Tổng quan luận án

Luận án tiến sĩ kỹ thuật cơ khí với đề tài "Nghiên cứu, xây dựng chuẩn đo lường quốc gia lĩnh vực góc" do nghiên cứu sinh Bùi Quốc Thụ thực hiện tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội dưới sự hướng dẫn của PGS. Vũ Khánh Xuân và PGS. Nguyễn Văn Vinh, bảo vệ năm 2017 (Mã số chuyên ngành: 62520103).

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Đại lượng góc phẳng là đơn vị dẫn xuất trong hệ đơn vị đo lường quốc tế (SI), được quy định pháp lý tại Việt Nam theo Nghị định số 86/2012/NĐ-CP. Trong kỹ thuật cơ khí chính xác, quang học, tự động hóa, trắc địa và quân sự, các thiết bị đo góc và chuẩn góc đòi hỏi độ chính xác ngày càng cao (trong hai thập kỷ gần đây, độ chính xác thiết bị đo góc trên thế giới đã tăng xấp xỉ 10 lần).

Tại Việt Nam, trước thời điểm thực hiện luận án, hệ thống chuẩn đo lường quốc gia lĩnh vực góc chưa được xây dựng hoàn chỉnh. Các chuẩn góc hiện có tại Viện Đo lường Việt Nam (VMI) như đa diện góc, ống tự chuẩn trực, bộ căn mẫu góc hàng năm đều phải gửi đi hiệu chuẩn tại các Viện Đo lường Quốc gia nước ngoài (như KRISS - Hàn Quốc, NIM - Trung Quốc). Việc này gây tốn kém ngoại tệ, làm giảm tính chủ động trong khai thác, duy trì chuẩn và chưa đáp ứng đầy đủ nhu cầu kiểm định, hiệu chuẩn cho các cơ sở sản xuất, nghiên cứu trong nước. Do đó, việc nghiên cứu cơ sở lý thuyết, thiết kế, chế tạo và tích hợp hệ thống chuẩn đo lường quốc gia lĩnh vực góc có khả năng tự hiệu chuẩn là yêu cầu cấp thiết.

Mục tiêu nghiên cứu

Mục đích chính của luận án là xác lập cơ sở khoa học và kỹ thuật để xây dựng hệ thống thiết bị đo thực hiện chức năng chuẩn đo lường quốc gia lĩnh vực góc phẳng, đảm bảo việc duy trì, tự hiệu chuẩn và sao truyền đơn vị đo đến các chuẩn có độ chính xác thấp hơn cùng phương tiện đo góc trong cả nước.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu: Các phương pháp và mô hình kỹ thuật xây dựng chuẩn góc toàn vòng (sử dụng đĩa chia độ mã hóa gia số) và bộ tạo góc nhỏ (theo nguyên lý sin kết hợp giao thoa kế laser); các phương pháp duy trì, tự hiệu chuẩn và dẫn xuất chuẩn đo lường lĩnh vực góc.
  • Phạm vi nghiên cứu:
    1. Xây dựng chuẩn góc toàn vòng sử dụng đĩa chia độ kiểu gia số có độ phân giải $0,1''$, độ không đảm bảo đo mở rộng $U = 0,3''$.
    2. Nghiên cứu chế tạo bộ tạo góc nhỏ có phạm vi đo $\pm 30'$, độ không đảm bảo đo mở rộng $U = (0,1 \div 0,3)''$ (kết quả thực nghiệm đạt $U = 0,08''$).
    3. Tích hợp hệ thống chuẩn đo lường quốc gia lĩnh vực góc; xây dựng phương pháp đánh giá, hiệu chuẩn ống tự chuẩn trực và đa diện góc.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Các hướng nghiên cứu trên thế giới

Tác giả đã điểm luận và phân tích hệ thống chuẩn đo lường góc tại các Viện Đo lường Quốc gia (NMIs) hàng đầu:

Viện Đo lường Quốc gia (NMI) Loại thiết bị / Cấu tạo chính Đặc trưng kỹ thuật chính Phương pháp hiệu chuẩn / Đảm bảo đo lường
NIST (Hoa Kỳ) Hệ thống AAMACS (Advanced Automated Master Angle Calibration System), gồm 03 đĩa chia độ bánh răng lắp đồng trục ($Z_1=729, Z_2=832, Z_3=625$). Tạo ra $379.080.000$ vị trí; Độ phân giải $r = 0,0034''$; Độ không đảm bảo đo $U = 0,02''$. Chuẩn góc toàn vòng kiểu cơ khí chính xác cao.
PTB (Đức) Hệ thống so sánh góc WMT 220 (Master rotary encoder), đĩa chia độ quang học gia số $262.114$ vạch ($2^{18}$). Bộ nội suy 12 bit ($2^{12} = 4096$); Độ phân giải $r = 0,0012''$; Độ không đảm bảo đo $U = 0,0047''$. Bố trí 16 đầu đọc; Tự hiệu chuẩn bằng biến đổi Fourier rời rạc (DFT) kết hợp hiệu chuẩn chéo (Cross-Calibration).
INRIM (Ý) Thiết bị laser vòng (Ring Laser - Mod. G-1L của hãng ZG Optique). Độ không đảm bảo đo $U = 0,1''$. Đo tần số phách giữa hai chùm tia laser truyền ngược chiều trong buồng cộng hưởng tam giác.
NMIJ (Nhật Bản) Hệ thống gồm 03 chuẩn: Hệ hiệu chuẩn Rotary Encoder (RE); Bộ tạo góc nhỏ kiểu nguyên lý sin; Hệ hiệu chuẩn đa diện góc. Hệ hiệu chuẩn RE: $U = 0,01''$; Bộ tạo góc nhỏ: $U = 0,03''$ (dải $\pm 10''$) và $U = 0,1''$ (dải $\pm 10'' \div \pm 1000''$); Hệ hiệu chuẩn đa diện: $U = 0,03''$. Dẫn xuất từ chuẩn độ dài thông qua giao thoa kế laser hai tần số độc lập.
NIM (Trung Quốc) Bàn chia độ chuẩn đo góc phẳng ($360^\circ$) và Bộ tạo góc nhỏ dùng giao thoa kế laser Renishaw (dải $\pm 1^\circ$). Bàn chia độ: $U = 0,12''$; Bộ tạo góc nhỏ: $U = 0,05''$. Sử dụng thiết bị phối hợp quang cơ.

Hiện trạng trang thiết bị tại Viện Đo lường Việt Nam (VMI)

Trước nghiên cứu này, VMI được trang bị một số phương tiện đo và mẫu chuẩn đơn lẻ:

Tên chuẩn Ký mã hiệu Hãng sản xuất Đặc trưng kỹ thuật
Đa diện quang học 36 mặt LE 3178 Hilger & Watts (Anh) Góc danh nghĩa $10^\circ$; $U = 0,3''$
Đa diện quang học 24 mặt LE 3537 Hilger & Watts (Anh) Góc danh nghĩa $15^\circ$; $U = 0,3''$
02 Ống tự chuẩn trực A142/12 137S Hilger & Watts (Anh) Phạm vi đo: $0 \div 10'$; $U = 0,5''$
Bộ căn mẫu góc Bộ 33 tấm N 233-461 - Cấp chính xác 1; $U = 2''$

Khoảng trống nghiên cứu được lựa chọn giải quyết

Các hệ thống của NIST, PTB hay INRIM có chi phí chế tạo rất lớn (hàng triệu USD), yêu cầu công nghệ gia công cơ khí hoặc linh kiện quang học chuyên dụng khó tiếp cận. Trong khi đó, việc nhập khẩu thiết bị trọn gói từ Nhật Bản (như NIMT của Thái Lan hay KIM-LIPI của Indonesia đã làm với mức kinh phí cao) không giúp làm chủ công nghệ đo lường cốt lõi.

