Nghiên cứu, xây dựng chuẩn đo lường quốc gia lĩnh vực góc (tt)

Nghiên cứu, xây dựng chuẩn đo lường quốc gia lĩnh vực góc (tt)Nghiên cứu, xây dựng chuẩn đo lường quốc gia lĩnh vực góc (tt)Nghiên cứu, xây dựng chuẩn đo lường quốc gia lĩnh vực góc (tt)Nghiên cứu, xây dựng chuẩn đo lường quốc gia lĩnh vực góc (tt)Nghiên cứu, xây dựng chuẩn đo lường quốc gia lĩnh vực góc (tt)Nghiên cứu, xây dựng chuẩn đo lường quốc gia lĩnh vực góc (tt)Nghiên cứu, xây dựng chuẩn đo lường quốc gia lĩnh vực góc (tt)Nghiên cứu, xây dựng chuẩn đo lường quốc gia lĩnh vực góc (tt)Nghiên cứu, xây dựng chuẩn đo lường quốc gia lĩnh vực góc (tt)Nghiên cứu, xây dựng chuẩn đo lường quốc gia lĩnh vực góc (tt)Nghiên cứu, xây dựng chuẩn đo lường quốc gia lĩnh vực góc (tt)Nghiên cứu, xây dựng chuẩn đo lường quốc gia lĩnh vực góc (tt)

GIỚI THIỆU LUẬN ÁN Tính cấp thiết luận án nghiên cứu Góc đại lượng đo thuộc lĩnh vực đo lường độ dài, chuẩn góc sử dụng rộng rãi ngành kỹ thuật khí xác, điều khiển tự động, trắc đạc, giao thơng, xây dựng, thiên văn… Nghiên cứu chế tạo chuẩn đo lường quốc gia lĩnh vực góc giúp cho Việt Nam làm chủ mặt kỹ thuật, tạo tiền đề vững cho việc trì dẫn xuất chuẩn đo lường góc, nâng cao trình độ nghiên cứu khoa học kỹ thuật đo lường, đồng thời giúp cho tiết kiệm chi phí ngoại tệ để trang bị chuẩn góc nhập nước ngồi Đó lý luận án chọn hướng nghiên cứu: “ Nghiên cứu, xây dựng chuẩn đo lường quốc gia lĩnh vực góc ” Mục đích đối tượng phạm vi nghiên cứu a) Mục đích luận án Nghiên cứu xác lập sở khoa học kỹ thuật để xây dựng hệ thống thiết bị đo thực chức chuẩn đo lường quốc gia lĩnh vực góc phẳng bao gồm chuẩn góc tồn vịng gia số tạo góc nhỏ đảm bảo việc hiệu chuẩn cho chuẩn, phương tiện đo góc đáp ứng nhu cầu sở nước b) Đối tượng phạm vi nghiên cứu - Đối tượng nghiên cứu luận án xây dựng hệ thống chuẩn đo lường quốc gia có phạm vi làm việc độ xác đảm bảo trì dẫn xuất chuẩn lĩnh vực đo lường góc Việt Nam Nghiên cứu phương pháp xây dựng chuẩn góc tồn vịng sử dụng đĩa chia độ kiểu gia số nhiều đầu đọc có khả tự hiệu chuẩn đảm bảo độ xác tạo góc nhỏ theo nguyên lý sin sử dụng giao thoa kế laser Xây dựng phương pháp trì dẫn xuất chuẩn đo lường lĩnh vực góc từ chuẩn quốc gia đến chuẩn góc phương tiện đo góc có độ xác thấp hơn, phù hợp với yêu cầu thực tế Việt Nam - Phạm vi nghiên cứu luận án giới hạn việc nghiên cứu xây dựng chuẩn góc tồn vịng giá trị độ chia 0,1, sai số ± 0,3 Nghiên cứu chế tạo tạo góc nhỏ phạm vi đo ± 30' với độ không đảm bảo đo U = (0,1~ 0,3) Tích hợp thiết bị chuẩn thành hệ thống chuẩn, xây dựng phương pháp đánh giá, truyền chuẩn Phương pháp nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu kết hợp lý thuyết thực nghiệm kiểm chứng thiết bị chế tạo Dùng phương pháp khảo sát phân tích kết cơng trình nghiên cứu 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 mơ hình chuẩn góc tồn vịng chuẩn góc nhỏ, xây dựng mơ hình tốn học, phân tích yếu tố ảnh hưởng đến độ xác thiết bị Thiết lập phương pháp đánh giá độ khơng đảm bảo đo chuẩn góc Tiến hành trình đo thử nghiệm so sánh kết hiệu chuẩn ống tự chuẩn trực tạo góc nhỏ đa diện góc chuẩn góc tồn vòng với kết hiệu chuẩn Viện nghiên cứu Chuẩn Khoa học Hàn Quốc làm đánh giá độ xác Sử dụng phần mềm để phân tích xử lý liệu: phần mềm Excel, Matlab xử lý số liệu để nghiên cứu thực nghiệm Bố cục luận án Nội dung trình bày chương luận án: - Chương 1: Tổng quan hệ thống chuẩn đo lường quốc gia lĩnh vực góc; - Chương 2: Cơ sở phương pháp xây dựng chuẩn góc tồn vịng; - 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 Ý nghĩa khoa học thực tiễn luận án a) Ý nghĩa khoa học - Xây dựng phương pháp thiết lập hệ thống