Mục tiêu và nội dung nghiên cứu của luận án
Luận án đề xuất mô hình chuẩn đo lường quốc gia lĩnh vực góc bao
gồm:
- Chuẩn góc toàn vòng sử dụng đĩa chia độ kiểu gia số có độ phân
giải 0,1, độ không đảm bảo đo U = 0,3.
- Bộ tạo góc nhỏ có Phạm vi đo ± 30´, độ không đảm bảo đo
U = (0,1 0,3).
- Các chuẩn này phải được tích hợp thành hệ thống đáp ứng yêu
cầu hiệu chuẩn.
- Xây dựng các phương pháp sao truyền chuẩn.7
Nội dung nghiên cứu:
- Xây dựng mô hình toán học của chuẩn góc toàn vòng sử dụng
đĩa chia độ kiểu gia số và bộ tạo góc nhỏ theo nguyên lý sin sử dụng
giao thoa kế laser.
- Phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác của chuẩn góc
toàn vòng và bộ tạo góc nhỏ, trên cơ sở đó đề xuất các phương pháp
giảm thiểu sai số nâng cao độ chính xác của chuẩn.
- Nghiên cứu, xây dựng phương pháp tự hiệu chuẩn đảm bảo độ
chính xác, độ ổn định và tính liên kết chuẩn đối với chuẩn góc toàn
vòng.
- Xây dựng phương pháp đánh giá bộ tạo chuẩn góc nhỏ bằng
cách tính toán độ không đảm bảo đo của chuẩn thông qua việc đánh
giá độ chính xác của các cơ cấu thành phần.
- Xây dựng hệ thống chuẩn đo lường quốc gia lĩnh vực góc trên
cơ sở tich hợp hai chuẩn được nghiên cứu chế tạo.
- Nghiên cứu xây dựng phương pháp sao truyền chuẩn từ chuẩn
đo lường quốc gia lĩnh vực góc đến chuẩn có độ chính xác thấp hơn
như ống tự chuẩn trực và đa diện góc.
26 trang |
Chia sẻ: trungkhoi17 | Lượt xem: 469 | Lượt tải: 0
Bạn đang xem trước 20 trang tài liệu Tóm tắt Luận án Nghiên cứu, xây dựng chuẩn đo lường quốc gia lĩnh vực góc, để xem tài liệu hoàn chỉnh bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
i hai tia bán kính của vòng tròn cắt trên
vòng tròn đó một cung có độ dài bằng với bán kính”.
1.1.2. Hệ thống chuẩn đo lường
Chuẩn đo lường:Theo TCVN 6165, chuẩn đo lường, hay gọi tắt là
chuẩn, được định nghĩa như sau: “Chuẩn đo lường là sự thể hiện định
nghĩa của đại lượng đã cho, với giá trị đại lượng được công bố và độ
không đảm bảo kèm theo, dùng làm mốc quy chiếu”.
Hệ thống chuẩn đo lường: Hệ thống chuẩn đo lường là cơ sở kỹ
thuật quan trọng nhất để đảm bảo tính thống nhất và độ chính xác cần
thiết của phép đo trong phạm vi quốc gia và quốc tế.
1.2 Chuẩn đo lường góc
Hiện nay người ta nhìn nhận, chia các chuẩn góc thông dụng ra làm
hai loại chính, phổ quát tất cả các chủng loại chuẩn và phương tiện đo
góc trong thực tế, đó là. Chuẩn góc nhỏ, phạm vi góc nhỏ hơn 1º
(chuẩn góc nhỏ) các dạng chuẩn góc nhỏ bao gồm: Ống tự chuẩn trực;
Thước sin (sin bar); Ni vô; Chuẩn dạng căn mẫu. Chuẩn góc có phạm
vi đến 360º hoặc lớn hơn 360º bao gồm: Đa diện góc; Bàn phân độ (
Indexxing Table); Chuẩn góc toàn vòng dạng đĩa chia độ mã hóa.
1.3 Hiệu chuẩn chuẩn, phương tiện đo
1.3.1. Hiệu chuẩn
Hiệu chuẩn là tập hợp các thao tác trong điều kiện quy định để thiết
lập mối quan hệ giữa các giá trị của đại lượng được chỉ bởi phương
tiện đo, hệ thống đo hoặc giá trị được thể hiện bằng vật độ hoặc mẫu
chuẩn và các giá trị tương ứng thể hiện bằng chuẩn.
