Luận án Nghiên cứu, xây dựng chuẩn đo lường quốc gia lĩnh vực góc
Góc là đại lượng đo thuộc lĩnh vực đo lường độ dài, chuẩn và thiết bị đo góc được sử dụng rộng rãi trong các ngành kỹ thuật như cơ khí chính xác, điều khiển tự động, trắc đạc, giao thông, xây dựng, thiên văn Độ chính xác của các chuẩn và thiết bị đo góc được cải thiện rất đáng kể trong những năm gần đây. Trong vòng 20 năm qua, độ chính xác của các thiết bị đo góc đã tăng lên khoảng mười lần. Tiến trình công nghiệp hoá, hiện đại hoá của nước ta với động lực là khoa học công nghệ đòi hỏi ngày càng cao đối với ngành khoa học công nghệ trong đó có đo lường. Xu thế toàn cầu hoá về kinh tế cũng là một yếu tố thúc đẩy sự cần thiết phải kiện toàn, thống nhất hệ thống chuẩn đo lường quốc gia nói chung và chuẩn đo lường quốc gia về góc nói riêng. Góc có đơn vị đo là đơn vị dẫn xuất trong hệ thống đơn vị đo lường quốc tế SI và đã được Việt Nam quy định theo Nghị định số 86/2012/NĐ-CP quy định về đơn vị đo lường pháp định tại Việt Nam. Nghiên cứu thiết lập hệ thống chuẩn đo lường quốc gia lĩnh vực góc nhằm mục đích đảm bảo độ chính xác của các chuẩn và phương tiện đo góc dùng trong tất cả các ngành kinh tế, kỹ thuật của quốc gia là một nhiệm vụ cần thiết của ngành đo lường, nhằm nâng cao chất lượng sản phẩm, hàng hóa, đồng thời phục vụ tốt nhiệm vụ đảm bảo đo lường cho các cơ sở trong cả nước đối với lĩnh vực đo này. Hiện nay nhu cầu hiệu chuẩn, đảm bảo độ chính xác cho các chuẩn, thiết bị đo góc để đáp ứng yêu cầu của các cơ sở chế tạo và nghiên cứu khoa học ngày càng trở nên cấp thiết. Sự thiếu hụt về chuẩn và các thiết bị đo liên quan của nước ta hiện nay không chỉ giảm khả năng đáp ứng đối với nhu cầu rất thực tế của nền kinh tế quốc dân mà cũng làm giảm khả năng nghiên cứu và tổ chức nghiên cứu về chuẩn, phương pháp đo phục vụ khoa học công nghệ khả năng đào tạo, tư vấn về đo lường và công nghệ đo chính xác của lĩnh vực đo lường góc. Các nước có nền khoa học kỹ thuật tiên tiến trên thế giới đặc biệt là các viện đo lường quốc gia (NMIs) đều có nghiên cứu nhằm nâng cao độ chính xác của hệ thống chuẩn đo lường nói chung và đo lường góc nói riêng. Viện NMIs của các nước có trình độ khoa học kỹ thuật tiên tiến trên thế giới như Đức (PTB), Nhật Bản (NMIJ), Mỹ (NIST) đều phát triển hệ thống chuẩn quốc gia lĩnh vực đo lường góc, độ chính xác có thể đạt 0,005[39]. Ở các nước trong khu vực như Thái lan, Indonesia trong những năm gần đây viện đo lường quốc gia của họ đã có sự nghiên cứu và tăng cường trang thiết bị về chuẩn đo lường góc. Viện Đo lường Quốc gia Thái lan (NIMT) hay viện đo lường quốc gia Indonesia (KIM-LIPI) đã mua hệ thống thiết bị đo góc của Nhật Bản đạt độ chính xác 0,05 đến 0,2[39], đó là những thiết bị đo góc hiện đại, có giá thành cao. Nghiên cứu thiết lập hệ thống chuẩn đo góc cũng là một vấn đề chuyên môn sâu đã được nghiên cứu ở các nước tiên tiến, tuy nhiên các tài liệu về cơ sở tính toán, thiết kế chế tạo loại thiết bị đo này không được công bố công khai, trong khi đó ở nước ta hệ thống chuẩn góc cũng chưa được xây dựng hoàn thiện. Hàng năm, các chuẩn góc của Việt Nam phải mang đi hiệu chuẩn tại các Viện đo lường khác trong khu vực như Trung Quốc, Hàn Quốc
Bạn đang xem trước 20 trang tài liệu 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
1
MỤC LỤC
Trang
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ............................................................ 5
DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ ................................................................................... 7
DANH MỤC BẢNG BIỂU ................................................................................................. 10
MỞ ĐẦU ............................................................................................................................. 11
1. .Tính cấp thiết của đề tài luận án nghiên cứu ................................................................. 11
2. Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu ................................................................... 13
3. Phương pháp nghiên cứu ................................................................................................. 13
4. Nội dung luận án ............................................................................................................. 14
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án ..................................................................... 15
6. Các đóng góp mới của luận án ........................................................................................ 15
