Giáo trình Kĩ thuật ô tô

229 trang vanle 5580

Download

Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Giáo trình Kĩ thuật ô tô", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

giao_trinh_ki_thuat_o_to.doc

Nội dung text: Giáo trình Kĩ thuật ô tô

MỤC LỤC Trang Mục lục 3 Lời nói đầu 7 Chương 1. Những khái niệm cơ bản về đo lường 9 1.1. Vấn đề bảo đảm chất lượng 9 1.2. Các khái niệm cơ bản về đo lường-kiểm tra 9 1.2.1. Đo lường 9 1.2.2. Đơn vị đo và hệ thống đơn vị 10 1.2.3. Phương pháp đo 11 1.2.4. Kiểm tra và các phương pháp kiểm tra 15 1.2.5. Các chỉ tiêu đo lường của thiết bị đo 16 1.3. Các nguyên tắc cơ bản trong đo lường 18 1.3.1. Nguyên tắc Abbe 18 1.3.2. Nguyên tắc xích truyền động ngắn nhất 21 1.3.3. Nguyên tắc chuẩn thống nhất (trùng chuẩn) 21 1.3.4. Nguyên tắc kinh tế 23 Chương 2. Các nguyên lý chuyển đổi và khuếch đại trong đo lường 24 2.1. Những khái niệm cơ bản 24 2.1.1. Khái niệm chung 24 2.1.2. Các loại chuyển đổi đo lường và mạch đo. 24 2.2. Chuyển đổi cơ khí và các phương pháp khuếch đại cơ khí 27 2.2.1. Chuyển đổi cơ khí 27 2.2.2. Các phương pháp khuếch đại cơ khí 29 2.3. Chuyển đổi quang học 38 2.3.1. Các phương pháp chuyển đổi 38 2.3.2. Các phương pháp khuếch đại quang 44 2.4. Chuyển đổi khí nén 51 2.4.1. Nguyên lý chuyển đổi 51 2.4.2. Các máy đo kiểu khí nén 53 2.5. Chuyển đổi thuỷ lực 56 2.6. Chuyển đổi điện 58 2.6.1. Chuyển đổi điện cảm 58 2.6.2. Chuyển đổi điện dung 60 2.7. Chuyển đổi siêu âm 61 3
2.7.1. Nguyên lý chuyển đổi 61 2.7.2. Cấu tạo và hoạt động của máy dò khuyết tật bằng siêu âm 63 Chương 3. Phương pháp đo các thông số hình học và các chỉ tiêu chất lượng của chi tiết cơ khí 65 3.1. Phương pháp đo kích thước thẳng 65 3.1.1. Phương pháp đo hai tiếp điểm 65 3.1.2. Phương pháp đo ba tiếp điểm 65 3.1.3. Phương pháp đo một tiếp điểm 70 3.2. Phương pháp đo kích thước góc 71 3.2.1. Phương pháp đo trực tiếp kích thước góc 71 3.2.2. Phương pháp đo gián tiếp kích thước góc 73 3.2.3. Đo góc theo phương pháp toạ độ 75 3.3. Phương pháp đo kích thước lỗ 75 3.3.1. Phương pháp đo bằng đồng hồ đo lỗ 75 3.3.2. Dùng gá đo lỗ 78 3.3.3. Phương pháp đo lỗ bằng phương tiện đo khí nén 79 3.4. Phương pháp đo kích thước lớn 81 3.4.1. Phương pháp đo cung 81 3.4.2. Phương pháp chu vi 82 3.4.3. Phương pháp con lăn 82 3.4.4. Phương pháp đo bằng máy kinh vĩ 82 3.5. Phương pháp đo kích thước tế vi 83 3.5.1. Phương pháp mặt cắt ánh sáng 83 3.5.2. Phương pháp giao thoa 84 3.5.3. Phương pháp đo tiếp xúc 85 3.6. Phương pháp đo thông số sai số hình dáng bề mặt 86 3.6.1. Đo độ tròn 87 3.6.2. Đo độ trụ 91 3.6.3. Đo độ thẳng 95 3.6.4. Đo độ phẳng 96 3.7. Phương pháp đo thông số sai số vị trí 98 3.7.1. Đo độ song song 98 3.7.2. Đô độ vuông góc 100 3.7.3. Đo sai số góc nghiêng 102 3.7.4. Đo độ đồng tâm và độ đảo hướng tâm 103 4
3.7.5. Đo độ đảo hướng trục 107 3.7.6. Đo độ xuyên tâm 108 3.7.7. Đo độ đối xứng 109 3.8. Phương pháp đo các thông số của chi tiết ren 111 3.8.1. Đo đường kính trung bình của ren 111 3.8.2. Đo góc nửa profin ren 115 3.8.3. Đo bước ren 116 3.9. Phương pháp đo các thông số bánh răng 119 3.9.1. Phương pháp kiểm tra tổng hợp loại ăn khớp một bên 120 3.9.2. Phương pháp kiểm tra tổng hợp loại ăn khớp khít 123 3.9.3. Phương pháp đo sai số tích luỹ bước vòng 125 3.9.4. Đo sai lệch giới hạn bước pháp cơ sở 129 3.9.5. Đo sai lệch khoảng pháp tuyến chung 130 3.9.6. Đo độ đảo hướng tâm vành răng 131 3.9.7. Đo đường kính vòng chia 132 3.9.8. Đo sai số prôfin răng 133 3.10. Phương pháp đo độ cứng bề mặt 134 3.10.1. Phương pháp đo độ cứng Brinell 135 3.10.2. Phương pháp đo độ cứng Rockewll 136 3.10.3. Phương pháp đo độ cứng Wikker 137 3.11. Kiểm tra khuyết tật bằng phương pháp không phá hủy 138 3.11.1. Các nguyên nhân gây ra khuyết tật và vết nứt 138 3.11.2. Các phương pháp xác định khuyết tật và vết nứt 139 Chương 4. Các phương pháp xử lý kết quả đo thực nghiệm 149 4.1. Sai số phép đo và xử lý kết quả đo 149 4.1.1. Sai số đo 149 4.1.2. Phân loại sai số đo 155 4.1.3. Sai số ngẫu nhiên-phương pháp tính thông số đặc trưng 156 4.1.4. Sai số hệ thống–các phương pháp khử sai số hệ thống 170 4.1.5. Sai số thô - Các chỉ tiêu loại sai số thô 174 4.2. Xử lý kết quả đo gián tiếp 179 4.2.1. Bài toán thuận 179 4.2.2. Bài toán nghịch 182 4.3. Độ chính xác và độ tin cậy của kết quả đo 185 4.3.1. Khi đo trực tiếp các đại lượng cùng điều kiện đo 186 5
4.3.2. Khi đo trực tiếp các đại lượng không cùng điều kiện đo 190 4.3.3. Xác định số lần đo cần thiết theo độ chính xác và độ tin cậy yêu cầu 191 4.4. Phương pháp xác định mối quan hệ thực nghiệm 194 4.4.1. Xác định quan hệ hàm số giữa các đại lượng 195 4.4.2. Xác định mối quan hệ tương quan giữa các đại lượng 201 4.4.3. áp dụng lý thuyết hàm ngẫu nhiên trong nghiên cứu quan hệ thực nghiệm 207 Chương 5. Chọn phương án đo 210 5.1. Chọn phương pháp đo 210 5.2. Chọn độ chính xác của phương pháp đo 215 5.3. Chọn số lần đo 219 Phụ lục 216 Tài liệu tham khảo 219 6
LỜI NÓI ĐẦU Chất lượng sản phẩm chế tạo máy có một tầm quan trọng đặc biệt trong sản xuất công nghiệp. Trong giai đoạn hoà nhập, nhất là sau khi nước ta trở thành thành viên của WTO, sự cạnh tranh về chất lượng sản phẩm luôn được đánh giá là khâu cần thiết của mỗi công ty, mỗi xí nghiệp. Đứng về mặt sản xuất mà nói, chất lượng là tập hợp các tính chất vật lý, hình học, mỹ học của sản phẩm đáp ứng yêu cầu của các tiêu chuẩn Nhà nước và quốc tế, yêu cầu của các văn kiện kỹ thuật. Thực tế đã xuất hiện nhiều hệ thống quản lý chất lượng trong xí nghiệp công nghiệp. Các hệ thống đó là tập hợp một hệ thống các biện pháp mang tính chất kỹ thuật, tổ chức và kinh tế nhằm tác động thường xuyên đến quá trình sản xuất trên quan điểm bảo đảm chất lượng sản phẩm. Để thực hiện được bất kỳ một hệ thống quản lý chất lượng nào trong sản xuất, đảm bảo mức độ chất lượng sản phẩm cho trước, giảm các hao phí chế tạo ra phế phẩm đều đòi hỏi phải chọn và tạo ra được các phương tiện đo lường, kiểm tra hợp lý, có năng suất cao, tin cậy, phải đề xuất được phương pháp kiểm tra mới nhằm cung cấp nhanh chóng và chính xác các thông tin về chất lượng ở từng nguyên công, xử lý các thông tin đó để có những biện pháp công nghệ thích ứng đảm bảo chất lượng. Nội dung chủ yếu của các hệ thống quản lý chất lượng hiện nay đều nhằm chuyển dần chức năng kiểm tra phân loại chính phẩm, phế phẩm của người kiểm tra trước đây sang chức năng kiểm tra quá trình công nghệ của công nhân trực tiếp sản xuất và của cán bộ công nghệ. Nhiệm vụ đo đạc kiểm tra thông thường là chủ yếu trước đây phải chuyển dần sang nhiệm vụ đo đạc nghiên cứu để duy trì và nâng cao chất lượng của chính quá trình sản xuất là chủ yếu. Vì vậy, người kỹ sư cơ khí cần phải nắm vững các kiến thức cơ bản về quá trình vật lý của đo lường, biết chọn phương pháp đo và dụng cụ đo thích hợp, biết xử lý các thông tin về quá trình công nghệ qua quá trình đo. Đó là lý do cần phải biên soạn giáo trình “Cơ sở kỹ thuật đo lường trong chế tạo cơ khí” nhằm đáp ứng công tác giảng dạy chuyên ngành Công nghệ chế tạo máy tại Học viện Kỹ thuật quân sự. Ngoài ra nó còn là tài liệu tham khảo cho các cán bộ kỹ thuật, cán bộ giảng dạy, sinh viên chuyên nghành cơ khí nói chung. Do giáo trình được biên soạn lần đầu nên khó tránh khỏi sai sót, chúng tôi rất mong nhận được nhiều ý kiến đóng góp. Mọi góp ý về tài liệu xin gửi về bộ môn Chế tạo máy-khoa Cơ khí-Học viện KTQS. 7
CÁC TÁC GIẢ 8
Chương 1 NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ ĐO LƯỜNG 1.1. VẤN ĐỀ BẢO ĐẢM CHẤT LƯỢNG Đảm bảo chất lượng sản phẩm trong sản xuất chính là đảm bảo hiệu quả kinh tế cho nền sản xuất. Việc đảm bảo chất lượng sản phẩm không đơn thuần là việc kiểm tra sản phẩm sau khi chế tạo mà cái chính là phải vạch ra các nguyên nhân gây sai hỏng ngay trong khi gia công để có được quy trình công nghệ hợp lý, có thể điều chỉnh quá trình gia công nhằm tạo ra sản phẩm đạt chất lượng. Mức độ đưa thiết bị và kỹ thuật đo vào công nghệ chế tạo thể hiện mức độ tiên tiến của nền sản xuất. Xét vấn đề dưới góc độ đo lường hay nói cách khác đo lường bảo đảm chất lượng sản phẩm như thế nào thể hiện qua ba chức năng cơ bản của nó như sau: Đo lường là để nghiên cứu nhận biết thế giới tự nhiên. Kiểm tra chất lượng sản phẩm, giám sát sản xuất đảm bảo chất lượng sản phẩm. Nghiên cứu độ chính xác gia công nhằm cải tiến kỹ thuật hợp lý hoá qui trình công nghệ để nâng cao chất lượng sản phẩm dẫn tới hạ giá thành sản phẩm. Trong sản xuất, đo lường là trọng tài vô tư nhất đánh giá đúng chất lượng sản phẩm của đối tượng nghiên cứu. Nó cho phép ta đánh giá chính xác trình độ kỹ thuật sản xuất của từng công ty, xí nghiệp, của nước này với nước khác. 1.2. CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ ĐO LƯỜNG-KIỂM TRA 1.2.1. Đo lường Đo lường một đại lượng vật lý là việc thiết lập quan hệ giữa đại lượng đó với đại lượng cùng tính chất vật lý nào đó được dùng làm đơn vị đo hay một đại lượng tiêu chuẩn đã được qui ước. Như vậy thực chất của việc đo lường là việc so sánh đại lượng cần đo với đơn vị đo hay đại lượng tiêu chuẩn qui ước (chúng phải có cùng tính chất vật lý của đại lượng cần đo) để tìm ra tỉ lệ giữa chúng, tức là xác định độ lớn (theo đơn vị) bằng trị số của đại lượng đo. Đo lường là thiết lập quan hệ giữa đại lượng cần đo và một đại lượng cùng tính chất vật lý được qui định làm đơn vị đo. Thực chất đó là việc so sánh đại lượng cần đo với một đơn vị đo để tìm ra tỉ lệ giữa chúng theo công thức: 9
Q q= ; ( 0-1) u trong đó: Q- đại lượng cần đo. u- đơn vị đo. Kết quả đo sẽ là: Q = q.u. Tuỳ theo cách chọn đại lượng làm đơn vị đo khác nhau mà kết quả so sánh (tỷ lệ) đại lượng đo và đơn vị đo sẽ khác nhau. Tức là có thể biểu diễn kết quả so sánh bằng các trị số khác nhau khi chọn các đơn vị đo khác nhau. + Chọn đơn vị đo là u thì kết quả đo sẽ là: Q = q . u ( 0-2) + Chọn đơn vị đo là u' u thì kết quả đó là: Q = q' . u' ( 0-3) trong đó q' q . Từ (1-2) và (1-3) rút ra: q ' u K q u ' K được gọi là hằng số qui đổi (hay chuyển đổi) đơn vị. Ta thấy rằng việc chọn độ lớn của đơn vị đo khác nhau sẽ dẫn tới q khác nhau. Cho nên việc chọn độ lớn của đơn vị đo phải sao cho việc biểu diễn kết quả đo gọn, đơn giản tránh nhầm lẫn trong ghi chép và tính toán. Kết quả đo cuối cùng cần biểu diễn theo đơn vị đo hợp pháp. 1.2.2. Đơn vị đo và hệ thống đơn vị a. Đơn vị đo Xuất phát từ định nghĩa và thực chất của việc đo. Ta thấy rằng việc đo lường sẽ không thể thực hiện được nếu không có đơn vị đo. Bởi thế đơn vị đo sẽ phải xuất hiện ngay khi con người biết dùng đến đo lường trong đời sống. Đơn vị đo là cái cữ, là tiêu chuẩn được qui định thống nhất dùng khi so sánh để tìm ra độ lớn của đại lượng cần đo. Để đạt được tính chính xác trong đo lường, đơn vị đo cần đảm bảo 3 yêu cầu sau: Thống nhất. Có độ bền lâu cao: ổn định và bất biến theo thời gian-không mòn, tránh ảnh hưởng của điều kiện môi trường; nhiệt độ, độ ẩm, điện từ Độc lập với mọi điều kiện của môi trường. 10
b. Phân loại đơn vị đo a) Đơn vị đo độc lập: là loại đơn vị đo được qui ước không phụ thuộc vào các đơn vị đo khác. Ví dụ: mẫu mét, mẫu kilôgam. Các đơn vị này đã được chế tạo bằng các vật liệu quí dùng làm mẫu gốc để bảo tồn trong phòng đo lường của viện đo lường quốc tế. b) Đơn vị đo dẫn suất: là loại đơn vị đo mà độ lớn của nó được xác định phụ thuộc vào độ lớn của đơn vị đo dẫn xuất khác . Ta có thể biểu diễn sự phụ thuộc đó bằng một công thức tổng quát: Q k.A .B  .C  Trong đó: k - hằng số biến đổi đơn vị. A, B, C - các đại lượng có quan hệ với Q. , ,  - bậc của thứ nguyên của A, B, C. c. Hệ thống đơn vị đo Các đơn vị đo độc lập và dẫn suất hợp thành hệ thống đơn vị được qui định trong bảng đơn vị đo hợp pháp của Nhà nước dựa trên qui định của hệ thống đo lường quốc tế SI (viết tắt SI từ tiếng Pháp Système International d'Unités) . SI là hệ đo lường được sử dụng rộng rãi nhất. Nó được sử dụng trong hoạt động kinh tế, thương mại, khoa học, giáo dục và công nghệ của phần lớn các nước trên thế giới ngoại trừ Mỹ, Liberia và Myanma. Hệ thống đơn vị đo được qui định nhằm thống nhất cách biểu diễn kết quả đo các đại lượng, để có sự chuyển đổi tương đương dễ dàng, tính toán gọn nhẹ, đỡ nhầm lẫn do chọn dùng các đơn vị không hợp lý và để kết quả tính ra được sẽ mang tên đơn vị đo đã có qui định. Các vấn đề nói về đơn vị và hệ thống đơn vị có thể xem tỉ mỉ hơn trong các tài liệu: Đơn vị đo lường hợp pháp, đơn vị đo các đại lượng vật lý. 1.2.3. Phương pháp đo a. Khái niệm Phương pháp đo là cách thức thủ thuật để xác định thông số cần đo. Đó là tập hợp mọi cơ sở khoa học có thể thực hiện phép đo, trong đó nói rõ nguyên tắc để xác định thông số đo. Các nguyên tắc này có thể dựa trên cơ sở mối quan hệ toán học hay mối quan hệ vật lý có liên quan tới đại lượng đo. Ví dụ: Khi đo bán kính R=h/2+S2/8h. trong đó: h- chiều cao cung; S- độ dài dây cung. 11