Luận án lựa chọn giải quyết khoảng trống: Thiết lập giải pháp kỹ thuật kết hợp giữa Chuẩn góc toàn vòng sử dụng đĩa chia độ gia số (với phương pháp tự hiệu chuẩn phân đoạn đều EDA) và Bộ tạo góc nhỏ kiểu cơ quang theo nguyên lý sin (dẫn xuất từ chuẩn độ dài thông qua giao thoa kế laser). Giải pháp này phù hợp với điều kiện chế tạo, tích hợp trong nước nhưng vẫn đảm bảo độ chính xác đạt cấp chuẩn quốc gia.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết và khung phân tích

  1. Định nghĩa đơn vị góc và các góc đặc biệt: Góc phẳng trong hệ SI có đơn vị là radian (rad), được định nghĩa là góc tạo bởi hai bán kính chắn một cung có độ dài đúng bằng bán kính: $\theta = s / r$. Góc toàn vòng khép kín $2\pi$ ($360^\circ$) là một chuẩn tự nhiên không có sai số.
  2. Nguyên lý vòng tròn khép kín: Khi chia một vòng tròn thành $N_G$ phần, tổng sai lệch góc $\sum_{i=1}^{N_G} a_i = 0$. Đây là cơ sở toán học để xây dựng thuật toán tự hiệu chuẩn cho chuẩn góc toàn vòng.
  3. Nguyên lý tạo góc nhỏ bằng hàm lượng giác: Sử dụng nguyên lý sin với cánh tay đòn quay quanh một trục cố định: $$\theta = \arcsin\left(\frac{h}{L}\right) \approx \frac{h}{L}$$ Trong đó $h$ là lượng dịch chuyển thẳng được đo bằng giao thoa kế laser, $L$ là khoảng cách giữa hai tâm ảo của gương góc lắp trên cánh tay đòn.
  4. Lý thuyết ước lượng độ không đảm bảo đo: Áp dụng theo hướng dẫn ISO/IEC 17025 và GUM, phân tách thành phần loại A (đánh giá thống kê loạt phép đo) và loại B (đánh giá qua chứng chỉ hiệu chuẩn, thông số kỹ thuật, biến thiên môi trường nhiệt độ, góc lắp đặt). Độ không đảm bảo đo tổng hợp $u_c$ và độ không đảm bảo đo mở rộng $U = k \cdot u_c$ ($k = 2$, mức tin cậy $95%$).

Phương pháp nghiên cứu thực tế

  • Phương pháp tự hiệu chuẩn EDA (Equal Division Average): Bố trí hệ thống nhiều đầu đọc phân bố đều quanh đĩa chia độ gia số để triệt tiêu các thành phần sai số tuần hoàn bậc thấp (sai số lệch tâm $e$, sai số độ nghiêng đĩa $\varphi$, sai số dao động tâm quay của ổ đệm khí).
  • Phương pháp đo khoảng cách tâm ảo gương góc: Kết hợp cảm biến vị trí quang học CCD và giao thoa kế laser để xác định chiều dài cánh tay đòn $L$, đạt độ chính xác đo đến $2,1,\mu\text{m}$.
  • Phương pháp so sánh liên phòng / so sánh song phương: Sử dụng tiêu chí chuẩn hóa số $E_n$ khi so sánh kết quả đo đa diện góc và ống tự chuẩn trực với Viện Nghiên cứu Chuẩn và Khoa học Hàn Quốc (KRISS). Phép đo đạt yêu cầu khi $|E_n| \le 1$.
  • Công cụ xử lý dữ liệu: Thuật toán phân tích chuỗi sai số, biến đổi dữ liệu và tính toán thống kê được lập trình trên MATLAB và Microsoft Excel.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về hệ thống chuẩn đo lường quốc gia lĩnh vực góc

