Nghiên cứu các yếu tố kết cấu của hệ thống quang cơ ảnh hưởng đến độ chính xác của phép đo độ dài bằng máy quét laser

..

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------

LUẬN VĂN THẠC SĨ
NGÀNH : CƠNG NGHÊ CƠ KHÍ

Nghiên cứu các yếu tố kết cấu của hệ thống
quang - cơ ảnh hưởng đến độ chính xác của phép
đo độ dài bằng máy quét laser
Trần Hải Bình

Người hướng dẫn khoa học: TS. Nguyễn Văn Vinh

HÀ NỘI - 2007


1

Lời cam đoan
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của mình, các nghiên
cứu, tính tốn trong luận văn này là hồn tồn trung thực, chính xác và chưa
được cơng bố ở bất kỳ cơng trình khoa học nào khác.


2

MỞ ĐẦU
Ngày nay, với sự phát triển mạnh của công nghiệp điện tử mà các dụng

cụ đo kiểu cơ khí, quang học cổ điển đang được dần thay thế bởi các thiết bị
đo có sự phối hợp Cơ - Điện tử, Quang - Điện tử và Quang - Cơ - Điện tử.
Sự có mặt của yếu tố điện tử trong dụng cụ đo khơng những đem lại các
đặc tính ưu việt về mặt đo lường như nâng cao độ chính xác, tăng năng suất
đo, kết quả được hiển thị số mà nó cịn phục vụ cho các u cầu về công
nghệ gia công tự động điều khiển, kết nối máy tính để xử lý các dữ liệu đo
một cách đa dạng và linh hoạt.
Mặc dù chỉ mới phát triển mạnh trong những năm gần đây nhưng tia
laser đã được áp dụng rất hiệu quả trong nhiều lĩnh vực khoa học và cuộc
sống như : y học, quân sự, thông tin, giải trí...Đặc biệt trong ngành đo lường
với các đặc tính hơn hẳn nguồn sáng thông thường như độ đơn sắc, độ song
song và cường độ cao mà tia laser đã được sử dụng trong những thiết bị đo
có độ chính xác rất cao và đã tạo ra những phép đo mà trước đây rất khó
thực hiện.
Thiết bị đo kích thước với độ chính xác cỡ micromet bằng phương pháp
tia laser quét được các hãng sản xuất gọi chung là Laser Scan Micrometer và
viết tắt là LSM.
Máy LSM là sự phối hợp hoạt động của các hệ thống Quang - Cơ - Điện
tử. Hoạt động đo của nó dựa trên nguyên lý về sự tương ứng của kích thước
chi tiết với mức độ mà nó che khuất một chùm tia laser quét.
Qua tìm hiểu, máy LSM đã được sử dụng ở nước ta nhưng mới chỉ ở các
Công ty liên doanh nước ngồi. Sở dĩ nó chưa được phổ biến giá thành của
máy LSM là tương đối cao từ 7.000 ÷ 25.000 USD (tùy thuộc vào phạm vi
đo, độ chính xác và các công dụng đặc biệt khác của máy) chưa phù hợp với
điều kiện kinh tế, kỹ thuật trong gia cơng cơ khí ở ta.
Như vậy, việc đưa ứng dụng công nghệ đo bằng máy LSM phù hợp với
điều kiện gia cơng, sản xuất hiện có tại Việt nam, đồng thời nghiên cứu cơng
nghệ chế tạo, lắp ráp nó với mục đích giảm giá thành là các vấn đề mà những
người làm công tác đo lường cần quan tâm.
Xuất phát từ các nhận định trên, theo sự gợi ý của Bộ mơn Cơ khí chính

xác & Quang học và thầy giáo TS Nguyễn Văn Vinh tôi đã quyết định chọn
đề tài “Nghiên cứu các yếu tố kết cấu của hệ thống Quang-Cơ ảnh hưởng
đến độ chính xác của phép đo độ dài bằng máy quét laser”
Mục đích của luận văn là xác định các sai số sơ đồ của phương pháp đo
bằng máy LSM rồi từ đó lập cơ sở tính tốn và xây dựng các giải pháp kỹ
thuật làm giảm các ảnh hưởng nhằm đảm bảo độ chính xác khi đo.


3

Ý nghĩa của luận văn là làm cơ sở giúp cho người thiết kế, chế tạo xác
định được yêu cầu kỹ thuật về độ chính xác của từng bộ phận, chi tiết trong
máy.
Tuy nhiên, vì đây là vấn đề mới, điều kiện thực nghiệm khó khăn nên
hạn chế của luận văn là các nghiên cứu, tính tốn đưa ra chỉ mới dừng lại ở
mặt lý thuyết, cần phải có sự kiểm chứng lại trong thực tế quá trình nghiên
cứu chế tạo.
Tôi xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ và hướng dẫn tận tình của thầy
giáo TS. Nguyễn Văn Vinh cùng với các thầy cô giáo trong bộ môn đã tạo
điều kiện tốt để tơi hồn thành luận văn này.
Hà Nội, tháng 10 năm 2007

Trần Hải Bình


4

MỤC LỤC
Trang
Lời cam đoan .................................................................................................1