G Ví dụ: Khi đo tỷ trọng vật liệu, dựa trên quan hệ vật lý D = V trong đó: D là tỷ trọng; G là trọng lượng mẫu; V là thể tích mẫu. d 2 Nếu ta chọn mẫu dạng trụ thì : V h . 4 Với d là đường kính mẫu, h là chiều dài mẫu, khi đó ta có: 4G D .d 2 h Việc chọn mối quan hệ nào trong các mối quan hệ có thể với thông số đo cụ thể phụ thuộc vào độ chính xác yêu cầu đối với đại lượng đo, trang thiết bị hiện có, khả năng tìm được hoặc tự chế tạo được. Mối quan hệ cần được chọn sao cho đơn giản, các phép đo dễ thực hiện với yêu cầu về trang bị đo ít và có khả năng hiện thực hoá. b. Phân loại các phương pháp đo Các phương pháp đo được phân loại dựa trên cơ sở: Quan hệ giữa đầu đo và chi tiết đo. Quan hệ giữa giá trị chỉ thị trên dụng cụ đo và giá trị của đại lượng đo. Quan hệ giữa đại lượng cần đo và đại lượng được đo. 1. Dựa vào quan hệ giữa đầu đo và chi tiết đo. Theo quan hệ giữa đầu đo và chi tiết đo chia ra: Phương pháp đo tiếp xúc Phương pháp đo không tiếp xúc. Phương pháp đo tiếp xúc là phương pháp đo mà giữa đầu đo và bề mặt chi tiết đo tồn tại một áp lực gọi là áp lực đo. Ví dụ như khi đo bằng dụng cụ đo cơ khí, quang cơ, điện tiếp xúc áp lực này làm cho vị trí đo ổn định vì thế kết quả đo tiếp xúc rất ổn định. Tuy nhiên, do có áp lực đo mà khi đo tiếp xúc không tránh khỏi sai số đo do các biến dạng có liên quan đến áp lực đo gây ra, đặc biệt là khi đo các chi tiết bằng vật liệu mềm, dễ biến dạng hoặc các hệ đo kém cứng vững. Phương pháp đo không tiếp xúc là phương pháp đo không có áp lực đo giữa yếu tố đo và bề mặt chi tiết đo. Ví dụ: Các máy đo kiểu hiển vi chiếu hình, thuỷ lực khí nén, đều đo theo 12
phương pháp không tiếp xúc. Do không có sự tiếp xúc giữa đầu đo và mặt chi tiết đo nên có một loạt các ưu điểm: Không gây biến dạng bề mặt chi tiết (điều này rất quan trọng đối với chi tiết nhỏ); không có sai số do biến dạng bề mặt dưới tác dụng của lực đo. Không có sai số do ảnh hưởng của sự mòn đầu đo. Không có sai số đo gây nên bởi hình dáng bề mặt chi tiết đo làm chất lượng tiếp xúc của đầu đo và chi tiết đo không tốt. Không chịu tác dụng của độ không ổn định lực đo. Có hệ số khuếch đại lớn nên sai số nhỏ. Các ưu điểm kể trên làm tăng cao độ chính xác của phép đo so với phương pháp đo tiếp xúc. Tuy vậy phương pháp này chỉ thích hợp với loại chi tiết nhỏ, mềm, mỏng, dễ biến dạng, các sản phẩm không cho phép có vết xước. 2. Dựa vào quan hệ giữa giá trị chỉ thị trên dụng cụ đo và giá trị của đại lượng đo Trên quân hệ này các phương pháp đo chia ra: Phương pháp đo tuyệt đối . Phương pháp đo so sánh. Trong phương pháp đo tuyệt đối, giá trị chỉ thị trên đụng cụ đo là giá trị đo được. Phương pháp đo này đơn giản, ít nhầm lẫn, nhưng vì hành trình đo dài nên độ chính xác đo kém. Trong phương pháp đo so sánh, giá trị chỉ thị trên dụng cụ đo chỉ cho ta sai lệch giữa giá trị của chuẩn dùng khi chỉnh "0" cho dụng cụ đo và giá trị của đại lượng cần đo. Kết quả đo phải là tổng của giá trị chuẩn và giá trị chỉ thị: Q= Q0+ x với:Q 0- kích thước mẫu chỉnh "0". x - giá trị chỉ thị của dụng cụ. Độ chính xác của phép đo so sánh cao hơn của phép đo tuyệt đối và phụ thuộc chủ yếu vào độ chính xác của mẫu và quá trình chỉnh "0". 3. Dựa vào quan hệ giữa đại lượng cần đo và đại lượng được đo Trên quan hệ này các phương pháp đo chia thành: Phương pháp đo trực tiếp. Phương pháp đo gián tiếp. Phương pháp đo trực tiếp (đo thẳng) là phương pháp đo mà đại lượng được 13
đo chính là đại lượng cần đo, ví dụ như khi ta đo đường kính chi tiết bằng panme, thước cặp, máy đo chiều dài Phương trình cơ bản của phép đo là: Q = X Trong đó: Q- đại lượng thực cần đo. X- chỉ số của máy đo. Phương pháp đo trực tiếp có độ chính xác cao nhưng kém hiệu quả. Phương pháp đo gián tiếp là phương pháp mà giá trị của đại lượng cần đo được xác định thông qua các mối quan hệ hàm toán học hoặc vật lý giữa đại lượng được đo và đại lượng cần đo. Ví dụ như khi ta đo đường kính chi tiết thông qua việc đo các yếu tố trong cung hay qua chu vi Phương pháp đo gián tiếp thông qua các mối quan hệ toán học hoặc vật lý học giữa đại lượng được đo và đại lượng cần đo là phương pháp đo phong phú, đa dạng và rất hiệu quả. Tuy nhiên, nếu hàm quan hệ càng phức tạp thì độ chính xác đo càng thấp. Việc tính toán xử lý kết quả đo và độ chính xác đo phụ thuộc nhiều vào việc chọn mối quan hệ này. Phương trình cơ bản của phép đo gián tiếp là: Q = f (x1, x2, . . . , xn) Trong đó xi là các giá trị đo trực tiếp, có quan hệ hàm với đại lượng cần tìm Q. Ví dụ: - Đo thể tích cầu qua việc đo trực tiếp đường kính. Quan hệ hàm xác định 4 3 theo công thức tính thể tích hình cầu: Vcầu d 3 - Đo góc theo phương pháp toạ độ. Quan hệ hàm được xác định bằng hàm b a lượng giác ngược của các cạnh vuông: arctg arc cot g a b Trong khi tiến hành một quá trình đo, việc chọn phương pháp đo nào cần xuất phát từ việc phân tích kỹ lưỡng tính chất và cấu tạo của đối tượng đo cũng như yêu cầu kỹ thuật đối với nó. Việc chọn phương pháp đo có thích hợp hay không rất ảnh hưởng tới mức độ phức tạp của phép đo và thiết bị đo, do đó rất ảnh hưởng tới độ chính xác khi đo, thời gian điều chỉnh và đo, số thiết bị cần cho phép đo cũng như sự phức tạp của quá trình sử lý tính toán số liệu sau này. Các vấn đề kể trên có ảnh hưởng trực tiếp tới độ chính xác khi đo lường kiểm tra chất lượng sản phẩm cũng như giá thành chung của sản phẩm. 14
1.2.4. Kiểm tra và các phương pháp kiểm tra Kiểm tra một đại lượng là xác định xem giá trị thực của đại lượng đó có nằm trong giới hạn được qui định hay không. Sự khác biệt căn bản giữa kiểm tra và đo lường là ở chỗ khi kiểm tra không cần xác định trị số cụ thể của đại lượng đó mà chỉ cần so sánh đại lượng kiểm tra với giá trị giới hạn định trước. Nếu đo lường trả lời câu hỏi về lượng là bao nhiêu thì kiểm tra sẽ trả lời câu hỏi về chất là đạt hay không hoặc tốt hay xấu hoặc chính phẩm hay phế phẩm. Như vậy, khi kiểm tra, chất lượng cơ bản của đối tượng cần được qui định trước, kiểm tra nhằm xét xem đối tượng thực có thoả mãn yêu cầu qui định đó không, còn đo lường chính là nhằm xác định giá trị thực của đại lượng là bao nhiêu. Các hình thức kiểm tra được phân loại theo 2 đặc điểm: Theo tính chất kiểm tra. Theo nội dung kiểm tra. a. Phân loại theo tính chất kiểm tra Theo tính chất kiểm tra phân thành: 1. Kiểm tra bị động Kiểm tra bị động còn được gọi là kiểm tra thụ động ngẫu nhiên là hình thức kiểm tra mà khi kiểm tra kết quả chỉ cho phép ta đánh giá chất lượng của sản phẩm sau khi đã chế tạo có đạt hay không. Nghĩa là người kiểm tra đứng trước một sự đã rồi của sản xuất để phân loại cái đúng và cái sai theo yêu cầu kỹ thuật đã qui định. Hình thức kiểm tra này thường dùng để kiểm tra thu nhận nên nó còn mang tên là kiểm tra thu nhận. 2. Kiểm tra chủ động. Kiểm tra chủ động (kiểm tra tích cực) là hình thức kiểm tra mà kết quả kiểm tra phản ánh thông số đo của quá trình công nghệ đang được tiến hành. Nó có tác động trở lại đối với quá trình gia công qua hệ thống tự động điều chỉnh để điều chỉnh lại thông số cần thiết đảm bảo chế tạo ra thành phẩm (chính phẩm). Như thế kết quả kiểm tra có tác dụng tích cực đối với việc phòng ngừa khả năng chế tạo ra phế phẩm vì thế kiểm tra trong khi gia công là kiểm tra tích cực, còn mang tên là kiểm tra dự phòng. Tuyệt đại đa số kiểm tra loại này là kiểm tra tự động và thường dùng ngay trong quá trình gia công. b. Theo nội dung kiểm tra Theo nội dung kiểm tra phân thành: 15
1. Kiểm tra thành phần Kiểm tra thành phần, còn gọi là kiểm tra yếu tố, là việc kiểm tra thực hiện với từng yếu tố riêng, thường được dùng để kiểm tra trong khi nghiên cứu độ chính xác gia công nhằm phân tích nguyên nhân sai hỏng của sản phẩm, cải tiến qui trình công nghệ. 2. Kiểm tra tổng hợp Kiểm tra tổng hợp là tiến hành kiểm tra đồng thời ảnh hưởng của tất cả các yếu tố tới chất lượng sử dụng của sản phẩm. Thường được dùng để kiểm tra lần cuối trước khi đưa đi lắp ráp, bao gói, xuất xưởng, sử dụng. Việc chọn hình thức kiểm tra nào là tuỳ thuộc vào yêu cầu, tầm quan trọng của thông số, khối lượng sản xuất và yêu cầu sử dụng của kết quả kiểm tra. Đối với các chi tiết phức tạp như bánh răng, then hoa phải kết hợp cả kiểm tra tổng hợp và kiểm tra riêng lẻ đối với các thông số cần thiết. 1.2.5. Các chỉ tiêu đo lường của thiết bị đo Các đặc trưng (hay còn gọi là các chỉ tiêu) đo lường cơ bản của máy đo và dụng cụ đo có thể tạm chia theo 2 nhóm: Nhóm 1: gồm các chỉ tiêu thường dùng đến nhất khi lập bảng yêu cầu đối với thiết bị đo để thực hiện một phép đo cần thiết. Nhóm 2: gồm những chỉ tiêu đo lường cần được chú ý đến khi đo lường thí nghiệm và nghiên cứu khoa học. a. Nhóm 1 Nhóm các chỉ tiêu này bao gồm: 1. Giới hạn đo theo bảng A Giới hạn đo theo bảng A là giá trị đo được ứng với toàn bộ bảng chia. Nếu Amax: là giá trị max có thể chỉ thị được trên bảng chia và A min là giá trị min có thể chỉ thị được trên bảng chia thì: A = Amax- Amin + Ví dụ trong bảng chia đối xứng A = 20m chẳng hạn thì: Amax = +20m; Amin =-20m A = +20 - (-20) = 40m hay 20m. + Ví dụ trong bảng chia không đối xứng: Amax = + 15m, Amin= +5m A = + 15 -(+5) =10m 2. Giới hạn đo của máy L Giới hạn đo của máy L là giá trị đo lớn nhất có thể đo được trên máy. L = L1 + A Trong đó L1 là khoảng dịch chuyển cho phép của đầu đo theo giá máy. 16
3. Độ chính xác đọc số Độ chính xác đọc số, còn gọi là độ chính xác đo của dụng cụ đo, là độ chính xác có thể đạt được khi thông qua thiết bị đọc số của máy đo. Độ chính xác đọc số của các máy đã tiêu chuẩn hoá được qui định bằng giá trị một vạch chia của bảng chia. 4. Độ nhậy giới hạn Độ nhậy giới hạn là sự thay đổi nhỏ nhất của kích thước đo còn có khả năng gây một thay đổi ở bộ phận chỉ thị một lượng ổn định và có thể quan sát được. Độ nhậy giới hạn có thứ nguyên của đại lượng đo. 5. Sai số chỉ thị của dụng cụ đo Sai số chỉ thị của dụng cụ đo là hiệu số giữa giá trị chỉ thị của dụng cụ đo và giá trị thực của đại lượng đo. Giá trị thực của đại lượng đo có thể được xác định được bằng những dụng cụ đo có cấp chính xác cao hơn hoặc bằng kích thước mẫu đã được ghi sẵn trong A tờ kiểm nhận. Thông thường yêu cầu CT c n Trong đó: A - giới hạn đo theo bảng. n - Số vạch chia của bảng. c- Giá trị chia vạch của vạch chia. c Đối với máy đo kiểm tra (thí nghiệm): CT = 4 c Đối với máy đo kỹ thuật (sản xuất) dùng CT = 2 6. Độ ổn định và độ biến động chỉ thị Tính ổn định của máy và dụng cụ đo là đặc tính đảm bảo giá trị chỉ thị của chúng bất biến theo thời gian. Tính chất này là một đặc tính rất quan trọng của máy và dụng cụ đo, đặc biệt là đối với những quá trình nghiên cứu lâu dài và trùng lặp. Tuy nhiên, yêu cầu tính bất biến như trên là rất lý tưởng. Độ biến động chỉ thị (cũng chính là độ ổn định), của máy và dụng cụ đo là sự sai khác nhau của giá trị chỉ thị giữa các lần đo khi tiến hành đo lặp lại nhiều lần với cùng một kích thước đối tượng đo và điều kiện đo như nhau. Độ biến động chỉ thị càng bé thì độ ổn định càng cao, máy càng chính xác, kết quả đo đáng tin cậy hơn. Độ biến động chỉ thị được qui định bằng hiệu số giá trị chỉ thị lớn nhất và nhỏ nhất. Nó phản ánh độ không ổn định của các cơ cấu máy đo khi chúng làm việc như: vị trí cơ cấu, biến đổi tỷ số truyền, cơ cấu đọc và độ không ổn định của người đọc 17
