Hiệu chuẩn dụng cụ đo Chuẩn và thiết bị đo

Ngô Ngọc Anh Vietnam Metrology Institute

Page 1 of 89
Chơng III
Chuẩn và Thiết bị đo

I. Chuẩn đơn vị độ dài: mét (m)

Định nghĩa đơn vị độ dài(1983):
"Mét là độ dài quãng đờng ánh sáng đi đợc trong chân không trong
khoảng thời gian bằng 1/299 792 458 giây".


Lịch sử phát triển chuẩn đơn vị độ dài:
Các đơn vị đo độ dài đầu tiên đ đợc lựa chọn khá tùy tiện và độc đoán. Thời cổ
xa đơn vị đo độ dài là bớc chân, gang tay, bàn chân, khuỷu tay Năm 1101 vua
Henry I nớc Anh quy định đơn vị độ dài là khoảng cách từ đỉnh mũi đến đầu ngón tay
trỏ khi nhà vua dang tay ra. Dễ thấy rằng những chuẩn đơn vị độ dài nh vậy không thể
có độ chính xác cao.
Cuối thế kỷ 18, khi xây dựng Hệ mét ngời ta đ chọn đơn vị độ dài là mét
và mét đợc định nghĩa là độ dài bằng một mời phần triệu của 1/4 kinh tuyến trái
đất. Năm 1799, dựa vào kết quả đo một cung kinh tuyến quả đất đi qua đài thiên
văn Pari, ngời ta đ chế tạo chuẩn của đơn vị mét. Chuẩn này là một thớc hình
hộp chữ nhật bằng platin, có tiết diện 25mmì4mm, 2 đầu đợc đánh rất bóng và
có độ dài đúng bằng 1m theo định nghĩa. Thớc đợc bảo quản ở Viện lu trữ
quốc gia Pháp và đợc gọi là mét lu trữ.
Việc đo lại độ dài kinh tuyến quả đất ở thế kỷ 19 cho thấy mét lu trữ
ngắn hơn một ít so với độ dài mét theo định nghĩa lý thuyết. Sau này, những phép
đo chính xác hơn, tin cậy hơn cho thấy độ dài kinh tuyến không cố định do sự thay
đổi hình dạng quả đất. Do đó, năm 1872, ủy ban quốc tế về chuẩn gốc hệ mét
quyết định bỏ định nghĩa mét theo độ dài kinh tuyến mà lấy ngay độ dài mét lu

trữ làm đơn vị mét. Theo quyết định này, ngời ta dựa vào mét lu trữ để chế
tạo 31 chuẩn mét. Các chuẩn này dài 1020mm, có tiết diện chữ X, đợc chế tạo từ
hợp kim platin-iridium gồm 90% platin và 10% iridium. Vạch chia đợc khắc trên
bề mặt trung hoà của thớc. Khoảng cách giữa hai vạch trung tâm nằm ở hai đầu
thớc thể hiện chiều dài mét, mỗi vạch trung tâm này nằm giữa hai vạch phụ.
Chuẩn ký hiệu N
0
06 ở 0
0
C có độ dài đúng bằng mét lu trữ đ đợc Đại hội cân
đo quốc tế lần thứ I năm 1889 công nhận là chuẩn gốc quốc tế của mét. 30 chuẩn
còn lại đợc phân chia cho các nớc làm chuẩn nhà nớc.
Ngô Ngọc Anh Vietnam Metrology Institute

Page 2 of 89
Dựa vào chuẩn gốc quốc tế trên, năm 1927 Đại hội Cân đo quốc tế lần thứ
VII đ thông qua định nghĩa đơn vị mét và định nghĩa này đợc dùng mi tới Đại
hội Cân đo quốc tế lần thứ XI năm 1960:
"Mét là khoảng cách ở 0
0
C giữa hai trục của hai vạch giữa khắc ở hai đầu
một thanh bằng platin-iridium bảo quản ở Viện cân đo quốc tế và đợc Đại
hội Cân đo quốc tế lần thứ I công nhận là chuẩn gốc của mét, trong điều kiện
thanh đó đặt dới khí áp chuẩn và tựa trên hai con lăn đờng kính không bé
hơn 1cm đặt đối xứng trên một mặt phẳng ngang cách nhau 571mm
Chuẩn mét theo định nghĩa trên có các nhợc điểm:
Tính cố định: Mặc dù hợp kim platin-iridium rất tốt nhng chuẩn mét vẫn
dài ra hoặc ngắn đi do sự tự sắp xếp lại của các tinh thể hợp kim. Điều này
đợc thể hiện khi so sánh các chuẩn nhà nớc với nhau ngời ta thấy có
chuẩn ngắn đi, có chuẩn dài ra dù chúng đợc chế tạo hoàn toàn nh nhau.