1.3.2. Độ không đảm bảo đo
Độ không đảm bảo đo được định nghĩa là thông số không âm đặc
trưng cho sự phân tán của các giá trị đại lượng được quy cho đại lượng
đo, trên cơ sở thông tin đã sử dụng, đặc trưng cho sự phân tán của các
6
giá trị có thể quy cho đại lượng một cách hợp lý.
1.4 Hệ thống chuẩn đo lường quốc gia lĩnh vực góc tại một số
quốc gia trên thế giới
Hệ thống chuẩn đo lường quốc gia lĩnh vực góc thường là chuẩn
đầu tức là chuẩn có độ chính xác cao mà giá trị của nó không dựa vào
các chuẩn khác cùng đại lượng. Hệ thống chuẩn góc của các NMIs là
chuẩn góc toàn vòng độ chính xác cao như của NIST, PTB hay của
IRNIM. Hệ thống chuẩn đo lường góc của NMIJ và NIM đều xây dựng
trên cơ sở chuẩn góc toàn vòng kết hợp với bộ tạo góc nhỏ. Sự kết hợp
chuẩn góc toàn vòng và bộ tạo góc nhỏ để đảm bảo duy trì và dẫn xuất
chuẩn đo lường lĩnh vực góc giúp cho việc hoàn thiện hệ thống chuẩn
đo lường quốc gia lĩnh vực góc được thực hiện một cách kinh tế vẫn
đảm bảo độ chính xác của hệ thống.
1.5 Chuẩn góc toàn vòng
Trong toán học và thực tế vòng tròn khép kín được coi là chuẩn tự
nhiên của góc phẳng ( Natural Etalon) có giá trị là 2 (360º) không có
sai số. Do đó vòng tròn khép kín là cơ sở để thiết kế chuẩn góc toàn
vòng đạt độ chính xác cao và có khả năng tự hiệu chuẩn. Chuẩn góc
toàn vòng bao gồm các dạng: cơ khí, laser vòng (Ring laser), chuẩn
góc toàn vòng sử dụng đĩa chia độ mã hóa góc quay.
1.6 Bộ tạo góc nhỏ
Bộ tạo góc nhỏ được nghiên cứu thiết kế, chế tạo trên cơ sở sử
dụng hàm số lượng giác theo nguyen lý sin hoặc tang. Để đảm bảo độ
chính xác của bộ tạo góc nhỏ cần thiết phải nghiên cứu xây dựng
phương pháp đo chính xác khoảng cách cánh tay đòn và tính toán độ
chính xác của thiết bị đo khoảng cách dịch chuyển.
1.7 Mục tiêu và nội dung nghiên cứu của luận án
Luận án đề xuất mô hình chuẩn đo lường quốc gia lĩnh vực góc bao
gồm:
- Chuẩn góc toàn vòng sử dụng đĩa chia độ kiểu gia số có độ phân
giải 0,1, độ không đảm bảo đo U = 0,3.
- Bộ tạo góc nhỏ có Phạm vi đo ± 30´, độ không đảm bảo đo
U = (0,1 0,3).
- Các chuẩn này phải được tích hợp thành hệ thống đáp ứng yêu
cầu hiệu chuẩn.
- Xây dựng các phương pháp sao truyền chuẩn.
7
Nội dung nghiên cứu:
- Xây dựng mô hình toán học của chuẩn góc toàn vòng sử dụng
đĩa chia độ kiểu gia số và bộ tạo góc nhỏ theo nguyên lý sin sử dụng
giao thoa kế laser.
- Phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác của chuẩn góc
toàn vòng và bộ tạo góc nhỏ, trên cơ sở đó đề xuất các phương pháp
giảm thiểu sai số nâng cao độ chính xác của chuẩn.
- Nghiên cứu, xây dựng phương pháp tự hiệu chuẩn đảm bảo độ
chính xác, độ ổn định và tính liên kết chuẩn đối với chuẩn góc toàn
vòng.
- Xây dựng phương pháp đánh giá bộ tạo chuẩn góc nhỏ bằng
cách tính toán độ không đảm bảo đo của chuẩn thông qua việc đánh
giá độ chính xác của các cơ cấu thành phần.
- Xây dựng hệ thống chuẩn đo lường quốc gia lĩnh vực góc trên
cơ sở tich hợp hai chuẩn được nghiên cứu chế tạo.
- Nghiên cứu xây dựng phương pháp sao truyền chuẩn từ chuẩn
đo lường quốc gia lĩnh vực góc đến chuẩn có độ chính xác thấp hơn
như ống tự chuẩn trực và đa diện góc.