số. Nói chung là với xích truyền động của máy càng dài thì độ ổn định càng kém. Độ biến động chỉ thị là nhân tố chủ yếu gây nên sai số khi đo. Do chịu tác động của những nguyên nhân rất ngẫu nhiên nên độ biến động chỉ thị cũng có tính chất ngẫu nhiên. Nó phản ánh độ chính xác tổng hợp của máy. Thông 1 1 thường cho phép biến động trong giới hạn ( )c . 2 5 Đối với máy kiểm tra (thí nghiệm) thường dùng [ ôđ] 0,2c. Đối với máy đo dùng trong sản xuất [ ôđ] 0,5c. b. Nhóm 2 1. Giá trị chia c Giá trị chia c là giá trị của đại lượng đo ứng với một khoảng chia của bảng. Đó chính là dịch chuyển của đầu đo khi kim chỉ thị dịch đi một vạch chia. 2. Khoảng chia a Khoảng chia a là khoảng cách giữa 2 vạch chia liên tiếp của bảng. 3. Lực đo Lực đo là lực xuất hiện trong quá trình đo ở tiếp điểm của mặt đầu đo với mặt đối tượng đo. Lực đo càng lớn thì ổn định khi đo càng tăng nhưng gây biến dạng bề mặt chi tiết, gây sai số đo do lực đo. 4. Độ nhậy của máy đo Độ nhậy của máy đo là khả năng có thể phản ứng của máy đo đối với đại lượng đo. a Đối với máy đo không chuyển đổi K = chính là tỷ số truyền dài của máy c đo. Đó là đại lượng không có thứ nguyên. Đối với máy đo có chuyển đổi như thuỷ lực, điện người ta không dùng khái niệm tỷ số truyền để đánh giá mà dùng độ nhạy để đánh giá. Khi đó độ nhạy có thứ nguyên là thứ nguyên của đại lượng đã chuyển đổi ra chia cho thứ nguyên của đại lượng đo được chuyển đổi. Ví dụ: mmHg/m; mmH20/m; m/m; mA/m; mV/m 1.3. CÁC NGUYÊN TẮC CƠ BẢN TRONG ĐO LƯỜNG Trong khi thiết kế một phương án đo, lập qui trình để kiểm tra đo lường một chi tiết, để đảm bảo độ chính xác và chỉ tiêu kinh tế cho phép đo cần phải dựa trên những nguyên tắc cơ bản sau: 1.3.1. Nguyên tắc Abbe Nguyên tắc: Đường tâm của kích thước đo và đường tâm kích thước mẫu 18
(tức là thước đo) phải nằm trên cùng đường thẳng. Trong khi đo có hai cách gá đặt kích thước đo và kích thước mẫu. Đặt nối tiếp (như khi đo trên pan me). Đặt song song (như khi đo trên thước cặp). Đặt nối tiếp kích thước đo và kích thước mẫu là phù hợp với nguyên tắc Abbe. Có thể chứng minh được rằng cùng kích thước và sai số công nghệ của máy đo (ví dụ khe hở, độ song song của sống trượt ) thì đặt kích thước theo nguyên tắc Abbe sẽ cho sai số đo nhỏ hơn. L' f1 Bảng chia thước đo (Kích thước mẫu) S L S Chi tiết đo f1 Hình 0-1. Nguyên tắc đo kích thước trên thước cặp. Trên Hình 0-1 biểu diễn nguyên tắc đo kích thước trên thước cặp. Ta có thể tính được sai số lớn nhất phạm phải là: ' f1 = L - L = S . tg 1 2 Tính gần đúng tg = + 2 5 3 15 với nhỏ bỏ qua các số hạng bậc cao ta có tg Do đó: f1 = S. Trường hợp kích thước đặt nối tiếp ta có thế lấy ví dụ đo trên pan me hay Komparato kiểu Abbe (Hình 0-2) biểu diễn nguyên tắc đo và cho phép ta cách tính toán sai số phạm phải: 19
L Đường trượt L’ f2 L Hình 0-2. Nguyên tắc đo kích thước trên panme (Komparao) kiểu Abbe. f2 = L –L’ = L (1- cos ) 2 2 Tính gần đúng cos = 1 1 2 2 2 2 Nên f2 = L ( 1-1 + ) L. 2 2 L. 2 f2 = 2 So sánh f1 và f2 thấy rằng sai số f 1 lớn hơn f2 nhiều vì là góc lệch do khe hở của sống trượt rất nhỏ nên sai số bậc 2 sẽ rất nhỏ. Ví dụ: Với máy Komparato kiểu song song, thông thường S =150; 10" ; ' thì fm.1 7 " Với máy Komparato kiểu Abbe có L =1000; = 10 thì f2 = 0,001m. Kết quả trên cho ta thấy rằng nếu tôn trọng nguyên tắc Abbe thì sai số đo sẽ rất nhỏ. Do tính chất quan trọng đó mà khi thiết kế máy đo người ta cố gắng kết cấu sao cho kích thước mẫu và kích thước đo cùng nằm trên một đường thẳng. Ngoài ra, đối với các máy đo có bộ khuếch đại thường (thường dùng đòn bẩy) để bảo đảm nguyên tắc Abbe yêu cầu tiếp điểm của trục đo với khâu thứ nhất của bộ truyền phải nằm trên cùng đường thẳng với trục đo. Nghĩa là phương chuyển động của tiếp điểm phải nằm trên đường biến thiên của kích thước đo (là phương dịch chuyển của trục đo). 20
l v vt t r1 r1 l l l a) b) Hình 0-3. Kết cấu đo đảm bảo (a) và không (b) theo nguyên tắc Abbe. Hình 0-3 biểu diễn 2 trường hợp kết cấu, trong đó: Trường hợp nguyên tắc Abbe. Trường hợp không phù hợp. 1.3.2. Nguyên tắc xích truyền động ngắn nhất Nói chung do hạn chế của trình độ công nhân chế tạo, các chi tiết máy đều mang sẵn sai số chế tạo ngoài ra khi lắp ráp còn có sai số do lắp rắp các sai số trên sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng làm việc của từng khâu, nhóm chi tiết và nói chung cả xích truyền của máy. Nếu xích truyền dài, số chi tiết, khâu khớp tham gia sẽ càng lớn và sai số tích luỹ sẽ của máy sẽ càng lớn. Bởi vậy trong thiết kế nêu ra nguyên tắc xích truyền động ngắn nhất. Đó là: với tỷ số truyền yêu cầu, giảm đến mức ít nhất số khâu tham gia vào xích truyền để giảm sai số của máy. 1.3.3. Nguyên tắc chuẩn thống nhất (trùng chuẩn) Trong công nghệ sản xuất phân ra: Chuẩn thiết kế (do người thiết kế dùng). Chuẩn gia công (cho người chế tạo dùng). Chuẩn lắp ráp. Chuẩn kiểm tra (cho người kiểm tra dùg khi kiểm tra). Nguyên tắc chuẩn thống nhất nêu là khi các chuẩn trên được dùng thống nhất (chọn trùng nhau) thì sai số đo sẽ nhỏ nhất. Điều đó có thể giải thích như sau: Mỗi kích thước chi tiết thường có cho dung sai. Nếu vì lý do nào đó mà ta phải chuyển chuẩn thì bản thân chuẩn đã 21
mang trong đó dung sai của kích thước, dung sai đó là sai số chuyển chuẩn và nếu chuyển chuẩn càng nhiều thì độ chính xác của kết quả đo càng kém. Ví dụ: Đo khoảng cách tâm 2 lỗ trục. d2 d1 l1 l l2 Hình 0-4. Ví dụ đo khoảng cách 2 tâm lỗ. Như trên Hình 0-4 ta có thể đo được d1, d2, l1, l2. Khi thiết kế người ta qui định các dung sai  l, d1, d2 theo chuẩn thiết kế là đường tâm hai lỗ. Khi kiểm tra không thể dùng đường tâm 2 lỗ làm chuẩn kiểm tra nên phải chuyển chuẩn. Ta lấy mặt lỗ làm chuẩn, đo các kích thước d 1, d2, l1, hoặc l 2. Do chuyển chuẩn nên bản thân chuẩn đo đã mang sai số chuẩn là c. 2 2  c  d1  d 2 Ta có phương trình đo gián tiếp là: d d d d l l 1 2 hoặc: l l 1 2 1 2 2 2 Độ chính xác khi đo l sẽ tính bằng sai số l: 2 2 2 l l l 1   2  2 . 2 =  2  2  2 ( 0-4) l l2 d1 d2 l2 d1 d 2 l2 d1 d 2 4 Trong công thức (1-4) phần  2  2 phản ánh sai số chuyển chuẩn. d1 d2 l 1 là hệ số ảnh hưởng của kích thước chuyển chuẩn tới kích thước ta đo. d 2 Chú ý: Nguyên tắc chuẩn thống nhất là cần để đảm bảo độ chính xác khi kiểm tra 22
đo lường song cần phải giành ưu tiên cho công nghệ để tránh khó khăn phiền phức cho sản xuất ảnh hưởng đến giá thành sản phẩm. 1.3.4. Nguyên tắc kinh tế Nội dung của nguyên tắc này là: Cần đảm bảo được độ chính xác đo lường theo yêu cầu trong điều kiện kinh tế nhất, tức là yêu cầu về điều kiện kinh tế là thấp nhất (đơn giản, rẻ tiền) mà vẫn đảm bảo độ chính xác đo lường yêu cầu. Cụ thể là: Độ chính xác máy (máy và dụng cụ đo) đủ dùng. Hiệu suất cao thao tác nhanh, dễ điều chỉnh, đo hàng loạt, tự động Trình độ nhân viên đo lường kiểm tra thấp (có quan hệ tới tiền lương người kiểm tra). Thiết bị phục vụ việc kiểm tra đo lường đơn giản, dễ chỉnh, rẻ tiền, vạn năng, dễ mua, dễ chế tạo, có điều kiện tự trang tự chế. Dựa vào thiết bị sẵn có của phòng thí nghiệm để đỡ tốn phí mua sắm thêm. Trên đây đã trình bày 4 nguyên tắc cơ bản trong đo lường nhằm đảm bảo tính chính xác và tính kinh tế của việc kiểm tra đo lường. Tuỳ trường hợp cụ thể của trình độ và nhịp độ sản xuất mà coi trọng nguyên tắc nào. Tuỳ điều kiện kỹ thuật và khó khăn của chế tạo và khả năng điều chỉnh có thể dùng những kết cấu không hoàn toàn tôn trọng các nguyên tắc trên. 23
Chương 2 CÁC NGUYÊN LÝ CHUYỂN ĐỔI VÀ KHUẾCH ĐẠI TRONG ĐO LƯỜNG 1.4. NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN 1.4.1. Khái niệm chung Nhiệm vụ của việc đo lường các đại lượng vật lý là định lượng đại lượng đo với độ chính xác kỹ thuật theo yêu cầu. Công cụ dùng để thực hiện nhiệm vụ đo lường được gọi chung là thiết bị đo. Để thực hiện việc đo lường thiết bị đo cần gồm các bộ phận cấu trúc đo sau: Bộ chuyển đổi dùng để tiếp nhận thông tin vào. Bộ chế biến và khuếch đại thông tin. Bộ chỉ thị để biểu đạt hoặc ghi nhận thông tin ra. Để đạt độ chính xác cao trong khi đo, hệ thống chuyển đổi, chế biến và khuếch đại, chỉ thị thông tin cần đạt các yêu cầu sau: Chuyển đổi có độ nhạy giới hạn với độ ổn định cao. Hệ số khuếch đại lớn (độ nhạy cao), ổn định và chính xác. Thông tin chính xác, độ tin cậy cao, thông tin ra cần dễ ghi nhận và quan sát. Nội dung của chương này sẽ trình bày các ứng dụng những hiện tượng vật lý có quan hệ với chuyển vị dài và góc vào kỹ thuật chuyển đổi và khuếch đại trong các máy đo chiều dài và góc. Qua các ví dụ ứng dụng học sinh sẽ làm quen với sơ đồ nguyên lý một số máy đo thông dụng trong chế tạo máy. 1.4.2. Các loại chuyển đổi đo lường và mạch đo. a. Bộ chuyển đổi Chuyển đổi là một bộ phận cấu trúc đo dùng để phát hiện biến thiên của thông số đo. Nếu ta đưa tín hiệu vào chuyển đổi là biến thiên kích thước X. Qua chuyển đổi nhờ mối quan hệ vật lý của tín hiệu vào X và tín hiệu ra Y ta nhận được một thông tin ra của chuyển đổi để đưa vào bộ khuếch đại (Hình 0-1). Như vậy chuyển đổi có thể kiêm 2 nhiệm vụ vừa tiếp nhận vừa chuyển đổi thông tin. Nếu X và Y cùng loại đặc tính vật lý ta có chuyển đổi trực tiếp; nếu X và Y 24
khác loại ta có chuyển đổi gián tiếp. Trong kỹ thuật chuyển đổi, yếu tố quan trọng nhất là yếu tố nhậy. Yếu tố nhậy quyết định đặc tính và nguyên tắc hoạt động của chuyển đổi. Chính vì vậy người ta thường dùng yếu tố nhậy để đặt tên cho chuyển đổi. Yếu tố nhậy là yếu tố vật lý cảm thụ sự biến thiên của kích thước, tức là nó sẽ biến thiên khi kích thước biến thiên. Nó quyết định độ nhậy, độ nhậy giới hạn và đường đặc tính của chuyển đổi. Dựa vào cơ sở vật lý của các chuyển đổi người ta phân ra các loại chuyển đổi sau: chuyển đổi cơ, chuyển đổi điện, chuyển đổi quang hình quang lý, quang điện, chuyển đổi khí nén, chuyển đổi thuỷ lực, chuyển đổi tiếp xúc, điện từ, điện cảm, điện dung. Cảm biến (hay còn gọi là senxơ) là dụng cụ, phân tử thực hiện việc chuyển đổi để phát hiện biến thiên của thông số đo. Tùy thuộc cảm biến dựa trên nguyên lý chuyển đổi nào mà có các tên gọi tương ứng như: cảm biến điện trở, cảm biến điện cảm, cảm biến điện dung, cảm biến điện áp b. Bộ khuếch đại Bộ phận thứ hai của cấu trúc đo là bộ khuếch đại và chế biến thông tin. Thông tin Y từ chuyển đổi ra thường là rất nhỏ và có thế là loại tín hiệu phức tạp rất khó diễn đạt và ghi nhận ở bộ chỉ thị, vì vậy nên phần khuếch đại và chế biến thông tin có nhiệm vụ truyền và chế biến nó thành dạng tín hiệu dễ diễn đạt và ghi nhận bằng các thiết bị chỉ thị, ghi nhận Chất lượng của bộ khuếch đại và chế biến thông tin được đánh giá qua chỉ tiêu độ nhạy và độ méo của thông tin ra Y2. X Chuyển Y1 Khuếch Y2 đổi đại CT Hình 0-1. Sơ đồ cấu trúc đo Nếu Y1 và Y2 cùng loại ta có bộ khuếch đại không chuyển đổi tín hiệu. Nếu Y1 và Y2 khác loại ta có bộ khuếch đại có chuyển đổi tín hiệu. f Nếu ta có quan hệ y2 = f (y1) thì độ nhạy K . y1 Nếu f là quan hệ tuyến tính ta sẽ có K là hằng số. Vấn đề méo tín hiệu ở đây không trình bày cụ thể vì rất phức tạp và phụ 25
thuộc vào điều kiện cụ thể của mạch khuếch đại. Trong bộ khuếch đại ngoài bộ phận khuếch đại là chính, tùy theo yêu cầu còn có các mạch sau : Mạch tỉ lệ thực hiện một phép nhân (hoặc chia) với một hệ số K. Mạch gia công và tính toán thực hiện các phép tính đại số như cộng, trừ, nhân, chia, tích phân, vi phân Mạch đạo hàm tạo ra những hàm số theo yêu cầu của phép đo nhằm mục đích tuyến tính hóa các đặc tính của tín hiệu đo ở đầu ra các bộ phận cảm biến. Mạch biến đổi A/D, D/A biến đổi tín hiệu đo tương tự thành tín hiệu số và ngược lại. Mạch này sử dụng cho kỹ thuật đo số và chế tạo các mạch ghép nối với máy tính. Mạch đo sử dụng kỹ thuật vi xử lý là mạch đo có cài đặt bộ vi xử lý để tạo ra các cảm biến thông minh, khắc độ bằng máy tính và gia công sơ bộ số liệu đo Thiết bị đo ngày càng hiện đại thì khối khuếch đại ngày càng phức tạp. Người ta thường dùng nhiều loại mạch đo để hoàn thành nhiều chức năng, tăng độ nhạy và độ chính xác. c. Bộ chỉ thị Bộ chỉ thị có nhiệm vụ ghi lại kết quả đo được. Có nhiều loại thiết bị ghi tùy theo loại cảm biến, tính chất đo tĩnh hay động, mức độ chính xác cần đạt được. Các thiết bị ghi thường phân chia thành các loại : Thiết bị chỉ thị. Thiết bị chỉ thị tự ghi. Thiết bị chỉ thị số. 1. Thiết bị chỉ thị Đây là thiết bị đo tương tự như các cơ cấu chỉ thị : điện từ, tĩnh điện Kết quả đo được đọc trên các đồng hồ nhờ kim chỉ thị hoặc bằng ánh sáng để tăng cường độ nhạy. 2. Thiết bị chỉ thị tự ghi Thiết bị chỉ thị tự ghi gồm có : thiết bị tự ghi có tần số thấp (dưới 10Hz), thiết bị tự ghi có tần số cao (dưới 100Hz), thiết bị tự ghi có tần số cao (trên 100Hz). Kết quả đo được ghi lại nhờ bút vạch trên giấy chuyển động với tốc độ đều hoặc dùng dao động ký điện tử quan sát trực tiếp trên màn hình hay kèm theo bộ chụp tín hiệu ghi lại các tín hiệu bằng giấy ảnh. Dao động ký điện tử hiện đại 26
