Xây dựng hệ thống chuẩn đo lường quốc gia lĩnh vực góc phẳng tại Việt Nam

khoa họckhoa
- công
nghệ và đổi mới sáng tạo
học - công nghệ và đổi mới sáng tạo
Xây dựng hệ thống chuẩn đo lường quốc gia
lĩnh vực góc phẳng tại Việt Nam
Bùi Quốc Thụ, Tống Công Dũng, Trần Nam Anh, Vũ Khánh Phan
Viện Đo lường Việt Nam

Xây dựng hệ thống chuẩn đo lường quốc gia lĩnh vực góc để đảm
bảo tính chính xác của phép đo góc cho cả nước là một nội dung
quan trọng trong kế hoạch phát triển hệ thống đo lường quốc
gia. 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.
Tổng quan về hệ thống chuẩn đo lường quốc gia lĩnh vực
góc

ra làm hai loại chính, phổ quát tất cả các chủng loại
chuẩn và phương tiện đo góc trong thực tế, đó là:

Góc là đơn vị dẫn xuất trong hệ thống đơn vị đo
lường quốc tế SI và đã được quy định theo Luật Đo
lường về đơn vị đo lường hợp pháp tại Việt Nam.
Trong toán học và thực tế, số đo góc của một vòng
tròn gọi là góc đầy (Full Angle) cũng được coi là
chuẩn tự nhiên của góc phẳng (Natural Etalon)

có giá trị là 2π (360o) và sai số bằng không, do
đó việc sử dụng vòng tròn khép kín làm cơ sở để
thiết kế chuẩn, thiết bị đo góc có độ chính xác cao
cũng được nhiều Viện đo lường quốc gia (National
Metrology Institutes - NMIs) của các nước trên thế
giới và khu vực nghiên cứu, triển khai.

+ Chuẩn góc lớn, phạm vi góc đến 360o hoặc lớn
hơn 360o (chuẩn góc toàn vòng).

Các chuẩn góc có nhiều loại khác nhau, mẫu
chuẩn riêng biệt như căn mẫu góc, hoặc có thể là
một phần của vòng tròn như đa diện góc (gọi là
chuẩn góc rời rạc); chuẩn góc dạng bàn quay phân
độ, đầu chia độ (gọi là loại chuẩn góc toàn vòng liên
tục). Nhiều loại chuẩn khác nhau nên việc dẫn xuất
đến các chuẩn yêu cầu hệ thống chuẩn phải đảm
bảo có đủ chuẩn phạm vi nhỏ và chuẩn toàn vòng.
Hiện nay người ta chia các chuẩn góc thông dụng

+ Chuẩn góc nhỏ, phạm vi góc nhỏ hơn 1o (chuẩn
góc nhỏ).
Hệ thống chuẩn đo lường quốc gia lĩnh vực góc
thường là chuẩn đầu, tức là chuẩn có độ chính xác
cao mà giá trị của nó không dựa vào các chuẩn
khác cùng đại lượng. Do đó, các chuẩn này phải
được liên kết đến định nghĩa đơn vị góc (Radian)
trong hệ đơn vị quốc tế SI hoặc chuẩn tự nhiên của
lĩnh vực góc là vòng tròn khép kín có giá trị độ lớn
là 2π và không có sai số. Xây dựng hệ thống chuẩn

đo lường quốc gia lĩnh vực góc đồng thời cũng phải
nghiên cứu phương pháp đánh giá, duy trì, liên kết
chuẩn.
Xây dựng hệ thống chuẩn đo lường quốc gia lĩnh vực góc
tại Việt Nam
Hệ thống chuẩn đo lường quốc gia lĩnh vực góc
phải thực hiện được việc duy trì và dẫn xuất chuẩn
đo lường góc, từ các chuẩn thuộc hệ thống chuẩn đo

Số 4 năm 2020

31


Khoa học - Công nghệ và đổi mới sáng tạo

Bộ tạo góc nhỏ

Hình 1. Hình
Sơ đồ bộ
1.tạo
Sơgóc
đồnhỏ
bộđược
tạo xây
gócdựng.
nhỏ

được xây dựng.