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ PHƯƠNG PHÁP XÂY DỰNG CHUẨN
GÓC TOÀN VÒNG
2.1 Nguyên lý, phương pháp tạo chuẩn góc toàn vòng bằng đĩa
chia độ kiểu gia số
Khi chia nhỏ vòng tròn thành NG khoảng bằng nhau ta được một
góc chuẩn nhỏ nhất có giá trị 2π/NG . Để tạo góc chuẩn θ tương ứng
với k vạch được xác định:
θ = k ×
2π
NG
(2.1)
Đối với đĩa chia độ kiểu gia số các vạch chia bao gồm vạch trắng
và vạch đen có độ rộng bằng nhau, khoảng cách C bao gồm vạch trắng
và đen được gọi là chu kỳ đóng vai trò như một vạch chia.
- Phương pháp đọc vạch chia
Phương pháp đọc vạch chia dựa trên nguyên lý biến đổi tín hiệu
quang thành tín hiệu điện có nguyên tắc hoạt động được mô tả trong
hình 2.1, trong đó L là nguồn sáng thường là đi ốt phát sáng.
8
Hình 2.1: Mô tả phương pháp đọc vạch chia đĩa chia độ kiểu gia số[8]
Ánh sáng được truyền qua thấu kính hội tụ để tạo ra chùm sáng
song song đảm bảo chùm sáng là đồng nhất. Mặt nạ A có các vạch
chia giống với vạch chia của đĩa chia độ được lắp cố định trong đầu
đọc. Khi đĩa chia độ dịch chuyển, tại cảm biến quang học P cường độ
sáng thay đổi theo thời gian do tín hiệu điện áp của đầu ra cũng thay
đổi sự thay đổi điện áp này được sử dụng như là thang thước để xác
định sự chuyển động quay của đĩa chia độ. Về lý thuyết tín hiệu điện
áp đầu ra ở dạng răng cưa trong thực tế do ảnh hưởng của hiện tượng
nhiễu xạ nên có dạng gần sin. Sử dụng một mạch tạo xung để chuyển
đổi từ tín hiệu xung hình sin sang tín hiệu xung vuông.Để phát hiện
chiều chuyển động cần thiết hai tín hiệu lệch pha 90º. Sau khi tạo ra 2
dãy xung vuông lệch pha nhau 90º, dựa vào thứ tự các pha của tín hiệu
có thể xác định được chiều chuyển động của đĩa chia độ.
2.2 Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác của chuẩn
góc toàn vòng
2.2.1. Các dạng sai số của chuẩn góc toàn vòng sử dụng đĩa chia
độ kiểu gia số
Khi chế tạo và làm việc chuẩn góc toàn vòng gia số sẽ có thể có
những sai số như sai số phạm vi nhỏ và sai số trong phạm vi lớn hay
còn gọi là sai số toàn vòng. Sai số phạm vi nhỏ xuất hiện trong một
chu kỳ tín hiệu xung của chuẩn goc toàn vòng gia số, loại sai số này
này chỉ xuất hiện trong mỗi một chu kỳ tín hiệu do ảnh hưởng của
dạng xung của tín hiệu bị thay đổi trong quá trình đọc, chất lượng của
đầu đoc, vạch chia. Sai số phạm vi lớn hay còn gọi sai số toàn vòng,
9
loại sai số này chỉ xuất hiện khi có sự chuyển động quay của đĩa chia
độ sai số toàn vòng bao gồm:
- Sai số vị trí của vạch chia (sai số thang chia độ).
- Sai số chuyển động quay của đĩa chia độ bao gồm sai lệch tâm
quay của đĩa bao gồm độ lệch tâm và độ nghiêng của đĩa chia độ và
độ ổn định của trục quay.
2.2.2. Sai số toàn vòng
- Sai số vị trí của vạch chia
- Do các vạch chia chế tạo có sai số nhất định điều này có ảnh
hưởng đến sai số khi đầu đọc thực hiện việc đọc tín hiệu tiến hành nội
suy để xử lý tín hiệu góc của thiết bị.
- Sai số chuyển động quay của đĩa chia độ
a) Sai số do lệch tâm giữa đĩa chia độ và tâm quay
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 là θ quanh tâm quay Oq khi đó
đầu đọc H đọc khoảng cách vạch chia tại các vị trí có bán kính khác
Rθ nhau hình 2.2 b. Bán kính Rθ phụ thuộc vào đường kính đĩa chia
độ và độ lệch tâm, Rθ thay đổi tương ứng với góc quay θ được xác
định, hình 2.2 a.