chuẩn đo lường góc sở xây dựng tạo góc nhỏ chuẩn góc tồn vịng - Đối với chuẩn góc tồn vịng xác lập phương pháp tự hiệu chuẩn sử dụng kỹ thuật bố trí nhiều đầu đọc phương pháp trung bình phân đoạn 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 hai tâm ảo gương góc, tính tốn thiết kế chế tạo tạo góc nhỏ dẫn xuất từ chuẩn đo lường độ dài b) Ý nghĩa thực tế - Nghiên cứu thiết kế, chế tao chuẩn góc tồn vịng có độ phân giải 0,1, độ khơng đảm bảo đo U= 0,3 - Thiết kế chế tạo tạo góc nhỏ có phạm vi ± 30´ độ khơng đảm bảo đo U=0,08 - Tích hợp thành hệ thống chuẩn đo lường quốc gia lĩnh vực góc đáp ứng yêu cầu chuẩn đo lường quốc gia lĩnh vực góc theo quy hoạch phát triển chuẩn quốc gia Viện Đo lường Việt Nam Kết dùng làm hệ thống chuẩn đo lường quốc gia lĩnh vực góc Các đóng góp luận án - Luận án xây dựng thuật toán chương trình xử lý số liệu sở phương pháp EDA cho phép tự hiệu chuẩn thành cơng chuẩn góc tồn vịng gia số đạt độ xác 0,3"và khẳng định khả làm chủ phương pháp tự hiệu chuẩn chuẩn đầu góc phằng Phương pháp tự hiệu chuẩn xác định xác sai số vị trí vạch chia, sai số lệch tâm độ nghiêng đĩa chia độ toàn dự liệu dùng để bù sai số chuẩn góc tồn vịng gia số Đây yếu tố bắt buộc việc xây dựng sở lý thuyết cho việc chế tạo chuẩn đầu quốc gia lĩnh vực góc Đã chế tạo thành cơng chuẩn tồn vịng sử dụng đĩa chia độ gia số có độ phân giải 0,1″, độ không đảm bảo đo U= 0,3″ - Luận án nghiên cứu đưa phương pháp đo khoảng cách tâm ảo hai gương góc cánh tay địn sử dụng cảm biến vị trí quang học CCD kết hợp với giao thoa laser Đây hai vấn đề quan trọng định đến độ xác tạo góc nhỏ Với phương pháp đo xây dựng đạt độ xác đo độ dài cánh tay địn đến 2,1 µm Phân tích yếu tố ảnh hưởng đến độ xác tạo góc nhỏ như: độ ổn định tâm quay, vị trí gương góc, xác lập điều kiện mơi trường làm việc tạo góc nhỏ đảm bảo độ xác theo yêu cầu nhỏ 0,1  Chế tạo tích hợp tạo góc nhỏ có phạm vi đo ± 30', độ không đảm bảo đo 0,08″ - Xây dựng phương pháp đánh giá độ xác chuẩn góc tồn vịng tạo góc nhỏ thơng qua q trình tự hiệu chuẩn tính tốn độ khơng đảm bảo đo Độ xác chuẩn góc kiểm chứng cách so sánh vòng với KRISS trị số |En | khẳng định độ xác chuẩn góc đạt yêu cầu kỹ thuật đề - Xây dựng sơ đồ dẫn xuất chuẩn đo lường lĩnh vực góc phương pháp hiệu chuẩn ống tự chuẩn trực đa diện góc hệ thống chuẩn thiết lập NỘI DUNG CHÍNH CỦA LUẬN ÁN CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN HỆ THỐNG CHUẨN ĐO LƯỜNG QUỐC GIA LĨNH VỰC GĨC 1.1 Góc chuẩn đo lường góc Trong hệ đơn vị quốc tế SI radian tên gọi đơn vị góc định nghĩa sau: “Radian góc tạo hai tia bán kính vịng trịn cắt vịng trịn cung có độ dài với bán kính” 1.1.2 Hệ thống chuẩn đo lường Chuẩn đo lường:Theo TCVN 6165, chuẩn đo lường, hay gọi tắt chuẩn, định nghĩa sau: “Chuẩn đo lường thể định nghĩa đại lượng cho, với giá trị đại lượng công bố độ không đảm bảo kèm theo, dùng làm mốc quy chiếu” Hệ thống chuẩn đo lường: Hệ thống chuẩn đo lường sở kỹ thuật quan trọng để đảm bảo tính thống độ xác cần thiết phép đo phạm vi quốc gia quốc tế 1.2 Chuẩn đo lường góc Hiện người ta nhìn nhận, chia chuẩn góc thơng dụng làm hai loại chính, phổ quát tất chủng loại chuẩn phương tiện đo góc thực tế, Chuẩn góc nhỏ, phạm vi góc nhỏ 1o (chuẩn góc nhỏ) dạng chuẩn góc nhỏ bao gồm: Ống tự chuẩn trực; Thước sin (sin bar); Ni vô; Chuẩn dạng mẫu Chuẩn góc có phạm vi đến 360o lớn 360o bao gồm: Đa diện góc; Bàn phân độ ( Indexxing Table); Chuẩn góc tồn vịng dạng đĩa chia độ mã hóa 1.3 Hiệu chuẩn chuẩn, phương tiện đo 1.3.1 Hiệu chuẩn Hiệu chuẩn tập hợp thao tác điều kiện quy định để thiết lập mối quan hệ giá trị đại lượng phương tiện đo, hệ thống đo giá trị thể vật