có nhiều tia điện tử, cho phép đo được nhiều điểm đo cùng một lúc, có cài đặt bộ vi xử lý để có thể nhớ lại một đoạn tín hiệu và có thể điều khiển để đưa tín hiệu này ra máy in hoặc ghi vào băng hay đĩa từ để lưu trữ. 3. Thiết bị chỉ thị số Trong dụng cụ đo chỉ thị số người ta sử dụng một loạt các thành tựu kỹ thuật điện tử và kỹ thuật máy tính để biến đổi chỉ thị đại lượng đo. Có thể tóm tắt sơ đồ của dụng cụ đo chỉ thị số như sau: đại lượng đo x(t) sau khi qua bộ biến đổi xung thành số xung N tỉ lệ với độ lớn x(t). Số xung N được đưa vào bộ mã hóa MH cơ số 2-10, sau đó đến bộ giải mã GM và đưa ra bộ hiện số (hoặc máy tính) như trên Hình 0-2. X(t) BĐX MH GM Hình 0-2. Sơ đồ khối dụng cụ đo chỉ thị số. 1.5. CHUYỂN ĐỔI CƠ KHÍ VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP KHUẾCH ĐẠI CƠ KHÍ 1.5.1. Chuyển đổi cơ khí a. Chuyển đổi trực tiếp Các chuyển đổi cơ khí thường dùng là chuyển đổi tiếp xúc. Nếu cho rằng trong quá trình đo, sự tiếp xúc giữa đầu đo và chi tiết đo không gây ra một sự biến dạng nào nghĩa là hệ cứng tuyệt đối thì khi kích thước L biến thiên một lượng X = l (Hình 0-3) thì trục đo cụ thể là tiếp điểm A thuộc trục đo sẽ có một chuyển vị tương ứng theo phương biến thiên của kích thước đó lượng Y = l. Đây là một chuyển đổi trực cơ cấu chuyển đổi do tiếp. Độ chính xác của chuyển đổi lực phản tác dụng gây này phụ thuộc vào 2 yếu tố: ra. Chất lượng tiếp xúc của đầu đo và chi tiết đo. Biến dạng của mặt chi tiết đo dưới tác dụng của lực đo và biến dạng của 27
Hình 0-3. Chuyển đổi cơ khí trực tiếp. Trục đo Đầu đo A L Chi tiết đo Mặt chuẩn(bàn đo) b. Chuyển đổi gián tiếp Chuyển đổi cơ khí còn có thể dùng dưới dạng một chuyển đổi gián tiếp dùng đo lực, đo mômen, đo mô đun đàn hồi. Nghĩa là dựa trên nguyên tắc đo một chuyển vị cơ khí để xác định các đại lượng vật lý yêu cầu (xemHình 0-4 và Hình 0-5). Hình 0-4 là sơ đồ nguyên tắc của cân ứng P P f dụng nguyên tắc vật lý của lò xo kéo nén. Dưới tác d dụng của lực P lò xo sinh một chuyển vị f tính bằng f công thức: d 8.n.D 3 f 2 P K.P G.d 4 với : n- số vòng của lò xo ; D2 G- Mô đun đàn hồi trượt. D2 Hình 0-4. Chuyển đổi đo lực. Kim chỉ thị cho ta chuyển vị f (kích thước dài) nhưng thực tế ta có thể đọc ra lực cần đo P vì hệ số K = const là đã biết. Tương tự, ta có thể đo mômen xoắn của dây tóc, dây cót theo sơ đồ Hình 0-5a đo môđun đàn hồi theo sơ đồ Hình 0-5b. 28
b h b h P M f L a) b) Hình 0-5. Chuyển đổi đo mômen và môđun đàn hồi Đo mômen: Ebh3 với: L- chiều dài dây tóc. M . 12L b- chiều rộng dây tóc. h- chiều dày. Do đó chuyển vị kim chỉ có thể đọc thành trị số mômen xoắn M vì: Ebh3 K const . 12L Pl 3 Đo mô đun đàn hồi E bằng cách thông qua việc đo 4bh3 f Pl 3 chuyển vị f . 4Ebh3 Nghĩa là có thể chỉ thị môđun đàn hồi của dầm cầu đo qua chuyển vị f của Pl 3 dầm vì trị số const đã biết. 4bh3 1.5.2. Các phương pháp khuếch đại cơ khí a. Truyền động nêm Truyền động nêm được dùng phổ biến trong các dụng cụ đo lỗ nhằm biến chuyển vị ngang (kích thước lỗ) thành chuyển vị dọc của trục đo hoặc trong các bộ phận máy để biến đổi phương của chuyển vị, dùng kiểm tra chỉ thị của đồng hồ, độ nhạy của các chuyển đổi điện. 29
 S  S  a) b) c) Hình 0-6. Truyền động nêm. Tỷ số truyền của nêm do góc nêm quyết định. S K cot g .  2 Trong đó là góc nêm. Khi giảm thì K tăng nhưng thông thường dùng trong phạm vi nhất định vì khi lớn hoặc bé quá sẽ gây nên sai số do trượt. Tuỳ theo vật liệu chế tạo có thể tính được góc sử dụng giới hạn của nêm qua hệ số ma sát. Trên Hình 0-6 biểu diễn một vài kết cấu chân đồng hồ đo lỗ nhỏ. Kiểu (a) dùng cho lỗ nhỏ thường; kiểu (b) dùng đo lỗ >3; kiểu (c) dùng đo lỗ <3. Hình 0-7 mô tả thí nghiệm kiểm tra liên tục chỉ thị của đồng hồ hoặc chuyển đổi điện tiếp xúc trên kính hiển vi dụng cụ vạn năng. Đồng hồ được gắn với giá máy, đầu đo tiếp xúc với thước sin gắn trên bảng trượt dọc-di chuyển dọc đọc số nhờ kính hiển vi 2. 1 2 3 Hình 0-7. Thí nghiệm kiểm tra liên tục chỉ thị đồng hồ. 30
b. Truyền động đòn bẩy B' Dưới tác dụng của lực đo P các điểm A sẽ dịch tới A' , B S tới B' . Ta có hệ số khuếch đại P ' của chuyển vị như sau: A a 0 b S OB b K s A' B s OA a Độ chênh lệch của OA và Hình 0-8. Truyền động đòn bẩy. OB càng lớn thì K càng lớn. Để cho gọn, kết cấu thực của các cánh tay đòn bẩy thường tạo với nhau một góc nhất định. Hệ số khuếch đại (tỷ số truyền đơn) không phụ thuộc vào góc giữa 2 cánh tay đòn mà chỉ phụ thuộc vào độ lớn của 2 đòn. Để tăng K người ta tìm các biện pháp để giảm a đến mức bé nhất, trong minhimét có thể đạt a' = 0,01mm, b= 10mm do đó K = 103. c. Truyền động kiểu ăn khớp Trong máy đo, phổ biến là loại đồng hồ 0,01mm hoặc 0,001mm người ta dùng nhiều truyền động kiểu ăn khớp như bánh răng-thanh răng, vít-đai ốc, kết hợp bộ truyền ăn khớp với bộ truyền đòn. R Z1 Z2 Z3 Hình 0-9. Sơ đồ của đồng hồ 0,01mm phổ thông. 31
r1 R2 R R1 r r2 L L a a c) b) a) Hình 0-10. Truyền động kiểu ăn khớp kết hợp truyền đòn. Hình 0-9 là sơ đồ của đồng hồ 0,01 phổ thông. Thanh răng được chế tạo ngay trên trục đo. Khi trục đo di chuyển sẽ làm quay Z2, Z3, Z1 và kim R quay chỉ thị chuyển vị trên bảng chia. Tỷ số truyền của đồng hồ là: 2R Z 2 R Z K 3 3 mZ1 Z 2 tZ1 Z 2 với: t là bước răng, m là môđun của bánh răng. Tuỳ theo yêu cầu của K mà bố trí số răng Z 1, Z2, Z3 cho hợp lý. Cũng có thể tăng K bằng cách tăng cấp truyền. Nhưng nói chung người ta chỉ dùng đến hai cấp là cùng vì bánh răng chế tạo rất khó chính xác, chúng có sai số tích luỹ, bởi thế nếu tăng nhiều cấp truyền sai số đo sẽ rất lớn. Thường người ta tăng K bằng cách kết hợp thêm bộ truyền đòn, lúc này K = K1. K2.(Hình 0-10). 1 1 Khi ta quay nắm quay 1 đi một D vòng, trục vít sẽ dịch chuyển một t bước vít. Tỷ số truyền sẽ là: D K Hình 0-11. Sơ đồ nguyên lý của t panme. 32
Hình 0-11 biểu diễn sơ đồ nguyên tắc của pame, là một dụng cụ đo ứng dụng nguyên lý truyền động ăn khớp vít đai ốc. Kết cấu này được dùng nhiều trong máy đo như thước panme đo, panme đo của một số máy có giá trị chia đến 0,002mm như hiển vi dụng cụ, dùng làm panme dịch chuyển cho thị kính panme, bàn đo của hiển vi vạn năng Muốn tăng K có thể thực hiện 2 1 theo hai phương án: tăng D hoặc giảm t. Phổ biến dùng t= 0,5mm, đạt giá trị chia 0,01 (tỷ số truyền K = 100x). Việc tăng D nói chung trong thiết kế ít dùng, ví dụ panme của t2 t1 kính hiển vi dụng cụ và hiển vi vạn năng dùng D lớn (D =48, t=0,75 để 3 đạt a = 0,005 với K=200x), còn việc giảm t nói chung bị hạn chế bởi sai Hình 0-12. Sơ đồ nguyên lý vít vi sai. số chế tạo ren. Thông thường chỉ dùng t = 0,5mm. Nếu muốn t nhỏ hơn nữa người ta dùng cặp vít vi sai. Hình 0-12 biểu diễn nguyên tắc làm việc của vít vi sai: Trục vít có 2 loại bước vít t1 t2 cắt cùng chiều khi quay nắm 1 một vòng, trục vít tiến lên một đoạn t1, trong khi đó bạc mang đai ốc và đầu đo sẽ tiến lên t 2. Bước tiến chung của hệ (bước tiến thực tế của đầu đo) là t = t 1 - t2. Như thế t 1 và t2 có thể cắt tuỳ ý vẫn đảm bảo t yêu cầu. Tuy vậy t không thể nhỏ tuỳ ý được bởi sai số chế tạo của t 1 2 2 và t2 là (t1- t2)= t1 t2 có thể lớn hơn cả t yêu cầu. 33
l A A1 b A1' r R a s Hình 0-13. Nguyên lý truyền động ăn khớp vít-đai ốc. Kết cấu này có ưu điểm là có thể cho ta những di chuyển rất nhỏ nhưng ít dùng làm bộ phận đo vì phạm vi đo nhỏ và sai số chỉ thị lớn. Thường chỉ dùng trong các kết cấu dịch chuyển nhỏ, còn việc đo do bộ phận khác đảm nhiệm. Hình 0-13 là sơ đồ của đồng hồ 0,01mm kiểu ứng dụng nguyên lý truyền động ăn khớp vít - đai ốc: nếu trục vít quay tại chỗ thì đai ốc sẽ tịnh tiến. Bây giờ nếu ta để trục vít trên hai trục quay, tác dụng lực buộc đai ốc tịnh tiến, thì trục vít phải quay đi góc tương ứng. Đó là nguyên tắc làm việc của đồng hồ trục vít. Để dễ chế tạo và để giảm ma sát và tăng độ linh hoạt cho máy đo người ta dùng đai ốc. Tỷ số truyền trong trường hợp này là : R l K = 2 a s Máy có tồn tại sai số nguyên lý. Đáng lẽ điểm A dịch đến A1 phải trên đường trục, do chuyển động tịnh tiến nhỏ của đai ốc được thay bằng chuyển động ' quay với nhỏ của chốt tỳ trên đầu đòn bẩy nên A dịch đến A1 thấp hơn A 1 đoạn b gây thêm sai số góc quay cho trục vít (kim chỉ thị). ' 2 b R(1 cos ) R 2 b R 2 =arcsin arcsin( ) r r 2 Nhìn vào công thức ta thấy rằng nếu góc quay càng lớn (phạm vi đo) thì sai số góc quay (sai số chỉ thị sẽ càng lớn rất nhanh-tỷ lệ với 2) vì thế 34
người ta dùng hành trình hạn chế với góc chừng vài độ. Loại thường dùng có trục vít d2 = 1,6 mm; S = 3,5; a= 9,0; R = 45; l = 12 ta có tỷ số truyền K = 100 và c = 0,01mm. d. Truyền động kiểu lò xo Lợi dụng tính chất biến dạng đàn hồi của lò xo người ta thiết kế ra các dụng cụ đo dùng truyền động đàn hồi để thực hiện khuếch đại tín hiệu. Loại dụng cụ đo này có rất nhiều ưu điểm: Nhỏ gọn chắc chắn. 4 Có thể điều chỉnh tỷ số 3 truyền bằng cách thay đổi độ cứng của lò xo. 2 Không có ma sát ngoài nên không tốn năng lượng và không có hành 1 trình chết. Độ ổn định khá cao (ít khớp động). Hình 0-14. Nguyên lý truyền động lò xo (đềxi katơ). Loại dụng cụ đo dùng truyền động đàn hồi đơn giản nhất có sơ đồ như Hình 0-14, đó là sơ đồ của đồng hồ phần mười (đềxi katơ) có c=0,05mm phạm vi đo a=1,1mm, tỷ số truyền K=20x. Chi tiết cơ bản của đồng hồ là lò xo cong 3 có bán kính độ 0,3mm. Một đầu lò xo được cố định trên vỏ máy, còn một đầu gắn với kim đo cài vào lõm côn của trục đo. Khi trục đo di chuyển, lò xo cong sẽ quay quanh điểm cố định 2 đồng thời hình dạng lò xo cũng bị biến dạng và do đó kim quay đi một góc. Thay đổi độ dài phần cuối bị kẹp của lò xo cong có thể thay đổi tỷ số truyền của dụng cụ đo. Loại dụng cụ đo này có nhược điểm là: Quan hệ giữa di chuyển đầu đo và kim chỉ không tuyến tính. Tâm quay của kim không cố định. Do hai nhược điểm trên mà độ chính xác của đồng hồ không cao nên loại đồng hồ này ngày càng ít được sử dụng. Hình 0-15 là sơ đồ của các dụng cụ đo ứng dụng tính biến dạng đàn hồi của 35
lò xo phẳng. Dụng cụ này thường được dùng kết hợp trong máy đo đòn bẩy quang học và chuyển đổi điện tiếp xúc Dụng cụ gồm tấm chữ C số 1 và tấm di động theo trục đo số 2, tấm di động này được treo trên vỏ máy nhờ cặp lò xo lá số 3. Cặp lò xo phẳng số 4 kẹp kim 5 được gắn một đầu lên tấm 1 và một đầu lên tấm di động 2. Khi trục đo di chuyển cặp lò xo 4 một bị nén, một bị kéo làm kim 5 quay đi một góc. Riêng bộ phận này có thể đạt tỷ số truyền K =120x. Để nâng cao độ chính xác của dụng cụ đo (tăng K) người ta kết hợp sơ đồ trên với một hệ quang để lợi dụng độ phóng đại quang đạt mục đích tăng tỷ số truyền, có thể đạt K = 1200x, thậm chí có thể đến K=20000x đó là các đồng hồ đo Micrôzil. Hình 0-16 là sơ đồ micrôkatơ. Nhờ ứng dụng tính chất đàn hồi của lò xo, máy đo đạt được độ chính xác rất cao đến phần mười hoặc phần trăm micrômét. 5 7 4 3 6 l 2 1 3 b 8 a 3 5 4 1 2 Hình 0-16. Sơ đồ ứng dụng lò xo Hình 0-15. Ứng dụng biến dạng xoắn. đàn hồi lò xo phẳng. Nguyên tắc làm việc của máy đo như sau: Lò xo lá số 1 có tiết diện chữ nhật, khá mỏng (0,004mm  0,008mm) rộng độ 0,080  0,150mm, dài độ 30 40mm, trường hợp đặc biệt tiết diện dày 0,0025 0,0045 và rộng 0,0600,120. Từ bộ phận trung gian số 8 trở ra 2 đầu, lò xo được xoắn trái chiều nhau với góc xoắn ban đầu độ 300 040000. Một đầu lò xo gắn với giá máy 2, đầu kia gắn trên ổ đàn hồi số 3. Khi trục đo 4 dịch chuyển sẽ làm ổ chữ thập đàn hồi 3 quay, ổ quay làm lò xo số 1 bị kéo căng và bị dãn dài, 36
các điểm trên chiều rộng lò xo sẽ phải quay một góc nhất định quanh trục (lúc đó là đường trung hoà) bởi thế kim chỉ số 6 được gắn trên trung tâm số 8 bị xoay đi một góc. Tuỳ theo kết cấu thiết kế của lò xo (chiều dầy, dài, rộng, góc xoắn ban đầu, bước xoắn) mà ta biết được đặc tính biến dạng của nó, phản ánh qua góc xoay  trên độ dãn dài t. Chỉ tiêu /t quyết định hệ số khuếch đại của máy. 2 l  b Hệ số khuếch đại: K = 3600 t a 2 l  Thường dùng a = b nên K = 3600 t Thông thường t = 0,01mm nên K phụ thuộc vào l và . Trong micrôkatơ thường dùng =540, do đó K = 94,2xl. Với l = 53,02 thì K = 5000x. Hệ số khuếch đại thường có thể đạt K =52000x hoặc trong trường hợp thí nghiệm K = 200.000x. Hệ số khuếch đại này phụ thuộc vào đặc tính vật liệu và đặc tính cấu tạo của lỗ xoắn, ổ lò xo chữ thập (đòn bẩy). Trong phạm vi nhất định của biến dạng (phạm vi lực căng nhất định) ta sẽ có quan hệ giữa biến dạng và góc xoắn là tuyến tính. Dụng cụ đo này có ưu điểm là hoàn toàn loại trừ ma sát ngoài (nhờ dùng ổ lò xo số 5) do đó có độ ổn định cao. e. Kết hợp truyền động đòn với nivô Nivô là một dụng cụ đo thường được dùng để kiểm tra phẳng, độ thẳng góc và đặc biệt là dùng để đo các góc nhỏ. Ở đây ta dùng một nivô cong có bán kính cho trước kết hợp với truyền động đòn để thực hiện khuếch đại - sơ đồ nguyên lý của máy như Hình 0-17. Khi trục đo di chuyển S đòn sẽ quay đi một góc , bọt khí trong ni vô dịch chuyển đi một đoạn C = R đọc được trên vạch chia của ni vô. C R Tỷ số truyền tính theo K = = ; ( đo theo rađian). S L R Cuối cùng có K = . L 37