  • Khái quát lý thuyết về góc phẳng, hệ thống phân cấp chuẩn đo lường (chuẩn quốc tế, chuẩn quốc gia, chuẩn chính, chuẩn công tác; chuẩn đầu, chuẩn thứ, chuẩn bậc I, II...).
  • Phân loại chuẩn góc thành hai nhóm: chuẩn góc nhỏ (ống tự chuẩn trực, thước sin, ni vô cơ/điện tử, căn mẫu góc) và chuẩn góc toàn vòng (đa diện góc, bàn phân độ 1440 bước răng của Moore & Tool, thiết bị mã hóa góc quay Rotary Encoder - RE).
  • Phân tích ưu nhược điểm các nguyên lý tạo góc nhỏ: nguyên lý tang ($\theta = \arctan(h/D)$) có nhược điểm khớp trượt gây thay đổi khoảng cách danh nghĩa; nguyên lý sin ($\theta = \arcsin(h/L)$) khắc phục được nhược điểm trên nhờ cánh tay đòn $L$ có độ cứng vững và kích thước ổn định.
  • Đánh giá hiện trạng đo lường góc tại VMI và đề xuất mô hình hệ thống chuẩn đo lường quốc gia lĩnh vực góc gồm: chuẩn toàn vòng RE gia số ($r=0,1''$, $U=0,3''$) và bộ tạo góc nhỏ ($\pm 30'$, $U=0,1 \div 0,3''$).

Chương 2: Cơ sở phương pháp xây dựng chuẩn góc toàn vòng

  • Mô hình toán học sai số đĩa chia độ gia số: Xác định các nguồn sai số gồm sai số vị trí vạch chia, sai số chuyển động quay của ổ trục, sai số độ lệch tâm $e$, và sai số do góc nghiêng lắp đặt đĩa $\varphi$.
  • Giải pháp triệt tiêu sai số:
    • Bố trí các cặp đầu đọc đối xứng $180^\circ$ để loại trừ sai số lệch tâm bậc 1: $$\Delta\theta_e = \frac{e}{R} \sin\theta$$
    • Xây dựng thuật toán tự hiệu chuẩn EDA (Equal Division Average) chia đĩa thành các phân đoạn góc bằng nhau, phối hợp nhóm 3 đầu đọc (cách nhau $120^\circ$) và nhóm 4 đầu đọc (cách nhau $90^\circ$).
  • Thiết kế và chế tạo thực nghiệm:
    • Sử dụng đĩa chia độ gia số quang học gồm $N_G = 10.800$ vạch chia, chu kỳ vạch $C = 20,\mu\text{m}$.
    • Đầu đọc quang học kiểu phản xạ ký hiệu SMD-01.
    • Sử dụng trục quay trên ổ đệm khí (Air bearing) có độ ổn định tâm quay cao.
    • Bộ nội suy tín hiệu điện tử $2^{10}$ bit ($1024$ lần), nâng độ phân giải lý thuyết từ $120''$ xuống $0,117'' \approx 0,1''$.
  • Đánh giá độ chính xác và so sánh quốc tế:
    • Thực hiện tự hiệu chuẩn xác định sai số từng vạch chia để nạp dữ liệu bù sai số phần mềm.
    • So sánh kết quả hiệu chuẩn đa diện góc 24 mặt với Viện Nghiên cứu Chuẩn và Khoa học Hàn Quốc (KRISS). Kết quả sai lệch giữa hai phòng thí nghiệm nằm trong giới hạn cho phép với tiêu chí chuẩn hóa $|E_n| < 1$.