độ mẫu chuẩn giá trị tương ứng thể chuẩn 1.3.2 Độ không đảm bảo đo Độ không đảm bảo đo định nghĩa thông số không âm đặc trưng cho phân tán giá trị đại lượng quy cho đại lượng đo, sở thông tin sử dụng, đặc trưng cho phân tán giá trị quy cho đại lượng cách hợp lý 1.4 Hệ thống chuẩn đo lường quốc gia lĩnh vực góc số quốc gia giới Hệ thống chuẩn đo lường quốc gia lĩnh vực góc thường chuẩn đầu tức chuẩn có độ xác cao mà giá trị khơng dựa vào chuẩn khác đại lượng Hệ thống chuẩn góc NMIs chuẩn góc tồn vịng độ xác cao NIST, PTB hay IRNIM Hệ thống chuẩn đo lường góc NMIJ NIM xây dựng sở chuẩn góc tồn vịng kết hợp với tạo góc nhỏ Sự kết hợp chuẩn góc tồn vịng tạo góc nhỏ để đảm bảo trì dẫn xuất chuẩn đo lường lĩnh vực góc giúp cho việc hồn thiện hệ thống chuẩn đo lường quốc gia lĩnh vực góc thực cách kinh tế đảm bảo độ xác hệ thống 1.5 Chuẩn góc tồn vịng Trong tốn học thực tế vịng trịn khép kín coi chuẩn tự nhiên góc phẳng ( Natural Etalon) có giá trị 2 (360o) khơng có sai số Do vịng trịn khép kín sở để thiết kế chuẩn góc tồn vịng đạt độ xác cao có khả tự hiệu chuẩn Chuẩn góc tồn vịng bao gồm dạng: khí, laser vịng (Ring laser),chuẩn góc tồn vịng sử dụng đĩa chia độ mã hóa góc quay 1.6 Bộ tạo góc nhỏ Bộ tạo góc nhỏ nghiên cứu thiết kế, chế tạo sở sử dụng hàm số lượng giác theo nguyen lý sin tang Để đảm bảo độ xác tạo góc nhỏ cần thiết phải nghiên cứu xây dựng phương pháp đo xác khoảng cách cánh tay địn tính tốn độ xác thiết bị đo khoảng cách dịch chuyển 1.7 Mục tiêu nội dung nghiên cứu luận án Luận án đề xuất mơ hình chuẩn đo lường quốc gia lĩnh vực góc bao gồm: + Chuẩn góc tồn vịng sử dụng đĩa chia độ kiểu gia số có độ phân giải 0,1, độ khơng đảm bảo đo U= 0,3  + Bộ tạo góc nhỏ có Phạm vi đo ± 30´, độ khơng đảm bảo đo U = (0,1  0,3)  + Các chuẩn phải tích hợp thành hệ thống đáp ứng yêu cầu hiệu chuẩn + Xây dựng phương pháp truyền chuẩn Nội dung nghiên cứu: - Xây dựng mơ hình tốn học chuẩn góc tồn vịng sử dụng đĩa chia độ kiểu gia số tạo góc nhỏ theo nguyên lý sin sử dụng giao thoa kế laser - Phân tích yếu tố ảnh hưởng đến độ xác chuẩn góc tồn vịng tạo góc nhỏ, sở đề xuất phương pháp giảm thiểu sai số nâng cao độ xác chuẩn - Nghiên cứu, xây dựng phương pháp tự hiệu chuẩn đảm bảo độ xác, độ ổn định tính liên kết chuẩn chuẩn góc tồn vịng -Xây dựng phương pháp đánh giá tạo chuẩn góc nhỏ cách tính tốn độ khơng đảm bảo đo chuẩn thông qua việc đánh giá độ xác cấu thành phần -Xây dựng hệ thống chuẩn đo lường quốc gia lĩnh vực góc sở tich hợp hai chuẩn nghiên cứu chế tạo - Nghiên cứu xây dựng phương pháp truyền chuẩn từ chuẩn đo lường quốc gia lĩnh vực góc đến chuẩn có độ xác thấp ống tự chuẩn trực đa diện góc CHƯƠNG 2: CƠ SỞ PHƯƠNG PHÁP XÂY DỰNG CHUẨN GĨC TỒN VỊNG 2.1 Ngun lý, phương pháp tạo chuẩn góc tồn vòng đĩa chia độ kiểu gia số Khi chia nhỏ vòng tròn thành NG khoảng ta góc chuẩn nhỏ có giá trị 2π/NG Để tạo góc chuẩn θ tương ứng với k vạch xác định: 2π θ = k× N G (2.1) Đối với đĩa chia độ kiểu gia số vạch chia bao gồm vạch trắng vạch đen có độ rộng nhau, khoảng cách C bao gồm vạch trắng đen gọi chu kỳ đóng vai trò vạch chia 2.1.1 Phương pháp đọc vạch chia Phương pháp đọc vạch chia dựa nguyên lý biến đổi tín hiệu quang thành tín hiệu điện có ngun tắc hoạt động mơ tả hình 2.1, L nguồn sáng thường ốt phát sáng Hình 2.1: Mơ tả phương pháp đọc vạch chia đĩa chia độ kiểu gia số[8] Ánh sáng truyền qua thấu kính hội tụ để tạo chùm sáng song song đảm bảo chùm sáng đồng Mặt nạ A có vạch chia giống với vạch chia đĩa chia độ lắp cố định đầu đọc Khi đĩa chia độ dịch chuyển, cảm biến quang học P cường độ sáng thay đổi theo thời gian tín hiệu điện áp đầu thay đổi thay đổi điện áp sử dụng thang thước để xác định chuyển động quay đĩa chia độ Về lý thuyết tín hiệu điện áp đầu dạng cưa thực tế ảnh hưởng tượng nhiễu xạ nên có dạng gần sin Sử du ̣ng mơ ̣t ma ̣ch ta ̣o xung để chuyể n đổ i từ tiń hiê ̣u xung hin ̀ h sin sang tiń hiê ̣u xung vuông.