Tài liệu Nghiên cứu, xây dựng chuẩn đo lường quốc gia lĩnh vực góc

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 1 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 2 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 3 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 4 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 5 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 6 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 12 rcb Độ phân giải cơ bản của chuẩn góc toàn vòng 13 S Khoảng cách giữa chia vạch chia liên tiếp của đĩa chia độ 14 uc Độ không đảm bảo đo tổng hợp 15 U Độ không đảm bảo đo mở rộng Độ phân giải của chuẩn góc toàn vòng 7 DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Trang Hình 1.1: a) Định nghĩa góc b) Định nghĩa radian............................................................. 17 Hình 1.2: Sơ đồ minh họa phân chia chuẩn ........................................................................ 19 Hình 1.3: a) Ống tự chuẩn trực; b) Sơ đồ nguyên lý [13] ................................................... 20 Hình 1.4: a) Thước sin, b) Nguyên lý làm việc [35]............................................................ 21 Hình 1.5: Ni vô a) Ni vô cơ khí; b) Ni vô điện tử [33] ........................................................ 21 Hình 1.6:a) Chuẩn góc dạng căn mẫu góc, b) Sơ đồ ghép căn mẫu góc .......................... 22 Hình 1.8: Bàn phân độ a) Hình ảnh b) Bước răng bàn phân độ[43]................................. 23 Hinh 1.9: a) Nguyên lý hoạt động và cấu tạo của RE, b) Rotary Encoder RE [17] .......... 24 Hình 1.10: Chuẩn đo lường lĩnh vực góc tại NIST [41] ..................................................... 26 Hình 1.11: Chuẩn đo lường lĩnh vực góc tại PTB a) Sơ đồ nguyên lý, b) Hình ảnh [42] .. 26 Hình 1.12: Chuẩn đo lường quốc gia lĩnh vực góc INRIM [42] ......................................... 27 Hình 1.13: Chuẩn Đo lường quốc gia lĩnh vực góc Nhật bản [42] ................................... 28 a) Hệ thống hiệu chuẩn RE, b) Bộ tạo góc nhỏ, c) Hệ thống hiệu chuẩn đa diện góc ........ 28 Hình 1.14: Chuẩn Đo lường lĩnh vực góc Trung Quốc (NIM)[42] .................................... 28 Hình 1.15: Minh họa chuẩn góc sử dụng vòng tròn chia độ ............................................... 29 Hình 1.16: Laser vòng a) Sơ đồ nguyên lý; b) sơ đồ kết cấu [26] ..................................... 30 Hình 1.17: Sơ đồ nguyên lý chuẩn góc toàn vòng sử dụng RE 1: Trục quay, 2: Đĩa chia độ, 3: Đầu đọc ........................................................................................................................... 31 Hình 1.18: Các loại đĩa chia độ, a) Đĩa chia độ quang học, b) Đĩa chia độ từ [9,16] ....... 31 Hình 1.19: Đĩa chia độ theo phương pháp đọc tuyệt đối [7] .............................................. 32 Hình 1.20: a) Đĩa chia độ kiểu gia số[9], b) Vạch chia của đĩa chia độ ........................... 33 Hình 1.21: Sơ đồ nguyên lý đầu đọc quét ảnh[18] ............................................................. 34 Hình 1.22: Đầu đọc phản xạ [18] ....................................................................................... 34 Hình 1.23: Sơ đồ hiệu chuẩn chéo ...................................................................................... 35 Hình 1.24. Sơ đồ bố trí đầu đọc chuẩn góc toàn vòng WMT 220 của PTB[32] ................. 36 Hình 1.25: Nguyên lý tạo góc nhỏ ....................................................................................... 38 Hình 1.26: Bộ tạo góc nhỏ sử dụng nguyên lý tang ............................................................ 