Bộ tạo góc nhỏ

lường quốc gia, đơn vị góc được sao truyền xuống phản xạ (corner cube) H1 và H2 được gắn chặt vào
chuẩn, phương tiện đo góc có độ chính xác thấp hơn cánh tay đòn, tia f1 và f2 sau khi phản xạ kết hợp với
đáp ứng nhu cầu của cơ sở. Nghiên cứu, xây dựng nhau tại bộ thu nhận tín hiệu đặt trong giao thoa
Bộ
chuẩn
gócvựcphẳng
nhỏ
sửbảo
dụngkếgiao
được
Đo lường
laser.thoa
Giao kế
thoalaser
kế laser
xácViện
định được
sự biến
chuẩn đo
lường
quốcđầu
gia lĩnh
góc phải
đảm
K2,
thiên
góchiện
thôngtrên

qua sự
thay1đổi
K1 và kỹ
việc liên
kết nghiên
chuẩn, đánh
đượckế
độchế
chính
Việt
Nam
cứugiá
thiết
tạoxácđược
thể
hình
cóquang
đặc lộtrưng
của chuẩn, đảm bảo độ ổn định của chuẩn. Nghiên khi xoay cánh tay đòn (6) tạo ra sự dịch chuyển
thuật:
cứu tìm hiểu về đo lường góc kết hợp với quy hoạch gương H1 và H2. Quang lộ K2 thay đổi một lượng
phát triển chuẩn đo lường quốc gia lĩnh vực góc đến bằng 1/2Lsinθ tương tự quang lộ K1 cũng thay đổi
- Phạm vi đo: ±30′
2020, Viện Đo lường Việt Nam đề xuất xây dựng hệ một lượng bằng 1/2Lsinθ. Giá trị sinθ sẽ tỷ lệ với
thống chuẩn đo lường quốc gia lĩnh vực góc tại Việt lượng biến thiên quang lộ K1 -K2.
- Độ không đảm bảo đo: U=0,08″
Nam bao gồm:
Bộ chuẩn đầu góc phẳng nhỏ sử dụng giao thoa
Chuẩn
góccótoàn

+ Chuẩn
góc nhỏ
phạmvòng
vi đo ±30′, độ không kế laser được Viện Đo lường Việt Nam nghiên cứu
thiết kế chế tạo được thể hiện trên hình 1 có đặc
đảm bảo đo U=0,08″;
Chuẩn góc toàn vòng được xây dựng
dựa
trên cở sở liên kết chặt chẽ giữa
trưng
kỹ thuật:
+ Chuẩn góc toàn vòng sử dụng đĩa chia độ kiểu
việc
nguyên
- Phạmclosure)
vi đo: ±30′và phương thức chia độ
gia sốsử
có dụng
độ phân
giải 0,1″,lýđộvòng
khôngtròn
đảmkhép
bảo đokín (circle
U=0,1″;
trên vòng tròn đó, bao gồm cả phương pháp xác
chính
xácU=0,08″
của vạch chia.
- Độđịnh
khôngđộ

đảm
bảo đo:
+ Các chuẩn này phải được tích hợp thành hệ
Chúng
tôicầu
đãhiệu
xâychuẩn;
dựng chuẩn góc toànChuẩn
vòng góc
dựatoàn
trênvòng
cơ sở sử dụng đĩa chia
thống đáp
ứng yêu
Chuẩn
góc
toàn
vòng
được xây dựng dựa trên
độ+dạng
giacác
số phương
thiết kế
theo
kiểu thiết
Xây dựng
pháp
sao truyền
chuẩn.bị mã hóa đo góc quay (Rotary Encoder cơ sở liên kết chặt chẽ giữa việc sử dụng nguyên lý
RE)

do đầu
hãng
Inc của Nhật
nghiên
cứu, closure)
chế tạo.
Hệ thống
vòngBản
tròn khép
kín (circle
và phương
thức
Chuẩn
gócE-motionsystem,
phẳng nhỏ
chia
độ
trên
vòng
tròn
đó,
bao
gồm
cả
phương
pháp
thiết
bị bao
độ kiểu
giaViệt