Để phát chiều chuyển động cần thiết hai tín hiệu lệch pha 90o Sau tạo daỹ xung vuông lê ̣ch pha 900 , dựa vào thứ tự các pha của tiń hiê ̣u có thể xác đinh ̣ đươ ̣c chiề u chuyể n đô ̣ng của đĩa chia độ 2.2 Nghiên cứu yếu tố ảnh hưởng đến độ xác chuẩn góc tồn vịng 2.2.1 Các dạng sai số chuẩn góc tồn vịng sử dụng đĩa chia độ kiểu gia số Khi chế tạo làm việc chuẩn góc tồn vịng gia số có sai số sai số phạm vi nhỏ sai số phạm vi lớn hay gọi sai số tồn vịng Sai số phạm vi nhỏ xuất chu kỳ tín hiệu xung chuẩn goc tồn vịng gia số, loại sai số này xuất chu kỳ tín hiệu ảnh hưởng dạng xung tín hiệu bị thay đổi trình đọc, chất lượng đầu đoc, vạch chia Sai số phạm vi lớn hay cịn gọi sai số tồn vịng, loại sai số xuất có chuyển động quay đĩa chia độ sai số tồn vịng bao gồm: + Sai số vị trí vạch chia (sai số thang chia độ) + Sai số chuyển động quay đĩa chia độ bao gồm sai lệch tâm quay đĩa bao gồm độ lệch tâm độ nghiêng đĩa chia độ độ ổn định trục quay 2.2.2 Sai số tồn vịng - Sai số vị trí vạch chia Do vạch chia chế tạo có sai số định điều có ảnh hưởng đến sai số đầu đọc thực việc đọc tín hiệu tiến hành nội suy để xử lý tín hiệu góc thiết bị - Sai số chuyển động quay đĩa chia độ a) Sai số lệch tâm đĩa chia độ tâm quay a) b) Hình 2.2: Sơ đồ biểu diễn biến thiên bán kính Rθ a) Sơ đồ, b) vị trí đọc Khi đĩa chia độ quay với góc quay θ quanh tâm quay Oq đầu đọc H đọc khoảng cách vạch chia vị trí có bán kính khác Rθ hình 2.2 b Bán kính Rθ phụ thuộc vào đường kính đĩa chia độ độ lệch tâm, Rθ thay đổi tương ứng với góc quay θ xác định, hình 2.2 a ⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗ ⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗ R θ = √|O ⃗ |2 − 2|O ⃗ |cos⁡(θ) q H| + |e q H||e (2.2) Giá trị Rθ biến đổi khoảng cách AB ≠ A’B’, hình 2.2 b, giá trị góc θ thay đổi dẫn đến sai số góc lệch tâm Giá trị Rθ biến đổi tuần hồn có dạng sin chu kỳ 2π từ giá trị nhỏ Rθmin đến giá trị lớn Rθmax, sai số góc biến đổi theo dạng hàm số sin có chu kỳ 2π b) Sai số độ nghiêng đĩa chia độ Trong chế tạo, lắp đặt đĩa chia độ bị nghiêng so với trục quay điều gây nên sai số góc chuẩn góc tồn vịng Sai số ảnh hưởng độ nghiêng đĩa chia độ biến đổi theo quy luật tuần hồn có chu kỳ nửa chu kỳ quay đĩa chia độ, với vòng quay sai số có hai cực đại hai cực tiểu - Độ ổn định tâm quay Các ổ quay thông thường ổ bi không đáp ứng yêu cầu chuẩn góc tồn vịng gia số ổ quay đệm khí thường chọn ổ quay đảm bảo độ xác tâm quay 2.3 Nghiên cứu giải pháp giảm thiểu sai số chuẩn góc tồn vòng gia số 2.3.1 Phương pháp giảm thiểu sai số ảnh hưởng lệch tâm a) b Hình 2.3: Sai số góc lệch tâm a) Vị rí bất kỳ, )b) Vị trí sai số góc lớn Sai số góc θe lệch tâm tâm đĩa chia độ với tâm trục quay thể hình 2.3 Sai số góc θe xác định: ∆θe = θ − θ′ (2.3) Trong θ : Góc trục quay; θ’: Góc đĩa chia độ Sai số góc lệch tâm lớn θemax ứng với vị trị θ’=90o hình 2.3 b ∆θemax ≅ 2e D (2.3) Ảnh hưởng độ lệch tâm đến sai số góc chuẩn góc tồn vịng lớn Hình 2.4: a) Sơ đồ bố trí đầu đọc đối xứng, b) Dạng đồ thị sai số Bố trí đầu đọc H1,H2,H3,H4 cách góc 90o hình 2.4a, đồ thị sai số H1 H3 ngược pha với nhau, tương tự đầu đọc H2 H4, hình 2.4b với cách bố trí sau tổng hợp sai số khắc phục độ lệch tâm.Tuy nhiên sai số góc lệch tâm tồn việc đầu đọc lắp đặt không qua tâm đĩa chia độ Điều khắc phục cách khớp số liệu với đồ thị sai số dạng sin lệch tâm 2.3.2 Phương pháp giảm