Rθ = √|OqH⃗⃗⃗⃗⃗⃗ ⃗⃗ |
2
+ |e⃗ |2 − 2|OqH⃗⃗⃗⃗⃗⃗ ⃗⃗ ||e⃗ |cos(θ) (2.2)
Giá trị Rθ biến đổi cho nên khoảng cách AB ≠ A’B’, hình 2.2 b, vì
vậy giá trị góc θ thay đổi dẫn đến sai số góc do lệch tâm. Giá trị Rθ
biến đổi tuần hoàn có dạng sin chu kỳ 2π từ giá trị nhỏ nhất Rθmin đến
giá trị lớn nhất Rθmax, do đó sai số góc cũng biến đổi theo dạng hàm số
sin cũng có chu kỳ 2π.
b) Sai số do độ nghiêng đĩa chia độ
Trong chế tạo, lắp đặt đĩa chia độ bị nghiêng so với trục quay điều
này cũng gây nên sai số góc của chuẩn góc toàn vòng. Sai số do ảnh
a) b)
10
hưởng độ nghiêng của đĩa chia độ biến đổi theo quy luật tuần hoàn có
chu kỳ bằng nửa chu kỳ quay của đĩa chia độ, với một vòng quay sai
số có hai cực đại và hai cực tiểu.
- Độ ổn định của tâm quay
Các ổ quay thông thường như ổ bi không đáp ứng được yêu cầu do
đó đối với chuẩn góc toàn vòng gia số các ổ quay đệm khí thường
được chọn là ổ quay đảm bảo độ chính xác tâm quay.
2.3 Nghiên cứu giải pháp giảm thiểu sai số chuẩn góc toàn vòng
gia số
2.3.1. Phương pháp giảm thiểu sai số do ảnh hưởng của lệch tâm
Hình 2.3: Sai số góc do lệch tâm a) Vị rí bất kỳ, b) Vị trí sai số góc lớn nhất
Sai số góc θe do lệch tâm giữa tâm đĩa chia độ với tâm của trục
quay được thể hiện hình 2.3 .Sai số góc θe được xác định:
∆θe = θ − θ′ (2.3)
Trong đó θ : Góc của trục quay; θ’: Góc trên đĩa chia độ
Sai số góc lệch tâm lớn nhất θemax ứng với vị trị θ’=90o hình 2.3 b.
∆θemax ≅
2e
D
(2.3)
Ảnh hưởng của độ lệch tâm đến sai số góc của chuẩn góc toàn vòng
là lớn.
a) b
)
11
Hình 2.4: a) Sơ đồ bố trí đầu đọc đối xứng, b) Dạng đồ thị sai số
Bố trí 4 đầu đọc H1,H2,H3,H4 cách đều nhau một góc 90o hình 2.4a,
đồ thị sai số của H1 và H3 sẽ ngược pha với nhau, tương tự đối với
đầu đọc H2 và H4, hình 2.4b với cách bố trí như trên sau khi tổng hợp
sai số sẽ khắc phục được độ lệch tâm.Tuy nhiên sai số góc do lệch tâm
vẫn tồn tại do việc các đầu đọc lắp đặt không đi qua tâm đĩa chia độ.
Điều này có thể khắc phục bằng cách khớp số liệu với đồ thị sai số
dạng sin do lệch tâm
2.3.2. Phương pháp giảm thiểu sai số do ảnh hưởng độ nghiêng đĩa
chia độ
Để giảm thiểu sai số do độ nghiêng của đĩa chia độ có thể áp dụng
phương pháp căn chỉnh cơ khí thông thường như sử dụng đồng hồ so...
để căn chỉnh độ nghiêng của đĩa chia độ đạt yêu cầu kỹ thuật.
2.4 Nghiên cứu, xây dựng phương pháp tự hiệu chuẩn chuẩn góc
toàn vòng gia số
2.4.1. Cơ sở lý thuyết của phương pháp tự hiệu chuẩn chuẩn góc
toàn vòng gia số bố trí nhiều đầu đọc
Đĩa chia độ của chuẩn góc toàn vòng gia số có NG vạch chia trên
đó bố trí NH đầu đọc cách đều trên đĩa chia độ. Khi đĩa chia độ quay,
đầu đọc thứ nhất đang đọc vạch thứ i đầu đọc thứ j sẽ đọc vạch chia
thứ i+(j-1)NG/NH hình 2.5. Khi đó độ lệch của vạch chia do đầu đọc
thứ j phát hiện là aij được xác định:
ai,j = ai+(j−1)NG/NH (2.4)
Độ lệch của tín hiêu góc giữa đầu đọc thứ nhất và đầu đọc thứ j và
giá trị trung bình của nó ký hiệu là ij , µi,j được xác định như sau:
12
δi,j =ai,1 − ai,j = ai − ai+(j−1)/NG/NH (2.5)
μi,j =
1
NH
∑ δi,j
NH
j=1 (2.6)
Giá trị µi,j là sai số góc của chuẩn góc toàn vòng được xác định
bằng giá trị ai tại đầu đọc thứ j trừ đi một lượng bằng trung bình cộng
của tất các các giá trị của NH đường cong lệch pha 2π/NH từ giá trị ai .