Tính chính xác: Việc xác định trục giữa 2 vạch giữa theo định nghĩa mét rất
khó khăn. Mỗi vạch rộng khoảng 0,8àm, với kính hiển vi 100X có thể xác
định trục với độ chắc chắn khoảng 0,2àm, nghĩa là độ chính xác bản thân
chuẩn khoảng 4.10
-7
. Hơn nữa độ lớn của chuẩn phụ thuộc khá nhiều vào
nhiệt độ, nhiệt độ thay đổi 1độ thì chuẩn thay đổi 9àm. Muốn chính xác
0,01àm phải ổn định 10
-3
độ, đó là một việc rất khó.
Không thuận lợi cho bảo quản và khai thác chuẩn.
Vì những lý do trên và mong muốn có một chuẩn mét có độ chính xác cao hơn và
gắn với một hiện tợng thiên nhiên không bị phá hủy, Đại hội cân đo quốc tế lần thứ
XI năm 1960 ở Pari đ định nghĩa:
"Mét là độ dài bằng 1.650.763,73 lần bớc sóng bức xạ trong chân không
của nguyên tử Kryptôn 86 ứng với sự chuyển dịch giữa hai mức năng lợng
2p
10
và 5d
5
".
Theo tài liệu của Uỷ ban cân đo quốc tế, việc thể hiện chiều dài mét theo
định nghĩa này có độ không đảm bảo đo là 1.10
-8
. Nó có thể đạt tới giá trị 2.10
-9

nếu độ không đảm bảo của phép đo áp suất và nhiệt độ môi trờng giảm nhỏ nữa.
Giá trị này có thể coi là giới hạn đạt đợc của bức xạ nguyên tử Kryptôn 86.
Đèn chuẩn Kr86 đợc sử dụng làm chuẩn gốc đơn vị mét. Nhng nếu chỉ

dùng một loại bớc sóng làm đơn vị chiều dài thì hoạt động đo lờng sẽ bị hạn
chế. Năm 1963 Uỷ ban cân đo quốc tế đ quy định các chuẩn thứ của đơn vị chiều
dài bao gồm bớc sóng bức xạ nguyên tử Kr 86, Hg 198 và Cd 114 với độ không
đảm bảo đo tơng đối tơng ứng là 2.10
-8
, 5.10
-8
và 7.10
-8
. Năm 1973, Uỷ ban
t vấn định nghĩa mét quy định thêm bớc sóng lade He-Ne vào nhóm chuẩn thứ
với độ không đảm bảo đo tơng đối vào khoảng 1,2.10
-8
. Nguồn lade He - Ne
Ngô Ngọc Anh Vietnam Metrology Institute

Page 3 of 89
đợc ổn định bằng khí mêtan hay hơi iốt. Các chuẩn chiều dài nêu trên đợc dùng
để truyền kích thớc mét sang các chuẩn khác thông qua máy giao thoa nh giao
thoa kế Michelson
Năm 1983, Đại hội cân đo quốc tế
1
lần thứ XVII đ quyết định đa ra định
nghĩa mới về đơn vị mét do định nghĩa này đáp ứng tốt hơn các yêu cầu của
nguyên lý đo độ dài hiện nay và có độ chính xác rất cao. Nội dung định nghĩa mới
nh sau:
"Mét là chiều dài đoạn thẳng mà ánh sáng truyền qua trong chân không trong
khoảng thời gian 1/299.792.458 giây".
The meter is the length of the path travelled by light in vacuum during a time
interval of 1/299 792 458 of a second.

