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

hát ra từ nguồn phát 5 phản xạ lại đi đến màn chắn 6, camera 7 sẽ chụp xác định vị trí tia laser phản xạ, mô hình thực nghiêm đo khoảng cách cánh tay đòn được thể hiện trên hình 3.15. Hình 3.15: Mô hình thực nghiêm đo khoảng cách cánh tay đòn Như đã phân tích ở bên trên độ chính xác của phép đo không chỉ phụ thuộc vào độ chính xác của giao thoa kế laser đo khoảng cách mà còn phụ thuộc rất nhiều đến độ chính xác khi xác định vị trí tia laser phản xạ. Việc xác định tâm của vết laser sử dụng phương pháp nội suy trọng tâm [4,19]. Theo phương pháp này trọng tâm của vết laser được xác định thông qua cường độ sáng của từng điểm ảnh không phụ thuộc vào hình dạng và dạng phân bố cường độ sáng của ảnh [21,52] chỉ cần hình dạng và phân bố cường độ của ảnh không thay đổi trong quá trình đo khi đó trọng tâm ảnh được xác định chính xác. Với phương pháp nội suy trọng tâm cho phép nội suy điểm ảnh nhỏ hơn kích thước của pixel ( sub pixel) Hình 3.16, thể hiện ảnh của tia laser phản xạ, giá trị x,y trên hình là tọa độ tâm của tia laser đơn vị là pixel. Hình 3.16: Ảnh camera thu được của tia laser phản xạ Quá trình quy đổi đơn vị pixel sang đơn vị độ dài mm được thực hiện như sau: dịch chuyển bàn đo một khoảng cách nhỏ (trong phạm vi của một gương góc) sao cho ảnh của tia laser phản xạ nằm trong trường quan sát, so sánh tọa độ dịch chuyển của ảnh với kết quả Gương góc Bàn đo dịch chuyển Giao thoa kế laser đo khoảng cách Camera Màn chắn Nguồn phát laser 98 hiển thị trên giao thoa kế laser đo độ dài sẽ xác định được giá trị một pixel tương ứng với bao nhiêu mm. Tiến hành đo khảo sát xác định giá trị quy đổi pixel sang mm kết quả đạt được mỗi một pixel tương ứng với 0,0032 mm. Độ lặp lại của camera xác định vị trí là 1 pixel Quá trình đo thử nghiệm được tiến hành trong điều kiện môi trường - Nhiệt độ: (20 ± 1) oC - Độ ẩm không khí: (40  60) %RH. - Áp suất khí quyển: (101325 ± 100) Pa 3.4.4. Độ không đảm bảo đo của phép đo chiều dài cánh tay đòn trên mô hình thực nghiệm. + Xác định thành phần u(LD) Trong phép đo chiều dài cánh tay đòn luận án sử dụng sử dụng giao thoa kế laser hai tần số để đo khoảng cách LD giống với thiết bị được sử dụng trong mục 3.3.2. Độ không đảm bảo của phép đo độ dài cánh tay đòn u(LC) được xác định theo công thức 3.21, khi đó thay thế giá trị h bằng khoảng cách dịch chuyển bàn đo trong trường hợp này lấy bằng giá trị LD giá trị dịch chuyển của bàn đo. + Xác định Giá trị 𝒖𝑨 Giá trị uA xác định thông qua phép đo lặp lại thực hiện lặp lại các phép đo khoảng cách LD Áp dụng công thức tính độ không đảm bảo loại A [24] : uA = √ ∑ (Li−L̅) n 1 2 (n−1)×n (3.56) Trong đó: Li : kết quả đo riêng rẽ n : là số lần đo L̅ : là giá trị trung bình của các lần quan trắc + Xác định 𝒖𝑪𝑴𝑹 - 𝑢𝐶𝑀𝑅: độ không đảm bảo đo của phép đo xác định vị trí tia laser phản xạ được xác định: uCMR 2 = 𝑐𝐶𝑀𝑅1 2 uCMR1 2 + 𝑐𝐶𝑀𝑅2 2 uCMR2 2 (3.57) Trong đó: 𝑢𝐶𝑀𝑅1: Thành phần độ không đảm bảo do ảnh hưởng giá trị độ chia của camera xác định vị trí 𝑢𝐶𝑀𝑅2 2 : Thành phần độ không đảm bảo đo do ảnh hưởng độ lặp lại của camera xác định vị trí. Theo GUM [24] giá trị 𝑐𝐶𝑀𝑅1 , 𝑐𝐶𝑀𝑅2 xác định như sau: 99 𝑐𝐶𝑀𝑅1 = 1 2√3 và 𝑐𝐶𝑀𝑅2 = 1 √3 (3.58) rc: Giá trị độ chia của camera, Rp: Độ lặp lại 3.5. Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo, tích hợp bộ tạo góc nhỏ 3.5.1. Sơ đồ nguyên lý Trên cơ sở nghiên cứu xây dựng các phương pháp khắc phục sai số, nghiên cứu phương pháp đánh giá độ không đảm bảo đo, mục tiêu của luận án đề ra đối với của bộ tạo góc nhỏ: + Phạm vi tạo góc ± 30' + Độ không đảm bảo đo U =0,1" Luận án đã thiết kế tích hợp bộ tạo góc nhỏ có sơ đồ nguyên lý như trên hình 3.17. Hình 3.17: Sơ đồ kết cấu bộ tạo góc nhỏ được thiết kế Chùm tia laser phát ra từ giao thoa kế laser hai tần số HP 5529 A 5 qua bộ tách tia 6 chia thành hai chùm tia có tần số là f1 và f2. tia f1 đi vào gương 7 H1, tia f2 đi vào gương 3 H2 thông qua gương góc 450 4. Hai gương góc phản xạ (corner cube) H1 và H2 được gắn chặt vào cánh tay đòn 1, tia f1 và f2 sau khi phản xạ kết hợp với nhau tại bộ thu nhận tín hiệu của giao thoa kế laser. Khi xoay cánh tay đòn một góc bằng cách vặn vít me đo 2 tạo ra sự dịch chuyển gương H1 và H2, thành phần f2 – f1 thay đổi một lượng f tỷ lệ với sự dịch chuyển của gương, giá trị góc  được xác định bằng tỷ số giữa khoảng dịch chuyển h và chiều dài cánh tay đòn L. 5 1 4 f1 f2 f2 – f1 ± ∆f f1 2 L 3 6 7 H1 H2 100 3.5.2. Cánh tay đòn Hình 3.18: Kết cấu cánh tay đòn Cánh tay đòn là cụm chi tiết quan trọng của bộ tạo góc nhỏ, để đảm bảo kết cấu cứng vững, cơ cấu tạo chuyển động quay của cánh tay đòn là pam me (2). Hai gương góc phản xạ (3) được lắp cố định trên thân cánh tay đòn, khoảng cách giữa hai tâm gương chính là khoảng cách cánh tay đòn L là một trong hai kích thước quan trọng ảnh hưởng đế độ chính xác của bộ tạo góc nhỏ. Luận án thiết kế chế tạo bộ tạo góc nhỏ có giá trị danh nghĩa chiều dài cánh tay đòn L= 300 mm. 3.5.3. Giao thoa kế laser Bộ tạo góc nhỏ sử dụng giao thoa kế laser: - Hãng sản