thiểu sai số ảnh hưởng độ nghiêng đĩa chia độ Để giảm thiểu sai số độ nghiêng đĩa chia độ áp dụng phương pháp chỉnh khí thơng thường sử dụng đồng hồ so để chỉnh độ nghiêng đĩa chia độ đạt yêu cầu kỹ thuật 2.4 Nghiên cứu, xây dựng phương pháp tự hiệu chuẩn chuẩn góc tồn vịng gia số 2.4.1 Cơ sở lý thuyết phương pháp tự hiệu chuẩn chuẩn góc tồn vịng gia số bố trí nhiều đầu đọc Đĩa chia độ chuẩn góc tồn vịng gia số có NG vạch chia bố trí NH đầu đọc cách đĩa chia độ Khi đĩa chia độ quay, đầu đọc thứ đọc vạch thứ i đầu đọc thứ j đọc vạch 10 chia thứ i+(j-1)NG/NH hình 2.5 Khi độ lệch vạch chia đầu đọc thứ j phát aij xác định: ⁡⁡⁡ai,j = ai+(j−1)NG/NH (2.4) Độ lệch tín hiêu góc đầu đọc thứ đầu đọc thứ j giá trị trung bình ký hiệu ij , µi,j xác định sau: δi,j = ⁡ ai,1 − ai,j = − ai+(j−1)/NG /NH NH μi,j = N ∑j=1 δi,j H (2.5) (2.6) Giá trị µi,j sai số góc chuẩn góc tồn vịng xác định giá trị đầu đọc thứ j trừ lượng trung bình cộng tất các giá trị NH đường cong lệch pha 2π/NH từ giá trị Hình 2.5: Thứ tự tín hiệu từ đầu đọc Phương pháp gọi phương pháp trung bình phân đoạn ( The Equal Diviation Average EDA) 2.4.2 Xây dựng phương pháp tự hiệu chuẩn chuẩn góc tồn vịng gia số áp dụng phương pháp EDA Trong phương pháp EDA góc danh nghĩa 2π/NG đĩa chia độ khơng xác định suốt trình đo nên sai số góc tích lũy khơng thể trực tiếp xác định Để giải vấn đề thay việc xác định sai số góc tích lũy so với giá trị góc danh nghĩa việc xác định độ lệch i,j đầu đọc so với đầu đọc định trước gọi đầu đọc 11 Hình 2.6: Sơ đồ lắp đặt đầu đọc chênh lệch sai số ij so với sai số đầu đọc Để thực xác định độ lệch i,j sử dụng tạo xung chuẩn bên phương pháp thực sau Khi đĩa chia độ quay hết vòng quay, tín hiệu đầu đọc đưa vào xử lý tín hiệu trộn lẫn tín hiệu với tạo xung chuẩn có tần số fc, hình 2.6 Giá trị i,j xác định vòng quay đĩa chia độ cách đếm số xung tạo xung chuẩn vị trí vạch chia đầu đọc thơng qua đếm tần số Q trình thực thể sơ đồ xác định chênh lệch sai số tích lũy i,j so với sai số đầu đọc hình 2.6 trường hợp đầu đọc đầu đọc NH1, giá trị μi,j xác định: 1 NH NH μi,j = N ∑j=1 δi,j = ai,j − N ∑j=1 ai,j H H (2.7) 12 Giá trị δij thực chất độ lệch pha tín hiêu đầu đọc riêng biệt so với đầu đọc chu ký tín hiệu vạch chia quan sát hình 2.7 Hình 2.7: Sơ đồ xác định µi,j Giá trị t i,NHj số xung đếm tần số fc phát vạch chia thứ i đầu đọcNHj t i+1,NHj số xung đếm phát vạch chia tiếp theo, hình 2.20 Giá trị µi,j sai số góc vạch chia thứ i đầu đọc j xác định: 2π μi,j = NG NH (t i,NHj − ⁡ N ∑j=1 t i,NHj ) × NH ∑j=1(ti+1,N H NH Hj −ti,NHj ) (2.8) Sai số góc chuẩn góc tồn vịng có NH đầu đo bố trí cách đĩa chia độ xác định trung bình cộng sai số đầu đọc NH μ̅ = N ∑j=1 μi,j H (2.8) Giá trị μji bao gồm sai số độ lệch tâm, độ xác vạch chia đầu đọc đọc trực tiếp khoảng cách vạch chia vòng quay Phương pháp tự hiệu chuẩn khơng địi hỏi phải thiết kế hệ khí phức tạp để đảm bảo độ đồng tâm, phương pháp cần quay đĩa chia độ vịng sau thơng qua tinhs tốn sử lý số liệu, xây dựng đồ thị sai số xác định độ xác chuẩn góc tồn vịng 13 2.5 Thiết kế, chế tạo chuẩn góc tồn vịng 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 đầu đọc bố trí đầu đọc theo sơ đồ hình 2.8 bao gồm nhóm 1: đầu đọc bố trí cách đầu đọc cách góc 90o gồm đầu đọc H1, H2, H4, H6, nhóm 2: gồm 03 đầu đọc H1, H3, H5 bố trí cách góc 120o Khi quay đĩa chia độ để tạo góc chuẩn góc θ, giá trị góc θ chuẩn góc tồn vịng gia số xác định trung bình cộng của nhóm nhóm Giá trị góc chuẩn góc tồn vịng gia số xác định θ= θ4 +θ3 7θ(H1 )+[θ(H2 )+θ(H4 )+θ(H6 )]+4[θ(H3 )+θ(H5 )] ={ } 24 2.5.2 Lắp đặt, tích hợp hệ thống Chuẩn góc tồn vịng gia số bao gồm bàn đo đĩa chia độ có 