Mở đầu............................................................................................................2
Mục lục………………………………...…………………………………....4
CHƯƠNG I : TỔNG QUAN VỀ MÁY LSM…...………………………..…6
CHƯƠNG II : NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA MÁY ĐO LSM…........11
2.1 Phương pháp đo kích thước theo nguyên lý chuyển đổi quang học.11
1.1.1 Nguồn ánh sáng đo...............................................................................11
1.1.2 Một số nguyên lý đo kích thước bằng chuyển đổi Quang - Điện - Điện
tử....................................................................................................................11
2.2 Đo độ dài bằng máy qt laser.............................................................14
1.2.1 Sơ đồ khối chức năng ..........................................................................14
1.2.2 Tính tốn quan hệ tín hiệu đo và kích thước chi tiết............................18
CHƯƠNG III : XÁC ĐỊNH SAI SỐ VÀ BIỆN PHÁP KHẮC PHỤC…….20
2.1 Các nguyên nhân gây sai số đo trong máy LSM ................................20
2.1.1 Sai số do phương pháp đo.....................................................................20
2.1.2 Sai số do kết cấu và điều kiện sử dụng.................................................20
2.1.3 Phương thức khảo sát các sai số đo......................................................20
2.2 Tính tốn sai số và các biện pháp khắc phục......................................21
2.2.1 Xác định độ lệch tiêu điểm của tia quét khi sử dụng gương đa giác....21
2.2.2 Xác định độ không song song của tia quét khi tia quét góc đi lệch tiêu
điểm ..............................................................................................................27
2.2.3 Sai số độ không song song của tia quét do quang sai của thấu kính
chuẩn trực…………...……………………………………………………...30
2.2.4 Xác định sai số đo khi tia quét không song song với quang trục…….33
2.2.5 Sai số do đường kính chi tiết đo và vận tốc quét của tia laser..............38
2.2.6 Xác định sai số do gá đặt chi tiết..........................................................42
2.2.7 Xác định sai số do kích thước tia laser và xác định độ phân giải đo…46
2.2.8 Xác định sai số khi đo chi tiết ở trạng thái động..................................53
2.2.9 Xác định sai số do hình dạng chi tiết....................................................59
2.2.10 Xác định sai số do đặc trưng bề mặt của chi tiết................................63
2.2.11 Sai số do một số hiện tượng bất thường của máy...............................71

CHƯƠNG IV :CÁC BIỆN PHÁP XỬ LÝ SAI SỐ ĐO...............................73
3.1 Xử lý sai số đo bằng phương pháp hiệu chỉnh trên máy...................73
3.2 Xử lý sai số đo bằng phương pháp hiệu chuẩn máy theo tác dụng độc
lập của các thông số.....................................................................................77
3.3 Xử lý sai số do các yếu tố ngẫu nhiên..................................................80
CHƯƠNG V :MỘT SỐ KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM.................................83


5

4.1 Thí nghiệm khảo sát độ ảnh hưởng của đặc trưng bề mặt chi tiết đến
chất lượng xung đo......................................................................................83
4.2 Thiết kế mạch điện bù sai số do độ không ổn định tốc độ của gương
đa giác...........................................................................................................87
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
TÀI LIỆU THAM KHẢO
PHỤ LỤC
TÓM TẮT


6

CHƯƠNG I
TỔNG QUAN VỀ MÁY LSM
Tuy nguyên tắc hoạt động tương đối đơn giản nhưng cho đến nay máy
đo LSM (Laser scan micrometer) mới được bắt đầu nghiên cứu, chế tạo để
ứng dụng và phát triển dụng đó là nhờ :
-Cơng nghệ tạo ra các nguồn tia laser tuy có kích thước nhỏ nhưng có
năng lượng, độ đơn sắc và độ song song rất cao.
-Công nghệ về chế tạo các linh kiện điện tử có độ chính xác và độ ổn

định đảm bảo yêu cầu về đo lường cỡ micro, nano.
-Công nghệ về kết nối phương tiện đo với máy tính cũng như các thiết
bị ngoại vi phục vụ cho công tác Đo lường - Điều khiển.
Thiết bị LSM sẽ được ứng dụng nhiều và phát triển mạnh trong tương
lai nhờ nó có các đặc tính ưu việt sau :
-Là phương pháp đo không tiếp xúc với độ phân giải đo rất cao. Đặc
biệt độ phân giải đo có thể được lựa chon tùy ý theo nhu cầu của người sử
dụng.
-Có thể thực hiện chuyển đổi đo lường Độ dài - Thời gian, điều này phù
hợp với đơn vị chuẩn độ dài (Mét là quãng đường ánh sáng đi được trong
chân không trong thời gian 1/299.792.458 giây - Theo đại hội cân đo quốc tế
lần thứ 17 ).
-Phạm vi đo lớn : thực tế sản xuất đã có máy LSM có phạm vi đo 0,5 ÷
160mm và khi phối hợp nhiều máy có thể cho phép đo đường kính rất lớn.
-Có thể đo các loại chi tiết với nhiều dạng sơ đồ đo khác nhau.
-Đặc biệt với tốc độ rất cao của tia laser quét có thể đo được chi tiết ở
trạng thái động cũng như tính đáp ứng cho cơng nghệ tự động hóa gia cơng
dựa trên sự phối hợp Đo lường - Điều khiển trong thời gian thực.
Qua tìm hiểu thì hiện nay trên thế giới có tương đối nhiều hãng sản xuất
máy LSM, trong đó có một số hãng phát triển mạnh như Mitutoyo, Keyence,
Crystal....
Sau đây là các hình ảnh tìm hiểu được về các loại máy LSM cũng như
khả năng đo của nó đã được sản xuất.
1/Hình ảnh máy LSM