39 Hình 1.27: Bộ tạo góc nhỏ sử dụng nguyên lý sin ............................................................... 39 Hình 1.28: Bộ tạo góc nhỏ kiểu cơ* 1) cánh tay đòn; 2) panme đo; 3) Cơ cấu đòn bẩy [8] ............................................................................................................................................. 40 Hình 1.29: Bộ tạo góc nhỏ sử dụng PZT, a) Sơ đồ nguyên lý, b) Kết cấu .......................... 41 Hình 1.30: Sơ đồ nguyên lý bộ tạo góc nhỏ của Viện Đo lường Nhật bản NMIJ [38] ....... 41 Hình 1.31: Chuẩn góc hiện có tại VMI ............................................................................... 42 a) Đa diện quang học; b) Ông tự chuẩn trực; c) Bộ căn mẫu góc .................................. 42 Hình 1.32: Độ không đảm bảo đo của phép hiệu chuẩn ống tự chuẩn trực [37] ............... 43 Hình 2.1: a) Đĩa chia độ, b) Vạch chia ............................................................................... 45 Hình 2.2: Vạch chia gốc của đĩa chia độ[7] ....................................................................... 46 Hình 2.3: Mô tả phương pháp đọc vạch chia đĩa chia độ kiểu gia số[11] ......................... 46 Hình 2.4: Sơ đồ tạo tín hiệu điện áp đầu ra a) Sơ đồ khi dùng mặt nạ đơn,....................... 47 b) Sơ đồ khi dùng mặt nạ kép [22] ...................................................................................... 47 Hình 2.5: Mạch biến đổi xung hình sin sang xung vuông ................................................... 47 Hình 2.7: Sơ đồ nguyên lý chuẩn góc toàn vòng gia số [38] .............................................. 50 Hình 2.8: Sai số vị trí của vạch chia ................................................................................... 51 Hình 2.9: Sơ đồ biểu diễn biến thiên bán kính Rθ a) Sơ đồ, b) vị trí đọc ........................... 51 Hình 2.10: Sai số do ảnh hưởng độ nghiêng đĩa chia độ .................................................... 52 Hình 2.11: Sai số góc do lệch tâm a) Vị trí bất kỳ, b) Vị trí sai số góc lớn nhất ................ 54 Hình 2.12: Quan hệ giữa sai số góc do lệch tâm với đường kính đĩa chia độ [18] ............ 55 8 Hình 2.13: a) Sơ đồ bố trí đầu đọc đối xứng, b) Dạng đồ thị sai số ................................... 56 Hình 2.14: Đồ thị minh họa phương pháp khớp số liệu bù sai số lệch tâm[40] ................. 56 Hình 2.15: Sơ đồ căn chỉnh độ nghiêng đĩa chia độ ........................................................... 57 Hình 2.16: Sơ đồ bố trí đầu đọc cách đều trên đĩa chia độ ................................................ 58 Hình 2.17:Biểu diễn mối quan hệ giữa vạch chia và đầu đọc............................................. 58 Hình 2.18 : Sai lệch giữa vạch chia thực tế với vạch chia danh nghĩa ............................... 58 Hình 2.19: Thứ tự tín hiệu ra từ các đầu đọc ...................................................................... 59 Hình 2.20: Sơ đồ lắp đặt đầu đọc và chênh lệch sai số ij so với sai số đầu đọc chính...... 61 Hình 2.21: Sơ đồ xác định µi,j.............................................................................................. 62 Hình 2.22: Sơ đồ bố trí đầu đọc .......................................................................................... 64 Hình 2.23: Đĩa chia độ ........................................................................................................ 66 Hình 2.24: Sơ đồ đầu đọc SMD-01 ..................................................................................... 