CHƯƠNG 1 ......................................................................................................................... 16
TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG CHUẨN ĐO LƯỜNG QUỐC GIA LĨNH VỰC GÓC .. 16
1.1. Góc và chuẩn đo lường góc ...................................................................................... 17
1.1.1. Khái niệm về góc ............................................................................................... 17
1.1.2. Hệ thống chuẩn đo lường .................................................................................. 18
1.1.2.1. Chuẩn đo lường ....................................................................................................... 18
1.1.2.2. Hệ thống chuẩn đo lường ........................................................................................ 18
1.2. Chuẩn đo lường góc .................................................................................................. 19
1.2.1. Các dạng chuẩn góc nhỏ .................................................................................... 19
1.2.1.1. Ống tự chuẩn trực ( Autocollimator) ....................................................................... 19
1.2.1.2. Thước sin (Sine bar) ................................................................................................ 20
1.2.1.3. Ni vô ........................................................................................................................ 21
1.2.1.4. Chuẩn góc dạng căn mẫu......................................................................................... 21
1.2.2. Chuẩn góc toàn vòng ......................................................................................... 22
1.2.2.1. Đa diện góc .............................................................................................................. 22
1.2.2.2. Bàn phân độ ( Indexing table) ................................................................................. 23
1.2.2.3. Chuẩn góc toàn vòng dạng đĩa chia độ mã hóa (Rotary Encoder – RE) ................. 23
1.3. Hiệu chuẩn chuẩn, phương tiện đo ........................................................................... 24
1.3.1. Hiệu chuẩn ......................................................................................................... 24
1.3.2. Độ không đảm bảo đo ....................................................................................... 24
1.4. Hệ thống chuẩn đo lường quốc gia lĩnh vực góc tại một số quốc gia trên thế giới . 25
1.4.1. Hệ thống chuẩn đo lường quốc gia lĩnh vực góc của Viện Quốc gia về chuẩn và
công nghệ Mỹ (NIST) ................................................................................................. 26
1.4.2. Hệ thống chuẩn đo lường lĩnh vực góc của PTB............................................... 26
2
1.4.3. Hệ thống chuẩn đo lường quốc gia lĩnh vực góc của INRIM .......................... 27
1.4.4. Hệ thống chuẩn đo lường quốc gia lĩnh vực góc của NMIJ .............................. 27
1.4.5. Hệ thống chuẩn đo lường quốc gia lĩnh vực góc của Viện đo lường Trung Quốc
..................................................................................................................................... 28
1.5. Chuẩn góc toàn vòng ................................................................................................ 29
1.5.1. Chuẩn góc toàn vòng kiểu cơ ............................................................................ 30
1.5.2. Chuẩn góc toàn vòng sử dụng laser vòng ......................................................... 30
1.5.3. Chuẩn góc toàn vòng sử dụng đĩa chia độ mã hóa góc quay ............................ 31
1.5.4. Đầu đọc .............................................................................................................. 33
1.5.5. Phương pháp đảm bảo đo lường chuẩn góc toàn vòng..................................... 34
1.5.5.1. Nguyên lý vòng tròn khép kín ................................................................................. 35
1.5.5.2. Phương pháp hiệu chuẩn chéo ................................................................................. 35
1.5.5.3. Phương pháp nhiều đầu đọc ................................................................................... 36
1.6. Bộ tạo góc nhỏ ......................................................................................................... 37
1.6.1. Mô hình lý thuyết. ............................................................................................. 37
1.6.2. Các nguyên lý tạo góc nhỏ ................................................................................ 38