Sơ đồ mơ phỏng


7

Sơ đồ nguyên lý hoạt động của thiết bị

Một số kiểu máy LSM


8

2/Một số kiểu sơ đồ đo
Hiển thị được hai kết quả đo trên bộ chỉ thị
Đo khoảng cách và khe hở

Đo theo hai phương X, Y với kết quả đo là (X-Y)
hoặc (X+Y)/2
Đo đường kính lớn

Đo đường kính dây

Đo đường kính và độ ơ van

Đo chiều dày vải

Đo đường kính trạng thái động

Đo đường kính trục

Đo khoảng cách 2 trục

Đo độ đồng đều chiều dày

Đo chiều dài trục ngắn

Đo khi vật bị liên kết với vật khác

Đo đường kính lớn

Đo khe hở trục lô

Đo độ côn hoặc tang trống


9

3/Thông số đo của một số máy LSM đã được sản xuất


10

Một số vấn đề khi thiết kế, chế tạo máy LSM tại Việt Nam
Qua tìm hiểu thì việc nghiên cứu, chế tạo máy LSM tại Việt Nam hiện
gặp phải một số vấn đề sau :
-Chưa có một tài liệu nào nói cụ thể về phương pháp thiết kế, tính tốn
sai số trong việc chế tạo máy LSM (các hãng sản xuất chỉ mới đưa ra các
giới thiệu về khả năng hoạt động, nguyên tắc sử dụng với mục đích bán
hàng, quảng cáo).
-Chúng ta chưa có cơ sở sản xuất các chi tiết quang phục vụ cho đo
lường độ chính xác cao.
-Thị trường điện tử chỉ có các loại linh kiện thơng dụng, cịn các loại
linh kiện có chất lượng cao đảm bảo tính ổn định và độ chính xác cao cịn
hiếm cũng như khó khăn trong việc kiểm sốt chúng về mặt chất lượng.
-Trong máy LSM có nhiều linh kiện đặc chủng theo thiết kế độc quyền

riêng của các hãng nên không thể chế tạo theo kiểu “copy” nguyên bản.
Với các khó khăn như vậy, để thực hiện mục đích chúng ta cần phải có
một sự nghiên cứu cụ thể từ đầu về mặt lý thuyết, nguyên tắc thiết kế rồi vận
dụng để chế tạo nó theo kiểu “nội hóa” ở mức cần thiết cho phép.
Trong các yếu tố kỹ thuật của máy LSM thì độ chính xác đo của máy là
yêu cầu quan trọng nhất. Luận văn này tập trung vào việc nghiên cứu và tính
tốn các yếu tố gây sai số trong máy LSM, điều này cần thiết vì sai số của
máy LSM là tổng hợp sai số của nhiều yếu tố như :
-Sai số của hệ thống quang cơ trong bộ tạo tín hiệu đo
-Sai số của hệ thống điện - điện tử trong bộ xử lý tín hiệu đo.
-Sai số do mơi trường và các điều kiện đo.
Với phạm vi của một luận văn cao học khơng đủ để có một nghiên cứu
mang tính tồn diện mà chỉ thực hiện được một số nội dung chính gồm:
-Xác định sai số và biện pháp khắc phục
-Các biện pháp xử lý sai số đo
-Một số kết quả thực nghiệm


11

CHƯƠNG II
NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA MÁY ĐO LSM
2.1 PHƯƠNG PHÁP ĐO KÍCH THƯỚC CHI TIẾT THEO NGUYÊN LÝ
CHUYỂN ĐỔI QUANG HỌC
2.1.1 Nguồn ánh sáng đo
Các phương pháp đo kích thước bằng quang học đều dựa trên nguyên lý :
Kích thước chi tiết tỷ lệ với mức độ che khuất của nó khi được chiếu bởi một
nguồn bức xạ (thơng thường sử dụng ở vùng bước sóng ánh sáng nhìn thấy
để dễ dàng kiểm soát trong hoạt động). Nguồn ánh sáng đo được sử dụng
dưới 2 dạng :