số 2 có 36.000 vạch chia được gắn với trục
Để xây
dựnggồm
chuẩnđĩa
gócchia
nhỏ, Viện
Đo lường
xác định độ chính xác của vạch chia.
Nam đã
được phê
duyệt sử
thựcdụng
hiện đề
tài khoa
học Bearing) 5 thông qua cơ cấu dẫn động 6
quay
quanh
ổ quay
đệm
khí (Air
Chúng tôi đã xây dựng chuẩn góc toàn vòng dựa
cấp bộ “Nghiên cứu thiết kế chế tạo bộ chuẩn đầu
là
chuyển
điện
tửđãchính
xác.
đọcđĩa
3 bao
gồm

12gia
đầu
trênthống
cơ sở đầu
sử dụng
chia độ
dạng
số đọc
thiết
góchệ
phẳng
nhỏ”. động
Kết quảcơ
của
đề tài
chế tạo
bộ Hệ
kế
theo
kiểu
thiết
bị
mã
hóa
đo
góc
quay
(Rotary
chuẩn
góc

phẳng
nhỏ
sử
dụng
giao
thoa
kế
laser
có
được bố trí xung quanh vành chia độ, thông qua hệ thống điện tử nội suy và xử lý
sơ đồ nguyên lý được thể hiện trên hình 1. Chùm tia Encoder - RE) do hãng E-motionsystem, Inc của
tín
trí góc
của
gắn Bản
chặtnghiên
với trục
quay
định
cứu, chế
tạo.sẽ
Hệđược
thống xác
thiết bị
bao
laserhiệu
phát đo,
ra từvị
nguồn
laserquay

ổn định
tầnbàn
số (1)quay
qua 4 Nhật
gồm
đĩa
chia
độ
kiểu
gia
số
2
có
36.000
vạch
chia
bộ
tách
tia
(2)
tách
làm
hai
chùm
tia
có
tần
số
là
f

chính xác (hình 2).
1
và f2. Tia f1 đi vào gương H1 (3), tia f2 đi vào gương được gắn với trục quay quanh ổ quay sử dụng đệm
H2 (4) thông qua gương góc 450 (5). Hai gương góc khí (Air Bearing) 5 thông qua cơ cấu dẫn động 6 là

32

Số 4 năm 2020


khoa học - công nghệ và đổi mới sáng tạo
Hệ thống chuẩn đo lường quốc gia lĩnh vực góc phẳng được công nhận tại
Viện Đo lường Việt Nam có đặc trưng kỹ thuật sau:

hệ chuyển động cơ điện tử chính xác. Hệ thống đầu
đọc 3 bao gồm 12 đầu đọc được bố trí xung quanh
vành chia độ, thông qua hệ thống điện tử nội suy
và xử lý tín hiệu đo, vị trí góc quay của bàn quay 4
gắn chặt với trục quay sẽ được xác định chính xác
(hình 2).

1
1.1
1.2
1.3

2

Hình
2.

lýchuẩn
chuẩn Chuẩn góc toàn vòng tại Viện
Hình 2. Sơ
Hình
đồ nguyên
2. Sơ
Sơ đồ
đồ
lý nguyên
nguyên
chuẩn lý
Chuẩn gócChuẩn
toàn vòng
góc toàn
tại Viện
vòng Đo
tại Viện Đo
góc toàn góc
vòng.
góctoàn
toàn vòng.
vòng.
Đo lường Việt Nam.
Ngày
lường Việt lường
Nam. Việt Nam.

