BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TÀO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
--------------------------------------
Nguyễn Ngọc Khánh
NGHIÊN CỨU PHƢƠNG PHÁP NÂNG CAO
ĐỘ PHÂN GIẢI THƢỚC ĐO QUANG HỌC
Chuyên ngành: Cơ khí chính xác và quang học
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
CƠ KHÍ CHÍNH XÁC VÀ QUANG HỌC
NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS. NGUYỄN VĂN VINH
Hà Nội - 2013
MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN .......................................................................................................1
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ...............................................................................2
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ .....................................................................2
PHẦN MỞ ĐẦU .........................................................................................................6
CHƢƠNG 1: PHƢƠNG PHÁP VÀ THIẾT BỊ
ĐO DỊCH CHUYỂN BẰNG
THƢỚC KHẮC VẠCH ..............................................................................................8
3.1.2 Mô hình thực nghiệm .......................................................................................71
3.1.4 Điều kiện thực nghiệm .....................................................................................72
3.1.5 Thiết bị sử dụng thực nghiệm: .........................................................................72
3.1.6 Mô hình sau khi xây dựng:...............................................................................75
3.2. Kết quả thực nghiệm ..........................................................................................75
3.2.1 Đánh giá kết quả thực nghiệm thay đổi độ phóng đại .....................................75
3.2.2 Đánh giá kết quả thực nghiệm khi thay đổi cƣờng độ chiếu sáng ...................77
3.2.4 Đánh giá kết quả thực nghiệm trên các thƣớc có bề rộng vạch khác nhau ......80
3.2.5 Đánh giá độ chính xác ......................................................................................81
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ...................................................................................83
1. Về lý thuyết ...........................................................................................................83
2. Về thực nghiệm .....................................................................................................83
3. Hƣớng phát triển ...................................................................................................83
TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................85
PHẦN PHỤ LỤC ......................................................................................................86
1. Chƣơng trình phần mềm dùng thuật toán tìm vết .................................................86
2. Chƣơng trình phần mềm dùng thuật toán xử lý trực tiếp ......................................88
3. Chƣơng trình phần mềm dùng thuật toán pixel giữa ............................................90
Luận văn thạc sĩ khoa học
LỜI CAM ĐOAN
Tên tôi là Nguyễn Ngọc Khánh, học viên cao học ngành Chế tạo máy khóa
2011-2013. Giáo viên hƣớng dẫn khoa học TS Nguyễn Văn Vinh. Tôi xin cam đoan
bản luận văn này với đề tài “Nghiên cứu phương pháp nâng cao độ phân giải thước
đo quang học” là công trình nghiên cứu của riêng tôi và chƣa đƣợc công bố trong
bất cứ công trình nào khác. Các số liệu nêu trong luận văn là trung thực.
Nguyễn Ngọc Khánh
Hình 16 - Cấu tạo thƣớc phụ dạng tang chia ............................................................19
Hình 17 - Cấu tạo thƣớc du xích xoắn ......................................................................20
Hình 18 - Sơ đồ mạch điện chia 8 dùng mạng điện trở ............................................22
Hình 19 - Trạng thái tín hiệu khi sử dụng mạch điện chia 8.....................................22
Nguyễn Ngọc Khánh
2
Khóa 2011B
Luận văn thạc sĩ khoa học
Hình 20 - Mã hóa pha với ADC 3 bit........................................................................23
Hình 21 - Sơ đồ biến đổi tín hiệu của phƣơng pháp nâng cao độ phân giải .............25
Hình 22 - Kính hiển vi quang học .............................................................................26
Hình 23 - Nguyên lý tạo ảnh qua hệ hiển vi .............................................................27
Hình 24 - Sự sai lệch giữa góc tới thực và góc tới cận trục ......................................28
Hình 25 - Chùm sáng đi qua hệ thống quang học có cầu sai ....................................29
Hình 26 - Sự tạo ảnh khi hệ thống quang học có coma ............................................29
Hình 27 - Ảnh của một điểm qua hệ thống quang học khi có loạn thị .....................30
Hình 28 - Cong trƣờng Petzval gây ra bởi một mặt cầu khúc xạ ..............................30
Hình 29 - Sự biến dạng ảnh khi hệ thống quang học có méo ảnh ............................31
Hình 30 - Cảm biến CCD ..........................................................................................31
Hình 31 - Sự tạo thành điện tích bởi các photon.......................................................32
Hình 32 - Quá trình truyền điện tích trong một CCD "ba pha" ................................33
Hình 33 - Cấu hình truyền điện tích đến cổng ra ......................................................33
Hình 34 - Đồng bộ hóa ngang ...................................................................................34
Hình 35 - Các bƣớc để xử lý hình ảnh. .....................................................................35
Hình 36 - Sự tán xạ phụ thuộc điều kiện bề mặt. ......................................................36
Hình 58 - Toán tử Laplacian tìm điểm đi qua “0” của f'' (x, y). ...............................62
Hình 59 - Sơ đồ thuật toán tìm vêt ............................................................................65
Hình 60 - Thuật toán xử lý trực tiếp .........................................................................66
Hình 61 - Thuật toán pixel giữa ................................................................................67
Hình 62 - Nguyên lý thuật toán pixel giữa ................................................................68
Hình 63 - Menu chƣơng trình tìm vết .......................................................................69
Hình 64 - Menu chƣơng trình xử lý trực tiếp ............................................................69
Hình 65 - Chƣơng trình pixel giữa ............................................................................70
Hình 66 - Mô hình thực nghiệm ................................................................................71
Hình 67 - Kính hiển vi kỹ thuật số VHX-100 ...........................................................72
Hình 68 - Mô hình thực nghiệm sau khi lắp ráp .......................................................75
Hình 69 - Đồ gá thực nghiệm ....................................................................................75
Hình 70 - Đồ thị độ phân giải phụ thuộc độ phóng đại theo thuật toán tìm vết........76
Hình 71 - Đồ thị độ phân giải phụ thuộc độ phóng đại theo thuật toán xử lý trực tiếp
...................................................................................................................................76
Hình 72 - Đồ thị thực nghiệm khi thay đổi cƣờng độ sáng sử dụng thuật toán tìm vết
...................................................................................................................................77
Hình 73 - Đồ thị thực nghiệm khi thay đổi cƣờng độ sáng sử dụng thuật toán xử lý
trực tiếp .....................................................................................................................78
Hình 74 - Đồ thị thực nghiệm khi ngƣỡng phân thay đổi dùng thuật toán tìm vết ...79
Nguyễn Ngọc Khánh
4
Khóa 2011B
Luận văn thạc sĩ khoa học
Hình 75 - Đồ thị thực nghiệm khi ngƣỡng thay đổi dùng thuật toán xử lý trực tiếp 79
động của nhiễu.