a/Nguồn phát ra chùm sáng : thường dùng các nguồn phát sáng thông
thường hoặc các đèn LED năng lượng cao.
Ưu điểm : đơn giản, rẻ tiền
Nhược điểm : Khó khăn trong việc tạo ra nguồn ánh sáng điểm vì nếu tạo ra
nguồn có kích thước nhỏ sẽ gặp phải vấn đề khơng đủ năng lượng chiếu sáng
do đó quang sai tạo ảnh thường lớn làm giảm độ chính xác đo.
b/ Nguồn tia quét : Với các đặc tính ưu việt của Laser nên các nguồn tia quét
trong các thiết bị đo hiện nay đều sử dụng tia laser quét.
Ưu điểm :
-Đảm bảo về mặt năng lượng chiếu sáng cho bộ phận cảm nhận đo.
-Giảm thiểu được quang sai do đặc tính đơn sắc của tia laser cũng như
khơng có quang sai tạo ảnh mà chỉ gặp phải quang sai đường đi của một tia
qua hệ quang do đó có thể thực hiện các phép đo với độ chính xác cao.
Nhược điểm : Việc chế tạo một nguồn tia có độ ổn định tốc độ quét cũng
như độ song song đáp ứng cho đo lường với độ chính xác cao là tương đối
khó khăn trong điều kiện công nghệ hiện nay ở nước ta.
2.1.2 Một số nguyên lý đo kích thước bằng chuyển đổi Quang – Điện –
Điện tử
Với sự phát triển của việc tạo nguồn bức xạ cũng như kỹ thuật mạch
điện tử số và xử lý dữ liệu mà các hãng sản xuất thiết bị đo trên thế giới hiện
nay thường sử dụng các sơ đồ đo như sau :
2.1.2.1 Phương pháp đo bằng quang thơng chiếu sáng (Hình 2.1)
Ngun tắc của phương pháp : Ánh sáng từ nguồn chiếu bằng đèn LED hoặc
tia quét khi qua hệ quang sẽ được hội tụ tại đầu thu của tế bào quang điện.
Với đặc tính hoạt động : khi kích thước chi tiết tăng thì quang thơng của
nguồn sáng tới tế bào quang điện giảm do đó năng lượng nhận được của tế


12

bào quang điện giảm. Như vậy, thông qua độ lớn của giá trị năng lượng thu
ta có thể xác định được kích thước của chi tiết.
Thấu kính
trực chuẩn

Vịng chắn
sáng

Tụ kính
Bộ cảm nhận năng
lượng ánh sáng

Nguồn sáng
bằng LED năng
lượng cao hoặc
tia laser quét

Xử lý chuyển đổi
năng lượng từ bộ cảm
nhận thành giá trị đo

Hình 2.1 : Nguyên lý đo theo năng lượng nhận được từ nguồn sáng khi
chiếu qua vật đo
Ưu điểm : Kết cấu đơn giản
Nhược điểm :
-Khó khăn trong việc tạo ra nguồn sáng có kích thước nhỏ mà vẫn đảm
bảo về mặt năng lượng chiếu sáng.
-Độ chính xác đo bị ảnh hưởng bởi sự không ổn định năng lượng phát
của nguồn sáng cũng như các yếu tố hấp thụ năng lượng trên đường đi của
các tia sáng như hệ quang, môi trường hay bản thân chi tiết đo.

2.1.2.2 Phương pháp tạo ảnh chi tiết trên đầu thu camera (Hình 2.2)
Nguyên tắc của phương pháp : Ánh sáng từ nguồn chiếu bằng đèn LED năng
lượng cao hoặc nguồn tia quét qua hệ quang tạo ảnh chi tiết trên đầu thu
camera. Với đặc tính tạo ảnh tỷ lệ thuận nên thông qua việc xác định độ lớn
ảnh trên camera ta có thể xác định được kích thước chi tiết.
Thấu kính
trực chuẩn

Nguồn sáng
bằng LED năng
lượng cao hoặc
tia laser quét

Tụ kính

Thấu kính
tạo ảnh

Ảnh của chi tiết
đo trên đầu thu
camera CCD

Xử lý chuyển
đổi tín hiệu ảnh
thành chỉ thị đo

Hình 2.2 :Ngun lý đo sử dụng đầu thu camera phân giải cao


13

Ưu điểm : Do kết hợp được đồng thời việc đo kích thước với sự thu hình ảnh
của chi tiết trên màn hiển thị nên thuận tiện trong công việc xử lý, hiệu chỉnh
cũng như có thể dễ dàng phối hợp để đo các thông số khác của chi tiết.
Nhược điểm : Thiết bị tương đối phức tạp và đắt tiền vì để có độ chính xác
đo cao thì ta cần cũng cần phải có bộ đọc tín hiệu đo cùng với một đầu thu
camera có độ phân giải và độ chính xác tương ứng.
2.1.2.3 Phương pháp tạo xung đo sử dụng tia Laser quét (Hình 2.3)
Nguyên lý của phương pháp : Với đặc tính chi tiết đo che khuất và khơng
che khuất tia qt từ thấu kính trực chuẩn sẽ tạo ra xung phát từ tế bào quang
điện. Độ rộng của xung này tỷ lệ với kích thước chi tiết nên thông qua việc
xác định các khoảng thời gian xung ta có thể xác định được kích thước của
chi tiết.
Thấu kính
trực chuẩn
Bộ tạo
nguồn
tia
Laser
quét

ω

Khoảng che khuất tia
quét được định lượng
bằng thời gian t Tụ kính

Tế bào
quang điện

t
Xung ra

Tia Laser quét

Xử lý chuyển đổi
xung từ tế bào quang
điện thành chỉ thị đo

Hình 2.3 : Nguyên lý tạo xung đo sử dụng tia laser quét
Ưu điểm :
-Có kết cấu tương đối đơn giản nhưng có thể đo với độ chính xác cao.
-Việc xử lý xung phù hợp với xu hướng phát triển của các thiết bị điện
tử số hiện nay.
Nhược điểm :
-Khó khăn tạo ra được nguồn tia quét lên chi tiết với độ song song cao
và vận tốc quét ổn định.
-Đòi hỏi phải có một bộ đọc xung đo có tính ổn định với độ phân giải
cao (tương ứng với độ chính xác đo)
Trong phạm vi luận văn này ta chỉ xét đến phương pháp đo bằng tia
Laser quét và nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác đo.