Hình 2.5: Thứ tự tín hiệu ra từ các đầu đọc
Phương pháp này gọi là phương pháp trung bình phân đoạn bằng
nhau ( The Equal Diviation Average EDA)
2.4.2. Xây dựng phương pháp tự hiệu chuẩn chuẩn góc toàn vòng
gia số áp dụng phương pháp EDA
Trong phương pháp EDA các góc danh nghĩa 2π/NG trên đĩa chia
độ không xác định được trong suốt quá trình đo nên sai số góc tích lũy
không thể trực tiếp xác định được. Để giải quyết vấn đề này thay bằng
việc xác định sai số góc tích lũy so với giá trị góc danh nghĩa bằng
việc xác định độ lệch i,j của các đầu đọc so với một đầu đọc định trước
gọi là đầu đọc chính.
13
Hình 2.6: Sơ đồ lắp đặt đầu đọc và chênh lệch sai số ij so với sai số đầu
đọc chính
Để thực hiện xác định độ lệch i,j sử dụng bộ tạo xung chuẩn bên
ngoài phương pháp được thực hiện như sau. Khi đĩa chia độ quay hết
một vòng quay, tín hiệu tại các đầu đọc được đưa vào bộ xử lý tín hiệu
trộn lẫn tín hiệu với bộ tạo xung chuẩn có tần số fc, hình 2.6.
Giá trị i,j được xác định trong một vòng quay của đĩa chia độ bằng
cách đếm số xung của bộ tạo xung chuẩn tại vị trí vạch chia của đầu
đọc thông qua bộ đếm tần số. Quá trình thực hiện được thể hiện trên
sơ đồ xác định chênh lệch sai số tích lũy i,j so với sai số đầu đọc chính
trong hình 2.6 trong trường hợp này đầu đọc chính là đầu đọc NH1, giá
trị μi,j được xác định:
μi,j =
1
NH
∑ δi,j
NH
j=1 = ai,j −
1
NH
∑ ai,j
NH
j=1 (2.7)
Giá trị δij thực chất là độ lệch pha của các tín hiêu trên từng đầu
đọc riêng biệt so với đầu đọc chính trong một chu ký tín hiệu của một
vạch chia quan sát trên hình 2.7
14
Hình 2.7: Sơ đồ xác định µi,j
Giá trị ti,NHj là số xung của bộ đếm tần số fc khi phát hiện vạch chia
thứ i của đầu đọcNHj và ti+1,NHj là số xung của bộ đếm khi phát hiện
vạch chia tiếp theo, hình 2.20. Giá trị µi,j sai số góc tại vạch chia thứ i
của đầu đọc j được xác định:
μi,j = (ti,NHj −
1
NH
∑ ti,NHj
NH
j=1 ) ×
2π
NG
1
NH
∑ (ti+1,NHj−ti,NHj)
NH
j=1
(2.8)
Sai số góc của chuẩn góc toàn vòng có NH đầu đo bố trí cách đều
trên đĩa chia độ được xác định bằng trung bình cộng các sai số của
từng đầu đọc
μ̅ =
1
NH
∑ μi,j
NH
j=1 (2.8)
Giá trị μji bao gồm các sai số độ lệch tâm, độ chính xác của vạch
chia do các đầu đọc đọc trực tiếp khoảng cách vạch chia trong một
vòng quay. Phương pháp tự hiệu chuẩn này không đòi hỏi phải thiết
kế hệ cơ khí phức tạp để đảm bảo độ đồng tâm, hơn nữa phương pháp
này chỉ cần quay đĩa chia độ một vòng sau đó thông qua tinhs toán sử
lý số liệu, xây dựng đồ thị sai số sẽ xác định độ chính xác của chuẩn
góc toàn vòng.