10800 vạch chia lắp trục ổ đệm khí Hệ đầu đọc bao gồm đầu đọc lắp cố định thân máy, quay tay quay trục quay mang theo đĩa chia độ bàn đo quay theo hệ đầu đọc đọc dịch chuyển vạch chia tạo góc quay tương ứng Để nâng cao độ phân giải chuẩn tồn vịng gia số luận án sử dụng nội suy 210 độ phận giải đạt 0,12" 2.6 Đánh giá độ xác chuẩn tồn vịng gia số 2.6.1 Đánh giá độ xác phương pháp tự hiệu chuẩn Thực tự hiệu chuẩn theo phương pháp EDA, tiến hành bù sai số sai số chuẩn góc tồn vịng đạt ± 0,3" 14 a) b) Hình 2.10: a) Sai số chuẩn góc tồn vịng b) Độ tái lập Thực tự hiệu chuẩn chuẩn góc tồn vịng gia số đươc chế tạo nhiều lần nhiều thời điểm khác kết qua cho thấy chênh lệch kết lần đo nằm phạm vi ± 0,3" 2.6.2 Đánh giá chuẩn góc tồn vịng gia số thơng qua so sánh vịng Biểu đồ so sánh kết đo so sánh đa diện góc Độ lệch góc ["] -5 KRISS thực (") 12 15 18 21 24 Luận án thực (") thứ tự điểm đo Hình 2.11: Kết đo so sánh đa diện góc với KRISS Sử dụng phương pháp hiệu chuẩn chéo thực so sánh vòng với KRISS vật mẫu sử dụng đa diện góc 24 mặt số hiệu LE 3178, hình 2.11 Kết so sánh cho thấy giá trị |𝐸𝑛 | ≤ chuẩn góc tồn vịng đảm bảo u cầu kỹ thuật đề 2.7 Kết luận chương hai - Chuẩn góc tồn vịng sử dụng đĩa chia độ kiểu gia số có hai loại sai số chính: sai số vạch chia sai số tâm quay + Sai số vạch chia phụ thuộc công nghệ chế tạo, để khắc phục loại sai số luận án sử dụng phương pháp trung bình phân đoạn để tính tốn tốn xác định sai số vạch chia sau vòng quay để đưa vào bù sai số xác cho vạch chia chuẩn góc tồn vịng + Sai số tâm quay bao gồm: sai số lệch tâm đĩa chia độ so với tâm quay, độ nghiêng đĩa chia độ, độ ổn định tâm quay Loại 15 sai số xuất có chuyển động quay đĩa chia độ có tính chất tuần hồn sau gọi sai số tồn vịng Luận án nghiên cứu, phân tích tính chất sai số tồn vịng xác lập cơng thức xác định sai số từ đề xuất phương án bù sai số, nâng cao độ xác bố trí đầu đọc cách đối xứng qua tâm đĩa chia độ, xây dựng hàm sin chuẩn, hiệu sai số tồn vịng - Đã xây dựng thuật tốn tự hiệu chuẩn chuẩn góc tồn vịng gia số theo phương pháp EDA, sử dụng xung fc chuẩn 100 MHz để xác định sai số tích lũy δij từ tính tốn xây dựng đồ thị sai số trình tự hiệu chuẩn kết độ không đảm bảo đo U= 0,3" Kết đáp ứng yêu cầu thiếu khả tự hiệu chuẩn chuẩn đầu quốc gia lĩnh vực góc - Đã nghiên cứu phương án sử dụng đầu đọc bố trí thành hai nhóm: nhóm gồm đầu đọc cách 90o nhóm đầu đọc cách 120o lựa chọn,các cụm chi tiết quan trọng, xây dựng phần mềm đọc số liệu, chế tạo, tích hợp thành cơng chuẩn góc tồn vịng gia số - Thực nghiệm đánh giá độ xác phương pháp tự hiệu chuẩn cho thấy độ khơng đảm bảo đo chuẩn góc tồn vịng U=0,3" đạt yêu cầu kỹ thuất chuẩn góc quốc gia Kết khẳng định phương pháp so sánh vịng với KRISS thơng qua số En, kết giá trị |𝐸𝑛 | ≤ cho thấy chuẩn góc tồn vịng hoạt động đảm bảo độ xác, khẳng định phương pháp tự hiệu chuẩn xây dựng sở EDA làm việc xác đáp ứng khả tự hiệu chuẩn chuẩn góc tồn vịng cho chuẩn đo lường quốc gia lĩnh vực góc 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 chuẩn có phạm vi nhỏ khoảng ± 30´, để tạo chuẩn thường dùng phương pháp lượng giác để thực hình 3.1 Hình 3.1: Minh họa góc nhỏ 16 Giá trị góc θ xác định θ = arcsin AB OA ≅ AB OA (3.1) 3.2 Nghiên cứu, xây dựng phương pháp tạo góc nhỏ Luận án nghiên cứu đề xuất sử dụng sơ đồ nguyên lý để thiết kế tạo góc nhỏ mang tính đối xứng điều giảm thiểu ảnh hưởng dao động tâm quay chuẩn hình 3.2 Hình 3.2: Sơ đồ tạo góc nhỏ đối xứng Khi quay cánh tay địn góc θ vị trí gương góc dịch chuyển hình 3.2 Khi ta có: h h θ = L = L2 (3.2) Theo tính chất tỷ lệ thức: h h h +h θ = L1 = L2 = ⁡ L1 +L2 = 2 h1 +h2 L (3.3) Trong