểm gốc hiệu chuẩn ống tự chuẩn trực Nếu thang đo ống tự chuẩn trực có dạng ± α điểm ống tự chuẩn trực trùng với điểm tạo góc thang đo ống tự chuẩn trực có dạng (0~ α) đo điểm đo có giá trị α/2 điểm gốc điều chỉnh trùng với điểm tạo góc Khi tiến hành hiệu chuẩn điều chỉnh vị trí kiểm theo hai hướng tạo góc nhỏ, điều giúp cho việc dịch chuyển tạo khoảng cách dịch chuyển h gương H1 H2 h nhỏ mà kiểm toàn thang đo ống tự chuẩn trực 4.4.1.3 Phương pháp hiệu chuẩn Điều chỉnh du xích panme tạo góc nhỏ vị trí: 12.5 mm theo thiết kế vị trí gốc tạo góc nhỏ, vị trí đảm bảo tia đo nguồn laser vng góc với đường thẳng nối tâm hai gương góc Đặt gương phẳng lên bàn đo điều chỉnh ống tự chuẩn trực cho trục đo vng góc với mặt gương phẳng, chỉnh chiều cao tiêu ống tự chuẩn trực trùng với tâm gương Điều chỉnh vị trí đo theo phương đứng ngang ống tự chuẩn trực trùng với điểm gốc phép đo Từ vị trí gốc điều chỉnh cách tay địn hai phía để tạo tập hợp góc chuẩn so sánh với giá trị hiển thị ống tự chuẩn trực Sai số xác định hiệu số giá trị thị ống tự chuẩn trực giá trị góc thiết bị tạo góc 119 Luận án tiến sĩ Kĩ thuật 4.4.1.4 Độ không đảm bảo đo phép hiệu chuẩn ống tự chuẩn trực sử dụng tạo góc nhỏ Độ khơng đảm bảo đo phép hiệu chuẩn ống tự chuẩn trực xác định theo công thức 4.4 [24] sau u2EA (θ) = u2c (θ) + u2R (θ) + u2A (θ) (4.4) Trong đó: uEA (θ): Độ khơng đảm bảo đo phép hiệu chuẩn ống tự chuẩn trực uc (θ): Độ không đảm bảo đo tạo góc nhỏ uR (θ): Độ khơng đảm bảo đo phụ thuộc độ phân giải ống tự chuẩn trực hiệu chuẩn Giá trị uR (θ): xác định: uR = r 2×√3 (4.5) Trong r: độ phân giải ống tự chuẩn trực hiệu chuẩn uA (θ): Thành phần độ không đảm bảo đo phép đo lặp hiệu chuẩn ống tự chuẩn trực uA (θ): xác định cở sở tính tốn độ lệch chuẩn thực nghiệm [24] uA (θ) = √ ̅ ∑n (Mi −M) (n−1)×n (4.6) Trong Mi : Là kết đo lặp lại ống tự chuẩn trực vị trí đo n: Số lần đo Luận án tiến hành hiệu chuẩn ống tự chuẩn trực theo phương pháp sử dụng sử dụng tạo góc nhỏ, Kết giấy chứng nhận hiệu chuẩn số: V01.CN5.0004.17 4.4.2 Xây dựng phương pháp hiệu chuẩn đa diện góc Thực hiệu chuẩn đa diện góc cách sử dụng tổ hợp chuẩn góc tồn vịng ống tự chuẩn trực để thực sở ngun lý vịng trịn khép kín kép phương pháp gọi phương pháp hiệu chuẩn chéo [40] Phương pháp hiệu chuẩn chéo thực cách so sánh góc riêng biệt đa diện với góc chuẩn góc tồn vịng tương ứng Thiết lập mơ hình tính tốn, giải hệ phương trình theo bình phương nhỏ xác định sai số góc đa diện góc thiết bị 4.4.2.1 Lắp đặt thiết bị Đặt đa diện góc lên bàn đo chuẩn góc tồn vịng theo sơ đồ hình 4.7, điều chỉnh độ cao ống tự chuẩn trực trùng với tâm mặt đo đa diện góc 120 Luận án tiến sĩ Kĩ thuật Chuẩn góc tồn vịng Đa diện góc Ống tự chuẩn trực Hình 4.7: Sơ đồ lắp đặt thiết bị hiệu chuẩn đa diện góc 4.4.2.2 Phương pháp hiệu chuẩn Theo sơ đồ hình 4.7, vị trí 1, mặt đa diện quang học