14

2.2 ĐO ĐỘ DÀI BẰNG MÁY QUÉT LASER
Máy LSM có 2 bộ phận chính :
-Bộ phận tạo ra tín hiệu đo : Gồm có hệ quang và mạch tạo xung đo trên
cơ sở các cảm nhận từ chi tiết đo.
-Bộ phận xử lý tín hiệu và hiển thị kết quả đo : Gồm có bộ xử lý và

chuyển đổi xung đếm thành kết quả đo kết hợp với hệ thống CPU chuyển đổi
các dữ liệu đo sang các giao diện khác như : màn chỉ thị, bàn phím, máy in,
chuyển đổi D/A....
2.2.1 Sơ đồ khối chức năng
Tia Laser quét
Đầu
phát
tia
Laser

Bộ
phận
tạo
tia
Laser
quét

Bộ
phận
trực
chuẩn
chùm
tia
Laser
quét

Vật
đo

Bộ

phận
cảm
nhận
chùm
tia
Laser
quét

Bộ xử lý
tín hiệu
và các
dữ liệu
cần thiết
cho q
trình đo

Bộ
phận
hiển
thị
kết
quả
đo

Hình 2.4 : Sơ đồ chức năng của máy LSM
2.2.1.1 Đầu phát tia Laser
Tia Laser được tạo ra từ một đầu phát Laser khí He-Ne hoặc Laser bán
dẫn. Với thiết bị đo cần độ chính xác cao nên sử dụng Laser He-Ne vì nó
đảm bảo hơn về sự đơn sắc (ánh sáng đỏ bước sóng 632,8 nm) và độ song
song (góc phân kỳ khoảng 0,5 mR) của tia.

2.2.1.2 Bộ phận tạo tia Laser quét
Có nhiều phương pháp tạo tia Laser quét như các phương pháp gương
đa giác quay, gương điện kế, gương dao động...nhưng với ưu điểm là đơn
giản và cho tốc độ quét cao nên phương pháp gương đa giác quay được sử
dụng phổ biến nhất trong các hệ thống quang.
Người ta thường bố trí hệ quang tạo tia Laser quét bằng phương pháp đa
giác quay như hình 2.5 (ưu nhược điểm của các phương pháp này sẽ được
nói đến ở các phần sau). Khi sử dụng phương pháp này, cứ một vòng quay
của gương sẽ tạo ra n chu kỳ quét của tia phản xạ (n là số cạnh của đa giác)
do đó có thể cho vận tốc quét và tần số đo lớn


15

Tia Laser tới

Nguồn
Laser

Gương phẳng phản xạ

Gương đa
giác quay

Tia phản xạ quét
Tia Laser tới

Nguồn
Laser

Tia phản xạ quét

Gương phẳng phản xạ

Hình 2.5 : Các phương pháp tạo ra tia laser quét bằng gương đa giác quay
2.2.1.3 Bộ phận trực chuẩn tia quét

F

θ

Thấu kính trực chuẩn Fθ

D

θ-θ
Tia qt góc
Tia qt song song

Hình 2.6 : Trực chuẩn chùm tia quét góc thành chùm tia quét song
Các tia Laser phản xạ từ gương đa giác quay sẽ lập thành một chùm tia
quét góc. Tuy nhiên khi xác định đường kính D các chi tiết ta phải quét lên


16

hai đường sinh đối tâm do đó bắt buộc chùm tia quét phải là song song. Như
vậy cần thiết phải có sự trực chuẩn chùm tia quét góc thành chùm tia quét
song song. Để thực hiện điều này người ta đặt điểm "hội tụ" của chùm tia
quét góc tại tiêu điểm của một thấu kính chuẩn trực (Hình 2.6).

Ngồi chức năng trực chuẩn chùm tia qt thì Fθ cịn có chức năng rất
quan trọng sau : Tia Laser quét góc cũng như tia Laser từ nguồn phát nó có
độ song song rất cao vì vậy sau khi qua Fθ thì nó sẽ hội tụ tại tiêu diện của
Fθ. Như vậy, so với đường kính chùm tia phát thì đường kính của tia quét tại
tiêu diện của Fθ nó đã giảm được nhiều lần (hình 2.7). Nhờ sự giảm đường
kính của tia quét này mà khả năng phân giải khi nhận cạnh vật đo của tia
quét được tăng lên tức là tăng độ chính xác của phép đo (sẽ được xét cụ thể ở
chương II).
Hội tụ tại tiêu diện
Tia Laser là một
chùm song song

Fθ
Vật đo

F

’