xuất: HEWLETT PACKARD - Nước sản xuất: Mỹ - Ký hiệu HP5529A Số hiệu: S/N 3403A00531 + Phạm vi đo: (0-30) m + Độ chính xác ổn định tần số tương đối: 2,9 x 10-9. Bước sóng của giao thoa kế laser được so sánh trực tiếp với nguồn laser He-Ne ổn định tần số bằng I ốt bước sóng 633 nm chuẩn đầu đo lường lĩnh vực độ dài. 3.5.4 Phần mềm đo Trong quá trình nghiên cứu thiết kế bộ tạo góc nhỏ đã tìm hiểu phần mềm đo góc của nguồn giao thoa kế laser, cải tiến phần mềm để phù hợp với các kích thước động học của bộ tạo góc nhỏ 101 \ Hình 3.19: Giao diện phần mềm của bộ tạo góc nhỏ Nội dung chủ yếu là dựa trên các kích thước chiều dài cánh tay đòn khảo sát tính toán giá trị hệ số giao thoa ( Optics Calibration Factor). Bộ tạo góc nhỏ được chế tạo và lắp đặt trên tấm đế bằng thép dầy 20 mm bao gồm các cụm chi tiết cánh tay đòn được chế tạo bằng hợp kim nhôm trên đó có gắn 02 gương góc phản xạ khoảng cách giữa hai tâm gương chính là chiều dài cánh tay đòn L được xác định theo phương pháp được xây dựng theo mục 3.4.3. Luận án đã sử dụng ổ quay có điều chỉnh được khe hở căn chỉnh khe hở của ổ quay. Pan me dịch chuyển có phạm vi đo (0-25) mm, giá trị độ chia 0,001 mm dùng để tạo ra chuyển động quay mịn và chính xác. Hình 3.20: Bộ tạo góc nhỏ 02 gương phản xạ góc Cánh tay đòn Nguồn laser Đế Bộ tách tia 102 3.6. Tính toán độ không đảm bảo đo của bộ tạo góc nhỏ được chế tạo Bộ tạo góc nhỏ được chế tạo có giá trị danh nghĩa chiều dài cánh tay đòn L= 300 mm Phạm vi tạo góc lớn nhất của bộ tạo góc nhỏ ± 30', như vậy góc θ sẽ dịch chuyển từ - 30' đến +30', khi đó khoảng dịch chuyển h lớn nhất hM xác định hM = 2 × L × sin θMax = 2 × 300 × sin 30 ′ = 5,23 mm ( 3.59) 3.6.1. Xác định các thành phần độ không đảm bảo đo uf(h) của giao thoa kế laser Bộ tạo góc nhỏ được sử dụng trong điều kiện môi trường như sau: - Nhiệt độ: (20 ± 1) oC - Độ ẩm không khí: (50 ± 10) %RH. - Áp suất khí quyển: (101325 ± 100) Pa Thành phần độ không đảm bảo đo của giao thoa kế laser đo khoảng dịch chuyển h của bộ tạo góc nhỏ được chế tạo làm việc tại điều kiện môi trường phòng thí nghiệm được cho trong bảng 3.2 khi đó các giá trị u(t), u(R), u(p) được xác định :u(t) =1oC , u(R) = 10 % RH, u(p) = 100 Pa Bảng 3.2 Thành phần độ không đảm bảo đo của giao thoa kế laser Thành phần Độ lớn Loại Hệ số nhậy ci = ix f   )(.(h)u i ii xuc Bước sóng laser u1(λ)= 1,45 ×10-9 u1(λ)=1,1610-8 B h 1,45 ×10-9h 1,1610-8h Sai số phương trình Edlen 5×10-8 B h 5 √3 × 10−8 × h Nhiệt độ không khí u(t) B -9,310-7h 1 √3 × 9,3 × 10−7 × h Áp suất khí quyển u(p) B 2,710-9 100 √3 × 2,7 × 10−9 × h Độ ẩm không khí u(R) B -8,510-9h 10 √3 × 8,5 × 10−9 × h u(h) Giá trị u(h) được xác định theo công thức 3.44, thay giá trị u(t), u(h), u(R) như trên ta có u(h) u𝑓 2(h) = (1,45 × 10−9 × ℎ)2 + (1,16 × 10−8)2 + (2,89  10 − 8 × h)2 + (0,58 × 9,3 × 10−9 × h)2 + (57,73 × 2,7 × 10−9 × h)2 + (5,78 × 8,5 × 10−9 × h)2 (3.60) 103 uf(h) = 0,5610-6h = 0, 56h µm (3.61) Trong đó giá trị h khoảng dịch chuyển của gương góc tính bằng m. Khoảng dịch chuyển h trong bộ tạo góc nhỏ có gía trị lớn nhất là 5,3 mm (0,0053 m) thay thế giá trị hM vào công thức 3.61 ta có uf(h) = 0,560,0053 = 0,00296 µm (3.62) 3.6.2 Tính toán thành phần độ không đảm bảo đo 𝒖𝒂(𝒉) do ảnh hưởng của việc lắp đặt hệ thống Thành phần 𝒖𝒂(h ) gây ra do việc lắp đặt hệ thống, khi lắp đặt đoạn AB đường thẳng nối hai tâm của gương góc phản xạ không vuông góc với chùm tia laser phát ra như trên hình 3.21. Khi đó khoảng dịch chuyển h1 và h2 thay đổi một lượng: - h1(1-cos) - h2 (1-cos) Hình 3.21: Sơ đồ tính toán ĐKĐB đo do lắp đặt hệ thống Với góc  nhỏ ta có cos(α) ≅ 1 − α2 2 ( 3.63) h1(1 − cosα) ≅ 1 2 h1α 2 ( 3.64) h2(1 − cosα) ≅ 1 2 h2α 2 (3.65) Trong kỹ thuật đo độ dài, thành phần sai số d thuộc loại sai số cosin h = h1(1 − cosα) + h2(1 − cosα) ≅ 1 2 α2(h1 + h2) (3.66) Xét theo phân bố hình chữ nhật ta có: ua(h) = h 2×√3 = α2(h1+h2) 2×√3 (3.67) Luận án đã tiến hành lắp đặt căn chỉnh bộ tạo góc nhỏ xác định góc  có giá trị lớn nhất là 0,0029 rad. Thành phần độ không đảm bảo đo ua(h) được xác định α A B Gương 45o Nguồn laser 104 ua(h) = h 2 × √3 = α2(h1 + h2) 2 × √3 = 0,00292 × 5,23 2 × √3 = 0,000013 mm = 0,013 μm Độ không đảm bảo đo u(h) được xác định u2(h) = uf 2(h) + ua 2(h) (3.68) u (h) = √0,002962 + 0,0132= 0,0133µm (3.69) 3.6.3. Xác định thành phần u(L) Theo công thức 3.45 mục 3.3.3.1 xác định chiều dài cánh tay đòn và công thức 3.46 tính toán độ không đảm bảo đo u(L) bao gồm hai thành phần - Thành phần u(LC) được xác định thông qua phép đo độ dài khoảng cách tâm giữa hai gương góc - Thành phần độ không đảm bảo đo uE(L) phụ thuộc vào điều kiện môi trường làm việc của bộ tạo góc nhỏ. 3.6.3.1 Xác định giá trị u(LC) Áp dụng phương pháp tính được thể hiện trong mục 3.4.2 tính toán u(LC) đối với bộ tạo góc nhỏ được chế tạo như sau - Xác định Giá trị 𝑢𝐴 Luận án đã tiến hành đo thử nghiệm để xác định giá trị uA kết quả đo thử nghiệm được cho trong bảng 3.3 Bảng 3.3: Kết quả đo lặp lại chiều dài cánh tay đòn TT Kết quả đo TT Kết quả đo TT Kết quả đo TT Kết quả đo (mm) (mm) (mm) (mm) 1 ` 14 299,9821 27 299,9891 39 299,9883 2 299,9861 15 299,9864 28 299,9881 40 299,9868 3 299,9884 16 299,9892 29 299,9883 41 299,9831 4 299,9886 17 299,9876 30 299,9871 42 299,9887 5 299,9857 18 299,9862 31 299,9838 43 299,9896 6 299,9864 19 299,9836 32 299,9861 44 299,9832 7 299,9846 20 299,9879 33 299,9838 45 299,9863 8 299,9832 21 299,9863 34 299,9847 46 299,9839 9 299,9834 22 299,9872 35 299,9836 47 299,9837 10 299,9838 23 299,9838 36 299,9857 48 299,9834 11 299,9882 24 299,9857 37 299,9859 49 299,9861 12 299,9866 25 299,9838 38 299,9834 50 299,9898 13 299,9892 26 299,9878 Áp dụng công thức tính 3.13 độ không đảm bảo loại A : 105 uA = √ ∑ (LDi−L̅𝐷) n 1 2 (n−1)×n = 0,0003 mm = 0,3 μm (3.70) Trong đó: Li : kết quả đo riêng rẽ n : là số lần đo 𝐿𝐷̅̅̅̅ : là giá trị trung bình của các lần quan trắc L̅𝐷 = ∑ Li n 1 n = 299,9861 mm (3.71) - Xác định u(LD) Thành phần độ không đảm bảo đo của máy đo chiều dài khi xác định khoảng cách LD được xác định thông qua đặc trưng kỹ thuật của máy đo độ dài xác định khoảng cách LD. Luận án sử dụng đồng thời giao thoa kế laser hai tần số tiến hành đo khoảng cách LD, và khoảng cách dịch chuyển gương góc h của bộ tạo góc nhỏ. Do đó có thể sử dụng phương pháp tính độ không đảm bảo đo giao thoa kế laser mục 3.61 để xác định độ không đảm bảo của phép đo độ dài cánh tay đòn u(LD), khi đó thay giá trị h bằng giá trị LD. u(LD) = 0,5610-6LD = 0, 56LD µm (3.72) Giá trị LD được xác định bằng kết quả trung bình L̅𝐷 = 299,9861 mm u(LD) = 0, 560,2999861 = 0,18 µm (3.73) Trong công thức 3.69 giá trị LD được đổi sang đơn vị m. - Xác định 𝑢𝐶𝑀𝑅 Thành phần độ không đảm bảo đo của phép đo xác định vị trí tia laser phản xạ được xác định theo công thức 3.57, sử dụng các số liệu tính trong mục 3.4.3. uCMR 2 = ( 1 2√3 ) 2 × 3,22 + ( 1 √3 ) 2 × 3, 22 (3.74) uCMR = √( 1 2√3 ) 2 × 3,22 + ( 1 √3 ) 2 × 3, 22 = 2,07 µm (3.75) 3.6.3.2. Xác định thành phần độ không đảm bảo đo 𝑢𝐸(𝐿) Bộ tạo góc nhỏ làm việc trong môi trường phòng thí nghiệm, nhiệt độ phòng thí nghiệm biến thiên điều này dẫn đến chiều dài cánh tay đòn L cũng thay đổi ảnh hưởng đến độ không đảm bảo đo tổng của bộ tạo góc nhỏ. Bộ tạo góc nhỏ làm việc trong điều kiện nhiệt độ biến thiên trong khoảng : (20 ± 1) oC, áp dụng công thức 3.46 và 3.47. 𝑢𝐸 2(𝐿) = [𝑐∆𝑡 × u(∆t)] 2 + [𝑐𝛼 × u(α)] 2 (3.76) Vật liệu chế tạo thân cánh tay đòn là hợp kim A600 có hệ số dãn nở nhiệt α = (14±1,4) ×10-6 / oC, do đó u(α) có giá trị là 1,4  10-6 phân bố hình chữ nhật. 106 Khoảng biến thiên nhiệt độ so với nhiệt độ tiêu chuẩn 20oC là ± 1oC, độ không đảm bảo đo u(t) = 1 và có phân bố hình chữ nhật. 𝑐∆𝑡 = ∂L ∂∆t = α × Lc ; 𝑐𝛼 = ∂L ∂α = ∆t × Lc Giá trị uE(L) được xác định uE(L) = √[14 × 10−6 × 0,2999861 × 1 √3 ]2 + [1 × 0,2999861 × 1,4×10−6 √3 ] = 2,4 μm (3.77) Độ không đảm bảo đo chiều dài cánh tay đòn u(L) được xác định u(L) = √uA 2 + uLD 2 (LD) + uCMR 2 + uE 2(L) u(L) = √0, 32 + 0,182 + 2,072 + 2, 42 = 3,19 μm (3.78) 3.6.4 Xác định độ không đảm bảo đo tổng hợp chuẩn 𝒖𝒄(𝜽)của bộ tạo góc nhỏ Độ không đảm bảo đo tổng hợp của bộ tạo góc phẳng nhỏ được xác định theo công thức 3.18: uc(θ) = √( 1 L × u(h)) 2 + ( h L2 × u(L)) 2 (3.79) uc(θ) = √[ 1 299,9861 × 0,0000133] 2 + [ 5,23 299,98612 × 0,00319 ] 2 = 1,9 × 10−7 𝑟𝑎𝑑 (3.80) Giá trị uc(θ) = 1,9 × 10 −7 𝑟𝑎𝑑 đổi sang đơn vị giây uc(θ) ≅ 0,04" Độ không đảm bảo đo mở rộng của bộ tạo góc nhỏ được xác định theo tiêu chuẩn ISO/IEC 17025 với hệ số phủ k=2 U = k × uc(θ) = 2 × 0,04 = 0,08 3.7. Đánh giá bộ tạo góc nhỏ bằng phương pháp so sánh liên phòng Do bộ tạo góc nhỏ là chuẩn đo lường được xây dựng theo dạng chuẩn đầu nên phương pháp đánh giá độ chính xác của nó là xây dựng phương pháp tính toán độ không đảm bảo đo của các yếu tố thành phần và của cả hệ thống. Đồng thời để kiểm chứng lại kết quả tính toán độ chính xác luận án tiến hành so sánh liên phòng với phòng thí nghiệm đo lường độ dài của KRISS. Sử dụng ống tự chuẩn trực kiểu H&W số A142/12 137S do hãng Higer Walt chế tạo có phạm vi đo (0-10)' và giá trị độ chia 0,2"làm vật mẫu. Phương pháp đo được thực hiện bằng cách đặt gương phẳng lên bàn đo của bộ tạo góc nhỏ, điều chỉnh trục đo của ống tự chuẩn trực (vật mẫu) vuông góc với mặt phản xạ của gương phẳng, xác định vị trí gốc sau đó lần lượt quay bộ tạo góc nhỏ tạo thành các góc cách nhau 30, Độ lệch góc do của ống tự chuẩn trực được xác định: 107 do = MC − M0 (3.81) Trong đó: , MC, Mo là giá trị đọc trên bộ tạo góc nhỏ và ống tự chuẩn trực cùng một vị trí đo. Kết quả đo của KRISS được cho trong giấy chứng nhận hiệu chuẩn số:07-04231-003 Kết quả đo của luận án được cho trong giấy chứng nhận hiệu chuẩn V01.CN5.0003.17 Kết quả đo so sánh như sau: Bảng 3.4: Kết quả đo so sánh ống tự chuẩn trực với KRISS Thứ tự Giá trị danh nghĩa Độ lệch ["] Trị số En KRISS Luận án 1 0’ 0 0 0.00 2 30” 0 0 0.00 3 1’ 0 -0.1 0.20 4 1’30” -0.1 0 -0.20 5 2 0 -0.1 0.20 6 2’30” -0.1 0 -0.20 7 3’ -0.1 0 -0.20 8 3’30” -0.1 -0.1 0.00 9 4’ 0 -0.1 0.20 10 4’30” -0.1 -0.2 0.20 11 4’40” -0.1 0 -0.20 12 4’50” -0.1 0.1 -0.39 13 5’ (Điểm gốc) 0 0 0.00 14 5,10” 0 