mặt có giá trị danh nghĩa 0° đặt trùng với vị trí bàn chia độ, chỉnh cho giá trị đọc ống tự chuẩn nhỏ ghi lại giá trị đọc ống tự chuẩn trực chuẩn góc tồn vịng vị trí ký hiệu 1, 1 Quay chuẩn góc tồn vịng góc giá trị góc danh nghĩa đa diện góc ký hiệu =360o/n Điều chỉnh cho giá trị đọc ống tự chuẩn trực nhỏ ghi lại kết ống tự chuẩn trực chuẩn góc tồn vịng vị trí ký hiệu 2, 2, mơ hình tốn học phép đo biểu diễn: α - α1 - γ - A1,2 = β - β1 - B1,2 B1,2 - A1,2 = - (α - α1 - γ+β - β) = α1,1 (4.7) Trong đó: A1,2 sai lệch góc mặt mặt đa diện góc B1,2 sai lệch góc vị trí 1và vị trí chuẩn góc tồn vịng 1,1 Giá trị đo mặt vị trí đa diện góc chuẩn góc tồn vịng Lần lượt quay chuẩn góc tồn vịng góc =360o/n đến vị trí thứ n kết đo biểu diễn sau: B1,2 - A1,2 = α1,1 B2,3 - A 2,3 = α1,2 (4.8) Bn-1,n - A n-1,n = α1,n-1 Bn,1 - A n,1 = α1,n Sau đo mặt đa diện góc quang học kết thúc vịng trịn khép kín, cố định chuẩn góc tồn vịng, quay mặt đa diện quang học vị trí (0) chuẩn góc tồn vịng Sau tiếp tục lặp bước kết hợp với ngun lý vịng trịn khép kín, ta có 121 Luận án tiến sĩ Kĩ thuật hệ phương trình tuyến tính biểu diễn quan hệ sai lệch góc đa diên quang học chuẩn góc tồn vịng sau (B1,2 - A1,2 )= α1,1 (B2,3 - A 2,3 )= α1,2 (4.9) (Bn-i,1 - A n-3,n-2 ) = α n,n-i (Bn,1 - A n-2,n-1 ) = α n,n n-1 A i,i+1 +A n,1 =0 i=1 n-1 B i,i+1 +Bn,1 =0 i=1 Hệ phương trình tính tốn sai số góc đa diện chuẩn góc tồn vịng, hệ phương trình biểu diễn X= Y (4.10) Hệ phương trình tính tốn sai số góc đa diện góc bàn chia độ biểu diễn dạng ma trận 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 1 0 0 1,1 0 1,2 1,3 0 1,n 1 1 A1,2 1 1,n A 2,3 0 A3,3 2,1 0 2,2 0 An 1,n 2,3 An ,1 1 B1,2 2,n 1 2,n 0 B2,3 B 3,4 1 n ,1 1 Bn 1,n n ,2 0 Bn ,1 n ,3 0 n ,n 1 n ,n 1 0 1 122 Luận án tiến sĩ Kĩ thuật (4.11) Trong A ma trận hệ số bao gồm (n2+2) hàng 2n cột, X vector bao gồm 2n phần tử giá trị sai lệch góc đa diện góc chuẩn góc tồn vịng, Y vector có (n2+2) phần từ giá trị đo trình đo, áp dụng phương pháp bình phương nhỏ xác định giá trị X sau: X = (AT A)−1 AT Y (4.12) Giải hệ phương trình theo phương pháp bình phương nhỏ tìm tập hợp nghiệm Ai,i+1, Bi,i+1 sai lệch góc đa diện góc chuẩn góc tồn vịng [12] Trên sở công thức luận án xây dựng phần mềm tính tốn xử lý kết đo hiệu chuẩn đa diện góc sử dụng chuẩn góc tồn vịng Theo giao diện chương trình tính vùng thể ma trận đơn vị vùng ghi kết quan trắc, ví dụ thực phép đo đa diện góc có mặt kết quan trắc bao gồm (n2 +2) phương trình Kết đo tương ứng với giá trị đo tính tốn theo phương trình 4.12 Vùng vùng kết đo bao gồm số hạng đầu sai số đa diện góc số hạng sau sai số chuẩn góc tồn vịng Sau kết thúc q trình đo, xử lý số liệu ta có kết đo đa diện góc quang học chuẩn góc tồn vịng, hình 4.8 Hình 4.8: Bảng tính kết đo đa diện góc sử dụng ngun lý vịng trịn khép kín 4.4.2.3 Tính tốn độ khơng đảm bảo đo phép