15
2.5 Thiết kế, chế tạo chuẩn góc toàn vòng 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 6 đầu đọc và bố trí đầu đọc theo sơ đồ hình 2.8
bao gồm nhóm 1: 4 đầu đọc bố trí cách đều mỗi đầu đọc cách nhau
một góc 90o gồm các đầu đọc H1, H2, H4, H6, nhóm 2: gồm 03 đầu
đọc H1, H3, H5 bố trí cách đều nhau một góc 120o . Khi quay đĩa chia
độ để tạo ra góc chuẩn một góc θ, khi đó giá trị góc θ của chuẩn góc
toàn vòng gia số được xác định bằng trung bình cộng của của nhóm 1
và nhóm 2. Giá trị góc của chuẩn góc toàn vòng gia số được xác định
θ =
θ4+θ3
2
= {
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 toàn vòng gia số bao gồm bàn đo và đĩa chia độ có
10800 vạch chia lắp trên trục của ổ đệm khí. Hệ đầu đọc bao gồm 6
đầu đọc được lắp cố định trên thân máy, khi quay tay quay trục quay
mang theo đĩa chia độ và bàn đo quay theo hệ đầu đọc sẽ đọc các dịch
chuyển của vạch chia tạo ra các góc quay tương ứng. Để nâng cao độ
phân giải của chuẩn toàn vòng gia số luận án sử dụng bộ nội suy 210
độ phận giải đạt 0,12"
2.6 Đánh giá độ chính xác chuẩn toàn vòng gia số
2.6.1. Đánh giá độ chính xác bằng phương pháp tự hiệu chuẩn
Thực hiện tự hiệu chuẩn theo phương pháp EDA, tiến hành bù sai
số sai số của chuẩn góc toàn vòng đạt ± 0,3".
16
Hình 2.10: a) Sai số chuẩn góc toàn vòng b) Độ tái lập
Thực hiện tự hiệu chuẩn chuẩn góc toàn vòng gia số mới đươc chế
tạo nhiều lần tại nhiều thời điểm khác nhau kết qua cho thấy chênh
lệch kết quả giữa các lần đo nằm trong phạm vi ± 0,3".
2.6.2. Đánh giá chuẩn góc toàn vòng gia số thông qua so sánh vòng
Hình 2.11: Kết quả đo so sánh đa diện góc với KRISS
Sử dụng phương pháp hiệu chuẩn chéo thực hiện so sánh vòng
với KRISS vật mẫu được sử dụng là đa diện góc 24 mặt số hiệu LE
3178, hình 2.11. Kết quả so sánh cho thấy giá trị |𝐸𝑛| ≤ 1 chuẩn góc
toàn vòng đảm bảo yêu cầu kỹ thuật đề ra.
2.7 Kết luận chương hai
- Chuẩn góc toàn vòng sử dụng đĩa chia độ kiểu gia số có hai loại
sai số chính: là sai số vạch chia và sai số do tâm quay.
+ Sai số vạch chia phụ thuộc công nghệ chế tạo, để khắc phục
loại sai số này luận án đã sử dụng phương pháp trung bình phân đoạn
bằng nhau để tính toán toán xác định sai số từng vạch chia sau một
vòng quay để đưa vào bù sai số chính xác cho từng vạch chia của
chuẩn góc toàn vòng.
+ Sai số tâm quay bao gồm: sai số do lệch tâm của đĩa chia độ so
với tâm quay, do độ nghiêng đĩa chia độ, độ ổn định tâm quay. Loại
sai số này xuất hiện khi có chuyển động quay của đĩa chia độ và có
-5
0
5
0 3 6 9 12 15 18 21 24Đ
ộ
lệ
ch
g
ó
c
["
]
thứ tự điểm đo
Biểu đồ so sánh kết quả đo so sánh đa diện góc
KRISS thực hiện (") Luận án thực hiện (")
a) b)
17
tính chất tuần hoàn sau một được gọi là sai số toàn vòng. Luận án đã
nghiên cứu, phân tích tính chất của sai số toàn vòng xác lập được các
công thức xác định sai số từ đó đề xuất các phương án bù sai số, nâng
cao độ chính xác là bố trí đầu đọc cách đều và đối xứng qua tâm đĩa
chia độ, xây dựng hàm sin chuẩn, hiệu chính sai số toàn vòng.
- Đã xây dựng thuật toán tự hiệu chuẩn chuẩn góc toàn vòng gia
số theo phương pháp EDA, sử dụng xung fc chuẩn 100 MHz để xác
định sai số tích lũy δij từ đó tính toán và xây dựng đồ thị sai số trong
quá trình tự hiệu chuẩn kết quả độ không đảm bảo đo U= 0,3". Kết quả
này đáp ứng được yêu cầu không thể thiếu được là khả năng tự hiệu
chuẩn của chuẩn đầu quốc gia lĩnh vực góc.