thành phần L=L1 +L2 khoảng cách hai tâm gương góc gắn cố định cánh tay địn Do hoạt động khoảng cách L=L1 +L2 khơng bị ảnh hưởng nhiều dao động tâm ổ quay đảm bảo độ xác thiết bị.Từ nghiên cứu tính tốn luận án đưa sơ đồ tạo góc nhỏ sử dụng giao thoa kế Laser thể hình 3.3 Chùm tia laser phát từ nguồn laser ổn định tần số (1) qua tách tia (2) tách làm hai chùm tia có tần số f1 f2 tia f1 vào gương H1(3), tia f2 vào gương H2 (4) thông qua gương góc 450(5) Hai gương góc phản xạ (corner cube) H1 H2 gắn chặt vào cánh tay đòn, tia f1 f2 sau phản xạ kết hợp với thu nhận tín hiệu giao thoa kế laser Giao thoa laser xác định biên thiên góc thơng qua thay đổi quang lộ 17 K1 K2, xoay cánh tay đòn (6) tạo dịch chuyển gương H1 H2 Hình 3.3: Sơ đồ tạo góc nhỏ xây dựng Quang lộ K2 thay đổi lượng ½ Lsin tương tự quang lộ K1 thay đổi lượng ½ Lsin Giá trị sin tỷ lệ với lượng biên thiên quang lộ K1 -K2 Giá trị góc  xác định: K −K K −K θ = arcsin ( ) ≅ ⁡ ⁡ (3.4) L L 3.3 Nghiên cứu ước lượng độ khơng đảm bảo đo tạo góc nhỏ 3.3.1 Phương pháp đánh giá độ không đảm bảo đo 3.3.2 Độ khơng đảm bảo đo tạo góc nhỏ Giá trị góc  xác định : ⁡⁡sin θ = ⁡ ∆h L (3.5) Độ không đảm bảo đo u() xác định: ∂θ ∂θ u(θ) = √[∂h u(h)] + [∂L u(L)] ; ∂θ ⁡⁡⁡∂h ∂θ h = L ⁡⁡và⁡ ∂L = − L2 (3.6) 3.3.2 Nghiên cứu, tính tốn xác định yếu tố độ khơng đảm bảo đo tạo góc nhỏ 3.3.3.1 Đánh giá độ không đảm bảo đo giao thoa kế laser uf(h) 18 Độ không đảm bảo đo giao thoa kế laser u(h) xác định bao gồm thành phần sau: u𝑓2 (h) = cλ2 u2 (λ) + ct2 u2 (t) + cp2 u2 (p) + cR2 u2 (R) (3.7) Trong đó: - u(λ): Thành phần độ khơng 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 giao thoa kế laser - u(p): Thành phần độ không đảm bảo đo phụ thuộc vào áp suất khí làm việc giao thoa kế laser - u(R): Thành phần độ không đảm bảo đo phụ thuộc vào độ ẩm không khí làm việc giao thoa kế laser Giao thoa kế laser hoạt động điều kiện mội trường Nhiệt độ: (20±1) oC; độ ẩm khơng khí: (50 ± 10) %R.H; Áp suất khí quyển: (101325 ± 100) Pa 3.3.2.2 Xác định điều kiện đảm bảo độ xác độ dài cánh tay địn Tại điều kiện mơi trường làm việc khoảng cách cánh tay đòn xác định cơng thức L = Lc + ∆t×α×Lc (3.8) Độ khơng đảm bảo đo độ dài cánh tay địn u(L) xác định u2 (L) = ⁡ [ ∂L ×u(LC )] ∂Lc +[ ∂L ×u(∆t)] ∂∆t +[ ∂L ×u(α)] ∂α (3.9) Trong giá trị u(LC ) xác định thông qua phép đo độ khoảng cách tâm hai gương góc Trong Lc: Độ dài cánh tay đòn điều kiện nhiệt độ tiêu chuẩn 20oC ∆t = (t T − 20)℃ , t T : Nhiệt độ làm việc tạo góc nhỏ.α hệ số dãn nở nhiệt vật liệu chế tạo thân cánh tay đòn 3.4 Nghiên cứu phương pháp đo xác độ dài cánh tay địn Luận án nghiên cứu đề xuất phương pháp đo khoảng cách tâm ảo hai gương góc Sơ đồ đo phương pháp thể hình 3.4 Phương pháp đo thực sau: Gương góc có góc đỉnh 90o gắn chặt thân cánh tay địn 2, tồn cánh tay địn đặt bàn đo dịch chuyển theo phương x máy đo 19 độ dài cấp xác cao.Nguồn phát tia laser cảm biến vị trí quang gắn cố định để thực phép đo khoảng cách Tại vị trí ban đầu tia laser phát tới gương góc vị trí A tới vị trí B phản xạ lại, cảm biến vị trí quang lưu lại xác định vị trí X1 tia laser phản xạ Di chuyển bàn đo đến vị trí lúc đỉnh gương nằm vị trí Y2, khoảng cách dịch chuyển bàn đo ký hiệu LD Tại vị trí tia laser tới gương vị trí C tiếp tục tới vị trí D phản xạ lại cảm biến vị trí quang điểm X2 Kết hợp khoảng cách chuyển bàn đo LD tọa độ X1,X2 xác định xác khoảng cách hai tâm ảo gương góc Hình 3.4: Sơ đồ ngun lý đo khoảng cách hai tâm ảo gương góc Độ khơng đảm bảo đo phép đo độ dài cánh tay địn tạo góc nhỏ u(LC) = 2,1 μm 3.5 Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo, tích hợp tạo góc nhỏ Bộ tạo góc nhỏ sử