hiệu chuẩn đa diện góc sử dụng chuẩn góc tồn vịng Cơng thức tổng qt giá trị Ak,k+1 Bk,k+1 sau giải hệ phương trình (4.12): Ak,k+1 = 3n2 [(3n − 2) × R1 ] − × R 123 Luận án tiến sĩ Kĩ thuật (4.13) Trong R1: Là tổng giá trị đo α riêng biệt thuộc biến Ak,k+1 R2: Là tổng giá trị đo lại 𝐵𝑘,𝑘+1 = 3𝑛2 [−(3𝑛 − 2) × 𝑍1 ] + × 𝑍2 ) (4.14) Trong Z1: Là tổng giá trị đo α riêng biệt thuộc biến Bk,k+1 Z2: Là tổng giá trị đo lại k=1,2,3,…,n Theo tài liệu hướng dẫn tính tốn độ khơng đảm bảo đo [24] đại lượng đo đầu Y thường xác định từ n đại lượng đầu vào z1,z2,…zn Y = f(z1 , z2, , z3 … zk … , n) (4.15) Khi độ khơng đảm bảo đo đại lượng đo Y xác định u 2c (Y) = ∑nk=1 ( ∂f ∂zk ) u2c (zk ) (4.16) Trong : uc(Y) độ khơng đảm bảo đo tổng hợp chuẩn đại lượng Y uc(zk) độ không đảm bảo đo đại lượng đầu vào zk Từ công thức 4.15 4.16 độ không đảm bảo đo u(Ai) xác định: u 2c (Ai ) = ∑nk=1 ( ∂f ∂αi,i+1 ) u2c (αi,i+1 ) (4.17) Trong phương pháp việc xác định sai lệch góc đa diện quang học cần hiệu chuẩn thông qua thiết bị đo góc nhỏ ống tự chuẩn trực, giá trị 𝑢𝑐 (𝛼𝑖,𝑖+1 ) chủ yếu phụ thuộc độ không đảm bảo đo ống tự chuẩn trực Vì ta có: u 2c ( αi,i+1 ) ≅ u2o (4.18) Trong giá trị uo độ khơng đảm bảo đo ống tự chuẩn trực sử dụng Từ cơng thức (4.16), (4.17) (4.18) ta có: 1 u 2c (Ai,i+1 ) = (3n2 ) [n(3n − 2)2 + 4n(n − 1)]u 2o = 9n2 (9n − 8)u2o (4.19) Độ không đảm bảo đo xác định n 9n2 uc (Ai,i+1 ) = √( − ) uo (4.20) Dễ dàng nhận thấy giá trị độ không đảm bảo đo uc(Ai,i+1 ) phương pháp hiệu chuẩn đa diện góc quang học độ khơng đảm bảo đo ống tự chuẩn trực sử dụng nhân với hệ số √(𝑛 − 9𝑛2 ) Hệ số nhỏ 1, áp dụng ngun lý vịng trịn 124 Luận án tiến sĩ Kĩ thuật khép kín để hiệu chuẩn đa diện góc quang học phương pháp hiệu chuẩn chéo độ không đảm bảo đo chủ yếu phụ thuộc nhỏ độ không đảm bảo đo ống tự chuẩn trực sử dụng [17,47] Luận án tiến hành hiệu chuẩn đa diện góc quang học theo phương pháp xây dựng, kết có phụ lục 4.5 Kết luận chương bốn - Hệ thống chuẩn đo lường quốc gia lĩnh vực góc nghiên cứu chế tạo bao gồm tạo góc nhỏ chuẩn góc tồn vịng tích hợp thành hệ thống đảm bảo khả hiệu chuẩn chuẩn, thiết bị đo góc Trên hệ thống thực hiệu chuẩn chuẩn góc nhỏ chuẩn tồn vịng Đã tiến hành chuẩn ống tự chuẩn trực với độ không đảm bảo đo phép hiệu chuẩn U=0,1, phương pháp hiệu chuẩn ống tự chuẩn trực Văn phịng Cơng nhận Việt Nam đánh giá công nhận mang mã số V01.M-07.10, xây dựng phương pháp hiệu chuẩn đa diện góc với độ khơng đảm bảo đo U=0,3 - Đã xây dựng sơ đồ dẫn xuất chuẩn đo lường lĩnh vực góc, từ hệ thống chuẩn quốc gia đơn vị góc dẫn xuất xuống chuẩn có độ xác thấp thơng qua việc hiệu chuẩn, đảm bảo tính liên kết chuẩn đo lường 125 Luận án tiến sĩ Kĩ thuật KẾT LUẬN Sau trình nghiên cứu lý thuyết xây dựng thực nghiệm, luận án đạt kết với đóng góp mang ý nghĩa khoa học thực tiễn sau: • Trên sở nghiên cứu phương pháp thiết