0 0.00 15 5’20” 0 0.1 -0.20 16 5’30” 0 0.1 -0.20 17 6’ 0 -0.1 0.20 18 6’30” -0.1 -0.1 0.00 19 7’ -0.1 -0.2 0.20 20 7’30” -0.1 -0.3 0.39 21 8’ -0.2 -0.1 -0.20 22 8’30” -0.3 -0.2 -0.20 23 9’ -0.4 -0.5 0.20 24 9’30” -0.4 -0.5 0.20 25 10’ -0.5 -0.6 0.20 108 Hình 3.22 : Biểu đồ so sánh kết quả hiệu chuẩn ống tự chuẩn trực giữa KRISS và luận án thực hiện Tiến hành so sánh kết quả đo giữa VMI và KRISS thông qua tính toán trị số En công thức En = xlab−xref √URef 2 +ULab 2 (3.82) Trong đó: - xref và xlab Là kết quả đo tại KRISS và kết quả đo do luận án thực hiện - Uref và Ulab là độ không đảm bảo đo của KRISS và độ không đảm bảo đo tại do luận án thực hiện. Thông qua kết quả tính toán Trị số En lớn nhất là tại điểm 4’50” là -0,39 tại điểm 7’30” là 0,39. Trị số : |En | 1 Kết quả đo đạt yêu cầu 3.8. Kết luận chương ba Khi tạo góc nhỏ theo nguyên lý sin dùng độ chính xác của nó phụ thuộc độ chính xác của cánh tay đòn, và thiết bị đo khoảng cách dịch chuyển. - Luận án đã nghiên cứu đưa ra phương pháp đo khoảng cách tâm ảo giữa hai gương góc của cánh tay đòn, đây là một trong hai yếu tố quan trọng quyết định đến độ chính xác của bộ tạo góc nhỏ. Với phương pháp đo mới này đã ứng dụng để đo đo độ dài cánh tay đòn đạt độ chính xác đến 2,07 µm. - Phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác của bộ tạo góc nhỏ như: độ ổn định tâm quay, vị trí gương góc, xác lập điều kiện môi trường làm việc của bộ tạo góc nhỏ đảm bảo độ chính xác theo yêu cầu nhỏ hơn 0,1 . - Bộ tạo góc nhỏ được 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 chính xác của bộ tạo góc nhỏ đạt được đã được kiểm chứng thông qua so sánh quốc tế với Viện nghiên cứu về chuẩn và khoa học Hàn Quốc (KRISS). -1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 Đ ộ lệ ch [ "] Thứ tự điểm đo Biểu đồ so sánh KRISS thực hiện Luận án thực hiện 109 - Để đạt được yêu cầu về khả năng tự hiểu chuẩn đối với chuẩn đầu/quốc gia, luận án đã dẫn truyền độ chính xác góc bằng phương pháp đo độ dài từ giao thoa kế laser theo định nghĩa radian trong hệ đơn vị đo lường quốc tế SI. 110 CHƯƠNG 4 XÂY DỰNG HỆ THỐNG CHUẨN ĐO LƯỜNG QUỐC GIA LĨNH VỰC GÓC Nội dung nghiên cứu của chương này bao gồm: nghiên cứu đưa ra yêu cầu về hệ thống chuẩn đo lường quốc gia lĩnh vực góc, tích hợp chuẩn góc nhỏ và chuẩn góc toàn vòng thành hệ thống chuẩn. Xây dựng sơ đồ dẫn xuất chuẩn đo lường lĩnh vực góc tại Việt Nam, xây dựng phương pháp hiệu chuẩn ống tự chuẩn trực và đa diện góc sử dụng hệ thống chuẩn mới được chế tạo. 4.1. Hệ thống chuẩn đo lường quốc gia lĩnh vực góc Hệ thống chuẩn đo lường quốc gia lĩnh vực góc phải đảm bảo đầy đủ các yêu tố kỹ thuật để hiệu chuẩn được các chuẩn, phương tiện đo góc trong xã hội và nghiên cứu khoa học của quốc gia. Dựa trên các kết quả nghiên cứu của luận án thiết lập hệ thống chuẩn quốc gia lĩnh vực góc theo sơ đồ hình 4.1 Hình 4.1: Sơ đồ khối hệ thống chuẩn đo lường quốc gia lĩnh vực góc Chuẩn góc công tác, phương tiên đo góc HỆ THỐNG CHUẨN ĐO LƯỜNG QUỐC GIA LĨNH VỰC GÓC Ống tự chuẩn Trực Độ phân giải: 0, 010,1 Độ không đảm bảo đo U= (0,10, 3) Chuẩn góc toàn vòng Độ chính xác: 0,3" Tự hiệu chuẩn theo phương pháp EDA áp dụng nguyên lý vòng tròn khép kín. Bộ tạo góc nhỏ sử dụng giao thoa Laser Phạm vi đo: ±30' U = 0, 08 Liên kết trực tiếp đến chuẩn đầu độ dài Đa diện góc Độ không đảm bảo đo U=0,3" 111 Hệ thống chuẩn đo lường quốc gia lĩnh vực góc phải thực hiện được việc duy trì và dẫn xuất chuẩn đo lường góc, từ các các chuẩn thuộc hệ thống chuẩn đo lường quốc gia đơn vị góc được sao truyền xuống chuẩn, phương tiện đo góc có độ chính xác thấp hơn đáp ứng nhu cầu của cơ sở. Nghiên cứu, xây dựng chuẩn đo lường quốc gia lĩnh vực góc phải đảm bảo việc liên kết chuẩn, đánh giá được độ chính xác của chuẩn, đảm bảo độ ổn định của chuẩn. 4.2. Tích hợp hệ thống chuẩn đo lường quốc gia lĩnh vực góc Hệ thống chuẩn đo lường quốc gia lĩnh vực góc được kết hợp từ bộ tạo góc nhỏ và chuẩn góc toàn vòng giúp cho hệ thống thực hiện được việc hiệu chuẩn các chuẩn, phương tiên đo góc nhỏ và phạm vi đo đến 360o. Hệ thống được thực hiện bằng cách cố định chuẩn góc toàn vòng lên bàn đo của bộ tạo góc nhỏ như trên hình 4.2. Hình 4.2: Hệ thống chuẩn đo lường quốc gia lĩnh vực góc Hệ thống bao gồm chuẩn góc nhỏ và chuẩn góc toàn vòng, việc tích hợp này giúp cho hệ thông làm việc ổn định thỏa mãn được yêu cầu về độ chính xác khi hiệu chuẩn các chuẩn góc khác như ống tự chuẩn trực và đa diện góc. Trong trường hợp hiệu chuẩn đa diện góc bằng phương pháp hiệu chuẩn chéo sự kết hợp này sẽ nâng cao khả năng đọc, độ chính xác của thiết bị bằng cách quay chuẩn góc toàn vòng mang đa diện góc đến vị trí cần đo sau đó tiếp tục tinh chỉnh bằng bộ tạo góc nhỏ đến giá trị cần kiểm. Tổng hợp số đọc trên chuẩn góc toàn vòng và bộ tạo góc nhỏ chính là số đọc khi hiệu chuẩn đa diện góc hay nói cách khác khi hiệu chuẩn đa diện quang học phạm vi đo phụ thuộc và chuẩn góc toàn vòng, độ Bộ tạo góc nhỏ Chuẩn góc toàn vòng Đa diện góc Ống tự chuẩn trực 112 chính xác phụ thuộc bộ tạo góc nhỏ. Khi tiến hành