Với định nghĩa này đ thực hiện đợc ý định liên kết chuẩn đơn vị độ dài
với chuẩn đơn vị thời gian. Năm 1967, Đại hội cân đo quốc tế lần thứ XIII đ
công nhận định nghĩa giây là khoảng thời gian bằng 9.192.631.770 chu kỳ bức xạ
ứng với sự chuyển dịch giữa hai mức siêu tinh tế F = 4, m
F
= 3 và F=3, m
f
= 0 của
nguyên tử
133
Cs (xesi). Chuẩn đơn vị thời gian giây đ đạt tới độ chính xác rất cao
(khoảng 10
-14
) và nhờ việc cố định giá trị vận tốc ánh sáng, định nghĩa trên cho
phép thể hiện đơn vị mét với độ chính xác cao hơn nhiều so với đèn Kypton 86.
Vận tốc ánh sáng truyền đi trong chân không (ký hiệu là c) đ đợc CGPM lần thứ
XV (1975) ấn định là:
c= 299 792 458 m/s

Chuẩn đơn vị độ dài mét theo định nghĩa trên có thể thực hiện đợc theo
3 phơng pháp.

Phơng pháp 1:
Đo trực tiếp khoảng cách đi đợc trong chân không trong khoảng thời gian t,
tính toán theo công thức:
L = cì t
Phơng pháp này đợc tính theo đúng định nghĩa của độ dài mét nhng rất khó
thực hiện đạt độ chính xác, trong thực tế phơng pháp này không đựơc áp dụng.

1

CGPM: Confộrence Gộnộrale des Poids et Mesures
BIPM: Bureau International des Poids et Mesures
CIPM: Comitộ International des Poids et Mesures
Ngô Ngọc Anh Vietnam Metrology Institute

Page 4 of 89
Phơng pháp 2:
Đo trực tiếp tần số của bức xạ điện tử tính toán bớc sóng theo công thức:
=
f
c

Phơng pháp này so sánh tần số của nguồn laser chuẩn với tần số của đồng hồ
nguyên tử Cesium. Đây là một kỹ thuật khó thực hiện do sự khác nhau lớn giữa tần số
của laser (khoảng 500THz) với tần số của đồng hồ nguyên tử Cesium (khoảng 9GHz).
Do đó đòi hỏi phải có kỹ thuật đặc biệt để có thể biến đổi từng cấp tần số của laser phù
hợp với tần số của đồng hồ nguyên tử Cesium, độ chính xác của phép đo này đạt đợc
khoảng 10
-12


Phơng pháp 3:
Sử dụng một trong những bức xạ điện tử do Viện cân đo quốc tế BIPM đa ra, với
tần số f và bớc sóng cụ thể và có độ không đảm bảo đo u theo quy định, làm chuẩn
đầu độ dài.
Phơng pháp này sử dụng một trong những nguồn laser ổn định tần số do BIPM
quy định (bảng 4) đợc đo cẩn thận theo phơng pháp 2, tính toán bớc sóng sử dụng
làm chuẩn độ dài. Hiện nay các viện đo lờng của các nớc trên thế giới thờng dùng

nguồn Laser He-Ne ổn định tần số bằng Iodine có bớc sóng = 633nm làm chuẩn
đầu độ dài với độ chính xác bớc sóng đạt đợc 2,5.10
-11
.

Bảng 4

TT Laser Kiểu
Mức năng
lợng
Tần số(f)
Bớc sóng (

)
Độ
không
đảm bảo
đo
1 Dye
1
H
1S-2S
2-phôton
f = 1233030706593.7 kHz

= 243,1346246260 nm
8.5ì10
-13

2 Ar

+

127
I
2

43-0, P(13)
a
3
: (S)
f = 582490603.37 MHz
= 514,6734664 nm
2.5ì10
-10

3 Nd:YAG
127
I
2

32-0,
R(56), a
10

f = 563260223.48 MHz
= 532,24503614 nm
7ì10
-11

4 He-Ne

127
I
2
26-0, R(12), a
9

f = 489880354.96 MHz
= 611,970770 nm
3ì10
-10

Ng« Ngäc Anh Vietnam Metrology Institute

Page 5 of 89
5 He-Ne
127
I
2

9-2, R(47),
a
7
(hoÆc 0)
f = 489880354.9 MHz
λ = 611,9707700 nm
3×10
-10

6 He-Ne
127

I
2

11-5, R(127),
a
3
(hoÆc i)
f = 473612214.705 MHz
λ = 632,991398 22 nm
2.5×10
-11

7 He-Ne
127
I
2

8-5,P(10,
a
9
(hoÆcg)
f = 468218332.4 MHz
λ = 640,2834687 nm
4.5×10
-10

8
Dye
(LD)
40

Ca
1
S
0
-
3
S
1

∆m
j
= 0
f = 455986240494.15 kHz
λ = 657459439.2917 fm
6×10
-13

9 LD
88
Sr 5
2
S
1/2
- 4
2
D
5/2

f = 444779044.04 MHz
λ = 674,02559095 nm

1.3×10
-10

10
Ti:Al
2
o
3
(LD)
88
Rb
5
2
S
1/2
(F=3)
5
2
S
5/2
(F=5)
f = 385285142378 kHz
λ = 778,10542122 nm
1.3×10
-11

11 He-Ne CH
4
v
3

,P(7), F
2
(2)