C nivô. S Nhìn vào công thức tính K ở trên ta thấy sơ đồ này tương đương R với một số sơ đồ truyền đòn mà trong đó R: đòn lớn; L: đòn bé. Thường bán S kính cong của nivô rất lớn nên máy đo có thể đạt được khuếch đại khá L lớn. Thường giá trị chia trên ni vô từ 12m, khoảng chia là 2mm. Nếu lấy Hình 0-17. Truyền động đòn kết hợp c=2m, a=2mm, R=206mm, L=100mm thì K = 2000x. Ứng dụng nguyên tắc này có thể thiết kế được các máy đo có hệ số khuếch đại lớn song do chúng rất nhạy với chấn động và nhiệt độ nên việc sử dụng có bị hạn chế. 1.6. CHUYỂN ĐỔI QUANG HỌC 1.6.1. Các phương pháp chuyển đổi Chuyển đổi quang học là một chuyển đổi không tiếp xúc. Dựa trên hai đặc tính của ánh sáng là tính chất truyền thẳng và có bước sóng ánh sáng không đổi đối với mỗi màu ánh sáng người ta có thể tạo ra các chuyển đổi đo lường với rất nhiều ưu điểm. a. Các chuyển đổi dùng yếu tố nhạy cảm là chùm sáng Các chuyển đổi dùng yếu tố nhạy cảm là chùm sáng dựa trên tính chất truyền thẳng của ánh sáng. Có thể có hai khả năng lợi dụng tính chất này: dùng tạo ảnh trong hệ hiển vi hoặc chiếu hình và kết hợp với các yếu tố nhạy quang như các loại tế bào quang điện. 1. Chuyển đổi quang hình Chi tiết đo được đặt trong quang hệ, giữa đường truyền của chùm sáng đi từ nguồn S tới màn M chi tiết L được hệ quang tạo ảnh lên màn M có ảnh là L'. L' a '  là hệ số khuếch đại quang. L a Khi chi tiết đo L biến thiên lượng L thì ảnh L ' cũng sẽ biến thiên lượng L'. Vậy ta có tín hiệu vào X= L và tín hiệu ra Y= L ' là tín hiệu cùng loại nên chuyển đổi quang hình là chuyển đổi trực tiếp. Bằng các cách quan trắc khác nhau người ta đo được biến thiên của kích 38
thước ảnh, thường là đọc số trực tiếp biến thiên kích thước vật (chi tiết đo). VK M T Chuyển đổi này có ưu điểm là Q có độ chính xác cao do có độ khuếch L L F F' đại lớn, có khả năng đo các kích ' S thước nhỏ, chi tiết phức tạp, mềm, không cần có sự tiếp xúc nên không có sai số do lực đo, sai số do bề mặt a a' chi tiết đo Hình 0-18. Chuyển đổi quang hình. 2. Chuyển đổi quang điện 0 0 1 1 S F S F TQ TQ1 2 TQ2 TQ1 Chi tiết đo Chi tiết đo a) b) Hình 0-19. Chuyển đổi quang điện theo phương pháp chiếu xuyên qua. Chi tiết đo được bố trí như Hình 0-19 và Hình 0-20. Biến thiên kích thước X= L sẽ ảnh hưởng đến thông lượng  của chùm sáng làm cho quang thông tới tế bào quang điện F biến thiên, do đó gây ra biến thiên dòng điện trong mạch đo, biến thiên này được mạch khuếch đại và đưa ra mạch chỉ thị. Từ biến thiến dòng điện có thể suy ra biến thiên kích thước. Tín hiệu vào chuyển đổi X = L và tín hiệu ra Y = I (dòng) hoặc U (áp) nên chuyển đổi này là loại chuyển đổi gián tiếp. Có thể dùng các phương pháp khác nhau với các sơ đồ ứng dụng như sau: Phương pháp chiếu xuyên qua (Hình 0-19) Phương pháp phản xạ(Hình 0-20). 39
S S F Dãy C điện  1 0 trở quang C Chi tiết đo a) Chi tiết đo b) Hình 0-20. Chuyển đổi quang điện theo phương pháp phản xạ. Trong Hình 0-20a biến thiên kích thước làm quay gương phản xạ, lượng ánh sáng chiếu qua khe hẹp C thay đổi làm  1 thay đổi. Trong Hình 0-20b kích thước chi tiết biến thiên làm quay gương làm cho điểm sáng dao động tác dụng lên các tế bào quang điện trở khác nhau sẽ đóng các mạch chấp hành khác nhau. 3. Chuyển đổi Laser Laser diot CCD-array Khoảng đo tối thiểu Khoảng đo a) b) Hình 0-21. Cảm biến laser. Nguyên lý chuyển đổi laser được thể hiện như trên Hình 0-21a. Chùm tia 40
laser được tạo bởi điốt laser được chiếu lên bề mặt chi tiết. Tia phản chiếu qua hệ thấu kính quang học được chiếu lên phần tử biến ánh sáng thành điện năng CCD- array. CCD-array là tấm lưới gồm vô số ô nhỏ, trong đó mỗi ô sẽ biến ánh sáng vật thể thành điện năng. Nếu vị trí vật thể thay đổi thì ảnh phản chiếu của tia laser trên CCD-array cũng thay đổi, dựa vào đó ta có thể xác định được khoảng cách tới vật. Trên nguyên lý này chế tạo ra các cảm biến laser công nghiệp với khoảng đo lớn, độ chính xác đạt được dưới m. b. Chuyển đổi dùng yếu tố nhạy cảm là bước sóng ánh sáng Người ta áp dụng nguyên tắc giao thoa bản mỏng hình nêm và bản mỏng song song để làm chuyển đổi đo lường các kích thước dài và góc. Đó là các chuyển đổi của các máy đo thuộc loại hiển vi giao thoa. Dưới đây ta sẽ nhắc lại một chút về nguyên tắc vật lý và ứng dụng hiện tượng giao thao đặc biệt trên. 1. Giao thoa qua bản mỏng hình nêm-vân cùng độ dày. Khi S1 và S2 là hai nguồn sáng kết hợp, góc giữa 2 bản I và II nhỏ chừng vài độ sẽ xảy ra hiện tượng giao thoa ( Hình 0-22). Hệ vân định xứ ngay trên bản II hoặc có thể dùng kính hiển vi quan sát đưa hệ vân về tiêu diện của hệ. Trạng thái giao thoa tại C và M là như nhau và được xác định nhờ hiệu quang lộ:  2t n 2 sin2 i ( 0-1) 2 S2 S1 M Trong đó: S1 t- chiều dày nêm tại điểm quan S2 sát. n- chiết suất của nêm. Nếu nêm C II không khí n = 1. i - góc tới.  - Bước sóng ánh sáng quan I sát (ánh sáng trắng =0,6m). Hình 0-22. Nguyên lý giao thoa bản mỏng hình nêm. Đối với nêm không khí n = 1 thì:   2t 1 sin2 i 2t.cosi ( 0-2) 2 2 Khi: c = k  - tại C có vân sáng (k-số nguyên). 41
 c = 0 hoặc c = (2k + 1) - tại C có vân tối. 2 Khi nhỏ thì bề rộng khoảng vân b là:  b ( 0-3) 2n Nếu là nêm không khí thì n=1 và  b ( 0-4) 2 Ứng dụng: Lợi dụng công thức (2-1) hoặc (2-2) ta gắn trục đo với bản số I. Khi kích thước biến thiên l sẽ làm trục đo di chuyển. Trục đo di chuyển sẽ làm thay đổi chiều dày nêm tại điểm quan sát, do đó làm thay đổi và sẽ làm thay đổi trạng thái vân tại điểm đó-vân giao thoa tại điểm quan sát cũ C sẽ phải dịch sang vị trí ' ' mới C có chiều dày nêm tc tc quan sát cũ. Đó là hệ vân bị dịch đi. Nếu vân dịch đi 1 vân tức là từ C C' ứng với 1 vân   thì biến thiên kích thước sẽ là l = t = tức là t2 - t1 = . 2 2 Nếu C C' ứng với m vân thì có nghĩa là kích thước đã biến thiên đoạn  l = tm+1 - t1 = m . ; 2 Đó là nguyên tắc ứng dụng hiện tượng giao thoa làm chuyển đổi đo lường để đo kích thước thẳng trong máy giao thao tiếp xúc. Theo công thức (2-1) hoặc (2-2) ta thấy rằng khi các điểm có cùng độ dày t, sẽ có trạng thái giao thoa như nhau. Như vậy mỗi vân sẽ ứng với các điểm có  cùng độ dày nêm, các vân cùng tên liên tiếp sẽ chênh nhau một độ cao . 2 Như vậy, nếu mặt tấm I không phẳng, nó sẽ làm cho chiều dày nêm tại các điểm quan sát khác nhau. Kết quả là các vân giao thoa thể hiện trạng thái giao thoa tại các điểm có cùng độ cao sẽ không phải là một vạch thẳng mà là hình ảnh nhấp nhô của mặt phản xạ số I. Dùng cơ cấu đo độ không thẳng này ta sẽ có thể đánh giá được chất lượng bề mặt tấm I(sóng hoặc nhấp nhô). Đó là nguyên tắc 42
dùng đề đo độ nhám hoặc kiểm tra độ lồi lõm, độ sóng bề mặt của các mặt phẳng yêu cầu chính xác cao (ví dụ như căn mẫu- Hình 0-23). Theo công thức (2-3) hoặc (2-4) ta thấy rằng: nếu dùng , n nhất định thì chiều rộng khoảng vân b sẽ tuỳ thuộc vào độ lớn của góc . Nghĩa là: b = f( ); tăng thì b giảm và ngược lại. Bởi thế sẽ là một hàm số của khoảng vân a) b) b: =(b). b f Biến thiên của góc là f b tắc để đo các góc nhỏ như kiểm d) tra góc lăng kính, góc mẫu Hình 0-23. Dạng vân khi tấm I không phẳng. 2. Giao thoa qua bản mỏng song song - vân cùng độ nghiêng. Khi chiếu vào mặt bản mỏng M chùm sáng có góc tới i cố định và S TK cùng độ nghiêng. Nếu chiều dày t của bản không lớn lắm (chừng vài m) thì i sẽ có hiện tượng giao thoa, ảnh giao thoa định xứ ở vô cực, có thể dùng I t thấu kính hội tụ hứng trên màn quan II sát M. Hình 0-24. Nguyên lý giao thoa bản mỏng song song. Do chọn dùng t = const, = const nên trạng thái giao thoa tại M do góc tới i 43
quyết định. Bởi vậy, mỗi vân giao thoa trên màn M sẽ là quĩ tích của điểm có cùng góc tới i - vân có dạng tròn đồng tâm hoặc elíp tuỳ cách bố trí thấu kính. Nếu bố trí cho thấu kính song song với bản mỏng ta sẽ có hệ vân tròn đồng tâm. Ứng dụng: Nếu ta dùng nguồn sáng chiếu tới mặt bản với góc tới i = const thì trạng thái vân sẽ phụ thuộc khoảng cách giữa hai mặt bản I và II. Khi t biến thiên một lượng t= l thì bán kính các vân tròn sẽ biến thiên và hệ vân dịch dần vào tâm.  Nếu biến thiên kích thước l, bản mỏng dịch từ t1 t2= thì bán kính vân nhỏ đi 2 một khoảng vân tức là hệ vân dịch đi 1 vân.  Nếu l = m nghĩa là t t m thì bán kính vân hẹp đi m khoảng vân m 1 1 2 (dịch đi m vân). Dựa trên nguyên tắc này người ta thiết kế ra các máy giao thoa đo chuyển vị nhỏ (sơ đồ giao thoa kế Maikelsơn). 1.6.2. Các phương pháp khuếch đại quang a. Phương pháp đòn bẩy- quang Các máy đo kết hợp đòn bẩy quang đều dựa trên nguyên tắc tự chuẩn ánh sáng mà nội dung của nó gồm 3 điểm chính sau: Khi chùm sáng đi từ nguồn S đặt tại tiêu điểm F của thấu kính tới gương phẳng đặt vuông góc với quang trục sẽ được phản xạ trở lại và hội tụ tại S' trùng S. Nếu nguồn S nằm trên tiêu điểm của thấu kính và lệch quang trục một đoạn SF = b thì chùm phản xạ sẽ hội tụ trên tiêu diện và đối xứng S: S'F=b. Nếu nguồn S nằm trên tiêu điểm F của thấu kính. Khi ta xoay gương phản xạ đi một góc thì chùm phản xạ sẽ hội tụ tại S ' cách F đoạn t=f.tg2 và góc của tia tới và tia phản xạ lệch nhau 2 . Đại biểu cho loại máy ứng dụng nguyên tắc này là Micrôliúc, ốptimét, ốptimét siêu cấp Trên Hình 0-25 là sơ đồ của micrôliúc. Nguyên tắc làm việc của máy như sau: Khi đo trục đo di động với chuyển dịch s sẽ làm đòn bẩy quay đi góc , gương phẳng 4 được gắn cứng với hệ thống đòn cũng sẽ xoay đi góc . Vạch chỉ thị khắc trên kính chuẩn 2 được vật kính 3 tạo ảnh trên màn ảnh 5. Khi gương phẳng xoay đi góc sẽ làm tia phản xạ 44
lệch đi góc 2 và làm vạch chỉ thị dịch đi trên bảng chia đoạn t = f.tg2 = r4. 2 . t 5 S 1 S- Nguồn sáng r4 1 - Tụ quang 2 2- Kính chuẩn  r1 3- Vật kính r2 4- Gương quay S 3 6- Đòn cong 7 7- Đòn bẩy 6 4 5- Màn (bảng chia) r3 a) b) (b) ảnh bản chia Hình 0-25. Sơ đồ khuếch đại của micrôliúc. t Hệ số khuếch đại đòn - quang là: K s Trong đó s là dịch chuyển đầu đo : r1 r1 S r3tg r3tg r2 r2 r r K = 2 4 2 r1 r3 Thường dùng K =1000x với phạn vi A= 0,08mm. Người ta không dùng phạm vi đo lớn hơn vì khi tăng thì sai số sơ đồ sẽ tăng nhanh. Hình 0-26a là sơ đồ ốp ti mét, loại đầu đo quang có độ chính xác khá cao và được dùng phổ biến. Đầu đo được chế tạo riêng, có thể lắp lẫn dùng đo chiều dài theo chiều đứng hoặc ngang. Theo nguyên tắc tự chuẩn ánh sáng, khi trục đo di chuyển s gương phẳng số 2 bị quay đi góc tia phản xạ sẽ quay đi góc 2 - điểm hội tụ (ảnh nguồn sáng) sẽ dịch đi khoảng t = f.tg2 . Người ta bố trí nguồn sáng như Hình 0-26b. Trên đó có kính chuẩn số 4 một nửa trên khắc bảng chia, nửa dưới khắc vạch chỉ thị. Chắn sáng 3 sẽ làm cho nguồn 5 chỉ chiếu sáng nửa trên bảng chia, coi như ở đó có nguồn S1 phát sáng. S1 nằm trên tiêu diện của thấu kính. Theo nguyên tắc tự chuẩn ảnh của nó sẽ là S1 đối xứng qua x-x. Bảng chia được tạo ảnh xuống nửa dưới của ' " kính chuẩn. Khi gương quay đi góc như Hình 0-26c ảnh S1 sẽ dịch đến S1 làm 45
cho ảnh bảng chia dịch đi một đoạn t = f.tg2 . Hệ số khuếch đại tính bằng: t f .tg2 K S a.tg 2 f Khi nhỏ ( s bé) tg ta có K = a S t 3 y y 4 TK S1 x x  S'1 f 4 y b) 2 y 2 f 2 x S S S Xd  90° 1 a S'1 Z S"1 x a) c) Hình 0-26. Sơ đồ nguyên lý khuếch đại của ốptimét. Trong các máy đo áp dụng nguyên tắc tự chuẩn ánh sáng người ta tăng số khuếch đại bằng cách cho tia sáng phản xạ nhiều lần giữa hai mặt phản xạ (gọi là nhân quang) thì góc lệch của tia phản xạ ló và tia tới sẽ rất lớn:  = 2n. Trong đó:  là góc của tia tới và tia ló. n- số lần phản xạ. - Góc lệch của gương quay. Đó là nguyên tắc làm việc của ốptimét siêu cấp thường thì chỉ dùng n = 2 (xem Hình 0-27). Ánh sáng từ nguồn S, qua tụ quang 1, chiếu sáng bảng chia số 2 - qua vật kính 3 chùm sáng song song được phản xạ 3 lần trên hai mặt phản xạ số 4 và số 6, qua 3 và 7 băng chia được tạo ảnh lên kính chuẩn số 8, trên đó có khắc vạch 46