hiệu chuẩn ống tự chuẩn trực gương đo sẽ được đặt lên bàn đo của chuẩn góc toàn vòng cố định bàn đo của chuẩn góc toàn vòng lúc này chuẩn góc toàn vòng có tác dụng như một đồ gá để thực hiện việc hiệu chuẩn. Hệ thống chuẩn đo lường quốc gia lĩnh vực góc được xây dựng có đặc trưng kỹ thuật Bảng 4.1: Đặc trưng kỹ thuật của chuẩn đo lường lĩnh vực góc Chuẩn góc toàn vòng Tên gọi Đặc trưng kỹ thuật Đĩa chia độ 10800 vạch Giá trị vạch chia 20μm Đầu đọc 06 đầu đo SMD-01 Bộ nội suy tín hiệu Nội suy 210 bit ( X 1024) Độ phân giải thiết bị 0,12” Sai số ± 0,3 Bộ tạo góc nhỏ Cánh tay đòn L = (299,9861 ± 0,00207) mm Giao thoa kế laser đo khoảng cách dịch chuyển h Laser He-Ne bước sóng 633 nm ổn định tần số 2×10-9 Được dẫn xuất trực tiếp từ nguồn laser ổn định tần số bằng i ốt chuẩn đầu/quốc gia đo lường độ dài Phạm vi đo ± 30´ Bước dịch chuyển 1 Độ không đảm bảo đo U=0,08 Luận án sử đã tích hợp một số chuẩn góc để xây dựng hệ thống chuẩn đo lường quốc gia lĩnh vực góc phẳng: + Giao thoa kế laser HP 5529A + Ống tự chuẩn trực H&W 137S + Đa diện quang học H&W LE 3573 4.3. Dẫn xuất chuẩn đo lường lĩnh vực góc Hệ thống chuẩn đo lường quốc gia lĩnh vực góc được xây dựng thực hiện liên kết đến chuẩn tự nhiên (vòng tròn giá trị độ lớn 2π không có sai số) đối với chuẩn góc toàn vòng. Hệ thống cũng được liên kết đến định nghĩa radian trong hệ đơn vị SI được xác định bằng tỷ số giữa chiều dài cung tròn và bán kính thông qua bộ tạo góc nhỏ. Chuẩn đơn vị góc từ hệ thống chuẩn đo lường quốc gia lĩnh vực góc sẽ được duy trì và dẫn xuất tới chuẩn, phương tiện đo góc có độ chính xác thấp hơn [43]. Để đảm bảo duy trì độ chính xác của chuẩn đối 113 với chuẩn góc toàn vòng phải xây dựng quy trình đánh giá chuẩn thông qua phương pháp tự hiệu chuẩn. Xác định độ chính xác của bộ tạo góc nhỏ thông qua phép đo chiều dài như xác định chính xác cánh tay đòn, giao thoa kế laser đo khoảng cách dịch chuyển sẽ được liên kết đến nguồn laser ổn định tần số bằng i ốt chuẩn đầu đo lường độ dài. Hình 4.3: Sơ đồ dẫn xuất chuẩn đo lường lĩnh vực góc Sử dụng bộ tạo góc nhỏ để hiệu chuẩn ống tự chuẩn trực, kết hợp chuẩn góc toàn vòng với ống tự chuẩn trực hiệu chuẩn đa diện quang học, căn mẫu góc. Đối với các thiết bị mã hóa góc quay (Rotary Encoder) được hiệu chuẩn trực tiếp thông qua chuẩn góc toàn vòng. Nguồn laser ổn định tần số bằng Iốt Bước sóng 633 nm chuẩn đầu đo lường lĩnh vực độ dài Ống tự chuẩn trực cấp chính xác cao Ống tự chuẩn trực Ni vô điện tử.. Vòng tròn khép kín chuẩn tự nhiên góc phẳng 2π Bộ tạo góc nhỏ Phạm vi đo: ± 30´ U=0,08 Chuẩn góc toàn vòng gia số Độ chính xác 0,3 Hệ thống chuẩn đo lường quốc gia lĩnh vực góc Đa diện quang học Căn mẫu góc Bàn quay phân độ Chuẩn, thiết bị đo góc dùng trong sản xuất và nghiên cứu khoa học và đo lường dân dụng 114 4.4. Xây dựng phương pháp hiệu chuẩn sử dụng chuẩn đo lường góc được thiết lập 4.4.1. Xây dựng phương pháp hiệu chuẩn ống tự chuẩn trực sử dụng bộ tạo góc nhỏ Ống tự chuẩn trực là chuẩn góc nhỏ có độ chính xác cao được sử dụng rộng rãi trong việc hiệu chuẩn và kỹ thuật đo góc. Nguyên lý hoạt động của ống tự chuẩn trực được trình bày trong mục 1.2.1.1.Xây dựng phương pháp hiệu chuẩn ống tự chuẩn trực sử dụng bộ tạo góc nhỏ đảm bảo độ chính xác, thực hiện sao truyền chuẩn là một trong nhiệm vụ xây dựng hệ thống chuẩn đo lường quốc gia lĩnh vực góc. Phương pháp hiệu chuẩn ống tự chuẩn trực được cũng dược sử dụng để thực hiện so sánh liên phòng với các phòng thí nghiệm khác. 4.4.1.1 Sơ đồ hiệu chuẩn Lắp đặt ống tự chuẩn trực và bộ tạo góc nhỏ theo sơ đồ, điều chỉnh ống tự chuẩn trực sao cho truc đo của ống tự chuẩn trực vuông góc với mặt gương phẳng như trên hình 4.4. Hình 4.4: Sơ đồ hiệu chuẩn ống tự chuẩn trực sử dụng bộ 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 chính xác của phép hiệu chuẩn Hình 4.5: Sơ đồ tính toán ảnh hưởng của vị trí đặt gương trên bàn đo của bộ tạo góc nhỏ xx’ O yy’ a θ θ Bàn đo Gương phẳng Ống tự chuẩn trực H1 H2 115 Giả sử gương phẳng đặt trên bàn đo của bộ tạo góc nhỏ phương y măt phẳng gương không trùng với phương x đi qua tâm bàn đo cách nhau môt đọan a như hình 4.5. Khi bàn đo quay môt góc θ trục x quay đến vị trí x’ khi đó mặt gương phẳng cũng quay một góc  do tính chất song song của đường thẳng. Nguyên lý hoạt động của bộ tạo góc nhỏ không đòi hỏi vị trí của gương phẳng trùng với tâm của bàn đo bộ tạo góc nhỏ điều này giúp cho việc gá đặt gương phẳng được thuận tiện trong quá trình hiệu chuẩn. 