Chuẩn quốc gia góc phẳng nhỏ V01.02.19.01
(Chuẩn góc nhỏ - Small Angle
Interferometer)

Phạm vi đo
Độ phân giải
Độ không đảm
bảo đo

U=0,08′′

Chuẩn quốc gia góc phẳng toàn vòng
- V01.02.19.02
(Chuẩn góc toàn vòng - Self Calibration
Measuring System)

2.1

Phạm vi đo

2.2

Độ phân giải
Độ không đảm
bảo đo

2.3

±30′
0,01′′

±360°
Quay hai chi ều
thuận, nghịch

0,035′′
U=0,1′′

13/2/2020, Bộ Khoa học và Công nghệ
đã ban hành
QuyếtBộđịnh
sốvàlà
258/QĐ-BKHCN
Ngày 13/2/2020,
Khoa học
Công
nghệ đã ban hành Quyết địnhphê
số là
định cơ quan
đượcgia,
giữ chuẩn
lường quốc
lĩnh vựcgiữ
góc
duyệt258/QĐ-BKHCN
chuẩn đochỉlường
quốc
chỉđođịnh
tổgia
chức
là Phòng Đo lường độ dài (Viện Đo lường Việt Nam).
Một trong các biện pháp để đảm bảo đo lường
chuẩn
quốc
Một trong

Một
các2.trong
biện
các
phápbiện
để đảm
phápbảo
để đo
đảm
lường
bảo đo
đốilường
với cácđốichuẩn
với các
đo lường
chuẩn
làđo lường
là gia lĩnh vực góc là Phòng Đo lường độ
Hình
lý chuẩn
đối
với
các
đo lường là tiến hành hiệu chuẩn
HìnhSơ
2. đồ
Sơ nguyên
đồchuẩn
nguyên
lý chuẩn

Chuẩn
góc
toàn
vòng
tại
Viện
Đo
dài
(Viện
Đo
lường Việt Nam).
Chuẩn
góc
toàn
vòng
tại
Viện
Đo
tiến hànhtiến
hiệu
hành
chuẩn
hiệu
đối
chuẩn
với
các
đối
chuẩn
với

các
đo
chuẩn
lường
đó.
đo
lường
Thông
đó.
thường
Thông
việc
thường
hiệu
chuẩn
việc
hiệu
chuẩn
*
gócvới
toàntoàn
vòng.
góc
vòng.chuẩn đo lường đó. Thông thường việc
đối
các
lường
ViệtViệt
Nam.
**

lường
Nam.
được thực
được
hiện
thực
bằng
hiện
cách
bằng
so
sánh
cách
với
so
chuẩn
sánh
với
đo
chuẩn
lường
đo
có
độ
lường
chính
có
xác
độ
chính

cao
hơn
xác
để
cao
hơn
để
hiệu chuẩn được thực hiện bằng cách so sánh với
*
xác địnhxác
saichuẩn
số
định
củasaicác
sốvạch
của
các
chia.có
vạch
Tuy
chia.
nhiên
Tuy
đối nhiên
với
đốichuẩn
với
các
toàn
chuẩn

vòng,
đặc vòng,
biệt đặc biệt
đo
lường
độ
chính
xáccác
cao
hơn
để
xáctoàn
* lường
* lĩnh vực góc của Việt Nam tương đương
Hiện nay, trình độ chuẩn đo
chuẩn toàn
chuẩn
vòngtoàn
sử
dụng
vòng
bộ
sử
mã
dụng
hóa
bộgóc
mãquay
hóachia.
góc

có thể
quay
thực
cóhiện
thể thực
tự hiệu
hiện
chuẩn
tự hiệu
bằngchuẩn
bằng
với các
chuẩn của các nước tiên tiến trên thế giới và trong khu vực như Thái Lan,
định
sai
số
của
các
vạch
Tuy
đối
với
MộtMột
trong
cáccác
biện
pháp
để đảm
bảobảo
đo đo

lường
đốiđối
vớinhiên
cáccác
chuẩn
đo đo
lường
là là Hiện
nay,
trình
độ
chuẩn
lường
lĩnh
góc
trong
biện
pháp
để
đảm
lường
với
chuẩn
lường
Malaysia...
gia lĩnh
vực góc
được vực
xây dựng
theo