Tiêu diện của Fθ

Hình 2.7 : Sự giảm đường kính tia laser quét tại vị trí quét lên cạnh vật đo
2.2.1.4 Bộ phận cảm nhận chùm tia Laser qt và tạo tín hiệu đo
Trong q trình qt sẽ có một khoảng thời gian tia laser bị che khuất
bởi chính vật đo. Để chuyển đổi sự khơng liên tục này thành tín hiệu đo ở bộ
cảm nhận người ta thường chuyển đổi nó thành tín hiệu xung điện như sau :
Tia Laser quét

Tụ kính FT

Tế bàoquang điện

Khuếch đại tín hiệu điện

Vật đo

Mạch chuyển
đổi thành tín
hiệu xung đo

Hình 2.8 : Nguyên lý của bộ phận tạo xung đo
Tia Laser quét sau khi qua vật đo sẽ được hội tụ nhờ một tụ kính, tại tiêu
điểm của tụ kính ta đặt một tế bào quang điện, như vậy với sự không liên tục


17

của chùm Laser quét đến tụ kính do sự che khuất của vật thì sau khi khuyếch
đại tín hiệu điện của tế bào quang điện kết hợp mạch chuyển đổi thích hợp ta
sẽ được một tín hiệu dạng xung ở đầu ra (Hình 2.8).
Thơng qua độ rộng t của đoạn xung mức “0” ứng với thời gian khơng có
tín hiệu điện của tế bào quang điện ta hồn tồn có thể xác định được kích
thước của chi tiết.
2.2.1.5 Bộ phận xử lý tín hiệu
t0

t

1
0

Thiết bị tạo xung
nhịp thời gian

Tín hiệu xung đo từ
tế bào quang điện
Bộ so sánh và đếm xung nhịp
thời gian theo độ rộng tín hiệu
xung đo và xử lý các dữ liệu đo

Hình 2.9 : Sơ đồ chuyển đổi tương ứng từ độ rộng xung đo thành việc đếm
số xung nhịp thời gian
Để chuyển đổi thời gian t ở mức “0” của xung tế bào quang điện thành
kết quả đo người ta thiết kế bộ xử lý tín hiệu gồm các bộ phận như sau :
-Mạch tạo xung nhịp thời gian : Để tạo ra các xung nhịp có tần số cao và
ổn định thường sử dụng mạch tạo dao động dùng tinh thể thạch anh.
-Bộ so sánh tín hiệu xung : Tín hiệu xung từ đầu ra của tế bào quang
điện và thiết bị tạo xung nhịp sẽ cùng đi vào bộ so sánh tín hiệu. Bộ so sánh
sẽ làm công việc đếm số xung N phát ra từ thiết bị tạo xung nhịp thời gian
trong khoảng thời gian bằng độ rộng t ở mức “0” của xung tế bào quang
điện.
-Bộ xử lý tín hiệu đo : Sau khi so sánh tín hiệu xung bộ xử lý tín hiệu có
nhiệm vụ chuyển đổi số xung đếm N thành tín hiệu số cho bộ hiển thị kết
quả đo.
Ngồi ra bộ xử lý tín hiệu cịn có chức năng xử lý và hiệu chỉnh các yếu
tố khác ảnh hưởng đến kết quả đo.
2.2.1.6 Bộ phận hiển thị kết quả đo
Từ số xung đếm N qua bộ xử lý ta có thể hiển thị số trực tiếp kết đo theo
kiểu hệ LED 7 thanh. Tuy nhiên, hiện nay với phát triển của máy tính điện tử
người ta có thể kết nối bộ xử lý xung đếm với CPU và thông qua một phần

18

mềm tương thích để đưa kết quả đo cũng như các thơng số kỹ thuật cần thiết
có liên quan đến q trình đo ra màn hình máy tính.
2.2.2 Tính tốn quan hệ tín hiệu đo và kích thước chi tiết
Quy trình xử lý tín hiệu đo của máy LSM :

Kích
thước
chi tiết

Đếm số xung
nhịp trong thời
gian che khuất

Thời gian
che khuất
tia quét

Hiển thị
kích
thước

Fθ
Khoảng che khuất

M

Kích thước chi tiết

F
ϕ
f

N

Hình 2.10 : Sự tương ứng giữa kích thước chi tiết với khoảng mà nó che
khuất chùm tia quét
Giả sử khoảng chi tiết che khuất chùm tia quét song song tương ứng với
góc quét ϕ của chùm tia qt góc (Hình 1.10).
Ta có kích thước D của chi tiết : D = MN = 2. f . tg(ϕ/2)
Với kết cấu của thiết bị sao cho ϕ/2 là những góc nhỏ :
D = 2. f . tg(ϕ/2) ≈ 2. f . ϕ/2 = f . ϕ (1)
Vận tốc quay n (vòng/giây) của gương đa giác là sẽ tương ứng với vận
tốc góc của nó là :
ωg = 2π.n (rad/s)
Theo tính chất của gương phẳng : Khi tia tới cố định, nếu gương quay
một góc α thì tia phản xạ sẽ quay một góc 2α (Hình 2.11)


19
n1

n2

P1

T

β

Góc (P1,P2) = Góc (n2,P2) - Góc (n2,P1) =
= Góc (n2,T) – [Góc (n1,P1) - Góc (n1,n2)] =
= (β + α) - (β - α) = 2.α