66 Hình 2.25: Sơ đồ kết cấu gá đặt, định vị đầu đọc SMD-01 ................................................. 67 Hình 2.26: Bộ nội suy tín hiệu ............................................................................................. 67 Hình 2.27: Ổ quay đệm khí.................................................................................................. 68 Hình 2.28: Chuẩn góc toàn vòng......................................................................................... 68 Hình 2.29 Đồ thị sai số của từng nhóm đầu đọc a) nhóm 3 đầu đọc, b) nhóm 4 đầu đọc .. 70 Hình 2.30: Đồ thị sai số sau khi dịch pha, a) Nhóm 3 đầu đọc, b) Nhóm 4 đầu đọc .......... 71 Hình 2.31: Đồ thị sai số trung bình, a) Nhóm 3 đầu đọc, b) Nhóm 4 đầu đọc ................... 71 Hình 2.32: a) Nhóm 3 đầu đọc, b) Nhóm 4 đầu đọc ........................................................... 71 Hình 2.33: Đồ thị sai số của chuẩn góc toàn vòng, a) Nhóm 3 đầu đọc, b) Nhóm 4 đầu đọc ............................................................................................................................................. 72 Hình 2.34: Đồ thị sai số của chuẩn góc toàn vòng ............................................................. 72 Hình 2.35: Đồ thị sai số sau khi hiệu chỉnh độ nghiêng đĩa chia độ .................................. 73 Hình 2.36: Đồ thị sai số của chuẩn góc toàn vòng gia số sau khi hiệu chỉnh .................... 73 Hình 2.37: Độ chênh lệch kết quả đo giữa các lần tự hiệu chuẩn ...................................... 74 Hình 2.38: quá trình thực hiện so sánh vòng ...................................................................... 74 Hinh 2.39: Bố trí thiết bị đo đa diện góc tiến hành so sánh song phương .......................... 76 Hình 2.40: Kết quả đo so sánh đa diện góc với KRISS ....................................................... 76 Hình 3.1: Minh họa góc nhỏ................................................................................................ 79 Hình 3.2: Sơ đồ nguyên lý bộ tạo góc nhỏ theo nguyên lý sin ............................................ 79 Hình 3.3: Sơ đồ nguyên lý bộ tạo góc nhỏ sử dụng giao thoa kế laser ............................... 80 a) Bộ tạo góc sử dụng gương phẳng, b) bộ tạo góc sử dụng gương góc ............................ 80 Hình 3.4: Sơ đồ tính toán quang lộ tia laser đo .................................................................. 81 Hình 3.5: Sơ đồ bộ tạo góc nhỏ đối xứng ............................................................................ 81 Hình 3.6: Sơ đồ tính toán vị trí gương góc.......................................................................... 82 Hình 3.7: Sơ đồ nguyên lý giao thoa kế hai tần số đo độ dài.............................................. 83 Hình 3.8: Sơ đồ bộ tạo góc nhỏ được xây dựng ................................................................. 84 Hình 3.9. Phân bố xác xuất hình chữ nhật .......................................................................... 86 Hình 3.10. Phân bố xác xuất hình tam giác ........................................................................ 87 Hình 3.11: Sơ đồ tính toán độ không đảm bảo đo của bộ tạo góc nhỏ ............................... 88 Hình 3.12: Gương góc, a) Nguyên lý, b) Hình ảnh ............................................................. 93 Hình 3.13: Sơ đồ nguyên lý đo khoảng cách giữa hai tâm ảo của gương góc .................... 94 Hình 3.14: Sơ đồ đo khoảng cách cánh tay đòn .................................................................. 