lập Hệ thống chuẩn quốc gia lĩnh vực góc nước giới cơng trình nghiên cứu chuẩn góc, luận án xác định yêu cầu kỹ thuật Hệ thống chuẩn đo lường quốc gia lĩnh vực góc Việt Nam bao gồm tạo góc nhỏ xác chuẩn góc tồn vịng, đáp ứng nhu cầu dẫn xuất/hiệu chuẩn lĩnh vực góc Việt Nam • Đã nghiên cứu luận giải phương pháp tạo chuẩn góc tồn vịng sở sử dụng đĩa chia độ kiểu gia số xây dựng thuật tốn chương trình xử lý số liệu sở phương pháp EDA cho phép tự hiệu chuẩn thành cơng chuẩn góc tồn vịng gia số độ khơng đảm bảo đo U= 0,3"và khẳng định khả làm chủ phương pháp tự hiệu chuẩn chuẩn đầu góc phằng • Đã chế tạo thành cơng chuẩn góc tồn vịng sử dụng đĩa chia độ gia số có 10800 vạch chia với đầu đọc chia hai nhóm đầu đọc đầu đọc sử dụng chung đầu đọc ( đầu đọc chính) việc xử lý số liệu đo thực hai nhóm đầu đọc Độ phân giải chuẩn góc tồn vịng đạt 0,1, độ khơng đảm bảo đo U= 0,3 Độ xác chuẩn góc tồn vịng đánh giá thông qua việc tự hiệu chuẩn kiểm chứng cách so sánh vòng với Viện nghiên cứu chuẩn khoa học Hàn Quốc KRISS • Luận án nghiên cứu đưa phương pháp đo khoảng cách tâm ảo hai gương góc cánh tay đòn, hai vấn đề quan trọng định đến độ xác tạo góc nhỏ Với phương pháp đo xây dựng đạt độ xác đo độ dài cỏnh tay ũn n 2,1 àm ã ó phõn tớch yếu tố ảnh hưởng đến độ xác tạo góc nhỏ, xác lập điều kiện mơi trường làm việc tạo góc nhỏ đảm bảo độ khơng đảm bảo đo nhỏ 0,1 • Bộ tạo góc nhỏ nghiên cứu, thiết kế chế tạo có đặc trưng kỹ thuật: Phạm vi đo ± 30', Độ không đảm bảo đo mở rộng U= 0,08 Độ xác tạo góc nhỏ đạt được kiểm chứng thông qua so sánh quốc tế với Viện nghiên cứu chuẩn khoa học Hàn Quốc (KRISS) • Thiết lập hệ thống chuẩn đo lường quốc gia lĩnh vực góc phẳng có khả đảm bảo đo lường chuẩn, phương tiện đo góc sử dụng tồn quốc Xây dựng quy trình hiệu chuẩn ống tự chuẩn trực đa diện góc sử dụng chuẩn góc chế tạo 126 Luận án tiến sĩ Kĩ thuật KIẾN NGHỊ Tiếp tục nghiên cứu yếu tố ảnh hưởng độ xác tạo góc nhỏ ảnh hưởng rung động, thông số môi trường nâng cao độ xác thiết bị Nghiên cứu tự động hóa điều khiển q trình hoạt động chuẩn góc tồn vịng nâng cao khả làm việc chuẩn Nghiên cứu giải pháp nâng cao độ xác chuẩn góc tồn vịng tăng cường thêm đĩa chia độ để thực tự hiệu chuẩn phương pháp hiệu chẩn chéo kết hợp với phương pháp trung bình phân đoạn 127 Luận án tiến sĩ Kĩ thuật TÀI LIỆU THAM KHẢO TIẾNG VIỆT [1] Bùi Quốc Thụ, “ Nghiên cứu thiết kế chế tạo chuẩn đầu góc phẳng nhỏ” (2007) Báo cáo tổng hợp đề tài [2] Tiêu chuẩn Quốc gia “ Từ vựng quốc tế Đo lường học – Khái niệm, thuật ngữ chung bản” TCVN 6165 : 2009 [3]Tổng cục Tiêu chuẩn Đo lường Chất lượng “ Kỹ thuật đo độ dài” Xưởng in tiêu chuẩn HÀ nội 1990 TIẾNG ANH [4] Akondi Vyas, M B Roopashree, B R Prasad (2009 )“Performance of Centroiding Algorithms at Low Light Level Conditions in Adaptive Optics” International Conference on Advances in Recent