f = 88376181600.5 kHz
λ = 339,2231397327nm
2.3×10
-11

(3×10
-12
)

12
12
C
16
O
2

R(12)
O
S
O
4

f = 29096274952.34 kHz
λ = 103,034652547 nm
6×10
-12

C¸c lo¹i bøc x¹ ®iÖn tö kh¸c
1
86
Kr 2p
10
-5d
5
λ = 605780210.3 fm
±4×10
-9

(3σ)
2
86
Kr
86
Kr
2p
9
-5d
4
2p
8
-5d
4
1S
3
-3p

10
1S
4
-3p
8


λ=645807.20 pm
λ=642280.06 pm
λ=565112.86 pm
λ=435956.24 pm
2×10
-8


198
Hg
198
Hg
5×10
-8

Ngô Ngọc Anh Vietnam Metrology Institute

Page 6 of 89
6
1
P
1
- 6

1
D
2
6
1
P
1
- 6
3
D
2

6
3
D
2
-6
3
D
2
6
3
P
1
- 7
3
S
1

=579226.83 pm

=577119.83 pm
=546227.05 pm
=435956.24 pm


114
Cd
114
Cd
5
1
P
1
- 5
1
P
2
5
3
P
2
- 6
3
S
1
5
3
P
1
- 6

3
S
1
5
3
P
0
- 6
3
S
1

=644024.80pm
=508723.79 pm
=480125.21 pm
=467945.81 pm
7ì10
-8

Với định nghĩa mới về mét cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, đặc
biệt sử dụng các ứng dụng bớc sóng nguồn bức xạ Laser ổn định tần số làm
chuẩn đầu đơn vị độ dài đ giúp cho các thiết bị đo độ dài ngày càng đạt độ chính
xác cao hơn. ý nghĩa của việc dùng bớc sóng laser làm chuẩn độ dài cho phép ta
đo các kích thớc lớn (thiên văn) và các kích thớc nhỏ (phân tử, nguyên tử) cùng
bằng cùng một chuẩn.

Bớc sóng chuẩn Laser:
Laser
2
, nghĩa là khuếch đại ánh sáng bằng bức xạ cỡng bức. Laser là một trong

những phát minh khoa học quan trọng nhất trong thế kỷ XX. Đến nay với những tính
chất đặc trng u việt của nó, laser ngày càng đợc ứng dụng nhiều trong nghiên cứu
khoa học, công nghệ. Sử dụng bớc sóng chuẩn laser ổn định tần số làm chuẩn đo
lờng đơn vị độ dài mét là một trong những ứng dụng của laser.

Tính chất đặc trng của tia Laser
Cờng độ tia Laser lớn gấp bội lần cờng độ tia sáng nhiệt
So sánh cờng độ của bức xạ laser khi công suất bình thờng với tia sáng nhiệt:
Với laser khí HeNe phát công suất 1mW ở chế độ liên tục với bớc sóng 633nm
có năng lợng h

= 10
-9
J thì số phôton laser phát trong một giây sẽ là:
N

=

h
P
=
19
3
10
10


= 10
16

2

Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation

Ngô Ngọc Anh Vietnam Metrology Institute

Page 7 of 89
Với nguồn nhiệt có nhiệt độ T = 1000
o
K bức xạ từ một diện tích A = 1cm
2
và
cùng phát sóng trong vùng nhìn thấy đợc với độ rộng phổ = 10
4
nm thì số phôton
nhiệt tính theo công thức
N
N
=
1
.
/





kThe
e

A
= 10
12
( 600nm)
So sánh ta thấy số phôton laser lớn hơn rất nhiều.