96 Hình 3.15: Mô hình thực nghiêm đo khoảng cách cánh tay đòn......................................... 97 Hình 3.16: Ảnh camera thu được của tia laser phản xạ ..................................................... 97 Hình 3.17: Sơ đồ kết cấu bộ tạo góc nhỏ được thiết kế ....................................................... 99 Hình 3.18: Kết cấu cánh tay đòn ....................................................................................... 100 Hình 3.19: Giao diện phần mềm của bộ tạo góc nhỏ ........................................................ 101 Hình 3.20: Bộ tạo góc nhỏ ................................................................................................ 101 9 Hình 3.21: Sơ đồ tính toán ĐKĐB đo do lắp đặt hệ thống ............................................... 103 Hình 3.22 : Biểu đồ so sánh kết quả hiệu chuẩn ống tự chuẩn trực giữa KRISS và luận án thực hiện ............................................................................................................................ 108 Hình 4.1: Sơ đồ khối hệ thống chuẩn đo lường quốc gia lĩnh vực góc ............................. 110 Hình 4.2: Hệ thống chuẩn đo lường quốc gia lĩnh vực góc .............................................. 111 Hình 4.3: Sơ đồ dẫn xuất chuẩn đo lường lĩnh vực góc .................................................... 113 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 ............. 114 Hình 4.5: Sơ đồ tính toán ảnh hưởng của vị trí đặt gương trên bàn đo của bộ tạo góc nhỏ ........................................................................................................................................... 114 Hình 4.6: Sơ đồ xác định điểm gốc khi hiệu chuẩn ống tự chuẩn trực ............................. 115 Hình 4.7: Sơ đồ lắp đặt thiết bị hiệu chuẩn đa diện góc ................................................... 117 Hình 4.8: Bảng tính kết quả đo đa diện góc sử dụng nguyên lý vòng tròn khép kín ......... 119 10 DANH MỤC BẢNG BIỂU Trang Bảng 1.1: Các chuẩn góc hiện có tại VMI .......................................................................... 43 Bảng 2.1. Ví dụ số liệu trên từng đầu đọc trong quá trình tự hiệu chuẩn ........................... 69 Bảng 2.2 : Kết quả đo so sánh đa diện góc 24 mặt ............................................................. 77 Bảng 3.1: Thành phần ĐKĐB đo của giao thoa kế Laser................................................... 91 Bảng 3.2 Thành phần độ không đảm bảo đo của giao thoa kế laser ................................ 102 Bảng 3.3: Kết quả đo lặp lại chiều dài cánh tay đòn ........................................................ 104 Bảng 3.4: Kết quả đo so sánh ống tự chuẩn trực với KRISS............................................. 107 Bảng 4.1: Đặc trưng kỹ thuật của chuẩn đo lường lĩnh vực góc ...................................... 112 11 MỞ ĐẦU 1. .Tính cấp thiết của đề tài luận án nghiên cứu 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, điều này đã ảnh hưởng không nhỏ đến việc chủ động 12 sử dụng, khai thác chuẩn góc. Hơn nữa, hàng năm ngân sách nhà nước đã phải chi ra một lượng ngoại tệ không nhỏ dành cho việc hiệu chuẩn tại nước ngoài. Xây dựng chuẩn đo lường quốc gia lĩnh vực góc để đảm bảo tính chính xác của phép đo góc cho cả nước là một việc làm quan trọng trong kế hoạch phát triển hệ thống đo lường quốc gia. Đó cũng là một nhiệm vụ trong quy hoạch hệ thống chuẩn quốc gia nhằm đáp ứng nhu cầu đảm bảo đo lường cho các cơ sở hiệu chuẩn, nghiên cứu khoa học, các đơn vị sản xuất kinh doanh trên toàn quốc. Nghiên cứu chế tạo được thiết bị tạo góc chuẩn đảm bảo tính dẫn xuất chuẩn đo lường góc, chúng ta có thể chủ động hiệu chuẩn