Technologies in Communication and Computing [5] A Just, M Krause, R Probst, H Bosse, H Haunerdinger, Ch Spaeth, G Metz, and W Israel (2009),Comparison of angle standards with the aid of a high-resolution angle encoder Precision Engineering, 33(4):530 – 533, pp 1, 9, 34 [6] APMP.L-K1.1 Final.doc 2005 [7] BIPM (2006), The International System of Units (SI) Comité International des Poids et Mesures [8] Brunson Instrument Company ; www.brunson.us [9] Ciddor, P.E (1996)., Refractive index of air: New equations for the visible and near infrared Applied Optics, 35(9): p 1566-1573 [10] C J Evans, R J Hocken, and W T Estler(1996), Self- Calibration: Reversal, redundancy, Error Separation, and Absolute Testing,Ann CIRP 45, 17–34) [11] Danaher Industrial control (2003), Encoder Application Handbook 1-800-8738731-847-662-2666 Available:http://www.dancom.com ) [12] D Amin-Shahidi (2009.) Ultra-precise on-axis encoder self-calibration for fast rotary platforms Master’sthesis, The University of British Columbia, 2009 [13] Emerson, W.H 2002, A reply to "Definitions of the units radian, neper, bel and decibel" by I M Mills et al Metrologia, 39(1): p 105-109 [14] E-Motionsystem 2015 “The Equal- Division- Averaged (EDA) Method” Technical Information [15] Evans, J.C., et al 1986, Measurement of angle in engineering 3rd ed , ed., London: H.M.S.O : HMSO Publications Centre vii, 48 [16] E W Palmer (1988), Goniometer with continuously rotating gratings for use as an angle standard, Prec Eng 10, 147–152 [17] F S Jing, Y C Lin, Y F Zhou, and G X Zhang (1992, Angular measurement by means of rotation of linear gratings, Ann.CIRP 41, 585–587 128 Luận án tiến sĩ Kĩ thuật [18] Heindehain (2006), Heidenhain's angle encoders without integral bearings brochures [19] J Vargas,1,* R Restrepo,2 J C Estrada,3 C O S Sorzano (2012), Shack–Hartmann centroid detectionusing the spiral phase transform, (Doc.ID171465) [http://goo.gl/o2JhD] © 2012 OpticalSociety of America [20] L L Deck and P J de Groot (1998), Punctuated quadrature phaseshifting interferometry, Opt Lett 23, 19-21) [21]Manuel Guizar-Sicairos, Samuel T Thurman, and James R Fienup* (2008)“ Efficient subpixel image registration algorithms”The Institute of Optics, University of Rochester,Rochester,NewYork,14627,USA [22] M.J.A.vanKuijk2009 Autocalibration of incremental analogquadrature encoders DCT2009.053 Master’s thesis [23] ISO, ISO/CEI GUIDE 99:2007: International vocabulary of metrology — Basic and general concepts and associated terms (VIM) First edition ed 2007: International Organization for Standardization [24] ISO - International Organization for Standardization (2008) Guide to the expression of uncertainty in measurement [25] INTERNATIONALDOCUMENT (Edition 1999 E) OIML D2 Legal Units measurement, International Organization of Legal Metrology [26] J Sharp (2010) Laser_Gyro Ring laser [27] Lauryna Siaudinyte1, Vytautas Giniotis (2011), New approach to vertical angle calibration, Vilnius Gediminas Technical University, Saulėtekio ave 11, LT - 10223 Vilnius,Lithuania Environmental engineering,The 8th International Conference [28] Lienhard Beckwith, Marangoni (1995), Mehcanical Measurements AddisonWesley Longman,fifth edition, June [29] Lu X D and Trumper D L 2007 Self-calibration of on-axis rotary encoders Ann CIRP 56 499-504 [30] OIML - International Organization of Legal Metrology Methods of reproduction of plane angle units [31] P A Orton, J F Poliakoff, E Hatiris and P D Thomas Automatic self-calibration of an incremental motion encoder Presented at IEEE Instrumentation and Measurement Technology Conference [32] Peter L Heydemann (1981) Determination and correction of quadrature fringe measurement errors in interferometers applied optics, 20:3382–3384, October [33] Peter G Cramer 2010 Mathematical Tools for Analysis, Simulation and Design of Robotic Angular Encoders – Roboticsprocedings.org [34] Probst R 2008 Self-calibration of divide circle on the basis of a prime factor algorithm Meas Sci.Technol 19 015101 129 Luận án tiến sĩ Kĩ thuật [35] TaeBong Eom, DonYoung Chung, Tai Hyun Yoon, The small angle generator based on a laser angle interferometer,Korea Research Institute of Standards and Science, P.O Box 102, Yousong, Taejeon305-600, Korea [36] Tesa_Catalogue_En_pdf 2010 [37] Tanfer Yandayan, Bulent Ozgur, Nuraykaraboce and Orhan yaman 2012 High precision small angle generator for realization of the SI unit of plane angle and calibration of high precision autocollimator- Measurement Science and Technology [38] The accuracy of angle encoders, 2009 Renishaw plc Issued 0909 [39] T.Masuda and M.Kajitani 1993 J Robotics and Mechatronics 5 448 [40] T Matsuda and M Kajitani (1989), An automatic calibration system for angular encoders, Prec Eng 11, 95–100 [41] Tsukasa Watanabe, Hiroyuki Fujimoto and Tadashi Masuda 2005 SelfCalibratable Rotary Encoder Journal of Physics: Conference Series., 13, pp 240-245 [42] Tsukasa Watanabe (2014), Angle Metrology, TCL Workshop APMP 20 Sep National Metrology Institute of Japan [43] Valery A Granovsky, Mikhail D Kudryavtsev (2006) the plane angle concept and its unit in the context of traceability problem XVIII IMEKO WORLD CONGRESS Metrology for a Sustainable DevelopmentSeptember, 17 – 22 [44] Watanabe T et al 2003 Automatic high precision calibration system for angle encoder (II) Proc SPIE5190 400-409 [45] Watanabe T et al 2005 Self-calibratable rotary encoder J Phys.: Conf Ser 240-245 [46] W R Moore, (1970) Foundations of Mechanical Accuracy, The Moore Special Tool Co., Bridgeport, CT, USA, 201–50 [47] W T Elster (1998), Uncertainty analysis for angle calibrations using circle colsure Journal of Research of the National Institute of Standards and Technology 103(2), pp 141 201 [48] W T Estler and Y H Queen (1993), An Advanced Angle Metrology System, Ann CIRP 42, 573–76 [49] X Lu (2007), Self-calibration of on-axis rotary encoders CIRP annals manufacturing technology 56(1), [50] X.