α

G’

2α

P2

G
α

Hình 2.11 : Sơ đồ chứng minh vận tốc góc của tia quét gấp 2 lần vận tốc
góc của gương đa giác
Với quan hệ góc quay giữa tia và gương : αt = 2. αg lấy đạo hàm theo
thời gian 2 vế ta có :

dα
dα t
= 2. g
dt
dt

Từ đó ta có vận tốc góc của tia quét góc : ωt = 2.ωg = 4π.n (rad/s)
Gọi t là khoảng thời chi tiết gian che khuất tia quét ta có :

ϕ = ωt.t = 4π.n.t
Thay vào (1) ta được : D = f . ϕ = 4π.n.f.t (2)
Với tần số phát là ft thì số xung mà mạch tạo xung nhịp thời gian tạo ra
trong khoảng thời gian t là : N = t . ft hay t =

N
ft

Thay vào (2) ta có : D = 4π.n.f.t = 4π.n.f.

N
ft

(3)

Nhìn vào biểu thức (3) ta thấy do các đại lượng n ; f ; ft là các thông số
đã được xác định của máy quét LSM nên N chính là đại lượng đặc trưng cho
sự thay đổi của đường kính D khi ta đo các chi tiết.


20

CHƯƠNG III
XÁC ĐỊNH SAI SỐ VÀ CÁC BIỆN PHÁP KHẮC PHỤC
3.1 CÁC NGUYÊN NHÂN GÂY SAI SỐ ĐO TRONG MÁY LSM
3.1.1 Sai số do phương pháp đo
Với phương pháp đo bằng máy LSM, như đã tính tốn ở chương I, ta có
cơng thức xác định đường kính của chi tiết đo :
D = 4π.n.f.

N
ft

Cơng thức cho thấy thấy độ chính xác đo phụ thuộc vào :
-Độ không ổn định vận tốc của mô tơ dẫn đến sai số tốc độ quay n của
gương đa giác.
-Sự không ổn định về tần số của máy tạo xung nhịp thời gian thạch anh.
-Các sai số của thấu kính trực chuẩn Fθ dẫn đến các sai số về tiêu cự f.
3.1.2 Sai số do kết cấu và điều kiện sử dụng
Công thức trên chỉ đúng khi các điều kiện lý tưởng của chế tạo, lắp đặt
thiết bị và gá đặt chi tiết đo được thỏa mãn cũng như mơi trường tuyệt đối ổn
định.
Vì các điều kiện lý tưởng này trong thực tế là không thể có nên ta cần
phải xét ảnh hưởng của chúng đến sai số đo.
3.1.3 Phương thức khảo sát các sai số đo
Vấn đề đặt ra là phải tính ảnh hưởng của từng nguyên nhân đến kết quả
đo. Tuy nhiên ta thấy rằng một yếu tố sai lệch có thể do nhiều ngun nhân
sinh ra (Ví dụ : Độ khơng song song của chùm tia quét có thể được gây ra
bởi các nguyên nhân : Do quét tia bắng gương đa giác, đặc trưng hình học
của Fθ hay sai số do lắp đặt...).
Như vậy, luận văn này sẽ khảo sát mức độ ảnh hưởng của các yếu tố sai
lệch một cách cụ thể cũng như tổng quát. Từ đó đưa ra các biện pháp khắc
phục trên cơ sở các nguyên nhân gây ra nó.


21

3.2 TÍNH TỐN SAI SỐ VÀ CÁC BIỆN PHÁP KHẮC PHỤC
3.2.1 XÁC ĐỊNH ĐỘ LỆCH TIÊU ĐIỂM CỦA TIA QUÉT GÓC KHI SỬ
DỤNG GƯƠNG ĐA GIÁC

Tia Laser tới

Nguồn
Laser

Gương phẳng phản
xạ
Fθ

Gương đa
giác quay

Trục gương

Trục thấu kính

Tia quét song song
Tia phản xạ qt góc

Hình 3.1 : Sơ đồ đường đi của tia laser qua hệ gương tạo tia quét
Như đã nói ở chương I thì chùm tia laser quét lên chi tiết phải song song
với quang trục, muốn vậy thì hệ tia phản xạ quét góc từ gương đa giác phải
đi qua tiêu điểm của thấu kính chuẩn trực Fθ.
Tuy nhiên do tính chất của việc sử dụng gương đa giác quay sẽ tạo ra độ
lệch của tia phản xạ so với tiêu điểm của Fθ. Độ lệch này gây ra sự không
song song của chùm tia quét dẫn đến sai số đo, vì vậy ta cần phải xác định
nó để đưa ra biện pháp đảm bảo độ chính xác đo
y
T
Fθ

h

O

α
x

x’

Hình 3.2 : Hệ tọa độ để xác định đường đi của tia laser qt
Để thuận tiện cho việc tính tốn ta gắn hệ gương và thấu kính với hệ tọa
Đề-các vng góc xOy (Hình 3.2 như sau :
-Tâm quay của gương trùng với tâm tọa độ O