dụng giao thoa kế laser đo khoảng cách dịch chuyển 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 xây dựng 20 3.6 Đánh giá tạo góc nhỏ Luận án sử dụng ống tự chuẩn trực kiểu H&W số A142/12 137S hãng Higer Walt chế tạo có phạm vi đo (0-10)’và giá trị độ chia 0,2” đóng vai trị vật mẫu tiến hành đo so sánh với KRISS kết thể đồ thị hình 3.7 Thơng qua kết tính tốn Trị số En lớn điểm 4’50” -0,39 điểm 7’30” 0,39 Trị số : |En | Kết đo đạt yêu cầu Độ lệch ["] Biểu đồ so sánh Thứ tự điểm đo 0 1011121314151617181920212223242526 -2 KRISS thực Hình 3.7: Kết đo so sánh ống tự chuẩn trực với KRISS 3.7 Kết luận chương ba Khi tạo góc nhỏ theo ngun lý sin dùng độ xác phụ thuộc độ xác cánh tay đòn, thiết bị đo khoảng cách dịch chuyển - Luận án nghiên cứu đưa phương pháp đo khoảng cách tâm ảo hai gương góc cánh tay đòn, hai yếu tố quan trọng định đến độ xác tạo góc nhỏ Với phương pháp đo ứng dụng để đo đo độ dài cánh tay đòn đạt độ xác đến 2,1 µm - Phân tích yếu tố ảnh hưởng đến độ xác tạo góc nhỏ như: độ ổn định tâm quay, vị trí gương góc, xác lập điều kiện mơi trường làm việc tạo góc nhỏ đảm bảo độ xác theo yêu cầu 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) 21 - Để đạt yêu cầu khả tự hiểu chuẩn chuẩn đầu/quốc gia luận án dẫn truyền độ xác góc phương pháp đo độ dài từ giao thoa kế laser theo định nghĩa radian hệ đơn vị đo lường quốc tế SI CHƯƠNG 4: XÂY DỰNG HỆ THỐNG CHUẨN ĐO LƯỜNG QUỐC GIA LĨNH VỰC GĨC 4.1 Tích hợp hệ thống chuẩn đo lường quốc gia lĩnh vực góc Hình 4.1: Hệ thống chuẩn đo lường quốc gia lĩnh vực góc Hệ thống chuẩn đo lường quốc gia lĩnh vực góc kết hợp từ tạo góc nhỏ chuẩn góc tồn vịng giúp cho hệ thống thực việc hiệu chuẩn chuẩn, phương tiên đo góc nhỏ phạm vi đo đến 360o Hệ thống chuẩn đo lường quốc gia lĩnh vực góc xây dựng thực liên kết đến chuẩn tự nhiên (vịng trịn giá trị độ lớn 2π khơng có sai số) chuẩn góc tồn vịng Hệ thống liên kết đến định nghĩa radian hệ đơn vị SI xác định tỷ số chiều dài cung trịn bán kính thơng qua tạo góc nhỏ Luận án xây dựng phương pháp hiệu chuẩn ống tự chuẩn trực cách so sánh trực tiếp giá trị góc với giá trị góc tạo góc nhỏ vị trí đo Sử dụng phương pháp hiệu chuẩn chéo để hiệu chuẩn đa diện quang học sử dụng chuẩn góc tồn vịng 22 Hình 4.2 : Sơ đồ dẫn xuất chuẩn đo lường lĩnh vực góc 4.2 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 vòng 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 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 toán chương trình xử lý số liệu sở phương pháp EDA 23 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 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 thơng 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 địn, hai vấn đề quan trọng định đến độ xác tạo góc nhỏ Với phương pháp đo xây dựng đạt độ xác đo độ dài cánh tay địn đến 2,1 µm - Đã phân tích yếu tố ảnh hưởng đến độ xác tạo góc nhỏ, xác lập điều kiện mơi trường làm việc tạo góc nhỏ đảm bảo độ không 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 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 24 ... vị đo lường quốc tế SI CHƯƠNG 4: XÂY DỰNG HỆ THỐNG CHUẨN ĐO LƯỜNG QUỐC GIA LĨNH VỰC GĨC 4.1 Tích hợp hệ thống chuẩn đo lường quốc gia lĩnh vực góc Hình 4.1: Hệ thống chuẩn đo lường quốc gia lĩnh. .. đảm bảo đo U=0,08 - Tích hợp thành hệ thống chuẩn đo lường quốc gia lĩnh vực góc đáp ứng yêu cầu chuẩn đo lường quốc gia lĩnh vực góc theo quy hoạch phát triển chuẩn quốc gia Viện Đo lường Việt... 1.4 Hệ thống chuẩn đo lường quốc gia lĩnh vực góc số quốc gia giới Hệ thống chuẩn đo lường quốc gia lĩnh vực góc thường chuẩn đầu tức chuẩn có độ xác cao mà giá trị không dựa vào chuẩn khác đại