Chương 3: Cơ sở phương pháp xây dựng chuẩn góc nhỏ

  • Mô hình lý thuyết nguyên lý sin: Thiết lập sơ đồ quang cơ học gồm cánh tay đòn mang 2 gương góc phản xạ đối xứng qua tâm quay, kết hợp hệ thống giao thoa kế laser hai tần số để đo độ dịch chuyển $h$.
  • Phương pháp đo chiều dài cánh tay đòn $L$:
    • Luận án xây dựng phương pháp xác định khoảng cách giữa 2 tâm ảo của 2 gương góc bằng hệ thống camera CCD bắt ảnh vị trí chùm laser kết hợp dịch chuyển bàn đo giao thoa.
    • Kết quả đo lặp xác định chiều dài cánh tay đòn $L$ đạt độ chính xác đến $2,1,\mu\text{m}$.
  • Tính toán độ không đảm bảo đo của bộ tạo góc nhỏ:
    • Thành phần độ không đảm bảo đo của phép đo độ dài giao thoa kế laser: $u_f(h)$.
    • Thành phần do sai số góc lắp đặt hệ thống: $u_a(h)$.
    • Thành phần độ không đảm bảo đo của cánh tay đòn: $u(L)$, gồm sai số đo chiều dài $u(L_C)$ và sai số do dãn nở nhiệt $u_E(L)$.
    • Độ không đảm bảo đo tổng hợp của góc tạo ra: $$u_c(\theta) = \sqrt{\left(\frac{1}{L}\right)^2 u^2(h) + \left(\frac{h}{L^2}\right)^2 u^2(L)}$$
    • Kết quả tính toán cho toàn dải đo $\pm 30'$: Độ không đảm bảo đo mở rộng đạt $U = 0,08''$ ($k=2$).
  • Thực nghiệm kiểm chứng: So sánh kết quả hiệu chuẩn ống tự chuẩn trực giữa bộ tạo góc nhỏ vừa chế tạo với kết quả đo của KRISS; đồ thị sai số hoàn toàn tương thích và nằm trong dải phân bố tin cậy.

Chương 4: Xây dựng hệ thống chuẩn đo lường quốc gia lĩnh vực góc

  • Tích hợp hệ thống chuẩn: Kết hợp Chuẩn góc toàn vòng gia số và Bộ tạo góc nhỏ trên nền tảng chống rung, kiểm soát nhiệt độ môi trường.
Thông số kỹ thuật Chuẩn góc toàn vòng Bộ tạo góc nhỏ
Nguyên lý làm việc Đĩa chia độ gia số ($10.800$ vạch) + Ổ đệm khí + Thuật toán EDA Nguyên lý sin + Giao thoa kế laser hai tần số
Phạm vi đo $0^\circ \div 360^\circ$ $-30' \div +30'$
Độ phân giải $0,1''$ $0,001''$
Độ không đảm bảo đo ($U, k=2$) $0,3''$ $0,08''$
  • Xây dựng sơ đồ dẫn xuất chuẩn đo lường góc tại Việt Nam:
    • Cấp chuẩn quốc gia: Chuẩn góc toàn vòng và Bộ tạo góc nhỏ.
    • Cấp chuẩn chính / chuẩn công tác: Đa diện góc quang học, ống tự chuẩn trực độ chính xác cao, bộ căn mẫu góc.
    • Cấp phương tiện đo công nghiệp: Máy kinh vĩ, máy toàn đạc điện tử, bàn quay phân độ, ni vô, đầu phân độ quang học.
  • Quy trình hiệu chuẩn chi tiết:
    • Hiệu chuẩn ống tự chuẩn trực: Sử dụng bộ tạo góc nhỏ để phát các góc chuẩn bước nhỏ, xác định điểm gốc và sai số chỉ thị của ống tự chuẩn trực.
    • Hiệu chuẩn đa diện góc: Đặt đa diện góc lên bàn quay chuẩn góc toàn vòng, sử dụng ống tự chuẩn trực làm đầu chỉ thị không, áp dụng nguyên lý vòng tròn khép kín để xác định sai số góc của từng mặt đo.

Kết quả và những đóng góp mới

Đóng góp về mặt lý luận và phương pháp

  1. Làm chủ và phát triển thuật toán tự hiệu chuẩn EDA: Xây dựng thuật toán và chương trình tính toán xử lý dữ liệu dựa trên phương pháp trung bình phân đoạn bằng nhau EDA kết hợp bố trí nhiều đầu đọc cho đĩa chia độ gia số. Phương pháp này cho phép bóc tách và triệt tiêu chính xác sai số vị trí vạch chia, sai số lệch tâm $e$ và độ nghiêng $\varphi$ của đĩa mà không cần chuẩn cấp cao hơn để so sánh.
  2. Phương pháp đo khoảng cách tâm ảo gương góc: Đề xuất và ứng dụng thành công phương pháp đo khoảng cách giữa hai tâm ảo của gương góc trên cánh tay đòn bằng cảm biến vị trí quang học CCD kết hợp giao thoa laser, đạt độ không đảm bảo đo chiều dài cánh tay đòn đến $2,1,\mu\text{m}$.
  3. Mô hình hóa độ không đảm bảo đo: Thiết lập hoàn chỉnh mô hình toán học đánh giá độ không đảm bảo đo cho bộ tạo góc nhỏ nguyên lý sin và chuẩn góc toàn vòng gia số theo tiêu chuẩn quốc tế ISO/IEC 17025.

