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. Góc và hệ thống chuẩn đo lường 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., 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.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 s θ= (1.1) r Trong hệ đơn vị quốc tế SI radian là tên gọi của đơn vị góc được định nghĩa như sau: 21 Luận án tiến sĩ Kĩ thuật “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. 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]. Hệ thống chuẩn đo lường 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. 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. 22 Luận án tiến sĩ Kĩ thuật 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: 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. 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) 23 Luận án tiến sĩ Kĩ thuật 1.
Các dạng chuẩn góc nhỏ 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 1.3: 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 1.4) Trong trường hợp α nhỏ ta có α tan α d d 2α ≈ f ; 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 24 Luận án tiến sĩ Kĩ thuật nhỏ đạt độ chính xác cao (0,01đến 0,5) do vậy ống tự chuẩn trực được sử dụng nhiều trong các hệ thống chuẩn đo lường góc [15].
Thước sin (Sine bar) Thước sin được chế tạo bằng thép có độ cứng cao có cấu tạo như hình 1.4 a, bao gồm mặt phẳng chuẩn được gắn 2 con lăn hình trụ tròn đường kính D. Đường trục của hai con lăn trụ tròn song song với nhau và song song mặt phẳng chuẩn, khoảng cách c giữa hai trục trụ tròn chính là kích thước chính của thước sin. Nguyên lý hoạt động của thước sin dựa trên mối quan hệ lượng giác giữa các cạnh và góc của tam giác vuông ABC hình 1.6) c Trong thực tế sử dụng để tạo ra kích thước a người ta sử dụng tổ hợp căn mẫu song phẳng, thước sin có thể tạo ra góc θ có độ chính xác cao (0,2 – 2) phạm vi góc đến 45o. Mặt phẳng chuẩn A Con lăn Hình 1.4: a) Thước sin, b) Nguyên lý làm việc [35] 1.
Ni vô Ni vô là thiết bị chuẩn để xác định độ lệch so với phương nằm ngang, ni vô có hai loại chính: Ni vô cơ khí ( chỉ thị bọt nước) được thể hiện trên hình 1. Ni vô điện tử ( chỉ thị số) (hình 1. Độ chính xác của ni vô có thể đạt: 0,001 mm/m 0,2 . Ni vô dùng để lắp đặt căn chỉnh máy móc và thiết bị so với phương nằm ngang, hoặc để đo độ phẳng, độ thẳng của các bề mặt chi tiết gia công, băng máy[13,33].5: Ni vô a) Ni vô cơ khí; b) Ni vô điện tử [33] 25 Luận án tiến sĩ Kĩ thuật 1.
Chuẩn góc dạng căn mẫu Chuẩn góc dạng căn mẫu góc là mẫu chuẩn góc có hình dạng là hình tam giác được chế tạo bằng thép hoặc ceramic có độ cứng cao, giá trị góc giữa hai mặt đo được gọi là giá trị góc của căn mẫu được thể hiện trên hình 1.6:a) Chuẩn góc dạng căn mẫu góc, b) Sơ đồ ghép căn mẫu góc Giá trị góc θ được xác định là góc được tạo bởi hai mặt đo của căn mẫu góc, các miếng căn mẫu góc được kết hợp với nhau tạo thành bộ có giá trị đo góc khác nhau ví dụ 1o,2o,3o 4o, 5o, 6o, 7o,8o, 9o,10o20o,30o. Căn mẫu góc được sử dụng tương tự như đối với căn mẫu song phẳng, để tạo ra các giá trị đo góc khác nhau ta có thể ghép các tấm căn mẫu góc với nhau như trên hình 1.6 b, trong trường hợp này giá trị góc được xác định: = 1 - 2 +3.