các thiết bị đo góc phẳng mà không phải mang đi nước ngoài hiệu chuẩn, đồng thời nâng cao trình độ chuẩn góc tạo tiền đề để có thể tham gia hội nhập với các nước trong khu vực và Quốc tế. Đó chính là những lý do tác giả luận án chọn hướng nghiên cứu: “ Nghiên cứu, xây dựng chuẩn đo lường quốc gia lĩnh vực góc ”. Đo lường góc đóng vai trò quan trọng trong ngành cơ khí chính xác. Nhiều chuẩn và thiết bị đo được sử dụng trong kỹ thuật đo góc như căn mẫu góc, đa diện góc, thiết bị mã hóa đo góc … Để đảm bảo độ chính xác và độ tin cậy, các thiết bị đó phải được định kỳ hiệu chuẩn, đánh giá. Hệ thống chuẩn đo lường quốc gia chính là cở sở pháp lý, kỹ thuật để đảm bảo độ chính xác của các chuẩn, thiết bị đo phục vụ nhu cầu của xã hội và hội nhập quốc tế. Nghiên cứu chế tạo chuẩn đo lường quốc gia lĩnh vực góc giúp cho Việt Nam làm chủ về mặt kỹ thuật, tạo tiền đề vững chắc cho việc duy trì và dẫn xuất chuẩn đo lường góc, nâng cao trình độ nghiên cứu về khoa học kỹ thuật đo lường, đồng thời giúp cho chúng ta tiết kiệm được chi phí ngoại tệ để trang bị chuẩn góc nếu nhập khẩu của nước ngoài. Điều này cũng khẳng định tính cấp thiết của luận án. 2. Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu a) Mục đích của luận án Nghiên cứu xác lập cơ sở khoa học và kỹ thuật để có thể xây dựng hệ thống thiết bị đo thực hiện được chức năng chuẩn đo lường quốc gia lĩnh vực góc phẳng đảm bảo việc hiệu chuẩn cho chuẩn góc có độ chính xác thấp hơn và phương tiện đo góc đáp ứng nhu cầu của cơ sở trong cả nước. b) Đối tượng và phạm vi nghiên cứu - Đối tượng nghiên cứu của luận án nghiên cứu, lựa chọn phương pháp phù hợp với điều kiện Việt Nam để xây dựng chuẩn góc toàn vòng và bộ tạo góc nhỏ đáp ứng yêu cầu đặt ra đối với chuẩn quốc gia. Xây dựng được các phương pháp duy trì và dẫn xuất chuẩn đo lường lĩnh vực góc từ chuẩn quốc gia đến chuẩn góc và phương tiện đo góc có độ chính xác thấp hơn, phù hợp với yêu cầu thực tế của Việt Nam. - Phạm vi nghiên cứu của luận án giới hạn trong việc nghiên cứu xây dựng chuẩn góc toàn vòng giá trị độ chia 0,1, độ không đảm bảo đo U= 0,3. Nghiên cứu chế tạo bộ tạo góc nhỏ phạm vi đo ± 30' với độ không đảm bảo đo U = (0,1~ 0,3). - Tích hợp các thiết bị chuẩn thành hệ thống chuẩn, xây dựng phương pháp đánh giá, sao truyền chuẩn. 13 3. Phương pháp nghiên cứu - Phương pháp nghiên cứu là kết hợp giữa lý thuyết và thực nghiệm kiểm chứng trên thiết bị được chế tạo. Dùng phương pháp khảo sát phân tích kết quả các công trình nghiên cứu trên thế giới để xây dựng phương pháp thiết lập chuẩn đo lường quốc gia lĩnh vực góc - Luận án sử dụng phương pháp suy diễn lý thuyết để lập mô hình chuẩn góc toàn vòng và chuẩn góc nhỏ, xây dựng mô hình toán học, phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác của thiết bị. Thiết lập phương pháp đánh giá độ không đảm bảo đo của chuẩn góc. - Tiến hành đo thử nghiệm so sánh kết quả hiệu chuẩn ống tự chuẩn trực trên bộ tạo góc nhỏ và đa diện góc trên chuẩn góc toàn vòng với kết quả hiệu chuẩn của Viện nghiên cứu về Chuẩn và Khoa học Hàn Quốc (KRISS) làm căn cứ đánh giá độ chính xác. - Sử dụng các phần mềm để phân tích xử lý dữ liệu: phần mềm Excel, Matlab xử lý số liệu để nghiên cứu và thực nghiệm. 