chuẩn. Qua thị kính 9 ta nhìn thấy ảnh bảng chia và vật chỉ thị là vạch chuẩn trên kính chuẩn số 8. S 1 2 9 f 8 3 t 7 f1 6 f2   0 S 5 4 a Hình 0-27. Sơ đồ của ốptimét siêu cấp với n=2. Khi trục đo số 5 di chuyển S, gương phản xạ 4 sẽ quay đi góc , tia phản xạ sẽ lệch đi một góc 4 và ảnh của bảng chia trên kính chuẩn 8 sẽ dịch đi một đoạn t = f2.tg4 . Hệ số khuếch đại tính tương tự như ốp ti mét: t f tg4 4 f K 2 2 s a.tg a 4x355 Thường có thể dùng K = 284 lần. Với hệ số phóng đại của thị kính 5 TK = 18x ta có tỷ số truyền tổng cộng (hệ số khuếch đại toàn máy): K = 284 18 = 5112; thường K = 5000. Hành trình máy càng lớn ( s lớn) góc càng lớn sai số chỉ thị của máy càng tăng. Qui định CT= 0,15m với s = 0  40m và CT < 0,25m với s=0 80m. b. Phương pháp chiếu hình Hình 0-28 là sơ đồ nguyên tắc bộ phận quang của các máy loại chiếu hình. Khi hệ quang được chiếu sáng, nhờ hệ quang mà chi tiết đo y được tạo ảnh và 47
khuếch đại thành y' ở trên màn ảnh. Đo biến thiên của ảnh có thể xác định được biến thiên kích thước chi tiết. Chi tiết y được đặt giữa tụ quang và vật kính, ta nhận được ảnh thực trái chiều của y là y' ở trên màn M, hệ số khuếch đại ảnh là: y ' S '  y S Độ khuếch đại của máy phụ thuộc cả vào khoảng cách của người quan sát tới màn ảnh. 250  qs L Trong đó: 250mm là khoảng nhìn bình thường. L là khoảng cách từ người quan sát đến màn ảnh. Độ khuếch đại chung của máy là: C =  qs Nếu L = 250 thì  = . Thường  = 10, 20, 50, 100 và 200x ngoài ra trong máy chiếu thường còn thay đổi được độ khuếch đại bằng các vật kính thay thế. K H H' M S y F F' y' -x -f f' x' -s s' Hình 0-28. Nguyên lý quang của các máy chiếu hình. Ảnh chi tiết trên màn ảnh có thể được xác định bằng các phương pháp sau: So sánh trực tiếp ảnh của chi tiết với bản vẽ thiết kế có vẽ cả phạm vi dung sai. Nếu kích thước ảnh nằm trong vùng dung sai của bản vẽ thiết kế thì kích thước xem là đạt yêu cầu. Tất nhiên bản vẽ thiết kế phải có cùng hệ số khuếch đại với máy chiếu hình. So sánh với bản vẽ thiết kế. Sai lệch giữa ảnh và bản vẽ có thể xác 48
định được nhờ các cơ cấu đọc số khi di chuyển bản chi tiết để ảnh và bản vẽ trùng lại. Xác định kích thước chi tiết bằng cách đo ảnh của nó hiện trên màn ảnh bằng thước thuỷ tinh hoặc thước kim loại. Cũng bằng cách này người ta có thể kiểm tra lại độ khuếch đại thực của máy chế tạo. c. Phương pháp giao thoa Phần các chuyển đổi đã trình bày nguyên tắc ứng dụng hiện tượng giao thoa qua bản mỏng vào đo lường kích thước. Dưới đây sẽ nêu một số sơ đồ nguyên tắc ứng dụng. Hình 0-29 là sơ đồ máy giao thoa đòn cấu tạo bằng cách kết hợp một bộ truyền đòn (có tỷ số truyền nhỏ hơn 1) và chuyển đổi quang. S2 S1 S1 S2 4 2 3 l L 1  Hình 0-29. Sơ đồ khuếch đại của máy giao thoa. Máy gồm có tấm kính cố định 4, tấm kính động 3 gắn trên đòn bẩy số 2. Khi trục đo di chuyển một lượng  làm đòn bẩy 2 quay đi một góc  làm thay đổi  góc nêm giữa 2 tấm kính 3 và 4 - do đó khoảng vân b = sẽ thay đổi làm 2 thay đổi độ mau thưa của ảnh giao thoa trên tiết diện quan sát. Đếm số vân khi điều chỉnh với kích thước mẫu và kích thước kiểm tra có thể suy ra biến thiên kích thước . l   (n n ) L 1 2 2 Trong đó:n 1 - số vân ứng với điều chỉnh kích thước mẫu; 49
n2- Số vân ứng với chi tiết kiểm tra; l- chiều dài tiết diện quan sát ảnh giao thoa. Hình 0-30 là sơ đồ kính hiển vi giao thoa Maikenxơn dùng đo những độ dài rất chính xác như mẫu góc, mẫu chuẩn, mẫu đo. Ở đây, 2 gương phản xạ M1 và M2 được bố trí sao cho ảnh của M2 là R phải song song với M1 và cách M1 một khoảng t bé. Dùng nguồn đơn sắc, trong ống hòm 0 ta sẽ quan sát được các vân giao thoa cùng độ nghiêng có dạng vòng tròn đồng tâm. Khi điều chỉnh M 2 cho R dịch dần lại M 1 thì các vân tròn sẽ thu hẹp dần và mất hút ở tâm. Cứ mỗi vân biến đi sẽ ứng với một biến thiên chiều dày t=  . Nếu ta xoay M1 tạo với R một góc nhỏ, ở ống nhòm 0 sẽ quan sát được các 2 vân giao thoa cùng độ dày. M 2 A' t A G2 M 1 R G1 0 S Hình 0-30. Sơ đồ kính hiển vi giao thoa Maikenxơn. Trong khi đo chiều dài mẫu L ta để chi tiết vào vị trí của M 1(một nửa). Di chuyển M2 cho R cắt mặt A của chi tiết, khi dùng ánh sáng trắng ta sẽ thấy tại nơi 2 mặt cắt nhau (cạnh nêm không khí) xuất hiện vân đen. Ta chỉnh cho vân đen trùng vạch chuẩn. Sau đó tắt ánh sáng trắng và bật nguồn đỏ da cam, quan sát các vân cùng độ nghiêng. Di chuyển M2 cho R tiến về phía A’ và tạo với A’ góc nhỏ. Đến mức lại có vân tối xuất hiện và trùng vạch chuẩn (A x R) của kính  ngắm, ta đếm được số vân cùng độ nghiêng mà khoảng cách AA’ là và do đó 2 50
 có thể suy ra khoảng cách AA' = m . 2 3 9 8 M2 2 7 11 5 10 12 M1 a 1 13 4 6 17 b 14 15 18 16 Hình 0-31. Sơ đồ kính hiển vi đo độ nhám. Cũng trên nguyên tắc này người ta thiết kế ra các loại kính hiển vi đo độ nhám như sơ đồ Hình 0-31. Trong đó mặt phản xạ M2 là mặt chi tiết cần kiểm tra độ nhám, M1 là mặt phản xạ mẫu. M1 và M2 được bố trí sao cho ảnh của M1 và M2 tạo với nhau một góc nhỏ, qua thị kính 17 quan sát được ảnh giao thoa có các vân nhấp nhô theo dạng nhấp nhô bề mặt (phần chuyển đổi đã trình bày). Trên thị kính có panme đo ta đo được độ cong của các vân và khoảng cách giữa các vân. Chiều cao nhấp nhô thực tế là: a  R x z b 2 Trong đó: RZ chiều cao nhấp nhô tính theo m a độ cong của vân. b- khoảng vân. - bước sóng ánh sáng quan sát (m) 1.7. CHUYỂN ĐỔI KHÍ NÉN 1.7.1. Nguyên lý chuyển đổi Nếu không khí từ nguồn ổn áp có áp suất H chảy qua lỗ F 1 vào phòng khí, rồi chảy qua lỗ F 2 ra ngoài thì áp suất h trong phòng khí sẽ phụ thuộc vào quan hệ giữa 2 tiết diện F1 và F2. Nếu trị số F 1 cố định, F 2 thay đổi thì áp suất h trong phòng sẽ biến đổi phụ thuộc vào kích thước của F2. 51
Nếu ta chắn dòng khí từ F2 ra bằng mặt phẳng cố định N thì áp suất h trong phòng thay đổi theo khoảng cách Z của mẫu N và F 2 theo qui luật tuyến tính khí d 2 đảm bảo điều kiện sau: d Z 2 . 2 4 F2 F2 N H h H h d2 d1 d1 d2 F1 F1 Z a) b) Hình 0-32. Các kiểu chuyển đổi khí nén. d 2 Tức là khi Z sẽ đảm bảo cho kết cấu vòi phun tấm chắn còn có tác dụng. 4 Trong chuyển đổi kiểu thứ nhất F1 gọi là đầu phun vào, F2- đầu phun ra; còn ở trường hợp hai F2 gọi là đầu phun đo. Ứng dụng: chuyển đổi thứ nhất có thể dùng đo kích thước của các lỗ F 2. Trường hợp sau dùng để đo kích thước. Lúc đó chi tiết đo giữ vai trò mặt cản N. Chuyển đổi này có các ưu điểm sau: Độ chính xác cao (có thể kiểm tra kích thước đến 0,1 m). Có thể kiểm tra không tiếp xúc được các kích thước rất mỏng như các đai thép, phim, lá chì, lá cao su, lá mica cũng như các mặt có độ chính xác rất cao. Có thể dùng kiểm tra các kích thước kiểm tra như đường kính và tiết diện lỗ nhỏ, sâu Có thể đồng thời kiểm tra một số thông số. Có thể dùng kiểm tra tự động và khống chế gia công. Có thể thay đổi tỷ số truyền bằng cách đổi đầu phun mà không cần thay đổi kết cấu máy đo. Máy khá ổn định. Phần lớn các máy khí nén được dùng đo theo phương pháp không tiếp xúc 52
và đo so sánh. 1.7.2. Các máy đo kiểu khí nén Phần chuyển đổi đã trình bày về nguyên tắc ứng dụng dòng khí nén vào đo lường, đó là xác định biến thiên lưu lượng khí G khi kích thước F2 hay Z biến đổi hoặc xác định biến thiên áp suất h khi F2 hay Z biến đổi. Áp dụng theo hướng thứ nhất sẽ cho ta loại máy đo kiểu lưu lượng kế (gọi là Rôtamét) và hướng thứ hai cho ta loại máy đo kiểu áp lực kế (gọi là Manômét). Sơ đồ nguyên lý của chúng như Hình 0-33a và Hình 0-33b. Căn cứ vào trị số của áp suất làm việc H người ta chia máy đo khí nén làm hai loại: máy đo áp suất thấp và máy đo áp suất cao. Loại thấp áp: H = 0,05  0,12 at. Loại cao áp: H = 0,3  2, cá biệt 4  5 at. Loại thấp áp đơn giản, dễ chế tạo nhưng độ ổn định không cao, độ chính xác khi đo chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố như độ nhám bề mặt, độ sạch (bẩn bụi, bẩn dầu ). Loại cao áp kết cấu phức tạp nhưng có độ ổn định cao và không có các nhược điểm của loại thấp áp, thường được dùng nhiều trong kiểm tra tự động. d2 t 2 1 l h H d1 d2 0 z H a) b) Hình 0-33. Các loại máy đo kiểu khí nén. a. Máy đo khí nén kiểu áp lực kế Để có được áp suất làm việc H ổn định không khí nén cần phải được dẫn qua 53
bộ lọc và bộ ổn áp (có thể dùng ổn áp lò xo, ổn áp màng đàn hồi, ổn áp cột nước ). Hình 0-34 là sơ đồ máy đo khí nén kiểu cột nước mang tên "Solex" là máy đo khí nén đầu tiên (sản xuất năm 1928) có H = 500mmH 20 tương đương 0,05at. Khí nén từ nguồn theo ống 1 qua van tiết lưu số 2 vào ống ổn áp số 9, cắm trong thùng nước số 8. Nước trong thùng sẽ dâng lên (do sức đẩy của khí nén trong ống 9) chiều cao H cột nước là áp suất biểu kiến của áp suất trong ống 8. Khi áp suất trong ống lớn hơn áp suất làm việc yêu cầu, không khí sẽ chui qua đầu hở ra thùng và ra ngoài để áp suất trong ống được ổn định. Sau khi đã ổn áp không khí được dẫn sang phòng đo số 4 qua đầu phun vào số 3 và ra đầu phun số 6. Nhánh số 5 dùng đo áp suất trong phòng khí số 4. Khi khe hở Z thay đổi thì h thay đổi. Biến thiên của h được chỉ trên bảng chia. 1 2 H 3 4 9 d'v h 8 5 6 h H d2 z 0 Hình 0-34. Sơ đồ máy đo khí nén kiểu cột nước. Hệ số khuếch đại của máy đo khí nén kiểu cột nước có thể đạt tới 10 4x. Có thể thay đổi hệ số khuếch đại bằng cách thay đổi đầu phun vào d 1 máy đo dùng ổn áp cột nước đơn giản nhưng có nhược điểm là nước rất có thể bị bốc hơi, hơi nước làm mờ ống nên rất khó quan sát, ngoài ra do nước bị bốc hơi mà áp suất H không được bảo đảm làm giảm hệ số khuếch đại (độ nhạy) của máy. Để khắc phục nhược điểm này người ta thay đổi áp cột nước bằng ổn áp lò xo hoặc ổn áp màng đàn hồi Hình 0-35a, b là một trong những kiểu máy đo khí nén thường dùng. Trên Hình 0-35 là sơ đồ máy được bố trí theo kiểu vi sai. Khí nén được dẫn 54
theo hai nhánh: đến đầu phun điều chỉnh số 8 nhờ chỉnh vít số 7 và đến chi tiết số 6 qua đầu phun đo số 5. Theo kiểu trên Hình 0-35a biến thiên của Z sẽ làm thay đổi áp suất 2 bên phòng khí 10 làm cho màng đàn hồi 3 biến dạng, nó sẽ đóng mạch điện qua tiếp điểm 4 hoặc 9 để thông mạch chấp hành cho cơ cấu kiểm tra tự động hoặc máy cắt tự động. Theo kiểu trên Hình 0-35b chênh lệch áp suất làm cho ống xiphông 13 bị biến dạng chỉ thị qua áp lực kế số 12. Kiểu máy làm việc theo sơ đồ vi sai có độ ổn định cao và thời gian ổn định nhanh vì quán tính bé. 8 11 1 2 11 7 H 12 3 10 1 13 9 4 10 5 5 8 6 z 2 7 6 a) b) Hình 0-35. Sơ đồ máy đo khí nén kiểu vi sai. b. Máy đo khí nén kiểu lưu lượng kế 1 lưu lượng kế. Không khí nén với áp suất ổn định, được dẫn vào ống côn đọc số của lưu lượng kế. Tuỳ theo kích thước của chi tiết (hay khe hở của chi tiết và đầu phun đo) áp suất h trong H phòng khí bị thay đổi làm thay đổi 2 tốc độ dòng khí chảy qua lưu lượng h kế do đó phao (bằng nhôm, rất nhẹ độ Hình 0-36. Máy đo khí nén kiểu 1 gam) bị đẩy lên ở những độ cao 55
khác nhau. Căn cứ vào độ nhạy đã cho của máy, quan sát biến thiên chiều cao được phao chỉ thị là ta có thể suy ra sai lệch kích thước chi tiết so với mẫu. Vít số 1 và số 2 dùng để chỉnh "0" cho máy. Hình 0-36 là sơ đồ nguyên tắc của máy đo khí nén kiểu lưu lượng kế. Khi cho áp suất làm việc H lớn cần dùng các ống côn có độ côn lớn. Có thể thay đổi hệ số khuếch đại (độ nhậy) bằng cách giảm trọng lượng phao, tăng đường kính đầu phun đo. Mỗi máy đều có kèm bộ đầu phun thay thế và bộ ống côn 1:400; 1:600; 1:1000 để thay thế. Máy có thể đạt hệ số khuếch đại rất lớn đến 1,2 . 104 hoặc hơn thế. 1.8. CHUYỂN ĐỔI THUỶ LỰC Dựa trên đặc tính không chịu nén của chất lỏng người ta thiết kế ra các chuyển đổi, thuỷ lực. Chuyển đổi thuỷ d lực gồm pít tông gắn với trục đo, một h xi lanh có mang ống chỉ thị nhỏ như 0 Hình 0-37 mô tả. Ở trạng thái "0" của chuyển đổi, chất lỏng dâng ở mức "0" trong ống chỉ thị. Khi biến thiên kích S thước gây cho trục đo chuyển vị s, pít tông sẽ chuyển vị lượng s. D Do chất lỏng không chịu nén nên nó sẽ dâng lên đoạn h trong ống chỉ S thị. Đọc h có thể suy ra s, tỷ số h khuếch đại sẽ là: K . Hình 0-37. Nguyên lý chuyển đổi thủy s lực. D 2 Cụ thể, thể tích chất lỏng bị chiếm chỗ trong xi lanh là: v s . 1 4 d 2 Thể tích chất lỏng dâng lên trong ống chỉ thị là: v h . 2 4 Do chất lỏng không bị nén nên V1 = V2, rút ra: 56