-D Lu and D.L Trumper (2007) Self-calibration of on-axis rotary encoders CIRP Annals Manufacturing Technology, 56(1):499 – 504,.pp 11, 17, 37, 40 [51] Xiaodong Lu, Arash Jamalian, and Richard Graetz(2011) A new method for characterizing axis of rotation radial error motion: Part experimental results Precision Engineering,35(1):95–107 [52]Xiaoming Yin, Xiang Li, Liping Zhao and Zhongping Fang (2009) “Automatic Centroid Detection for Shack-Hartmann Wavefront Sensor” 2009 IEEE/ASME International Conference on Advanced Intelligent MechatronicsSuntec 130 Luận án tiến sĩ Kĩ thuật DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 1- Bùi Quốc Thụ, Vũ Khánh Xuân, Nguyễn Văn Vinh (2013), Ứng dụng mã hóa chuỗi Fibonacci để đo góc theo phương pháp tuyệt đối, Hội nghị khoa học công tồn quốc khí lần thứ III, trang 509-514 2- Bui Quoc Thu, Vu Khanh Xuan, Nguyen Van Vinh (2014), creation the measurement device of small angle with high accuracy ISEPD 2014 International Symposium on Eco- materials Processing ang Design, Organized by international Materials Socienty In coopetarion with Hanoi University of Science and Technology and materials Research Society – Vietnam (V_MRS) ISBN 978-89-5708-236-2pp 251-254 3- Bùi Quốc Thụ, Vũ Khánh Xuân, Nguyễn Văn Vinh (2015), Ứng dụng nguyên lý vịng trịn khép kín xây dựng phươg pháp hiệu chuẩn đa diện góc quang học, Hội nghị khoa hoc kỹ thuật đo lường toàn quốc lần thứ VI, quan tổ chức: Tổng cục Tiêu chuẩn Đo lường Chất lượng Hà Nội năm 2015, trang 269-275 4- Bùi Quốc Thụ, Nguyễn Văn Vinh, Vũ Khánh Xuân (2016), Nghiên cứu thiết kế, chế tạo chuẩn đo lường góc có khả tự hiệu chuẩn đĩa chia độ sử dụng phương pháp trung bình phân đoạn Tạp chí khí Việt Nam số 8-2016 trang 76-79 5- Bùi Quốc Thụ, Nguyễn Văn Vinh, Vũ Khánh Xuân (2016), Thiết lập, trì dẫn xuất chuẩn hệ thống chuẩn đo lường quốc gia lĩnh vực góc Việt Nam Hội nghị khoa học cơng nghệ tồn quốc khí-động lực 2016 trang 42-47 6- Bùi Quốc Thụ, Nguyễn Văn Vinh, Vũ Khánh Xuân (2016), Nghiên cứu phương pháp thiết lập hệ thống chuẩn đo lường quốc gia lĩnh vực góc Tạp chí khí Việt Nam số 10 2016, trang 64-69 7- Bùi Quốc Thụ, Nguyễn Văn Vinh, Vũ Khánh Xuân (2016) , Hiệu chỉnh sai số độ lệch tâm độ nghiêng đĩa chia độ phương pháp nhiều đầu đọc Tạp chí Khoa học công nghệ trường đại học kỹ thuật số 121 trang83-88 ISSN 2354-1083 131 Luận án tiến sĩ Kĩ thuật PHỤ LỤC 1- Thuật toán, phần mềm xử lý số liệu thực tự hiệu chuẩn theo phương pháp EDA 2- Các giấy chứng nhận hiệu chuẩn ống tự chuẩn trực, đa diện quang học 132 Luận án tiến sĩ Kĩ thuật