4. Nội dung luận án Nội dung nghiên cứu của luận án được trình bầy trong 4 chương: Chương 1: Tổng Quan về hệ thống chuẩn đo lường quốc gia lĩnh vực góc. Nghiên cứu hệ thống chuẩn đo lường quốc gia lĩnh vực góc của một số Viện đo lường quốc gia của các nước trong khu vực và trên thế giới, đánh giá tình hình và yêu cầu của Việt Nam, từ đó xác định mục tiêu và nội dung nghiên cứu thiết lập hệ thống chuẩn đo lường quốc gia lĩnh vực góc tại Việt Nam. Nghiên cứu các cơ sở lý thuyết về xây dựng chuẩn góc toàn vòng và bộ tạo góc nhỏ của một số quốc gia trên thế giới. Chương 2: Cơ sở phương pháp xây dựng chuẩn góc toàn vòng: Nghiên cứu cơ sở lý thuyết của chuẩn góc toàn vòng sử dụng đĩa chia độ kiểu gia số (Incremental Disk). Nghiên cứu phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác của chuẩn góc toàn vòng. Xây dựng phương pháp đánh giá độ chính xác của vạch chia thông qua việc tự hiệu chuẩn (self-calibration) bằng cách áp dụng phương pháp trung bình phân đoạn bằng nhau (The Equal Division Average-EDA). Xác lập cách thức sơ đồ bố trí đầu đọc, tính toán lựa chọn các chi tiết chính, tích hợp lắp đặt hoàn chỉnh thiết bị, thiết kế, chế tạo chuẩn góc toàn vòng sử dụng đĩa chia độ kiểu gia số. Xây dựng phương pháp đánh giá độ chính xác, độ ổn định, thực nghiệm so sánh kết quả chế tạo với Viện nghiên cứu về chuẩn và khoa học Hàn Quốc (KRISS). Chương 3: Cơ sở phương pháp xây dựng chuẩn góc nhỏ: Nghiên cứu cơ sở lý thuyết tạo góc nhỏ sử dụng hàm số lượng giác. Nghiên cứu phương pháp tính toán độ không đảm bảo đo của bộ tạo góc nhỏ, nghiên cứu đưa ra phương pháp đo khoảng cách tâm ảo giữa hai gương góc của cánh tay đòn. Nghiên cứu, thiết kế chế tạo, lắp đặt bộ tạo góc nhỏ sử dụng nguyên lý sine và giao thoa kế laser; xây dựng phương pháp đánh giá độ chính xác của thiết bị chuẩn, tiến hành đo đánh giá kết quả bộ tạo góc nhỏ, so sánh kết quả đo tại KRISS 14 Chương 4: Xây dựng hệ thống chuẩn đo lường quốc gia lĩnh vực góc: 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. 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án a) Ý nghĩa khoa học - Xây dựng phương pháp thiết lập hệ thống chuẩn đo lường góc trên cơ sở xây dựng bộ tạo góc nhỏ và chuẩn góc toàn vòng. - Đối với chuẩn góc toàn vòng, xây dựng phương pháp tự hiệu chuẩn sử dụng kỹ thuật bố trí nhiều đầu đọc và phương pháp trung bình phân đoạn bằng nhau EDA để đánh giá độ chính xác của chuẩn. - Nghiên cứu phương pháp tạo chuẩn góc nhỏ, đề xuất phương pháp đo khoảng cách giữa hai tâm ảo của gương góc, tính toán thiết kế chế tạo bộ tạo góc nhỏ dẫn xuất từ chuẩn đo lường độ dài. b) Ý nghĩa thực tế - Nghiên cứu thiết kế, chế tao chuẩn góc toàn vòng có độ phân giải 0,1, Độ không đảm bảo đo U= 0,3. - Thiết kế chế tạo bộ tạo góc nhỏ có phạm vi ± 30´ độ không đảm bảo đo U=0,08. - Tích hợp thành hệ thống chuẩn đo lường quốc gia lĩnh vực góc đáp ứng yêu cầu về chuẩn đo lường quốc gia lĩnh vực góc theo quy hoạch phát triển chuẩn quốc gia của Viện Đo lường Việt Nam. Kết quả này có thể dùng làm hệ thống chuẩn đo lường quốc gia lĩnh vực góc. 6. Các đóng góp mới của luận án - Luận án 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. Phương pháp tự hiệu chuẩn có thể xác định chính xác sai số vị trí của từng vạch chia, sai số lệch tâm và độ nghiêng đĩa chia độ toàn bộ dự liệu này được dùng để bù sai số chuẩn góc toàn vòng gia số. Đây là một yếu tố bắt buộc đối với việc xây dựng cơ sở lý thuyết cho việc chế tạo chuẩn đầu quốc gia lĩnh vực góc. Đã chế tạo thành công chuẩn toàn vòng sử dụng đĩa chia độ gia số có độ phân giải 0,1″, độ không đảm bảo đo U= 0,3″. - Luận án đã kế thừa và phát triển quá trình nghiên cứu về lý thuyết, thực hành của đề tài “ Nghiên cứu, thiết kế chế tạo bộ chuẩn đầu góc phẳng nhỏ”[1]. Luận án xây dựng mô hình lý thuyết, nghiên cứu tính toán các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác của bộ tạo góc nhỏ theo nguyên lý sin đồng thời đưa ra phương pháp đo khoảng cách tâm ảo giữa hai gương góc của cánh tay đòn sử dụng cảm biến vị trí quang học CCD kết hợp với giao thoa laser. 