2 D K h s d Chuyển đổi này có khả năng cho độ khuếch đại lớn, kết cấu đơn giản dễ chế tạo. Song chuyển đổi này có nhược điểm là sai số do tổn thất năng lượng do nội ngoại ma sát khá lớn và chịu ảnh hưởng nặng nề của biến đổi nhiệt độ môi trường. Hai nhược điểm trên làm giảm thấp độ chính xác và độ nhạy của dụng cụ đo. Bởi thế trong kết cấu thực của dụng cụ đo người ta thay piston bằng màng đàn hồi (Hình 0-38). Khi trục đo di chuyển s, màng đàn hồi bị biến dạng, một cách gần đúng ta cho rằng thể tích màng biến dạng ép lên khối chất lỏng là hình nón có chiều cao s và đáy đường kính D. 1 D 2 d V ( 0-5) 1 3 4 S h 0 Thể tích chất lỏng bị dâng lên trong ống hẹp cũng là : D d 2 V h ( 0-6) S 1 4 Từ công thức (2-5) và (2-6) rút ra: 2 S h 1 D K = s 3 d Hình 0-38. Nguyên lý chuyển Với nguyên tắc này ta dễ dàng đổi màng thủy lực. đạt được K = 103x. Loại dụng cụ đo này tuy có nhẹ nhàng hơn và có đỡ tổn thất năng lượng hơn nhưng vẫn chịu ảnh hưởng lớn của nhiệt độ. Sơ đồ Hình 0-39a là kết cấu dụng cụ đo có pístông bồi thường. Pístông được thiết kế chế tạo với kích thước và vật liệu thích hợp (hệ số nở của pít tông bé hơn xi lanh) sao cho dưới tác dụng của nhiệt độ thể tích buồng chất lỏng có sự nở tương đương với sự nở khối của chất lỏng do đó khử bớt được sai số do nhiệt độ. 57
Một phương án bồi thường sai số đo nhiệt độ như sơ đồ Hình 0-39b đây là phương án khử sai số nhiệt độ có hiệu quả nhất. Kết cấu gồm một nửa giống như dụng cụ đo Hình 0-39b là xi lanh đo, còn một xi lanh khác dùng để so sánh. Thiết kế yêu cầu kích thước và mọi điều kiện của 2 buồng chất lỏng là như nhau. Dưới tác dụng của nhiệt độ chất lỏng ở 2 xi lanh đều dâng lên mức nhất định chẳng hạn h. Khi trục đo di chuyển S - chất lỏng bên nhánh trái ta sẽ dâng lên đoạn h - nếu đọc số trực tiếp. Tại nhánh trái ta sẽ đọc được h' = h + h - có sai số hệ thống h. Khi có thêm nhánh phải thì dưới tác dụng của của nhiệt độ chất lỏng cũng dâng lên h. Khi đọc số ta lấy h ' - h = h (đọc theo hiệu hai mức dâng). Sai số hệ thống do nhiệt độ hoàn toàn bị khử bỏ. Tuy vậy để đảm bảo cho hai phòng chất lỏng giống nhau hoàn toàn là rất khó nên có thể sẽ tồn tại những sai số hệ thống do kết cấu của 2 buồng có khác nhau. h h' h h S S a) b) Hình 0-39. Sơ đồ nguyên lý khử sai số do nhiệt độ. 1.9. CHUYỂN ĐỔI ĐIỆN 1.9.1. Chuyển đổi điện cảm Nguyên tắc ứng dụng chuyển đổi điện cảm làm chuyển đổi đo lường như sau: biến thiên kích thước chi tiết sẽ được chuyển đổi thành biến thiên điện cảm L. Đo biến thiên điện cảm có thể suy ra biến thiên kích thước. Chuyển đổi điện cảm gồm lõi sắt có cuộn dây kích từ và tấm lõi sắt rời bố trí như Hình 0-40. Nếu khe hở  không lớn lắm, dưới tác dụng dòng điện xoay chiều, 58
lõi sắt bị từ hoá, mạch từ đóng kín, có tổng từ kháng Z: Z R 2 (.L) 2 S  Trong đó: R- Điện trở toàn mạch; L- điện cảm của cuộn dây ; b   - Tần số dòng điện kích từ. a L Điện cảm được tính theo công thức: R W 2 L W 2 .G a) b) RM Hình 0-40. Nguyên lý chuyển đổi điên cảm. Trong đó: W - Số vòng dây của cuộn ; RM - Từ trở của toàn mạch; G- Độ dẫn từ. n li 2 RM  i 1 i Si 0 S n Trong đó: RM li - tổng chiều dài dẫn từ ; i 1 i - hằng số từ (độ từ thẩm tuyệt đối) của các đoạn dẫn từ ; Si - tiết diện các đoạn dẫn từ ; - hằng số từ thẩm của không khí bằng 4.103 henri/cm ;  - tiết diện khe không khí. n l 2 Khi  i thì : i 1 i Si 0 S W 2  S L = 0 [henri] ( 0-7) 2 Ứng dụng Dựa vào công thức (2-7) ta thấy L bị biến thiên có thể do 2 nhân tố  và S (khe hở lõi sắt) . Như vậy khi S (tiết diện dẫn từ) hoặc  (khe hở lõi sắt) thay đổi đều có thể làm L thay đổi. Mạch đo đơn giản như Hình 0-40b. Khi S hoặc  biến thiên S hoặc  thì Z biến thiên làm cho U biến thiên. Chuyển đổi này đơn 59
giản và có độ nhạy cao nhưng lực hút rất lớn. Bởi thế kết cấu thực tế của chuyển đổi này cần chú ý đến yêu cầu về phản tác dụng, để tạo ra lực phản tác dụng cần dùng kết cấu vi sai như trên Hình 0-41. Dựa trên nguyên lý chuyển đổi điện cảm người ta chế tạo ra các tenxơmet khe hở không khí, khi  biến thiên cỡ 0,0025mm tín hiệu ra đã rất lớn, không cần sử dụng bộ khuếch đại. Độ chính xác của tenxơmet điện cảm có khe hở không khí chịu ảnh hưởng rất lớn của sự thay đổi nhiệt độ. Người ta phải thiết kế các loại tenxơmet sao cho ảnh hưởng này là nhỏ nhất. L1 L1 L2 L2 a) b) Hình 0-41. Chuyển đổi điện cảm vi sai. 1.9.2. Chuyển đổi điện dung Điện dụng của một tụ điện được h S(n 1) I tính bằng : C  4 .h  Trong đó: h n- số bản cực; II S- điện tích của bản; - hằng số điện môi. Với Hình 0-42. Nguyên lý chuyển đổi không khí =1/9.10-11 hr. điện dung. .S Thông thường n = 2 bản, nên: C ( 0-8) 4 .h Ứng dụng 60
Dựa vào công thức (2-8) ta có thể lợi dụng chuyển đổi để đo kích thước như sau: Biến thiên h đi một lượng h thì C cũng biến thiên. Biến thiên S đi một lượng S thì C cũng biến thiên. Loại thứ nhất dùng trong các máy dò để đo độ nhám theo tiết diện hoặc cải tiến để đo kích thước theo phương pháp đo tiếp xúc. Loại thứ hai có thể kết cấu như trên Hình 0-43. a) b) Hình 0-43. Chuyển đổi điện dung theo nguyên lý biến thiên S. Thường là theo kiểu bạc lồng vào nhau. Điện dung của chúng tính bằng công thức: .l C r 2ln 2 r1 Trong đó: l- đoạn làm việc của điện dung. Nói chung loại thứ hai ít dùng. Nếu dùng người ta sẽ chế tạo theo kiểu vi sai để nâng cao độ tuyến tính của đường đặc tính Hình 0-43b. Dựa trên nguyên lý chuyển đổi điện dung người ta chế tạo ra các nanometer có độ phân giải có thể nhỏ hơn 0,1nm. 1.10. CHUYỂN ĐỔI SIÊU ÂM 1.10.1.Nguyên lý chuyển đổi Siêu âm là tên gọi được sử dụng cho các sóng âm có tần số trên dải tần tai người nghe được, tức là vượt quá 20 kHz ( 1Hz = 1 chu kỳ/giây). 61
Sóng âm là dao động cơ học lan truyền trong các chất rắn, lỏng và khí ở dạng sóng. Các sóng âm bị khúc xạ, phản xạ tại biên giới giữa các vật liệu có các đặc tính về âm khác nhau. Định luật vật lý được áp dụng cho sự phản xạ và khúc xạ của sóng ánh sáng cũng được áp dụng cho sóng âm. Tất cả các dạng sóng đều được mô tả bằng tốc độ, tần số, bước sóng và dạng lan truyền của chúng. Tốc độ của sóng âm là khoảng cách mà sóng lan truyền được qua vật liệu trong một giây. Tần số của các sóng âm được biểu diễn bằng Hertz, là số chu kỳ dao động trong một giây. Các tần số siêu âm tiêu biểu được sử dụng trong kỹ thuật kiểm tra siêu âm được chỉ ra ở Bảng 0-1. Bước sóng là khoảng cách mà các mặt sóng chuyển động qua môi trường trong một chu kỳ. Chú ý là tốc độ v, tần số f và bước sóng  liên hệ với nhau qua công thức đơn giản sau: V=f.. Nguyên lý: Dựa trên tính chất sóng siêu âm khi đến mặt phân cách giữa hai môi trường thì một phần phản xạ ngược trở về môi trường ban đầu và một phần sẽ truyền qua môi trường kia ta có thể xác định được khoảng cách tới khuyết tật hoặc đến mặt phân cách giữa hai môi trường. Phương pháp kiểm tra siêu âm sử dụng phần năng lượng truyền qua của sóng siêu âm được gọi là phương pháp truyền qua. Còn phương pháp sử dụng phần năng lượng phản xạ của sóng siêu âm được gọi là phương pháp xung phản hồi. Phương pháp xung phản hồi được ứng dụng khá rộng rãi, thường sử dụng để kiểm tra các mối hàn, các sản phẩm rèn, cán và đúc. Ngoài ra người ta cũng sử dụng nguyên lý này để chế tạo các thiết bị đo chiều dày các tấm kim loại từ một phía với độ chính xác có thể đạt tới 0,001mm. Bảng 0-1. Các tần số siêu âm được sử dụng trong kỹ thuật. Âm SI£U ¢M Dải tần số tai Kiểm tra các vật đúc và rèn người nghe Kiểm tra mối hàn được. Kiểm tra độ dày Kiểm tra độ dày của vật liệu mỏng 62
20Hz 20kHz 0.5MHz 1MHz 2MHz 5MHz 10MHz 1.10.2.CÊu t¹o vµ ho¹t ®éng cña m¸y dß khuyÕt tËt b»ng siªu ©m VÒ nguyªn lý, thiÕt bÞ siªu ©m vµ nh÷ng phô kiÖn gåm m¸y dß khuyÕt tËt siªu ©m, ®Çu dß, mÉu chuÈn, hÖ thèng hiÓn thÞ vµ ghi nhËn sè liÖu, c¸c bÓ nhóng, bé g¸ ®Æt ®Çu dß vµ vËt thÓ kiÓm tra. Hình 0-44 trình bày sơ đồ khối của hệ thống máy dò khuyết tật bằng siêu âm. Bộ tạo thời gian quét và bộ phát sóng được khởi động đồng thời nhờ bộ định thời gian (mạch đồng hồ), khởi phát truyền xung siêu âm từ đầu dò cùng thời điểm chùm tia điện tử bắt đầu di chuyển ngang ống phóng cathode. Khi sử dụng đầu dò đơn tinh thể, xung điện thế cấp từ bộ phát sóng tới đầu dò cũng đồng thời cấp vào bộ thu sóng, rồi được khuếch đại và hiển thị như chỉ thị tín hiệu “a” trên màn ảnh CRT. Tín hiệu “a” đã được gọi là xung phản xạ mặt trước (xung phát). Điểm sáng chùm điện tử liên tục quét ngang màn ảnh CRT ứng với sóng âm từ đầu dò truyền vào vật thể kiểm tra. Khi sóng siêu âm gặp bề mặt phản xạ “b”, một phần của nó bị phản xạ ngược về đầu dò và được thu sóng ghi lại và biểu diễn thành tín hiệu “b” trên màn hình CRT. Phần còn lại truyền tới đáy mặt “c” của vật và bị phản xạ trở lại tạo ra tín hiệu “c” trên màn hình. Tín hiệu từ phản xạ bề mặt “b” gọi là xung phản hồi khuyết tật, từ mặt đáy “c” gọi là xung phản hồi đáy. Bộ thu sóng Bộ định thời gian C.R.T (Mạch đồng hồ) a c b Bộ tạo thời gian quét Bộ phát xung Đến tất cả các mạch Nguồn nuôi a c b Đầu dò Chi tiết Hình 0-44. Hệ thống máy dò khuyết tật bằng siêu âm. Đối với quá trình kiểm tra bằng thiết bị siêu âm, điều đặc biệt lưu ý là việc lựa chọn bộ biến tử thu phát (hay còn gọi là đầu dò). Thông số cơ bản của đầu dò là tần số làm việc. Ngoài ra cần phân biệt kiểu 63
đầu dò: đầu dò thẳng, đầu dò góc (trị số góc) hoặc đầu dò kép (kết hợp hai biến tử thu và phát riêng biệt trên cùng một khối) và kích thước đầu dò. 64
Chương 3 PHƯƠNG PHÁP ĐO CÁC THÔNG SỐ HÌNH HỌC VÀ CÁC CHỈ TIÊU CHẤT LƯỢNG CỦA CHI TIẾT CƠ KHÍ 1.11. PHƯƠNG PHÁP ĐO KÍCH THƯỚC THẲNG 1.11.1.Phương pháp đo hai tiếp điểm Phương pháp đo hai tiếp điểm là 1 phương pháp đo mà khi đo các yếu tố đo của thiết bị đo tiếp xúc với bề mặt chi tiết đo ít nhất là trên 2 tiếp điểm, MĐ trong đó nhất thiết phải có hai tiếp điểm nằm trên phương biến thiên của MC kích thước đo 1-1 (Hình 0-1). Trong hai tiếp điểm, một gắn với yếu tố định chuẩn MC và một 1 gắn với yếu tố đo MĐ. Yêu cầu MĐ Hình 0-1. Sơ đồ đo hai tiếp song song MC và cùng vuông góc điểm. với 1-1. Để chi tiết đo được ổn định nâng cao độ chính xác khi đo người ta cần chọn mặt chuẩn và mặt đo phù hợp với hình dạng bề mặt đo sao cho chi tiết đo ổn định dưới tác dụng của lực đo. Ngoài ra, để giảm ảnh hưởng của sai số chế tạo mặt chuẩn và mặt đo cần có thêm các tiếp điểm phụ để làm ổn định thông số đo. 1.11.2.Phương pháp đo ba tiếp điểm Phương pháp đo ba tiếp điểm là phương pháp đo mà khi đo các yếu tố đo của thiết bị đo tiếp xúc với bề mặt chi tiết đo ít nhất là trên 3 điểm, trong đó không tồn tại một cặp tiếp điểm nào nằm trên phương biến thiên của kích thước đo. Cơ sở của phương pháp đo: a. Cơ sở 1 Từ một điểm I ngoài vòng tròn, quan sát vòng tròn dưới hai tiếp tuyến IA và IB hợp với nhau một góc . Khi R thay đổi, tâm 0 của vòng tròn sẽ di chuyển trên phân giác I-x. Để nhận biết sự thay đổi này, ta có thể đặt điểm quan sát tại M hoặc N. Chuyển vị ở M hoặc N sẽ cho ta sự thay đổi của h. 65
h Với: R 1 1 sin 2 lấy dấu + khi đặt điểm quan sát ở N (1). lấy dấu - khi đặt điểm quan sát ở M (2). I h M A B O N x a) b) c) Hình 0-2. Sơ đồ đo 3 tiếp điểm trên cơ sở tiếp tuyến vòng tròn. Trong kỹ thuật ta bắt buộc phải tiến hành phép đo so sánh vì kích thước h không xác định được. Do đó ta có: h R 1 1 sin 2 R = R0 + R Với R0 là bán kính chi tiết mẫu dùng khi đo so sánh. Ứng với điều kiện (1) ta có sơ đồ đo Hình 0-2b và ứng với điều kiện (2) ta có sơ đồ đo Hình 0-2c. Tỷ số truyền phụ của sơ đồ đo: h 1 K 1 R sin 2 00 Với 45 120 ta luôn có Ka > 1; K b 1. Sơ đồ đo Hình 0-2b thường dùng khi kiểm tra thu nhận, yêu cầu độ chính 66
xác cao và kích thước đo không lớn lắm. Sơ đồ Hình 0-2c thường dùng khi kiểm tra các chi tiết đang gia công, các chi tiết khó tháo ra khỏi vị trí gia công hoặc vị trí lắp ráp, chi tiết nặng. Dụng cụ đo được thiết kế dưới dạng tự định vị trên chi tiết. Phương pháp đo 3 tiếp điểm đặc biệt ưu việt khi đáp ứng yêu cầu đo đường kính các mặt trụ, mặt cầu gián đoạn như bánh răng, then hoa đặc biệt mặt đo bị gián đoạn hoặc méo với cạnh lẻ. Khi đo đường kính mặt trụ gián đoạn như đường kính đỉnh răng bánh răng hay then hoa, các mặt méo đặc biệt là với số cạnh lẻ cần xác định góc thích hợp của khối V: 3600 1800 n z trong đó: n z- số răng hoặc cạnh méo;  n- số bước góc bị kẹp trong V; với n = 1, 3, 5, 7 khi z lẻ; a) b) n = 2, 4, 6, 8 khi z chẵn. Hình 0-3. Đo đường kính bề mặt h gián đoạn và cạnh méo. Ta có: = 0 +2 K 0 - kích thước mẫu dùng khi chỉnh "0"; h- sai lệch chỉ thị khi đo; K- tỷ số truyền phụ của sơ đồ. Với chi tiết méo 3 cạnh như Hình 0-3b, có đường kính mọi phía bằng nhau, phương pháp đo 2 tiếp điểm không phát hiện được độ méo của chi tiết này. Dùng 3600 phương pháp 3 tiếp điểm với 1800 600 sẽ phát hiện được độ méo của z sản phẩm. b. Cơ sở 2 Dựa trên nguyên tắc qua 3 điểm có thể dựng được một vòng tròn duy nhất. Như thế, nếu một trong 3 điểm thay đổi toạ độ thì sẽ có một vòng tròn mới có bán kính khác. Ta cố định hai trong ba điểm và theo dõi chuyển vị của điểm thứ ba. Để đơn giản ta đặt điểm quan sát nằm trên trục đối xứng của A-B (Hình 0-4). 67