22

-Trục Ox đi qua tâm gương và song song với quang trục của Fθ. Ox và
quang trục x’ của Fθ cách nhau một khoảng là h.
-Vì bài tốn đặt ra là tính khoảng lệch do gương tạo ra nên để đơn giản
cho việc tính tốn ta giả thiết tia tới T (cố định) phản xạ từ gương phẳng cắt
trục Ox tại điểm (0, r) với r là bán kính gương và tạo với Ox một góc α
(Hình 3.2
Ta có phương trình của tia tới T trong hệ tọa độ Oxy :
y – 0 = tgα . (x – r) hay y = tgα .(x – r) (1)

y

T
M

r
O

Fθ

N

β

x
900-β
∆ (trùng với mặt gương đa giác)

Hình 3.3 : Xác định giao điểm N của tia tới T với mặt gương đa giác quay
Khi mặt phản xạ của gương đa giác đang ở vị trí góc quay β (Hình 3.3),
ta thấy đường thẳng ∆ qua nó có :
-Hệ số góc : -(900 - β) = (β - 900)
-Đi qua điểm M có tọa độ M (r.cosβ , r.sinβ)
Vậy, phương trình của ∆ trong tọa độ Oxy là :
y - r.sinβ = tg(β - 900).(x - r.cosβ)
y - r.sinβ = -cotgβ .(x - r.cosβ)
y = -x. cotgβ + r(cotgβ. cosβ + sinβ)
Với chú ý :
cos 2 β
(cotgβ. cosβ + sinβ) =
+ sinβ
sin β

Ta có phương trình của ∆ :

cos 2 β + sin 2 β
=
= 1/ sinβ
sin β
r
(2)
y = -x.cotgβ +
sin β


23

Từ (1) và (2) ta thấy giao điểm N của tia tới T và ∆ có hồnh độ xN là
nghiệm của phương trình :
tgα .(x – r) = -x . cotgβ +

r
sin β

x.( tgα + cotgβ) = r (tgα + 1/ sinβ)
xN = x =

r (tgα + 1 / sin β )
tgα + cot gβ

Thay vào (1) ta có tọa độ của điểm N trong hệ tọa độ Oxy:

{

xN =

r (tgα + 1 / sin β )
tgα + cot gβ

yN = tgα .(xN – r) =

(3)

r.tgα .(1 / sin β − cot gβ )
tgα + cot gβ

B

T

y

n
α-β
α-β

N
O
K

β

P

2β-α

α
Δ

h

x
x’

Hình 3.4 : Xác định giao điểm K của tia phản xạ P với quang trục x’ của Fθ
Nhìn vào hình 3.4 ta thấy tia phản xạ P từ gương đa giác có hệ số góc :
α - 2.(α - β) = (2β - α)
Mặt khác P đi qua điểm N đã được xác định ở hệ (3) nên ta xác định được
phương trình của P trong hệ tọa độ Oxy :
y – yN = tg(2β - α). (x – xN)
hay y -

r.tgα .(1 / sin β − cot gβ )
r (tgα + 1 / sin β )
= tg(2β - α). (x –
)
tgα + cot gβ
tgα + cot gβ


24

y = x. tg(2β - α) -

r.[(tgα + 1 / sin β ).tg (2 β − α ) + (1 / sin β − cot gβ ).tgα ]
tgα + cot gβ

(4)

Quang trục x’ trong hệ tọa độ Oxy là đường thẳng y = h nên ta xác định
được hoành độ giao điểm K của tia phản xạ P với quang trục x’ của Fθ theo
phương trình :

r.[(tgα + 1 / sin β ).tg (2 β − α ) + (1 / sin β − cot gβ ).tgα ]
tgα + cot gβ
r.[(tgα + 1 / sin β ).tg (2 β − α ) + (1 / sin β − cot gβ ).tgα ] + h(tgα + cot gβ )
suy ra xK =
(tgα + cot gβ ).tg (2β − α )
r.[(tgα + 1 / sin β ).tg (2β − α ) + 2 cot g ( β / 2).tgα ] + h(tgα + cot gβ )
(5)
=
(tgα + cot gβ ).tg (2β − α )

h = xK. tg(2β - α) -

Do các giá trị r, α, h là các hằng số (thông số chế tạo hệ quang), vì vậy
xK = f(β)
xK là một hàm số của β :
Khi gương đa giác quay, góc β biến đổi dẫn đến xK thay đổi, nghĩa là tia
phản xạ P không thể luôn đi qua tiêu điểm của Fθ mà nó cắt quang trục x’ ở
những điểm khác nhau.
Mặt khác, ta thấy rằng hệ số góc γ = (2β - α) là góc quét so với quang
trục của tia phản xạ P lên thấu kính chuẩn trực Fθ. . Thay β =
công thức (5) ta xác định được :

xK =



1
r. tgα +
α
+γ

sin

2

α +γ

vào

2




 
α +γ
α +γ 
.tgγ + 2 cot g
.tgα  + h tgα + cot g
4
2 


 



(7)
α +γ 

.tgγ
 tgα + cot g
2 


Fθ
P2
K2
K1

∆K

θ

x

-θ

P1

Hình 3.5 : Độ lệch giao của của tia phản xạ với quang trục của Fθ ở các