cách sử cách
dụng
sử
nguyên
dụng lýnguyên
vòng tròn
lý vòng
khép
tròn
kínbiệt
khép
bằngchuẩn
kín
phương
bằng
pháp
phương
trungpháp
bìnhtrung
phân bình
phân Hệ thống chuẩn đo lường quốcđo
các
chuẩn
toàn
vòng,
đặc
toàn
vòng
sử
tiến

hành
hiệuhiệu
chuẩn
đốiđối
với
cáccác
chuẩn
đo lường
đó. đó.
Thông
thường
việc
hiệuhiệu
chuẩn
tiến
hành
chuẩn
với
chuẩn
đo lường
Thông
thường
việc
chuẩncủa Việt
dạng chuẩn
đầu,
liên
kết
trực
tiếp

đến
chuẩn
đầu
lĩnh
vực
độ
dài
và
chuẩn
góc tự
Nam
tương
đương
với
các
chuẩn
của
các
đoạn bằng
đoạn
nhau
bằng
(The
nhau
Equal
(The
DivisionAverage
Equal
DivisionAverage
- EDA).

- EDA).
dụng
bộ
mã
hóa
quay
có
thực
hiện
được
thựcthực
hiệnhiện
bằng
cáchcách
sogóc
sánh
vớivới
chuẩn
đo thể
lường
có độ
chính
xáctự
caohiệu
hơnhơn
để đểnước tiên tiến trên thế giới và trong khu vực như Thái
được
bằng
so sánh
chuẩn

đo
lường
có độ
chính
xác
cao
chuẩn
cách
sử
dụng
nguyên
lýViệt
vòng
tròn
khép
Chuẩnxác
góc
Chuẩn
toàn
góc
vòng
tạicác
Viện
vòng
Đo
tại
lường
Viện
Đo
Việt

Nam
có
khả
Nam
năng
cóvòng,
tự
khả
hiệu
năng
chuẩn
tự hiệu
chuẩn
định
saibằng
số
của
các
vạch
chia.
Tuy
nhiên
đốilường
với
các
chuẩn
toàn
vòng,
đặc
biệtbiệt

xác
định
sai
số toàn
của
vạch
chia.
Tuy
nhiên
đối
với
các
chuẩn
toàn
đặc
5
Lan,
Malaysia...
Hệ thống chuẩn
đo lường quốc gia
kín
bằng
phương
trung
bình
phân
đoạn
bằng
thang đothang
góc

của
đo
chính
góc
của
hệ
chính
thống
hệ
và
thống
đưahóa
ragóc
và
đường
đưa
ra
cong
đường
hiệu
cong
hiệu
(hình
chuẩn
3).
(hình
3).
Nhờ
chuẩn
toàn

vòng
sử dụng
bộ pháp
mã mã
hóa
góc
quay
có thể
thực
hiệnhiện
tựchuẩn
hiệu
chuẩn
bằng
chuẩn
toàn
vòng
sử
dụng
bộ
quay
có
thể
thực
tự hiệu
chuẩn
bằngNhờ
lĩnh vực góc được xây dựng theo dạng chuẩn đầu,
đó hệ thống
đócách

hệ
cócách
thống
khảsử
năng
cónguyên
khả
đo
góc
năng
đođộ
góc
không
với
độ
đảm
không
bảo
đảm
lên
bảo
đến
đo
0,1ʺ.
lên
đến
0,1ʺ.
nhau
(The
Equal

DivisionAverage
-đo
EDA).
sử
dụng
lý vòng
tròn
khép
kín
bằng
phương
pháp
trung
bìnhbình
phân
dụng
nguyên
lývới
vòng
tròn
khép
kín
bằng
phương
pháp
trung
phân
liên kết trực tiếp đến chuẩn đầu lĩnh vực độ dài và
đoạn
bằng

nhau
(The
Equal
DivisionAverage
EDA).
đoạn
bằng
nhau
(The
Equal
DivisionAverage
EDA).
Chuẩn góc toàn vòng tại Viện Đo lường Việt Nam chuẩn góc tự nhiên, điều này giúp cho chúng ta
góc
toàntoàn
vòng
tại Viện
Đo Đo
lường
ViệtViệt
Nam
cógóc
khả
năng
tự hiệu
chuẩn
có Chuẩn
khả
năng
tự

hiệu
thang
đo
của
chính
Chuẩn
góc
vòng
tại chuẩn
Viện
lường
Nam
có khả
năng
tự hiệu
chuẩnhoàn toàn làm chủ được kỹ thuật trong lĩnh vực đo
thang
đo đo
gócgóc
của
chính
hệra
thống
và đưa
ra đường
cong
hiệuhiệu
chuẩn
(hình
3).3).