Độ định phơng của Laser là cao
Nguồn sáng nhiệt bức xạ theo mọi phơng trong không gian. Còn nguồn laser do
cơ cấu của buồng cộng hởng quang học chỉ phát các dao động ngang và chúng tập
trung trong một mặt phẳng phân cực. Công suất phát đợc phân bố đều và đẳng pha
trong toàn bộ khẩu độ của nguồn.
Với chùm laser sóng phẳng, bức xạ từ một buồng cộng hởng với gơng có
đờng kính d (hoặc diện tích A =
4
2
d
), sau gơng chùm tia laser sẽ tán xạ, do hiện
tợng nhiễu xạ, dới một góc nhiễu xạ =

d
( là bớc sóng laser) chùm tia sẽ bức
xạ trong một góc khối:
=( )
2
=
2
2

d

2

A

Giá trị góc khối rất nhỏ so với góc khối bức xạ của một nguồn nhiệt là cỡ 2
steradians.
Độ định phơng cao cho sự tập trung năng lợng trong một góc khối nhỏ và tạo
nên cờng độ lớn.

Độ đơn sắc (monochromaticity)
Theo định nghĩa độ đơn sắc của một chùm tia đợc đặc trng bằng độ rộng vạch
của chùm. Khi độ rộng vạch của chùm tia bằng không thì chùm có độ đơn sắc cao
nhất. Trong trờng hợp gần đúng với buồng cộng hởng quang học, độ rộng vạch có
thể xác định bằng công thức.
Ngô Ngọc Anh Vietnam Metrology Institute

Page 8 of 89
=



2
1
4
2
0
ì

P
h
C
.
Trong đó:

0

là tâm tần số phát
P công xuất phát của bức xạ

C

thời gian sống của phôton trong buồng cộng hởng
h = hằng số Plank (h = 6,33ì10
-34
Js)







Với công suất phát P = 1mW,

C

1
1MHZ ở vùng bớc sóng đỏ sẽ có


khoảng
5ì10
-3
Hz. Đây là độ rộng rất bé.

Tính kết hợp của Laser (Coherence of laser beam).
Một trong các tính chất quan trọng và đặc biệt nhất của laser là tính kết hợp. Một
bức xạ laser bất kỳ đều có tính kết hợp biểu hiện ở độ đơn sắc (kết hợp thời gian) và
tính đẳng pha của mặt sóng (kết hợp không gian).
Sóng có tính kết hợp không gian khi bất kỳ thời điểm nào, ánh sáng có pha không
đổi trên khắp mặt sóng của nó.
Tơng tự tại một thời điểm cho trớc dọc theo mặt sóng chuyển động nếu pha là
giống pha mà sóng có sau khi đi qua một khoảng cách L với thời gian L/c, dù L có
nh thế nào thì sóng đợc xem có tính kết hợp hoàn toàn.
Các laser hoạt động ở chế độ đơn mode dọc hay ngang đợc biểu hiện trong các
sóng đơn sắc và đẳng pha nên chúng có bậc kết hợp không gian và thời gian cao, một
cách tự động.
0

Ngô Ngọc Anh Vietnam Metrology Institute

Page 9 of 89
Với các tính chất đặc trng nh trên, các nguồn bức xạ laser, đặc biệt là laser khí
He-Ne đợc dùng phổ biến để thể hiện đơn vị độ dài mét. Hiện nay, phần lớn các Viện
đo lờng quốc gia của các nớc tiên tiến đều dùng laser khí He-Ne ổn định tần số bằng
Iodine bớc sóng 633nm làm chuẩn đầu quốc gia cho đơn vị độ dài mét.
Do cơ chế hoạt động của laser khí He-Ne với buồng công hởng Faby-Perot, xuất
hiện "chỗ lõm Lamb" (Lamb dip). Hiệu ứng này do Lamb chỉ ra bằng lý thuyết sau đó
đợc thực nghiệm xác nhận lại. Trên côngtua của đờng cong khuyếch đại (Gain line)
xuất hiện một chỗ lõm.









Trong Laser khí do sự chuyển động nhiệt của các nguyên tử khí nên xuất hiện
nhiều nhóm nguyên tử chuyển động với các vận tốc khác nhau. Giả sử bức xạ laser có
tần số
0
(tần số ở tâm) đi trong buồng cộng hởng theo một phơng nào đó, nó
sẽ tơng tác với các nhóm nguyên tử có tốc độ v ngợc lại với phơng của bức xạ sẽ
dẫn đến làm giảm nghịch đảo độ tích luỹ và ở đờng cong khuếch đại có sự sinh hốc
(hole - burning). Hoàn toàn tơng tự với với bức xạ đi theo chiều ngợc lại sẽ gặp các
nhóm nguyên tử có vận tốc v, kết quả trên đờng công tua đờng cong khuếch đại
xuất hiện hai hốc đối xứng so với tâm vạch. Độ rộng của hốc bằng độ mở rộng tự nhiên

trong bức xạ Laser.