Có thể dễ dàng có được quan hệ: h s 2 R 1 2 8h (h h) s 2 R 2 2 8(h h) Nếu h> 0 thì R2<R1 và ngược lại. Trên nguyên tắc này người ta thiết kế ra phương pháp đo cung 3 tiếp điểm (Hình 0-5). Trong hình, cặp con lăn 1 và 2 có khoảng cách tâm s = 2L, được lắp đối xứng qua phương chuyển vị của tiếp điểm 3 của đồng hồ. Có thể xác định được quan hệ: Với cung lồi ta có: C H 2 Hd L2 h D 2R C' H h A I B S Với cung lõm ta có: 2 2 H Hd L R2 D 2R H R Khi tiến hành đo so sánh 1 D0 ta có: L2 D 1 h H 2 D = D + D 0 Hình 0-4. Sơ đồ đo 3 tiếp điểm trên cơ sở 3 tiếp điểm. Với D0 yêu cầu ta có thể tìm được trị số H0 cho dụng cụ có L và d cho trước. Khi đo cung lồi: 2 D d D d 2 H 0 0 L 0 2 2 Khi đo cung lõm: 2 D0 d D0 d 2 H 0 L 2 2 68
Dùng H0 để chỉnh "0" cho dụng cụ như Hình 0-6 mô tả. Với phương pháp đo này ta có thể đo bán kính R của cung bất kỳ mà không cần có vòng tròn mẫu D0. 3 Với các cung nhỏ, có thể H d=2r suy biến cặp con lăn thành hai 1 2 lưỡi dao, khi đó d=0. 2L Khi đo chỏm cầu hoặc các lòng cầu, cặp con lăn suy R biến thành một vòng chặn có đường kính 2L. Hình 0-5. Phương pháp đo cung 3 tiếp điểm. H0 H0 a) b) Hình 0-6. Sơ đồ chỉnh “0”. Có thể thấy rằng sơ đồ đo này thuộc sơ đồ 3 tiếp điểm cùng phía nên tỷ số truyền phụ: h 1 K = 1 D L2 1 H 2 Hơn nữa K còn phụ thuộc H = H 0 + h cho nên khi đo các vòng tròn kích thước khác nhau cần tính lại K. 69
1.11.3. Phương pháp đo một tiếp điểm l y YB B A B A YA XA x X B 0 XA XB a) b) y yA x xA AB X B X A yB yA xB xA 2 2 AB yB y A xB xA Hình 0-7. Phương pháp đo toạ độ. Phương pháp đo một tiếp điểm là phương pháp đo mà khi đo yếu tố của thiết bị đo tiếp xúc với bề mặt chi tiết đo trên một tiếp điểm. Kích thước đo được xác định từ toạ độ các điểm tiếp xúc khi đo. Vì vậy, phương pháp đo một tiếp điểm còn gọi là phương pháp đo toạ độ. Tuỳ theo yêu cầu đo mà có các phương pháp đo một, hai, ba hay nhiều toạ độ như mô tả trên Hình 3-7. Trong đó, ở sơ đồ Hình 3-7a, đoạn AB được đo trên thiết bị đo một toạ độ, ở sơ đồ Hình 3-7b đoạn AB được đo trên thiết bị đo hai toạ độ với phương trình kết quả đo được tính theo sơ đồ đo. Ưu điểm của phương pháp đo toạ độ là có thể đo các kích thước chi tiết phức tạp, khó đo, không yêu cầu rà chỉnh chi tiết đo trước khi đo, giảm một cách đáng kể các động tác chuẩn bị khi đo. Tuỳ theo số toạ độ có thể của thiết bị đo mà thao tác và cách tính toán kết quả đo khác nhau. Số toạ độ của thiết bị càng nhiều thì thao tác đo càng đơn giản. Số toạ độ càng nhiều, số điểm đo càng nhiều việc tính toán kết quả đo càng khó khăn. Vì thế, để nâng cao độ chính xác khi đo người ta cần đo nhiều điểm đo và cần có sự giúp đỡ của thiết bị tính toán để giảm nhẹ lao động và đỡ lầm lẫn trong tính toán. Phần lớn các thiết bị đo toạ độ có trang bị sẵn các chương trình tính cho các yêu cầu đo thường gặp để giúp cho quá trình đo được nhanh chóng. Độ chính xác của phương pháp đo phụ thuộc vào số điểm đo và cách phân bố các điểm đo trên chi tiết đo. 70
1.12. PHƯƠNG PHÁP ĐO KÍCH THƯỚC GÓC 1.12.1.Phương pháp đo trực tiếp kích thước góc Phương pháp này dựa trên cơ sở hệ toạ độ cực, trong đó gốc toạ độ cực là tâm quay của yếu tố mang mặt đo, còn vectơ gốc gắn với yếu tố mang mặt chuẩn. Toạ độ mặt đo được chỉ ra trên bảng chia độ góc gắn với yếu tố chuẩn. Tại vị trí "0", mặt đo trùng với mặt chuẩn, vectơ Ox chỉ "0". Khi đo góc là góc giữa AB và CD, vật chỉ thị sẽ chỉ cho ta trị số góc trên bảng chia. Đây là nguyên tắc cơ bản để thiết kế các dụng cụ đo góc như MĐ thước đo góc, thị kính đo góc, bàn D xoay đo góc trong các thiết bị đo C góc Độ chính xác của phương pháp 0 A B đo phụ thuộc vào độ đồng tâm của 0 bảng chia với tâm quay của mặt đo. MC Đây là điểm hạn chế cơ bản của Hình 0-8. Nguyên lý thước đo góc. phương pháp đo góc trực tiếp khi muốn đạt tới độ chính xác cao. I II KC2 KC1 TK VK CT S2 A a a' b b S2 a' B a C Hình 0-9. Nguyên lý làm việc của thị kính đo góc. 71
Hình 0-9 mô tả nguyên tắc làm việc của thị kính đo góc. Ảnh của chi tiết được tạo trên mặt ảnh của vật kính trên hệ hiển vi I. Tại đây, người ta đặt kính chuẩn KC1 mang vạch chuẩn chữ thập và kính chuẩn KC 2 lắp đồng tâm và cố định với nhau. KC1 và KC2 được lắp với vành răng côn và xoay được nhờ nắm vặn mang bánh răng côn. Thị kính được lắp trên máy đo hai toạ độ x0y. Khi đo ta điều chỉnh cho tâm vạch chuẩn nằm trên mép ảnh AB, xoay cho aa  AB. Trên kính hiển vi I ta đọc được toạ độ góc 1. Điều chỉnh cho 0 rời sang ' ' cạnh AC. Xoay aa AC. Trên kính hiển vi II ta đọc được toạ độ góc 2. Trị số góc đo được = 2- 1. I Hình 0-10 mô tả nguyên KC1 tắc làm việc của máy đo góc, A i gồm: C i' I- Hệ thống chiếu sáng. B II- Hệ thống hiển vị quan KC2 A sát. Vị trí ngắm Bàn xoay mang chi tiết đo chuẩn II là lăng kính ABC. Khi đo, ta xoay bàn mang chi tiết cho AB Hình 0-10. Nguyên lý làm việc của hướng về chùm sáng tới. máy đo góc. ' Xoay II cùng với bàn xoay sao cho i  i thì ảnh của thị kính chuẩn KC1 trung chập với KC2 (Hình 0-10). Hệ số đọc số toạ độ góc gắn với hệ II đọc được 1. Tiếp tục quay AC tới phía chùm sáng và lặp lại được vị trí ngắm chuẩn sẽ đọc được 2. Trị số = 2- 1 là góc giữa hai pháp tuyến của mặt AB và AC. Trị số góc đo =180o- . Trong máy đo góc, hệ I và II có thể được thay bằng một ống nhòm tự chuẩn trục. Trong trường hợp này, vị trí ngắm chuẩn tương ứng với trạng thái trục quang của hệ trùng phương pháp tuyến của bề mặt đo đang ngắm. Phương pháp tính kết quả đo không có gì thay đổi. Hình 0-11 mô tả nguyên tắc làm việc của máy đo góc mang tên là đầu chia độ. Bộ phận chính của thiết bị là đầu chia độ quang học, trong đó đĩa chia độ KC1 được lắp trên trục chính 2, trục này được dẫn động nhờ cặp bánh vít trục vít 4. 72
Chuyển vị góc của đĩa KC 1 đọc được nhờ hệ hiển vi đọc số 3. Chuyển vị góc được truyền qua trục mang chi tiết đo nhờ tốc gạt đặc biệt không có khe hở. Nhờ đồng hồ đo chuyển vị số 5 ta có thể đọc được lượng nâng hạ của cam đo số 6 tương ứng với các chuyển vị góc đọc được trên hiển vi số 3. KC 2 KC 1 5 3 4 6 2 1 Hình 0-11. Nguyên lý máy đo góc theo kiểu chia độ. Phương pháp đo góc theo nguyên tắc này rất ưu việt khi cần đo góc có các quan hệ phối hợp, chẳng hạn như đo góc phối hợp giữa các cam, đo góc xoắn, đo góc dao cắt với độ chính xác cao. 1.12.2.Phương pháp đo gián tiếp kích thước góc Phương pháp đo gián tiếp kích thước góc dựa trên cơ sở mối quan hệ lượng giác giữa các yếu tố cạnh và góc trong tam giác. Nhờ đó có thể dùng những phương tiện đo chiều dài để đo góc với độ chính xác cao ngay cả khi yếu tố góc được hình thành trong chi tiết rất khó đo. a.Đo góc bằng bi cầu hoặc con lăn Sơ đồ đo Hình 0-12 mô tả mặt cắt của lỗ côn hay rãnh côn. Trong tam giác O1IO2 ta có: O I arcsin 2 O1O2 d d Trong đó: O I 2 1 2 2 73
d d O O h h 2 1 1 2 2 1 2 Do đó: 1 arcsin h h 2 2 1 1 d 2 d1 L L Trong Hình 0-13 ta có: 2arctg 1 2 2H d2 I O 2 L2 h2 H d1 O1 h1 L 2 1 Hình 0-13. Sơ đồ đo rãnh mang Hình 0-12. Sơ đồ đo lỗ côn. cá. b.Đo góc bằng thước Sin, thước Tang Dựa trên quan hệ lượng giác trong Hình 0-14a: a a arcsin hoặc: arctg L b người ta thiết kế ra các dụng cụ đo chuyên dùng là thước Sin và thước Tang. Trong thước Sin, khoảng cách giữa hai con lăn L không đổi, trong thước Tang là b không đổi. Khi thay đổi sẽ làm cho a thay đổi. Từ sự thay đổi của a ta xác định được sự thay đổi của . Hình 0-14b mô tả phương pháp đo góc bằng thước Sin. Hình 0-14c mô tả phương pháp đo góc bằng thước tang. Trong đó H 0 = L.sin 0 hay H0 = b.tg 0; với 0 là trị số góc danh nghĩa dùng để chỉnh "0" cho thiết bị. cần được tính 74
ra chuyển vị dài x cho phép. Phương pháp đo bằng thước Sin và thước Tang thường được dùng đo góc tại hiện trường, tại phân xưởng hoặc dùng tạo ra các góc chuẩn trong gá đo lường hoặc đồ gá công nghệ. X1 X2 X1 X2 0 L 0 H H L a b b MC MC a) b) c) Hình 0-14. Nguyên lý thước Sin và thước Tang. 1.12.3.Đo góc theo phương pháp toạ độ Khi có yêu cầu đo góc tạo bởi O2 tâm 3 lỗ như Hình 0-15, dùng phương pháp đo toạ độ ta xác định được toạ độ O1, O2, O3 và khoảng cách tâm a, b a b, c. Góc cần đo có thể xác định qua hệ thức lượng trong tam giác O thường: O1 c 3 b2 c2 a2 arccos 2bc Hình 0-15. Đo góc theo phương pháp tọa độ. Phương pháp đo này đặc biệt ưu việt khi kiểm tra vị trí tương quan giữa các lỗ trên bản máy vỏ hộp với độ chính xác phụ thuộc vào độ chính xác của phương pháp xác định O1, O2 và O3. 1.13. PHƯƠNG PHÁP ĐO KÍCH THƯỚC LỖ 1.13.1.Phương pháp đo bằng đồng hồ đo lỗ Về bản chất kích thước lỗ thuộc phạm trù kích thước thẳng nên về nguyên tắc vẫn có thể dùng ba phương pháp đo cơ bản đã nêu để đo. Tuy nhiên, do đặc điểm kích thước là kích thước trong nên không gian rất hạn chế, cần thiết phải có đầu đo chuyên dùng kết hợp với các phương tiện đo ngoài thông dụng để đo lỗ. 75
Trong kết cấu đầu đo lỗ cần giải quyết vấn đề: Biến đổi phương chuyển vị đo. Bảo đảm chuyển vị đo theo đúng phương biến thiên kích thước đo. Truyền chuyển vị đo đã đổi phương ra dụng cụ chỉ thị. x d D a) e) h) D b) f) D c) d) g) i) Hình 0-16. Các nguyên lý biến đổi phương chuyển vị đo. Người ta thường dùng kim côn, đòn bẩy hoặc nêm để đổi phương chuyển vị 76
đo như Hình 0-16 mô tả. Trong đó loại đầu đo dùng kim côn có tỷ số truyền khi đổi phương chuyển vị: x 1 K= d tg Trong đó: x- sai lệch chuyển vị đo so với lỗ điều chỉnh; d- sai lệch kích thước đo và kích thước điều chỉnh. Khi giảm, tg giảm và K tăng. A A A A C D C D C D C D B B B B a) b) c) d) 2 8 10 9 6 12 7 4 3 1 14 11 13 5 15 e) Hình 0-17. Các kết cấu định tâm lỗ. Loại dùng đòn bảy, phổ biến là dùng đòn vuông và tỷ số truyền K = 1. Loại dùng nêm thường dùng góc nêm 450, K =1. Để đảm bảo phương chuyển vị đo của tiếp điểm đo động nằm trên phương 77
biến thiên kích thước đo, tức là phải đi qua tâm, người ta dùng các loại kết cấu định tâm như Hình 0-17 mô tả. Yêu cầu cơ bản của cầu định tâm là hai tiếp điểm cố định A, B phải đối xứng qua CD là phương đo. Để truyền chuyển vị đo sau khi đã đổi phương người ta dùng các thanh trượt khá dài để truyền chuyển vị tới đồng hồ đo ngoài để nhận được chỉ thị đo. Độ chính xác của chuyển vị ra phụ thuộc vào độ chính xác của cầu định tâm, bộ nhận và đổi phương vị chuyển vị cũng như khả năng dẫn truyền chính xác tín hiệu đo ra đồng hồ chỉ thị. Độ chính xác của dụng cụ đo lỗ bị hạn chế bởi độ chính xác của đầu đo lỗ, vì thế người ta chỉ lắp các đồng hồ chỉ thị thích hợp với độ chính xác của đầu đo. Việc thay đồng hồ chỉ thị chính xác hơn về cơ bản không cải thiện được độ chính xác của dụng cụ. 1.13.2.Dùng gá đo lỗ b 5 TK1 a a 4 3 2 HV1 KC2 b VK Vị trí ngắm chuẩn S1 1 TK2 D TQ KC4 HV2 I II VK L VK L b) S2 a) y x L D z c) Hình 0-18. Phương pháp đo lỗ bằng các gá đo. 78
Hình 0-18 mô tả phương pháp đo lỗ bằng các gá đo lỗ lắp trên các máy đo chiều dài thông dụng. Trong đó sơ đồ Hình 0-18a dùng trong ốptimét ngang. Đèn 5 sáng báo điểm điều chỉnh xong, cho phép đọc toạ độ điểm đo. Sơ đồ Hình 0-18b dùng trong kính hiển vi dụng cụ. Vị trí ngắm chuẩn được quan sát trên hệ hiển vi HV1 báo điểm điều chỉnh đã xong, cho phép đọc toạ độ điểm đo trên HV2. Sơ đồ Hình 0-18a và Hình 0-18b đo theo phương pháp đo một tiếp điểm. Kết quả đo được tính: L = x2- x1; D = L + d với d là đường kính đầu đo. Sơ đồ Hình 0-18c dùng trong máy đo nằm ngang. Để đo được đúng đường kính theo phương vuông góc với đường trục, chi tiết được đặt lên một bàn đo tự lựa có khả năng quay quanh z, y và tịnh tiến theo 3 trục để điều chỉnh đo tại điểm đo mong muốn. Sơ đồ Hình 0-18c đo theo phương pháp đo 2 tiếp điểm. Kích thước đo được tính: D = L + d Độ chính xác của gá đo lỗ theo các phương pháp này phụ thuộc chủ yếu vào việc điều chỉnh tiếp điểm đo có qua tâm chi tiết hay không. Khả năng định tâm của tiếp điểm đo phụ thuộc vào quan hệ giữa bán kính đầu đo và đường kính chi tiết đo. 1.13.3.Phương pháp đo lỗ bằng phương tiện đo khí nén H h H h do d2 d 1 d 2 d1 a) b) Hình 0-19. Sơ đồ đo lỗ bằng khí nén kiểu áp kế. Phương pháp đo lỗ kiểu đo khí nén dựa trên nguyên tắc: áp suất hoặc lưu lượng của dòng khí chịu nén sẽ thay đổi khi xuất hiện sự thay đổi của cản chắn trên dòng chảy của nó. Sự thay đổi của cản chắn là sự thay đổi kích thước lỗ đo. Sơ đồ đo Hình 0-19 mô tả nguyên tắc đo lỗ nhỏ bằng khí nén kiểu áp kế. Áp suất dư H = const chảy qua đầu phun vào d 1 = const rồi chảy qua lỗ cần 79