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 15 đòn 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 kiện môi trường làm việc của bộ tạo góc nhỏ đảm bảo độ không đảm bảo đo yêu cầu nhỏ hơn 0,1 . Chế tạo tích hợp bộ tạo góc nhỏ có phạm vi đo ± 30', độ không đảm bảo đo 0,08″. - Xây dựng phương pháp đánh giá độ chính xác của chuẩn góc toàn vòng và bộ tạo góc nhỏ thông qua quá trình tự hiệu chuẩn và tính toán độ không đảm bảo đo. Độ chính xác của chuẩn góc được kiểm chứng bằng cách so sánh vòng với KRISS. Trị số |En | 1 khẳng định độ chính xác của chuẩn góc đạt yêu cầu kỹ thuật đề ra . - Xây dựng sơ đồ dẫn xuất chuẩn đo lường lĩnh vực góc và phương pháp hiệu chuẩn ống tự chuẩn trực và đa diện góc trên hệ thống chuẩn mới. 16 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG CHUẨN ĐO LƯỜNG QUỐC GIA LĨNH VỰC GÓC Nội dung nghiên cứu trong chương này bao gồm các vấn đề sau: - Tổng quan về hệ thống chuẩn đo lường nói chung và hệ thống chuẩn đo lường quốc gia lĩnh vực góc phẳng, chuẩn và phương tiện đo góc. - Nghiên cứu phương pháp thiết lập chuẩn đo lường quốc gia lĩnh vực góc của một số viện đo lường quốc gia trên thế giới. Phân tích các hệ thống chuẩn góc của một số viện đo lường quốc gia, trên cơ sở đó xác định hướng nghiên cứu thiết lập hệ thống chuẩn đo lường quốc gia lĩnh vực góc tại Việt Nam. 1.1. Góc và hệ thống chuẩn đo lường 1.1.1. Khái niệm về góc Góc phẳng  là phần mặt phẳng được giới hạn bởi 2 tia Oa và Ob có chung một điểm gọi là đỉnh góc hình 1.1a., Oa tia đầu và Ob tia cuối, và đỉnh góc O (điểm giao nhau của hai tia). Một góc được coi là góc dương khi có chiều quay tia đầu Oa đến tia cuối Ob ngược chiều kim đồng hồ và ngược lại. . b s=r r θ θ O a a) b) Hình 1.1: a) Định nghĩa góc b) Định nghĩa radian Góc θ là góc được tạo bởi hai tia bán kính của đường tròn hình 1.1b, giá trị độ lớn của góc θ được xác định bằng tỷ số giữa chiều dài cung s và chiều dài bán kính của vòng tròn đó θ= s (1.1) r Trong hệ đơn vị quốc tế SI radian là tên gọi của đơn vị góc được định nghĩa như sau: 17 “Radian là góc tạo bởi hai tia bán kính của vòng tròn cắt trên vòng tròn đó một cung có độ dài bằng với bán kính” (hình 1.1 b) [25]. Một số góc tương đối đặc biệt, đó là góc 0 rad, góc vuông π/2 rad, góc đầy 2π rad và góc bẹt π rad. Góc 0o được thiết lập trên cơ sở hai tia bán kính trùng nhau o=0o. Góc đầy 2π rad là phép quay của bán kính sao cho hai bán kính chồng lên nhau sau khi quay hết một vòng. Góc bẹt có giá trị là π rad khi đó hai tia bán kính nằm trên cùng một đường thẳng. Các góc đặc biệt này được dùng làm cơ sở lý thuyết để xây dựng các phương pháp hiệu chuẩn góc dựa trên nguyên lý sử dụng góc đầy 360o (vòng tròn khép kín) hay góc bẹt 180o (đường thẳng) làm chuẩn để thực hiện việc bù sai số khi đo góc [7,30]. 1.1.2. Hệ thống chuẩn đo lường 1.1.2.1. Chuẩn đo lường 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” [2]. Như vậy, chuẩn đo lường chính là sự thể hiện bằng vật chất độ lớn của đơn vị đo lường theo định nghĩa. Về bản chất, chuẩn cũng là các thiết bị đo lường, nhưng khác các thiết bị đo lường thông thường ở chỗ các thiết bị đo này không dùng cho các phép đo thực tế hàng ngày, nó chỉ dùng để đặc trưng cho đơn vị, để truyền đơn vị đến các chuẩn, phương tiện đo có độ chính xác thấp hơn, như dùng để kiểm định, hiệu chuẩn, đánh giá thiết bị đo và các phép đo, để khắc độ thiết bị đo khi chế tạo... 1.1.2.2. 