=

0


)
(



=

0


)(

Lamb dip


0



(

)


Ngô Ngọc Anh Vietnam Metrology Institute

Page 10 of 89
Khi =
0
bức xạ laser sẽ chỉ tơng tác với các nhóm nguyên tử có tốc độ v = 0 và sẽ
sinh ra một hốc ở tâm, đó chính là Lamb dip nh thờng gọi.
Chính nhờ hiệu ứng trên ngời ta sử dụng nó để ổn định tần số. Vì độ rộng hốc
nhỏ nên vị trí của hốc xác định khá chính xác chỗ cực tiểu của hốc cho phép ổn định
tần số phát Laser. Với nguồn Laser khí He-Ne ngời ta đ xác định tần số phát ở chỗ
cực tiểu của hốc nói trên với độ chính xác 10
-9

=

9
10


D

Để nâng cao sự ổn định của tần số ngời ta còn đặt thêm một chất hấp thụ trong
buồng cộng hởng có dịch chuyển hấp thụ đúng bằng tần số Laser. Kết quả là ở chỗ
ứng với chỗ Lamb dip cực tiểu thì đờng cong hấp thụ sẽ là cực đại ,vị trí này đợc xác
định chính xác và ổn định. Với Laser khí He - Ne ngời ta thờng dùng hơi
127
I
2
với
=632,8 nm để ổn định tần số độ chính xác đạt đợc khoảng 10
-11
.

Khoá trong bộ khuyếch
đại
Bộ khuyếch đại
PZT

CPU

ống Laser He-Ne
ống Iodine
1

2




=

0


Ngô Ngọc Anh Vietnam Metrology Institute

Page 11 of 89
ống Iodine đợc lắp bên trong hốc laser , ở đó bức xạ quang học là rất mạnh (10
mW). Điều này làm cho các tín hiệu hấp thụ bo hoà rất hẹp, laser đợc điều chỉnh và
giữ cố định tại một trong bảy vạch hấp thụ của Iodine dới sự kiểm soát của thiết bị
điện tử.






Ng« Ngäc Anh Vietnam Metrology Institute

Page 12 of 89
C¨n mÉu song ph¼ng _ Gauge Blocks – the most precise length

Ng« Ngäc Anh Vietnam Metrology Institute

Page 13 of 89

Ng« Ngäc Anh Vietnam Metrology Institute

Page 14 of 89
Ng« Ngäc Anh Vietnam Metrology Institute

Page 15 of 89
Ngô Ngọc Anh Vietnam Metrology Institute

Page 16 of 89
Căn mẫu song phẳng là một loại mẫu kích thớc độ dài thờng đợc sử dụng rộng ri
trong công nghiệp và các ngành kỹ thuật khác nhau. Căn mẫu song phẳng đợc dẫn
xuất trực tiếp từ nguồn bớc sóng chuẩn thông qua máy so giao thoa.
Các yêu cầu kỹ thuật của căn mẫu song phẳng :
Kích thớc của căn mẫu: l
Kích thớc căn mẫu l là chiều dài đờng thẳng vuông góc từ một điểm của mặt
đo tới mặt đo đối diện. Khi hiệu chuẩn căn mẫu theo phơng pháp giao thoa, mặt đo đối
diện đợc lấy là mặt phẳng của tấm đỡ đợc khớp căn mẫu.