1.6.2.1. Nguyên lý tang ........................................................................................................ 38
1.6.2.2. Nguyên lý sin .......................................................................................................... 39
1.6.2.3. Phân tích nguyên lý tạo góc nhỏ ............................................................................. 40
1.6.3. Một số bộ tạo góc nhỏ ...................................................................................... 40
1.6.3.1. Bộ tạo góc nhỏ kiểu cơ khí ( hình 1.28) .................................................................. 40
1.6.3.2. Bộ tạo góc nhỏ sử dụng động cơ dịch chuyển nhỏ chính xác ................................. 40
1.6.3.3. Bộ tạo góc nhỏ kiểu cơ quang ................................................................................ 41
1.7. Thực trạng chuẩn đo lường góc tại Việt Nam và nội dung nghiên cứu của luận án 42
1.7.1. Hiện trạng chuẩn đo lường lĩnh vực góc tại Việt Nam ..................................... 42
1.7.2. Đề xuất mô hình chuẩn đo lường quốc gia lĩnh vực góc tại Việt Nam ............ 43
1.7.3. Nội dung nghiên cứu ......................................................................................... 44
CHƯƠNG 2 ......................................................................................................................... 45
CƠ SỞ PHƯƠNG PHÁP XÂY DỰNG CHUẨN GÓC TOÀN VÒNG ............................. 45
2.1. Nguyên lý, phương pháp tạo chuẩn góc toàn vòng bằng đĩa chia độ kiểu gia số ..... 45
2.1.1. Phương pháp đọc vạch chia ............................................................................... 46
2.1.2. Phương pháp nội suy nâng cao độ phân giải. .................................................... 48
2.2. Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác của chuẩn góc toàn vòng sử dụng
đĩa chia độ kiểu gia số ..................................................................................................... 49
2.2.1. Các dạng sai số của chuẩn góc toàn vòng sử dụng đĩa chia độ kiểu gia số ....... 49
2.2.2. Sai số toàn vòng ................................................................................................ 50
2.2.2.1. Sai số vị trí của vạch chia ........................................................................................ 50
3
2.2.2.2. Sai số chuyển động quay của đĩa chia độ ................................................................ 51
2.2.2.3. Độ ổn định của tâm quay ......................................................................................... 53
2.3. Nghiên cứu giải pháp giảm thiểu sai số chuẩn góc toàn vòng gia số ....................... 53
2.3.1. Phương pháp giảm thiểu sai số do ảnh hưởng của lệch tâm.............................. 53
2.3.2. Phương pháp giảm thiểu sai số do ảnh hưởng độ nghiêng đĩa chia độ ............. 57
2.4. Nghiên cứu, xây dựng phương pháp tự hiệu chuẩn chuẩn góc toàn vòng gia số ..... 57
2.4.1. Cơ sở lý thuyết của phương pháp tự hiệu chuẩn chuẩn góc toàn vòng gia số bố
trí nhiều đầu đọc .......................................................................................................... 58
2.4.2. Xây dựng phương pháp tự hiệu chuẩn chuẩn góc toàn vòng gia số áp dụng
phương pháp EDA ....................................................................................................... 60
2.5. Thiết kế, chế tạo chuẩn góc toàn vòng gia số ........................................................... 64
2.5.1. Nghiên cứu lựa chọn, bố trí sơ đồ lắp đặt đầu đo .............................................. 64
2.5.2. Xác định các chi tiết quan trọng ........................................................................ 65
2.5.2.1. Đĩa chia độ và đầu đọc ............................................................................................ 65
2.5.2.2. Bộ nội suy tín hiệu .................................................................................................. 67
2.5.2.3. Ổ quay ..................................................................................................................... 68
2.5.3. Lắp đặt tích hợp hệ thống .................................................................................. 68
2.6. Đánh giá độ chính xác chuẩn toàn vòng gia số ........................................................ 69
2.6.1. Đánh giá độ chính xác bằng phương pháp tự hiệu chuẩn ................................. 69
2.6.2. Đánh giá chuẩn góc toàn vòng gia số thông qua so sánh vòng ......................... 74