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. Có thể phân loại chuẩn theo độ chính xác hoặc mục đích sử dụng. Dạng 1 căn cứ vào độ chính xác có thể phân loại chuẩn thành chuẩn đầu, chuẩn thứ, chuẩn bậc I, bậc II,III... Chuẩn đầu: Là chuẩn được chỉ định hay được thừa nhận rộng rãi là có chất lượng về mặt đo lường cao nhất và giá trị của nó được chấp nhận không dựa vào các chuẩn khác của cùng đại lượng. Khái niệm chuẩn đầu được dùng như nhau đối với đại lượng cơ bản và cả đại lượng dẫn xuất. Chuẩn thứ: Là chuẩn mà giá trị của nó được xác định bằng cách so sánh với chuẩn đầu của cùng đại lượng. Chuẩn bậc I: Là chuẩn mà giá trị của nó được xác định bằng cách so sánh với chuẩn thứ của cùng đại lượng. Chuẩn bậc II: Là chuẩn mà giá trị của nó được xác định bằng cách so sánh với chuẩn Bậc I của cùng đại lượng Độ chính xác của chuẩn sẽ giảm dần từ chuẩn đầu đến chuẩn thứ, chuẩn bậc I, chuẩn bậc II...có thể sử dụng sơ đồ kim tự tháp để minh hoạ cách phân loại chuẩn nêu trên. 18 Số bậc N bằng bao nhiêu là tuỳ thuộc yêu cầu của từng lĩnh vực đo. Lĩnh vực độ dài có chuẩn đầu, chuẩn thứ, chuẩn bậc I,II,...,N, như trên hình 1.2. Hình 1.2: Sơ đồ minh họa phân chia chuẩn Dạng 2: Căn cứ theo chức năng, mục đích sử dụng có thể phân loại chuẩn thành: chuẩn quốc tế, chuẩn quốc gia, chuẩn chính, chuẩn công tác. Chuẩn quốc tế: Là chuẩn được một hiệp định quốc tế công nhận, để làm cơ sở ấn định giá trị cho các chuẩn khác của đại lượng có liên quan trên phạm vi quốc tế. Chuẩn quốc gia: Chuẩn đo lường được công nhận bởi cơ quan thẩm quyền quốc gia, để dùng trong một nước hoặc nền kinh tế, là cơ sở ấn định giá trị đại lượng cho các chuẩn đo lường khác của loại đại lượng có liên quan. Chuẩn chính: Là chuẩn thường có chất lượng cao nhất về mặt đo lường có thể có ở một địa phương hoặc một tổ chức xác định mà các phép đo ở đó đều được dẫn xuất từ chuẩn này. Chuẩn công tác: Là chuẩn được dùng thường xuyên để hiệu chuẩn hoặc kiểm tra vật đọ, phương tiện đo hoặc mẫu chuẩn. Chuẩn công tác thường xuyên được hiệu chuẩn bằng cách so sánh với chuẩn chính. [23] 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 lớn, phạm vi góc đến 360o hoặc lớn hơn 360 o ( chuẩn góc toàn vòng). + Chuẩn góc nhỏ, phạm vi góc nhỏ hơn 1o (chuẩn góc nhỏ) 19 1.2.1. Các dạng chuẩn góc nhỏ 1.2.1.1. Ống tự chuẩn trực ( Autocollimator) Ống tự chuẩn trực là loại chuẩn góc nhỏ chính xác, thường được dùng để xác định vị trí, sai lệch về độ song song, độ thẳng, và độ vuông góc, (hình 1.3a). . 6 6 2 1 a) 4 3 5 b) Hình 1.3: a) Ống tự chuẩn trực; b) Sơ đồ nguyên lý [13] Nguyên lý hoạt động của ống tự chuẩn trực thể hiện trên hình 1.3b: chùm sáng từ nguồn sáng 1 sau khi rọi vào tấm kính 2 có vạch chữ thập đi qua một hệ thống quang học bao gồm bộ tách tia 3 và thấu kính hội tụ 4 và gương phẳng 5, ảnh của vạch chữ thập sẽ hiện lên tấm kính chuẩn 6. Nếu gương 5 nghiêng đi một góc α chùm tia phản xạ sẽ bị lệch đi một góc 2 α và ảnh vạch chữ thập sẽ dịch chuyển một đoạn d. Xác định được đoạn dịch chuyển d sẽ tính được góc lệch α theo công thức 1.2[3,15]: d = f × tan2α tan2α = (1.2) d (1.3) f d 2α = arctan f (1.4) Trong trường hợp α nhỏ ta có α  tan α 2α ≈ d f d ; α ≈ 2f (1.5) Trong đó: f tiêu cự của thấu kính hội tụ của ống tự chuẩn trực. Để tạo ra các góc chuẩn người ta xác định giá trị góc qua khoảng cách dịch chuyển d, có thể dùng nhiều phương pháp khác nhau như dùng panme thị kính đối với ống tự chuẩn trực kiểu cơ khí. Đối với ống tự chuẩn trực điện tử hiện số để xác định khoảng dịch chuyển d, người ta thường sử dụng cảm biến CCD camera dựa trên nguyên tắc xử lý tín hiệu ảnh. Đặc điểm của ống tự chuẩn trực là đoạn dịch chuyển d không phụ thuộc vào khoảng cách giữa gương và ống tự chuẩn trực. Ống tự chuẩn trực là chuẩn góc có phạm vi đo góc 20