4.4.1.2. Xác định vị trí kiểm ban đầu (vị trí gốc) Trong quá trình hiệu chuẩn, vị trí 0 của bộ tạo góc nhỏ là vị trí khi đó đường thẳng nối hai tâm của gương góc phản xạ H1 và H2 vuông góc với tia đo của giao thoa kế laser hình 4.4. Khi tiến hành hiệu chuẩn ống tự chuẩn trực phải điều chỉnh điểm giữa của thang đo của ống tự chuẩn trực trùng với vị trí 0 của bộ tạo góc như trên hình 4.6. Hình 4.6: Sơ đồ xác định điểm gốc khi hiệu chuẩn ống tự chuẩn trực Nếu thang đo của ống tự chuẩn trực có dạng ± α thì điểm 0 của ống tự chuẩn trực trùng với điểm 0 của bộ tạo góc nếu thang đo của ống tự chuẩn trực có dạng (0~ α) khi đo điểm đo có giá trị α/2 sẽ là điểm gốc và được điều chỉnh trùng với điểm 0 của bộ tạo góc. Khi tiến hành hiệu chuẩn điều chỉnh vị trí kiểm theo hai hướng của bộ tạo góc nhỏ, điều này giúp cho việc dịch chuyển tạo khoảng cách dịch chuyển h của gương H1 và H2 h là nhỏ nhất mà vẫn kiểm được toàn bộ thang đo của ống tự chuẩn trực. 4.4.1.3. Phương pháp hiệu chuẩn Điều chỉnh du xích panme của bộ tạo góc nhỏ về vị trí: 12.5 mm theo thiết kế đây chính là vị trí gốc của bộ tạo góc nhỏ, vị trí này đảm bảo tia đo của nguồn laser vuông góc với đường thẳng nối tâm của hai gương góc. Đặt gương phẳng lên bàn đo điều chỉnh ống tự chuẩn trực sao cho trục đo của nó vuông góc với mặt gương phẳng, căn chỉnh chiều cao tiêu của ống tự chuẩn trực trùng với tâm của gương. Điều chỉnh vị trí đo theo phương đứng và ngang của ống tự chuẩn trực cho tới khi trùng với điểm gốc phép đo. Từ vị trí gốc điều chỉnh cách tay đòn về hai phía để tạo ra tập hợp các góc chuẩn so sánh với giá trị hiển thị trên ống tự chuẩn trực. Sai số được xác định bằng hiệu số giữa giá trị chỉ thị trên ống tự chuẩn trực và giá trị góc của thiết bị tạo góc. - + T h an g đ o c ủ a Ố n g t ự c h u ẩn t rự c Ống tự chuẩn trực được hiệu chuẩn 116 4.4.1.4. Độ không đảm bảo đo của phép hiệu chuẩn ống tự chuẩn trực sử dụng bộ tạo góc nhỏ Độ không đảm bảo đo của phép hiệu chuẩn ống tự chuẩn trực được xác định theo công thức 4.4 [24] như sau uEA 2 (θ) = uc 2(θ) + uR 2 (θ) + uA 2 (θ) (4.4) Trong đó: uEA(θ): Độ không đảm bảo đo của phép hiệu chuẩn ống tự chuẩn trực. uc (θ): Độ không đảm bảo đo của bộ tạo góc nhỏ uR (θ): Độ không đảm bảo đo phụ thuộc độ phân giải của ống tự chuẩn trực được hiệu chuẩn. Giá trị uR (θ): được xác định: uR = r 2×√3 (4.5) Trong đó r: độ phân giải của ống tự chuẩn trực được hiệu chuẩn uA (θ): Thành phần độ không đảm bảo đo của phép đo lặp khi hiệu chuẩn ống tự chuẩn trực. uA (θ): được xác định trên cở sở tính toán độ lệch chuẩn thực nghiệm [24]. uA(θ) = √ ∑ (Mi−M̅) n 1 2 (n−1)×n (4.6) Trong đó Mi : Là kết quả đo lặp lại ống tự chuẩn trực trên cùng một vị trí đo n: Số lần đo Luận án đã tiến hành hiệu chuẩn ống tự chuẩn trực theo phương pháp mới được sử dụng sử dụng bộ tạo góc nhỏ, Kết quả giấy chứng nhận hiệu chuẩn số: V01.CN5.0004.17 4.4.2. Xây dựng phương pháp hiệu chuẩn đa diện góc Thực hiện hiệu chuẩn đa diện góc bằng cách sử dụng tổ hợp chuẩn góc toàn vòng và ống tự chuẩn trực để thực hiện trên cơ sở nguyên lý vòng tròn khép kín kép phương pháp này còn được gọi là phương pháp hiệu chuẩn chéo [40]. Phương pháp hiệu chuẩn chéo được thực hiện bằng cách so sánh các góc riêng biệt của đa diện với các góc của chuẩn góc toàn vòng tương ứng. Thiết lập mô hình tính toán, giải hệ phương trình theo bình phương nhỏ nhất sẽ xác định sai số góc của đa diện góc và thiết bị. 4.4.2.1 Lắp đặt thiết bị Đặt đa diện góc lên bàn đo của chuẩn góc toàn vòng theo sơ đồ hình 4.7, điều chỉnh độ cao của ống tự chuẩn trực trùng với tâm mặt đo của đa diện góc. 117 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, tại vị trí 1, mặt 1 của đa diện quang học là mặt có giá trị danh nghĩa là 0° đặt trùng với vị trí 0 của bàn chia độ, căn chỉnh sao cho giá trị đọc của ống tự chuẩn là nhỏ nhất ghi lại giá trị đọc trên ống tự chuẩn trực và chuẩn góc toàn vòng tại vị trí 1 ký hiệu là 1, 1. Quay chuẩn góc toàn vòng một góc bằng giá trị góc danh nghĩa của đa diện góc ký hiệu  =360o/n. Điều chỉnh sao cho giá trị đọc trên ống tự chuẩn trực là nhỏ nhất ghi lại kết quả trên ống tự chuẩn trực và chuẩn góc toàn vòng tại vị trí 2 ký hiệu 2, 2, mô hình toán học của phép đo được biểu diễn: 2 1 1,2 2 1 1,2 1,2 1,2 2 1 2 1,1 α - α - γ - A = β - β - B B - A = - (α - α - γ+β - β) = α (4.7) Trong đó: A1,2 sai lệch góc giữa mặt 1 và mặt 2 của đa diện góc B1,2 sai lệch góc giữa vị trí 1và vị trí 2 của chuẩn góc toàn vòng. 1,1 Giá trị đo được tại mặt 1 và vị trí 1 của đa diện góc và chuẩn góc toàn vòng. Lần lượt quay chuẩn góc toàn vòng một góc  =360o/n đến vị trí thứ n kết quả đo được biểu diễn như sau: 1,2 1,2 1,1 2,3 2,3 1,2 n-1,n n-1,n 1,n-1 n,1 n,1 1,n B - A = α B - A = α B - A = α B - A = α (4.8) Sau khi đo các mặt của đa diện góc quang học kết thúc một vòng tròn khép kín, cố định chuẩn góc toàn vòng, quay mặt 2 của đa diện quang học về vị trí (0) của chuẩn góc toàn vòng. Sau đó tiếp tục lặp các bước như trên kết hợp với nguyên lý vòng tròn khép kín, ta có Chuẩn góc toàn vòng Đa diện góc Ống tự chuẩn trực 118 hệ phương trình tuyến tính biểu diễn quan hệ giữa sai lệch góc của đa diên quang học và chuẩn góc toàn vòng như sau 1,2 1,2 1,1 2,3 2,3 1,2 n-i,1 n-3,n-2 n,n-i n,1 n-2,n-1 n,n (B - A )= α (B - A )= α (B - A ) = α (B - A ) = α (4.9) n-1 i,i+1 n,1 i=1 n-1 i,i+1 n,1 i=1 A +A =0 B +B =0   Hệ phương trình tính toán sai số góc của đa diện và chuẩn góc toàn vòng, hệ phương trình được biểu diễn. A × X = Y (4.10) Hệ phương trình tính toán sai số góc của đa diện góc và bàn chia độ được biểu diễn dưới dạng ma trận. 1 0 0 ... 0 0 1 0 0 ... 0 0 0 1 0 ... 0 0 0 1 0 ... 