2.6.2.1. Phương pháp so sánh vòng ...................................................................................... 74
2.6.2.2. So sánh kết quả đo với KRISS ................................................................................ 76
2.7. Kết luận chương hai .................................................................................................. 77
CHƯƠNG 3 ..................................................................................................................... 79
CƠ SỞ PHƯƠNG PHÁP XÂY DỰNG CHUẨN GÓC NHỎ ........................................ 79
3.1. Cơ sở lý thuyết xây dựng chuẩn góc nhỏ ................................................................ 79
3.2. Nghiên cứu, xây dựng phương pháp tạo góc nhỏ ..................................................... 79
3.2.1. Thiết lập sơ đồ lý thuyết bộ tạo góc nhỏ quang cơ. ........................................... 80
3.2.1.1 Sơ đồ nguyên lý ........................................................................................................ 80
3.2.1.2. Phương pháp khắc phục ảnh hưởng tâm quay đến sai số của bộ tạo góc nhỏ ......... 81
3.2.1.3. Phương pháp đo xác định khoảng cách dịch chuyển của gương góc ...................... 83
3.2.2. Xây dựng mô hình lý thuyết bộ tạo góc nhỏ theo nguyên lý sin ....................... 83
3.3. Nghiên cứu ước lượng độ không đảm bảo đo của bộ tạo góc nhỏ ........................... 84
3.3.1. Phương pháp đánh giá độ không đảm bảo đo ................................................... 84
3.3.1.1 Mô hình đo ............................................................................................................... 84
4
3.3.1.2. Đánh giá độ không đảm bảo chuẩn loại A .............................................................. 85
3.3.1.3. Đánh giá độ không đảm bảo đo chuẩn loại B .......................................................... 85
3.3.1.4. Đánh giá độ không đảm bảo đo chuẩn tổng hợp uc ................................................. 87
3.3.1.5. Độ không đảm bảo đo mở rộng ............................................................................... 88
3.3.2. Độ không đảm bảo đo của bộ tạo góc nhỏ ........................................................ 88
3.3.3. Nghiên cứu, tính toán xác định các yếu tố ảnh hưởng đến độ không đảm bảo đo
của bộ tạo góc nhỏ ....................................................................................................... 89
3.3.3.1. Đánh giá độ không đảm bảo đo của giao thoa kế laser uf(h) ................................... 89
3.3.3.2. Đánh giá độ không đảm bảo đo chiều dài cánh tay đòn u(L) .................................. 92
3.4. Nghiên cứu phương pháp đo chính xác độ dài cánh tay đòn ................................... 93
3.4.1. Xây dựng phương pháp đo ................................................................................ 93
3.4.2. Độ không đảm bảo đo của phép đo độ dài cánh tay đòn ................................... 95
3.4.3. Xây dựng mô hình thực nghiệm phép đo khoảng cách cánh tay đòn ................ 96
3.4.4. Độ không đảm bảo đo của phép đo chiều dài cánh tay đòn trên mô hình thực
nghiệm. ........................................................................................................................ 98
3.5. Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo, tích hợp bộ tạo góc nhỏ ........................................... 99
3.5.1. Sơ đồ nguyên lý ................................................................................................. 99
3.5.2. Cánh tay đòn .................................................................................................... 100
3.5.3. Giao thoa kế laser ............................................................................................ 100
3.5.4 Phần mềm đo .................................................................................................... 100
3.6. Tính toán độ không đảm bảo đo của bộ tạo góc nhỏ được chế tạo ........................ 102
3.6.1. Xác định các thành phần độ không đảm bảo đo uf(h) của giao thoa kế laser .. 102
3.6.2 Tính toán thành phần độ không đảm bảo đo 𝒖𝒂(𝒉) do ảnh hưởng của việc lắp đặt
hệ thống ..................................................................................................................... 103
3.6.3. Xác định thành phần u(L) ................................................................................ 104
3.6.3.1 Xác định giá trị u(LC) ............................................................................................. 104
3.6.3.2. Xác định thành phần độ không đảm bảo đo 𝑢𝐸(𝐿) ............................................... 105