Đóng góp về mặt thực tiễn

  1. Chế tạo thành công Chuẩn góc toàn vòng: Sử dụng đĩa chia độ gia số $10.800$ vạch, bộ nội suy $2^{10}$ bit, ổ quay đệm khí, đạt độ phân giải $0,1''$, độ không đảm bảo đo mở rộng $U = 0,3''$.
  2. Chế tạo thành công Bộ tạo góc nhỏ: Phạm vi đo $\pm 30'$, độ không đảm bảo đo mở rộng đạt $U = 0,08''$ (vượt chỉ tiêu thiết kế ban đầu $0,1 \div 0,3''$).
  3. Kiểm chứng quốc tế: Độ chính xác của hai hệ thống chuẩn đã được kiểm chứng thông qua so sánh song phương với Viện Nghiên cứu Chuẩn và Khoa học Hàn Quốc (KRISS), tất cả các điểm đo đều thỏa mãn tiêu chí số chuẩn hóa $|E_n| \le 1$.
  4. Thiết lập chuỗi dẫn xuất đo lường: Xây dựng quy trình hiệu chuẩn chuẩn hóa cho ống tự chuẩn trực và đa diện quang học, hoàn thiện hệ thống chuẩn đo lường quốc gia lĩnh vực góc tại Viện Đo lường Việt Nam.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế:
    • Phạm vi đo của bộ tạo góc nhỏ bị giới hạn trong khoảng $\pm 30'$ do hành trình dịch chuyển thẳng của cơ cấu và giới hạn góc thu chùm tia phản xạ của gương góc giao thoa.
    • Chuẩn góc toàn vòng sử dụng đĩa chia độ gia số yêu cầu duy trì ổn định hệ thống cấp khí nén cho ổ đệm khí và đòi hỏi thời gian thiết lập ban đầu để quét tìm điểm gốc (Reference Mark).
    • Phép đo góc chính xác cao phụ thuộc lớn vào việc ổn định môi trường nhiệt độ ($20 \pm 0,5^\circ\text{C}$), áp suất khí quyển, độ ẩm và rung động nền móng phòng thí nghiệm.
  • Hướng nghiên cứu tiếp:
    • Nghiên cứu tự động hóa toàn phần quá trình thu thập dữ liệu và xoay góc trong phép hiệu chuẩn đa diện góc.
    • Mở rộng phạm vi tạo góc của bộ tạo góc nhỏ lên dải $\pm 1^\circ$ hoặc lớn hơn bằng việc cải tiến cơ cấu dẫn động bước nhỏ và hệ quang học giao thoa.
    • Tham gia các chương trình so sánh liên phòng quốc tế chính thức trong khuôn khổ APMP (Asia Pacific Metrology Programme) để đăng ký năng lực đo và hiệu chuẩn (CMCs) lên cơ sở dữ liệu của BIPM.

Giá trị tham khảo

  • Đối với cơ quan quản lý và viện nghiên cứu đo lường: Là cơ sở khoa học và thiết bị trực tiếp để Viện Đo lường Việt Nam duy trì, vận hành và quản lý hệ thống chuẩn đo lường quốc gia lĩnh vực góc phẳng, chấm dứt việc phụ thuộc vào hiệu chuẩn ở nước ngoài đối với chuẩn góc.
  • Đối với các phòng thí nghiệm, trung tâm kiểm định / hiệu chuẩn: Tài liệu cung cấp phương pháp chi tiết, bảng tính độ không đảm bảo đo và quy trình chuẩn để hiệu chuẩn các thiết bị đo góc quang cơ như ống tự chuẩn trực, đa diện góc, bàn chia độ, máy toàn đạc, máy kinh vĩ.
  • Đối với nghiên cứu sinh, học viên và giảng viên ngành Cơ khí chính xác, Quang điện tử, Đo lường - Điều khiển: Cung cấp tài liệu tham khảo chuyên sâu về thiết kế cơ khí chính xác, ổ khí nén, kỹ thuật nội suy tín hiệu encoder, quang học giao thoa laser và thuật toán tự hiệu chuẩn EDA.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao chuẩn góc toàn vòng có thể tự hiệu chuẩn mà không cần chuẩn cấp cao hơn?