0 0 0 0 1 ... 0 0 0 0 1 ... 0 0 0 0 0 ... 1 0 0 0 0 ... 1 0 0 0 0 ... 0 1 0 0 0 ... 0 1 1 0 0 ... 0 0 0 1 0 ... 0 0 0 1 0 ... 0 0 0 0 1 ... 0 0 0 0 1 ... 0 0 0 0 0 ... 0 0 0 0 0 ... 1 0 0 0 0 ... 0 1 0 0 0 ... 0 1 1 0 0 ... 0 0          1 0 0 ... 0 0 0 0 0 ... 0 1 0 1 0 ... 0 0 1 0 0 ... 0 1 0 0 1 ... 0 0 0 1 0 ... 0 0 0 0 0 ... 1 0 0 0 0 ... 0 0 0 0 0 ... 0 1 0 0 0 ... 1 0 1 1 1 ... 1 1 0 0 0 ... 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 ... 1 1                                                                    1,1 1,2 1,3 1, 1 1,2 1, 2,3 2,1 3,3 2,2 2,3 1, ,1 2, 1 1,2 2, 2,3 3,4 ,1 ,2 1, ,3 ,1 , 1 , 0 0 n n n n n n n n n n n n n n n n n A A A A A B B B B B                                                                                                                             (4.11) 119 Trong đó A ma trận hệ số bao gồm (n2+2) hàng và 2n cột, X là vector bao gồm 2n phần tử giá trị sai lệch góc của đa diện góc và chuẩn góc toàn vòng, Y vector có (n2+2) phần từ giá trị đo được trong quá trình đo, áp dụng phương pháp bình phương nhỏ nhất xác định giá trị X như sau: X = (ATA)−1ATY (4.12) Giải hệ phương trình trên theo phương pháp bình phương nhỏ nhất sẽ tìm được tập hợp các nghiệm Ai,i+1, Bi,i+1 là sai lệch góc của đa diện góc và chuẩn góc toàn vòng [12]. Trên cơ sở các công thức luận án đã xây dựng phần mềm tính toán xử lý kết quả đo hiệu chuẩn đa diện góc sử dụng chuẩn góc toàn vòng. Theo giao diện của chương trình tính vùng 1 thể hiện ma trận đơn vị vùng 3 ghi kết quả quan trắc, ví dụ khi thực hiện phép đo đa diện góc có 8 mặt kết quả quan trắc bao gồm (n2 +2) phương trình. Kết quả đo tương ứng với các giá trị đo được tính toán theo phương trình 4.12. Vùng 2 vùng kết quả đo bao gồm 8 số hạng đầu là sai số của đa diện góc 8 số hạng sau là sai số của chuẩn góc toàn vòng. Sau khi kết thúc quá trình đo, xử lý số liệu ta có kết quả đo của đa diện góc quang học và chuẩn góc toàn vòng, hình 4.8. . Hình 4.8: Bảng tính kết quả đo đa diện góc sử dụng nguyên lý vòng tròn khép kín 4.4.2.3. Tính toán độ không đảm bảo đo của phép hiệu chuẩn đa diện góc sử dụng chuẩn góc toàn vòng Công thức tổng quát của giá trị Ak,k+1 và Bk,k+1 như sau khi giải hệ phương trình (4.12): Ak,k+1 = 1 3n2 [(3n − 2) × R1] − 2 × R2 (4.13) 120 Trong đó R1: Là tổng các giá trị đo α riêng biệt thuộc biến Ak,k+1 R2: Là tổng các giá trị đo còn lại. 𝐵𝑘,𝑘+1 = 1 3𝑛2 [−(3𝑛 − 2) × 𝑍1] + 2 × 𝑍2) (4.14) Trong đó Z1: Là tổng các giá trị đo α riêng biệt thuộc biến Bk,k+1 Z2: Là tổng các giá trị đo còn lại k=1,2,3,,n Theo tài liệu hướng dẫn tính toán độ không đảm bảo đo [24] đại lượng đo đầu ra Y thường được xác định từ n đại lượng đầu vào z1,z2,zn . Y = f(z1, z2,, z3 zk . , n) (4.15) Khi đó độ không đảm bảo đo của đại lượng đo Y được xác định u c 2(Y) = ∑ ( ∂f ∂zk ) 2 n k=1 uc 2(zk) (4.16) Trong đó : uc(Y) độ không đảm bảo đo tổng hợp chuẩn của đại lượng Y uc(zk) độ không đảm bảo đo của đại lượng đầu vào zk Từ công thức 4.15 và 4.16 độ không đảm bảo đo u(Ai) được xác định: u c 2(Ai) = ∑ ( ∂f ∂αi,i+1 ) 2 n k=1 uc 2(αi,i+1) (4.17) Trong phương pháp này việc xác định sai lệch góc của đa diện quang học cần hiệu chuẩn thông qua thiết bị đo góc nhỏ là ống tự chuẩn trực, do đó giá trị 𝑢𝑐(𝛼𝑖,𝑖+1) chủ yếu phụ thuộc độ không đảm bảo đo ống tự chuẩn trực. Vì vậy ta có: u c 2( αi,i+1 ) ≅ uo 2 (4.18) Trong đó giá trị uo là độ không đảm bảo đo của ống tự chuẩn trực sử dụng. Từ công thức (4.16), (4.17) và (4.18) ta có: u c 2(Ai,i+1) = ( 1 3n2 ) 2[n(3n − 2)2 + 4n(n − 1)]u o 2 = 1 9n2 (9n − 8)uo 2 (4.19) Độ không đảm bảo đo được xác định uc(Ai,i+1) = √( 1 n − 8 9n2 ) uo (4.20) Dễ dàng nhận thấy giá trị độ không đảm bảo đo uc(Ai,i+1 ) của phương pháp hiệu chuẩn đa diện góc quang học bằng độ không đảm bảo đo của ống tự chuẩn trực được sử dụng nhân với hệ số √( 1 𝑛 − 8 9𝑛2 ) . Hệ số này luôn nhỏ hơn 1, do đó khi áp dụng nguyên lý vòng tròn 121 khép kín để hiệu chuẩn đa diện góc quang học bằng phương pháp hiệu chuẩn chéo độ không đảm bảo đo chủ yếu phụ thuộc và nhỏ hơn độ không đảm bảo đo của ống tự chuẩn trực được sử dụng [17,47]. Luận án đã tiến hành hiệu chuẩn đa diện góc quang học theo phương pháp mới được xây dựng, kết quả có trong phụ lục 3. 4.5. Kết luận chương bốn - Hệ thống chuẩn đo lường quốc gia lĩnh vực góc được nghiên cứu chế tạo bao gồm bộ tạo góc nhỏ và chuẩn góc toàn vòng được tích hợp thành hệ thống đảm bảo khả năng hiệu chuẩn các chuẩn, thiết bị đo góc. Trên cùng một hệ thống có thể thực hiện được hiệu chuẩn các chuẩn góc nhỏ và chuẩn toàn vòng. Đã tiến hành chuẩn ống tự chuẩn trực với độ không đảm bảo đo của phép hiệu chuẩn U=0,1, phương pháp hiệu chuẩn ống tự chuẩn trực đã được Văn phòng Công nhận Việt Nam đánh giá và công nhận mang mã số V01.M-07.10, xây dựng phương pháp hiệu chuẩn đa diện góc với độ không đảm bảo đo U=0,3. - Đã xây dựng được sơ đồ dẫn xuất chuẩn đo lường lĩnh vực góc, từ hệ thống chuẩn quốc gia đơn vị góc sẽ được dẫn xuất xuống các chuẩn có độ chính xác thấp hơn thông qua việc hiệu chuẩn, đảm bảo tính liên kết chuẩn đo lường. 