3.6.4 Xác định độ không đảm bảo đo tổng hợp chuẩn 𝒖𝒄(𝜽)của bộ tạo góc nhỏ ... 106
3.7. Đánh giá bộ tạo góc nhỏ bằng phương pháp so sánh liên phòng .......................... 106
3.8. Kết luận chương ba ................................................................................................. 108
CHƯƠNG 4 ....................................................................................................................... 110
XÂY DỰNG HỆ THỐNG CHUẨN ĐO LƯỜNG QUỐC GIA LĨNH VỰC GÓC ......... 110
4.1. Hệ thống chuẩn đo lường quốc gia lĩnh vực góc .................................................... 110
4.2. Tích hợp hệ thống chuẩn đo lường quốc gia lĩnh vực góc ..................................... 111
4.3. Dẫn xuất chuẩn đo lường lĩnh vực góc ................................................................. 112
4.4. Xây dựng phương pháp hiệu chuẩn sử dụng chuẩn đo lường góc được thiết lập .. 114
5
4.4.1. Xây dựng phương pháp hiệu chuẩn ống tự chuẩn trực sử dụng bộ tạo góc nhỏ
................................................................................................................................... 114
4.4.1.1 Sơ đồ hiệu chuẩn .................................................................................................... 114
4.4.1.2. Xác định vị trí kiểm ban đầu (vị trí gốc) ............................................................... 115
4.4.1.3. Phương pháp hiệu chuẩn ....................................................................................... 115
4.4.1.4. Độ không đảm bảo đo của phép hiệu chuẩn ống tự chuẩn trực sử dụng bộ tạo góc
nhỏ ...................................................................................................................................... 116
4.4.2. Xây dựng phương pháp hiệu chuẩn đa diện góc ............................................. 116
4.4.2.1 Lắp đặt thiết bị ........................................................................................................ 116
4.4.2.2. Phương pháp hiệu chuẩn ....................................................................................... 117
4.4.2.3. Tính toán độ không đảm bảo đo của phép hiệu chuẩn đa diện góc sử dụng chuẩn góc
toàn vòng 119
4.5. Kết luận chương bốn .............................................................................................. 121
KẾT LUẬN ....................................................................................................................... 122
KIẾN NGHỊ ....................................................................................................................... 123
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................. 124
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN ............................. 127
6
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
1. Danh mục chữ viết tắt, thuật ngữ
STT Ký hiệu
Chữ viết tắt
Tiếng Việt Tiếng Anh
1 BIPM Tổ chức Cân đo Quốc tế Bureau International des Poids
et Mesure
2 CIPM Ủy ban Cân đo Quốc tế International Committee for
Weights and Measures
3 CMCs Năng lực đo và hiệu chuẩn Calibration and Measurement
Capabilites
4 DFT Biến đổi Fourier rời rạc Discrete Fourier transform
5 EDA Trung bình phân đoạn
bằng nhau
Equal division average
6 FFT Biến đổi Fourier nhanh Fast Fourier transform
7 INRIM Viện nghiên cứu Đo lường
quốc gia (Italia)
National Institute of
Metrological Research (Italia)
8 KRISS Viện nghiên cứu chuẩn và
khoa học Hàn Quốc
Korea Research Institute of
Standards and Science
9 NA Sai số góc cục bộ Narrow Angle Error
10 NMIs Viện Đo lường Quốc gia National Metrology Institutes
11
NIM Viện đo lường quốc gia
Trung Quốc
National Metrology Íntitute
12
NIST Viện chuẩn và Công nghệ
Quốc gia (USA)
National Institute of Standards
and technology (USA)
13 NIMT Viện Đo lường quốc gia
Thái Lan
National Institute Metrology of
Thailand
14 RE Thiết bị mã hóa góc quay Rotary Encoder
15 RL Laser vòng Ring Laser
16 PTB Cục vật lý kỹ thuật Đức Physikalisch-Technische
Bundesanstalt
17 VMI Viện Đo lường Việt Nam Vietnam Metrology Institute
18 WA Sai số góc lớn Wide angle errors
7
2. Danh mục ký hiệu
STT Ký hiệu Tiếng việt
1 C Chu kỳ vạch chia đĩa chia độ kiểu gia số
2 D Đường kính đĩa chia độ
3 δji Sai số góc tích lũy từ các đầu đọc đến đầu đọc chính
4 µi,j Sai số góc của đầu đọc thứ j tại vị trí vạch thứ i của chuẩn góc
toàn vòng
5 μ̅ Sai số góc của chuẩn góc toàn vòng
6 e Độ lệch tâm giữa tâm quay và tâm đĩa chia độ
7 L Độ dài cánh tay đòn bộ tạo góc nhỏ
8 Góc nghiêng của đĩa chia độ
9 NG Số vạch chia của đĩa chia độ
10 NH Số đầu đọc
11 r Độ