Kích thớc giữa của căn mẫu l
C

Kích thớc giữa l
C
của căn mẫu là kích thớc của căn mẫu lấy từ điểm giữa của
mặt đo.
Kích thớc danh định l
n
.
Kích thớc danh định l
n
của căn mẫu là kích thớc chiều dài đợc ghi khắc trên
căn mẫu.
Sai lệch kích thớc: l
Sai lệch kích thớc l: Hiệu giữa kích thớc l tại vị trí bất kỳ trên mặt đo với kích
thớc danh định.
l = l - l
n

Khoảng biến thiên kích thớc căn mẫu (Variation in length) :
Tấm đỡ

l

Căn mẫu

Ngô Ngọc Anh Vietnam Metrology Institute

Page 17 of 89
Khoảng biến thiên kích thớc : Hiệu giữa kích thớc lớn nhất l
max
và kích thớc
nhỏ nhất l
min
của một miếng căn mẫu
= l
max
- l
min
Các thông số của căn mẫu đợc cho trong bảng

Cấp 00 Cấp k Cấp 0 Cấp 1 Cấp2 Kích thớc

danh định
(mm)
l

àm

t


àm

l

àm

t


àm

l

àm
t


àm
l
àm

t


àm

l

àm

t


àm
đến 10 0,06

0,05

0,2

0,05

0,12

0,1 0,2

0,16

0,45

0,3
10-25 0,07

0,05

0,3

0,05

0,14

0,1 0,3

0,16

0,6

0,3
25-50 0,10

0,06

0,4

0,06

0,2 0,1 0,4

0,18

0,8

0,3
50-75 0,12

0,06

0,5

0,06

0,25

0,12

0,5

0,18

1,0

0,35
75-100 0,14

0,07

0,6

0,07

0,3 0,12

0,6

0,2

1,2

0,35

Căn mẫu cấp 00, cấp k đợc đo bằng phơng pháp giao thoa tuyệt đối còn các
căn mẫu bậc thấp hơn đợc đo bằng phơng pháp so sánh với căn mẫu cấp 00/k bằng
thiết bị đo so sánh.
Độ phẳng bề mặt đo của căn mẫu không đợc vợt quá giá trị:





l
C

f
o

f
u
L
min
L
max
Căn
mẫu
Tấm đỡ

Ngô Ngọc Anh Vietnam Metrology Institute

Page 18 of 89
Đơn vị:
à
m
Cấp chính xác Kích thớc
danh định
mm
00/k 0 1 2
Đến 150 0,05 0,10 0,15 0,25
150-500 0,10 0,15 0,18 0,25
500-1000

0,15 0,18 0,20 0,25

Độ nhám bề mặt đo của căn mẫu:
Cấp 00/k , 0 : R
Max
0,06 àm
Cấp 1,2 : R
Max
0,08 àm
Độ biên thiên kích thớc theo thời gian của căn mẫu:
Cấp 00/k, cấp 0 : (0,02 +0,25x10
-6
l) àm
Cấp 1, cấp 2 : (0,05 +0,5x10
-6
l) àm
l: tính bằng mm
Hệ số dn nở nhiệt của vật liêu chế tạo căn mẫu:

Thép: =11,5x 10
-6
/K, Tungsten Carbit: =4,5x 10
-6
/K
Chrome Carbit: =8,4x 10
-6
/K, Ceramic: =10,0x 10
-6
/K

Thớc vạch:
Thớc vạch đựơc sử dụng rộng ri trong đo lờng độ dài, có rất nhiều loại thớc
vạch khác nhau, phạm vi đo từ 1àm đến hàng trăm m đợc chế tạo từ nhiều loại vật
liệu khác nhau, Thép, thủy tinh, hợp kim, nhựa, gỗ
Thớc vạch cấp chính xác cao đợc dẫn xuất trực tiếp từ bớc sóng Laser
thông qua thiết bị kiểm thớc vạch sau đo truyền xuống các thớc vạch cấp chính
xác thấp hơn bằng phơng pháp đo so sánh.
Ngô Ngọc Anh Vietnam Metrology Institute

Page 19 of 89
Chuẩn góc:
Về lý thuyết các đơn vị góc không cần đợc thể hiện thành mẫu đo góc vì một
vòng tròn tơng đơng với 360
o
luôn luôn đợc thể hiện với sai số bằng không và có
thể chia thành các góc nhỏ hơn. Tuy nhiên trong thực tế vẫn cần đến các chuẩn góc,
các mẫu kích thớc góc khác nhau để thực hiện dẽ dàng các phép đo góc.