- Đã nghiên cứu phương án sử dụng 6 đầu đọc bố trí thành hai
nhóm: nhóm 1 gồm 4 đầu đọc cách đều 90o và nhóm 3 đầu đọc cách
đều 120o lựa chọn,các cụm chi tiết quan trọng, xây dựng phần mềm
đọc số liệu, chế tạo, tích hợp thành công chuẩn góc toàn vòng gia số.
- Thực nghiệm đánh giá độ chính xác bằng phương pháp tự hiệu
chuẩn cho thấy độ không đảm bảo đo của chuẩn góc toàn vòng U=0,3"
đạt yêu cầu kỹ thuất của chuẩn góc quốc gia. Kết quả này được khẳng
định bằng phương pháp so sánh vòng với KRISS thông qua chỉ số En,
kết quả giá trị |𝐸𝑛| ≤ 1 cho thấy chuẩn góc toàn vòng hoạt động đảm
bảo độ chính xác, khẳng định phương pháp tự hiệu chuẩn đã xây dựng
trên cơ sở EDA có thể làm việc chính xác đáp ứng khả năng tự hiệu
chuẩn chuẩn góc toàn vòng cho chuẩn đo lường quốc gia lĩnh vực góc
ở 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 là chuẩn có phạm vi nhỏ khoảng ± 30´, để tạo các
chuẩn này thường dùng phương pháp lượng giác để thực hiện hình 3.1.
Hình 3.1: Minh họa góc nhỏ
Giá trị góc θ được xác định
18
θ = arcsin
AB
OA
≅
AB
OA
(3.1)
3.2 Nghiên cứu, xây dựng phương pháp tạo góc nhỏ
Luận án đã nghiên cứu đề xuất sử dụng sơ đồ nguyên lý để thiết kế
bộ tạo góc nhỏ mang tính đối xứng điều này đã giảm thiểu ảnh hưởng
của dao động tâm quay của chuẩn hình 3.2.
Hình 3.2: Sơ đồ bộ tạo góc nhỏ đối xứng
Khi quay cánh tay đòn một góc θ vị trí gương góc dịch chuyển như
trên hình 3.2. Khi đó ta có:
θ =
h1
L1
=
h2
L2
(3.2)
Theo tính chất của tỷ lệ thức:
θ =
h1
L1
=
h2
L2
=
h1+h2
L1+L2
=
h1+h2
L
(3.3)
Trong đó thành phần L=L1 +L2 chính là khoảng cách giữa hai tâm
gương góc được gắn cố định trên cánh tay đòn. Do đó khi hoạt động
khoảng cách L=L1 +L2 không bị ảnh hưởng nhiều do dao động tâm ổ
quay đảm bảo độ chính xác của thiết bị.Từ những nghiên cứu tính toán
trên luận án đã đưa ra sơ đồ bộ tạo góc nhỏ sử dụng giao thoa kế Laser
được thể hiện trên hình 3.3. Chùm tia laser phát ra từ nguồn laser ổn
định tần số (1) qua bộ tách tia (2) tách làm hai chùm tia có tần số là f1
và f2. tia f1 đi vào gương H1(3), tia f2 đi vào gương H2 (4) thông qua
gương góc 450(5). Hai gương góc phản xạ (corner cube) H1 và H2 được
gắn chặt vào cánh tay đòn, tia f1 và f2 sau khi phản xạ kết hợp với nhau
tại bộ thu nhận tín hiệu của giao thoa kế laser. Giao thoa laser xác định
được sự biên thiên góc thông qua sự thay đổi quang lộ K1 và K2, khi
xoay cánh tay đòn (6) tạo ra sự dịch chuyển gương H1 và H2
19
Hình 3.3: Sơ đồ bộ tạo góc nhỏ được xây dựng
Quang lộ K2 thay đổi một lượng bằng ½ Lsin tương tự quang lộ
K1 cũng thay đổi một lượng bằng ½ Lsin. Giá trị sin sẽ tỷ lệ với
lượng biên thiên quang lộ K1 -K2.