122 KẾT LUẬN Sau quá trình nghiên cứu lý thuyết và xây dựng thực nghiệm, luận án đã đạt được kết quả với những đóng góp mới mang ý nghĩa khoa học và thực tiễn như sau: • Trên cơ sở nghiên cứu các phương pháp thiết lập Hệ thống chuẩn quốc gia lĩnh vực góc của các nước trên thế giới và các công trình nghiên cứu về chuẩn góc, luận án đã xác định được yêu cầu kỹ thuật đối với Hệ thống chuẩn đo lường quốc gia lĩnh vực góc tại Việt Nam bao gồm bộ tạo góc nhỏ chính xác và chuẩn góc toàn vòng, đáp ứng nhu cầu dẫn xuất/hiệu chuẩn lĩnh vực góc tại Việt Nam. • Đã nghiên cứu luận giải phương pháp tạo chuẩn góc toàn vòng trên cơ sở sử dụng đĩa chia độ kiểu gia số và đã xây dựng được thuật toán và chương trình xử lý số liệu trên cơ sở phương pháp EDA cho phép tự hiệu chuẩn thành công chuẩn góc toàn vòng gia số độ không đảm bảo đo U= 0,3"và khẳng định khả năng làm chủ phương pháp tự hiệu chuẩn đối với chuẩn đầu góc phằng. • Đã chế tạo thành công chuẩn góc toàn vòng sử dụng đĩa chia độ gia số có 10800 vạch chia với 6 đầu đọc chia ra hai nhóm 4 đầu đọc và 3 đầu đọc sử dụng chung một đầu đọc ( đầu đọc chính) việc xử lý số liệu đo được thực hiện trên hai nhóm 4 và 3 đầu đọc. Độ phân giải của chuẩn góc toàn vòng đạt 0,1, độ không đảm bảo đo U= 0,3. Độ chính xác của chuẩn góc toàn vòng đã được đánh giá thông qua việc tự hiệu chuẩn và được kiểm chứng bằng cách so sánh vòng với Viện nghiên cứu chuẩn và khoa học Hàn Quốc KRISS. • Luận án đã nghiên cứu đưa ra phương pháp đo khoảng cách tâm ảo giữa hai gương góc của cánh tay đòn, đây là một trong hai vấn đề quan trọng quyết định đến độ chính xác của bộ tạo góc nhỏ. Với phương pháp đo mới được xây dựng đã đạt được độ chính xác đo độ dài cánh tay đòn đến 2,1 µm. • Đã phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác của bộ tạo góc nhỏ, xác lập điều kiện môi trường làm việc của bộ tạo góc nhỏ đảm bảo độ không đảm bảo đo nhỏ hơn 0,1 . • Bộ tạo góc nhỏ được 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 chính xác của bộ tạo góc nhỏ đạt được đã được kiểm chứng thông qua so sánh quốc tế với Viện nghiên cứu về chuẩn và khoa học Hàn Quốc (KRISS). • Thiết lập được hệ thống chuẩn đo lường quốc gia lĩnh vực góc phẳng có khả năng đảm bảo đo lường đối với các chuẩn, phương tiện đo góc sử dụng trong toàn quốc. Xây dựng quy trình hiệu chuẩn ống tự chuẩn trực và đa diện góc sử dụng các chuẩn góc mới được chế tạo. 123 KIẾN NGHỊ 1. Tiếp tục nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng độ chính xác của bộ tạo góc nhỏ như ảnh hưởng của rung động, các thông số môi trường nâng cao độ chính xác của thiết bị. 2. Nghiên cứu tự động hóa điều khiển quá trình hoạt động của chuẩn góc toàn vòng nâng cao khả năng làm việc của chuẩn. 3. Nghiên cứu giải pháp nâng cao độ chính xác của chuẩn góc toàn vòng như tăng cường thêm đĩa chia độ để thực hiện tự hiệu chuẩn bằng phương pháp hiệu chẩn chéo kết hợp với phương pháp trung bình phân đoạn bằng nhau. 124 TÀI LIỆU THAM KHẢO TIẾNG VIỆT [1] Bùi Quốc Thụ, “ Nghiên cứu thiết kế chế tạo bộ chuẩn đầu góc phẳng nhỏ” (2007) Báo cáo tổng hợp đề tài. [2] Tiêu chuẩn Quốc gia “ Từ vựng quốc tế về Đo lường học – Khái niệm, thuật ngữ chung và cơ 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. 1-800-873- 8731-847-662-2666 Available: ) [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. 125 [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) []. © 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. Addison- Wesley 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 126 [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 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. Self- Calibratable 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 2. 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 127 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG 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 và công toàn quốc về cơ 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 vòng tròn khép kín xây dựng phươg pháp hiệu chuẩn đa diện góc quang học, Hội nghị khoa hoc và kỹ thuật đo lường toàn quốc lần thứ VI, cơ quan tổ chức: Tổng cục Tiêu chuẩn Đo lường Chất lượng tại 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 năng tự hiệu chuẩn đĩa chia độ sử dụng phương pháp trung bình phân đoạn bằng nhau Tạp chí cơ khí Việt Nam số 8-2016 trang 76-79. 5- Bùi Quốc Thụ, Nguyễn Văn Vinh, Vũ Khánh Xuân (2016), Thiết lập, duy trì và dẫn xuất chuẩn hệ thống chuẩn đo lường quốc gia lĩnh vực góc tại Việt Nam. Hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ 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 cơ khí Việt Nam số 10 2016, trang 64-69. 7- Bùi Quốc Thụ, Nguyễn Văn Vinh, Vũ Khánh Xuân (2016) , Hiệu chỉnh sai số do độ lệch tâm và độ nghiêng của đĩa chia độ bằng phương pháp nhiều đầu đọc. Tạp chí Khoa học và công nghệ các trường đại học kỹ thuật số 121 trang83-88 ISSN 2354-1083. 128 PHỤ LỤC 1- Thuật toán, phần mềm xử lý số liệu thực hiện tự hiệu chuẩn theo phương pháp EDA 2- Các giấy chứng nhận hiệu chuẩn ống tự chuẩn trực, đa diện quang học