Chuẩn góc là hệ thống tạo góc đợc dẫn xuất trực tiếp từ chuẩn độ dài laser, đa diện
quang học chuẩn từ đó sao truyền xuống các chuẩn có độ chính xác thấp hơn .
Đa diện quang học (POLYGON)

Đa diện quang học là chuẩn góc đợc sử dụng rộng ri trong thực tế. đa diện quang
học là một khối trụ nhiều mặt, các mặt bên là các mặt đo đa diện quang học gồm có
n mặt đo tơng đơng với mỗi góc (360/n)
o
. Đa diện quang học dùng kết hợp với
ống tự chuẩn trực để hiệu chuẩn bàn quay phân độ, máy đo góc Độ chính xác của
đa diện quang học (0,2-0,5).


Ngô Ngọc Anh Vietnam Metrology Institute

Page 20 of 89
Căn mẫu góc:
Căn mẫu góc là những vật thể có các mặt đo tạo thành một hay nhiều gốc
nhất định. Căn mẫu góc là loại mẫu kích thớc góc đơn giản nhất. Bề dầy căn mẫu
góc khoảng 2 16 mm, các mặt đo của nó có chất lợng nh của căn mẫu song
phẳng để có thể ghép thành tổ hợp căn mẫu với mẫu vơí các góc nhất định.
Nhng trong thực tế ngời ta chỉ ghép các căn mẫu góc có kích thớc từng
miếng chênh lệch nhau nhỏ nhất là l' để đảm bảo sai số của góc cần thể hiện. Sai
số của một tổ hợp căn mẫu đợc ghép từ các miếng căn mẫu góc cấp chính xác
cao nhất (cấp 0) có giá trị lớn tới 5".
Căn mẫu góc loại công tác đợc chia thành ba cấp chính xác 0, 1 và 2 với sai
số cho phép từ 3 " đến 30 ".
Chuẩn lĩnh vực độ nhám.
Các mẫu chuẩn độ nhám đợc dẫn xuất trực tiếp từ chuẩn độ dài thông qua thiết
bị đo giao thoa sử dụng nguồn bớc sóng chuẩn.

Các mẫu chuẩn độ nhám dùng để hiệu chuẩn các thiết bị đo độ nhám có các dạng
nh sau:
A
C
B
w
d
3w
w/3 w w/3
w/3
d

Mẫu chuẩn kiểu A1
r
d
w

Mẫu chuẩn kiểu A2

Ng« Ngäc Anh Vietnam Metrology Institute

Page 21 of 89


MÉu chuÈn kiÓu B1
Rsm
α

R
sm

R
sm

MÉu chuÈn kiÓu B2
R
sm

MÉu chuÈn kiÓu C1
R
sm
α

MÉu chuÈn kiÓu C2

MÉu chuÈn kiÓu C3
d)

e)

Ngô Ngọc Anh Vietnam Metrology Institute

Page 22 of 89
R
sm

Mẫu chuẩn kiểu C4
D1
D2

Mẫu chuẩn kiểu D1 và D2

Các loại mẫu chuẩn theo các dạng nh trên dùng để hiệu chuẩn các thiét bị
đo độ nhám kiểu đầu dò hoặc kiểu khuyếch đại theo phơng đứng hoặc phơng
ngang.
Mẫu chuẩn dạng A hay còn gọi là chuẩn chiều cao độ nhám đợc dẫn xuất
trực tiếp từ chuẩn độ dài thông qua thiết bị giao thoa, mẫu chuẩn loại A thuộc loại
chính xác nhất trong các loại mẫu chuẩn.


Ngô Ngọc Anh Vietnam Metrology Institute

Page 23 of 89
Một số dụng cụ đo nhỏ thông dụng
1. Panme





Dụng cụ đo kiểu panme là loại dụng cụ đo sử dụng bộ truyền động vítme-đaiốc để
tạo chuyển động đo. Đầu đo động đợc gắn với trục vít và đai ốc gắn với giá cố
định. Thông thờng bớc ren vít p = 0.5mm
Giá trị độ chia của panme (c) phụ thuộc bớc ren (p) và số vạch trên tang chia độ
(n)
p
c
n
=

Khoảng chia trên thớc phụ a

.
d
a
n

=

Thông thờng p =0.5mm, n = 50 ta có c = 0.01mm

James Watt
1772

Palmer
1848


Brown&Sharpe

1867


Modern
Micrometer

Ng« Ngäc Anh Vietnam Metrology Institute

Page 24 of 89
1.1. Panme ®o ngoµi ®iÖn tö

1.2. Panme ®o ngoµi cã thang chia phô

Ng« Ngäc Anh Vietnam Metrology Institute

Page 25 of 89
1.3. Panme ®o ngoµi c¬