Chuẩn góc toàn vòng khai thác tính chất hình học tự nhiên của vòng tròn khép kín: góc toàn vòng có giá trị đúng bằng $2\pi$ ($360^\circ$) và không có sai số. Khi chia vòng tròn thành $N_G$ phần, tổng các sai số thành phần $\sum a_i = 0$. Bằng cách bố trí nhiều đầu đọc phân bố đều (thuật toán EDA) và giải hệ phương trình sai số tương đối giữa các đầu đọc, hệ thống có thể xác định chính xác sai số vị trí của từng vạch chia, độ lệch tâm và độ nghiêng đĩa để tự bù trừ.

2. Sự khác biệt giữa nguyên lý sin và nguyên lý tang trong thiết kế bộ tạo góc nhỏ là gì?

  • Nguyên lý tang ($\theta = \arctan(h/D)$): Cần khớp trượt để tịnh tiến điểm tiếp xúc, dẫn đến khe hở cơ khí làm thay đổi khoảng cách danh nghĩa $D$ giữa tâm quay và đường trượt trong quá trình chuyển động, làm tăng sai số.
  • Nguyên lý sin ($\theta = \arcsin(h/L)$): Chiều dài cánh tay đòn $L$ giữa tâm quay và điểm đặt gương phản xạ là một kết cấu cơ khí cố định, không có khe hở trượt thay đổi theo góc quay, cho phép xác định kích thước chính xác và ổn định hơn nhiều khi đo góc.

3. Phương pháp nào đã được tác giả sử dụng để đo chiều dài cánh tay đòn $L$ của bộ tạo góc nhỏ?

Tác giả sử dụng phương pháp kết hợp giữa cảm biến vị trí quang học CCD và giao thoa kế laser hai tần số để xác định khoảng cách giữa hai tâm ảo của hai gương góc phản xạ gắn trên cánh tay đòn. Phương pháp này đạt độ chính xác xác định chiều dài $L$ đến $2,1,\mu\text{m}$.

4. Kết quả so sánh đo lường với Viện Đo lường Hàn Quốc (KRISS) được đánh giá theo tiêu chí nào?

Kết quả so sánh song phương được đánh giá qua tỷ số chuẩn hóa sai số $E_n$: $$E_n = \frac{|x_{VMI} - x_{KRISS}|}{\sqrt{U_{VMI}^2 + U_{KRISS}^2}}$$ Trong đó $x$ là giá trị đo và $U$ là độ không đảm bảo đo mở rộng tương ứng. Kết quả hiệu chuẩn đa diện 24 mặt và ống tự chuẩn trực đều đạt $|E_n| \le 1$, khẳng định độ chính xác và tính tương đương quốc tế của hệ thống chuẩn vừa chế tạo.

Kết luận

Luận án đã giải quyết hoàn chỉnh bài toán khoa học và kỹ thuật trong việc thiết lập hệ thống chuẩn đo lường quốc gia lĩnh vực góc tại Việt Nam. Tác giả đã chế tạo thành công Chuẩn góc toàn vòng sử dụng đĩa chia độ gia số $10.800$ vạch với thuật toán tự hiệu chuẩn EDA ($U = 0,3''$) và Bộ tạo góc nhỏ theo nguyên lý sin sử dụng giao thoa kế laser hai tần số ($U = 0,08''$). Hệ thống đã được tích hợp đồng bộ, xây dựng quy trình dẫn xuất chuẩn cho ống tự chuẩn trực, đa diện góc và được kiểm chứng độ chính xác thông qua so sánh đo lường quốc tế với KRISS (Hàn Quốc).