NhờNhờlường góc phẳng, không cần thiết phải hiệu chuẩn
của
chính
hệ đường
thống
và đưa
ra đường
cong
chuẩn
(hình
3).
hệthang
thống
và
đưa
cong
hiệu
chuẩn
(hình
đó
hệ
cóhệ
khả
năng
đo góc
với
độ không
đảm
bảogóc
đo lên

đếnđến
0,1ʺ.0,1ʺ.
đó thống
hệđó
thống
có thống
khả
năng
đo
với
độ
không
đảm
bảo
đovới
lên
Nhờ
cógóc
khả
năng
đo
độ
không tại nước ngoài.
đảm bảo đo lên đến 0,1ʺ.
Xây dựng hệ thống chuẩn đo lường quốc gia lĩnh
vực góc phẳng tạo điều kiện cho việc tham gia thoả
thuận toàn cầu (MRA) về đo lường lĩnh vực góc xin
công nhận năng lực hiệu chuẩn (CMCs) các phép
hiệu chuẩn góc ?
TÀI LIỆU THAM KHẢO

Hình 3A.Hình
Đường
3A. cong
Đường
hiệucong
chuẩn
hiệucủachuẩnHình
của 3B. Độ
Bùitoàn
Quốc Thụ (2007), Nghiên cứu thiết kế chế tạo bộ
Hình
ổn 3B.
địnhĐộcủa
ổnchuẩn
định của
góc chuẩn
toàn [1]góc
chuẩn gócchuẩn
toàn vòng
góc toàn
tại Viện
vòngĐo
tạilường
Viện Việt
Đo lườngvòng
Việttại Viện
chuẩn đầu góc phẳng nhỏ, Báo cáo tổng hợp đề tài.
vòng
Đotại
lường

ViệnViệt
Đo lường
Nam. Việt Nam.
Nam.
Nam.

[2] Từ vựng quốc tế về Đo lường học - Khái niệm, thuật
ngữ chung và cơ bản, TCVN 6165 : 2009.

Hình
3A.3A.
Đường
congcong
hiệuhiệu
chuẩn
củacủa Hình 3B. Độ ổn định của chuẩn góc toàn
Hình
Đường
chuẩn
Hình
3B.Độ
Độ ổn
ổn định
chuẩn
góc toàn
Hình
3A.
Đường
cong
hiệu

3B.
địnhcủacủa
chuẩn
chuẩn
góc góc
toàntoàn
vòngvòng
tại Viện
Đo lường
ViệtViệt Hình
[3] W. Tyler Estler (1998), “Uncertainty Analysis for Angle
chuẩn
tại Viện
Đo lường
vòng
tại
Viện
Đo
lường
Việt
Nam.
vòng
tại
Viện
Đo
lường
Việt
Nam.
chuẩn
của

chuẩn
góc
toàn
vòng
góc toàn vòng tại Viện Đo lường Calibrations Using Circle Closure”, Journal of Reseache of
Nam.
Nam.
4
4

tại Viện Đo lường Việt Nam.

Việt Nam.

Hệ thống chuẩn đo lường
4 4 quốc gia lĩnh vực góc
phẳng được công nhận tại Viện Đo lường Việt Nam
có đặc trưng kỹ thuật sau:

the National Institute of Standards and Technology, 103(2).

[4] Tsukasa Watanabe, Hiroyuki Fujimoto, Tadashi
Masuda (2005), “Self - Calibratable Rotary Encoder”,
Journal of Physics, 13, pp.240-245.

Số 4 năm 2020

33