Giá trị góc được xác định:
θ = arcsin (
K1−K2
L
) ≅
K1−K2
L
(3.4)
3.3 Nghiên cứu ước lượng độ không đảm bảo đo của bộ tạo góc
nhỏ
3.3.1. Độ không đảm bảo đo của bộ tạo góc nhỏ
Giá trị góc được xác định :
sin θ =
∆h
L
(3.5)
Độ không đảm bảo đo u() được xác định:
u(θ) = √[
∂θ
∂h
u(h)]
2
+ [
∂θ
∂L
u(L)]
2
;
∂θ
∂h
=
1
L
và
∂θ
∂L
= −
h
L2
(3.6)
3.3.2. Nghiên cứu, tính toán xác định các yếu tố độ không đảm bảo
đo của bộ tạo góc nhỏ
3.3.2.1. Đánh giá độ không đảm bảo đo của giao thoa kế laser uf(h)
Độ không đảm bảo đo của giao thoa kế laser u(h) được xác định bao
gồm các thành phần sau:
u𝑓
2(h) = cλ
2u2(λ) + ct
2u2(t) + cp
2u2(p) + cR
2u2(R) (3.7)
Trong đó:
20
- u(λ): Thành phần độ không 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 của giao thoa kế laser
- u(p): Thành phần độ không đảm bảo đo phụ thuộc vào áp suất
khí quyển khi làm việc của giao thoa kế laser
- u(R): Thành phần độ không đảm bảo đo phụ thuộc vào độ ẩm
không khí khi làm việc của giao thoa kế laser
Giao thoa kế laser hoạt động tại điều kiện mội trường Nhiệt
độ: (20±1) oC; độ ẩm không khí: (50 ± 10) %R.H; Áp suất khí quyển:
(101325 ± 100) Pa
3.3.2.2 Xác định điều kiện đảm bảo độ chính xác độ dài cánh tay đòn
Tại điều kiện môi trường làm việc khoảng cách cánh tay đòn được
xác định bằng công thức
L = Lc + ∆t × α × Lc (3.8)
Độ không đảm bảo đo của độ dài cánh tay đòn u(L) được xác định
u2(L) = [
∂L
∂Lc
× u(LC)]
2
+ [
∂L
∂∆t
× u(∆t)]
2
+ [
∂L
∂α
× u(α)]
2
(3.9)
Trong đó giá trị u(LC) được xác định thông qua phép đo độ khoảng
cách tâm giữa hai gương góc.
Trong đó Lc: Độ dài cánh tay đòn tại điều kiện nhiệt độ tiêu chuẩn
20oC. ∆t = (tT − 20)℃ , tT : Nhiệt độ làm việc của bộ tạo góc nhỏ.α
hệ số dãn nở nhiệt của vật liệu chế tạo thân cánh tay đòn.
3.4 Nghiên cứu phương pháp đo chính xác độ dài cánh tay đòn
Luận án đã nghiên cứu đề xuất phương pháp đo khoảng cách tâm
ảo giữa hai gương góc.. Sơ đồ đo của phương pháp được thể hiện trên
hình 3.4. Phương pháp đo được thực hiện như sau: Gương góc 3 và 4
có góc ở đỉnh 90o được gắn chặt trên thân cánh tay đòn 2, toàn bộ cánh
tay đòn đặt trên bàn đo dịch chuyển theo phương x của máy đo độ dài
cấp chính xác cao.Nguồn phát tia laser 5 và cảm biến vị trí quang 6
được gắn cố định để thực hiện phép đo khoảng cách. Tại vị trí ban đầu
tia laser phát ra tới gương góc 3 tại vị trí A đi tới vị trí B phản xạ lại,
cảm biến vị trí quang sẽ lưu lại và xác định vị trí X1 của tia laser phản
xạ. Di chuyển bàn đo đến vị trí tiếp theo lúc này đỉnh gương 4 nằm tại
vị trí Y2, khoảng cách dịch chuyển của bàn đo ký hiệu là LD. Tại vị trí
21
này tia laser đi tới gương 4 tại vị trí C tiếp tục tới vị trí D phản xạ lại
cảm biến vị trí quang tại điểm X2. Kết hợp khoảng cách chuyển bàn
đo LD và tọa độ X1,X2 sẽ xác định chính xác khoảng cách giữa hai tâm
ảo của gương góc
Hình 3.4: Sơ đồ nguyên lý đo khoảng cách giữa hai tâm ảo của gương góc
Độ không đảm bảo đo của phép đo độ dài cánh tay đòn của bộ tạo
góc nhỏ u(LC) = 2,1 μm
3.5 Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo, tích hợp bộ tạo góc nhỏ
Bộ tạo góc nhỏ sử dụng giao thoa kế laser đo khoảng cách dịch
chuyển của 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 được xây dựng
3.6 Đánh giá bộ tạo góc nhỏ
Luận án đã 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
22
0,2” đóng vai trò vật mẫu tiến hành đo so sánh với KRISS kết quả
được thể hiện trên đồ thị hình 3.7
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
Hình 3.7: Kết quả đo so sánh ống tự chuẩn trực với KRISS
3.7 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 2,1 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
Các file đính kèm theo tài liệu này:
- tom_tat_luan_an_nghien_cuu_xay_dung_chuan_do_luong_quoc_gia.pdf