Trong thực tế hiện nay có nhiều thiết bị sử dụng camera và phƣơng pháp xử
lý ảnh để đo lƣờng, tuy chƣa thấy có nghiên cứu nào về nâng cao độ phân giải sử
dụng phƣơng pháp xử lý ảnh. Đề tài “Nghiên cứu nâng cao độ phân giải của
thước đo quang học” là đề tài có khả năng hiện thực và cấp thiết. Hƣớng nghiên
cứu nâng cao độ phân giải của các thƣớc khắc vạch sử dụng phƣơng pháp xử lý ảnh.
Đề tài nghiên cứu các nội dung cơ bản về phƣơng pháp xử lý ảnh, từ đó có những
phân tích cụ thể để có những lựa chọn hợp lý ứng dụng trực tiếp trên thiết bị cụ thể
nhằm nâng cao độ phân giải của thƣớc vạch quang học.
2. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
a. Ý nghĩa khoa học
Nguyễn Ngọc Khánh
6
Khóa 2011B
Luận văn thạc sĩ khoa học
Nghiên cứu, khảo sát tổng quan về các loại thƣớc khắc vạch, nguyên lý hoạt động,
các phƣơng pháp nâng cao độ phân giải đang áp dụng. Nghiên cứu xử lý ảnh, từ đó
ứng dụng để nâng cao độ phân giải của thƣớc khắc vạch quang học.
b. Ý nghĩa thực tiễn
Đề tài mang tính ứng dụng cao, kết quả nghiên cứu của đề tài sẽ góp phần nâng cao
độ phân giải của thƣớc khắc vạch quang học theo hƣớng xử lý ảnh, tạo tiền đề cho
nghiên cứu thiết bị đo ứng dụng phƣơng pháp nâng cao độ phân giải bằng xử lý
ảnh.
3. Phƣơng pháp nghiên cứu
Nghiên cứu lý thuyết kết hợp nghiên cứu thực nghiệm
4. Đối tƣợng nghiên cứu và phạm vi nghiên cứu
máy đo tọa độ 3 chiều, tay đo…
Thƣớc khắc vạch chia thành hai loại chính: các thƣớc đo dịch chuyển thẳng và các
thƣớc đo góc quay. Công nghệ chế tạo và nguyên lý hoạt động của các thƣớc vạch
khắc cũng rất đa dạng, theo nguyên lý khác nhau nhƣ khắc vạch quang học, điện
dung, điện từ… Có nhiều hãng chế tạo có tên tuổi đƣợc biết đến nhƣ: Reinishaw,
Heidenhain, Mitutoyo… chuyên chế tạo các thƣớc khắc vạch có độ chính xác cao
Hình 1 - Một số ứng dụng của thƣớc khắc vạch dạng thẳng
Nguyễn Ngọc Khánh
8
Khóa 2011B
Luận văn thạc sĩ khoa học
Hình 2 - Thƣớc khắc vạch dạng góc và một số ứng dụng
Trên đây là một số ứng dụng của thƣớc khắc vạch. Phần tiếp theo sẽ giới thiệu các
loại thƣớc khắc vạch và nguyên lý hoạt động của các thƣớc khắc vạch.
1.2 Phƣơng pháp đo dịch chuyển bằng các thƣớc khắc vạch
1.2.1 Nguyên lý đo dịch chuyển của thƣớc khắc vạch
Các thƣớc đo dịch chuyển dạng thƣớc khắc vạch hoạt động trên nguyên lý so sánh
vị trí tƣơng đối của vạch chuẩn với các vạch khắc trên thang thƣớc.
C
Hình 3 - Nguyên lý đọc vạch của thƣớc vạch khắc
Nguyễn Ngọc Khánh
Luận văn thạc sĩ khoa học
Thƣớc chia: là một tấm kính có thể tráng lớp phản xạ hoặc không. Dọc theo chiều
dài thƣớc có các vạch đen xen kẽ các vạch sáng. Vạch đen có tác dụng tạo thành
khoảng tối trên thƣớc và không cho ánh sáng đi qua còn các vạch sáng có tác dụng
cho ánh sáng chiếu tới đi qua hoặc làm phản xạ tia sáng chiếu tới. Khoảng cách các
vạch sáng tối này là khá đều nhau. Ngoài ra trên thân thƣớc còn có một nhóm các
vạch sáng tối khác nhau nằm ở dƣới hệ thống vạch ở trên. Các nhóm vạch này cũng
cách đều nhau (Hình 5). Các nhóm vạch này có tác dụng báo hiệu làm chuẩn “0”
cho mỗi chu kỳ tín hiệu.
Hình 5 - Các dạng vạch khắc quang học
Tùy theo cách khắc vạch chia ra làm 2 phƣơng pháp đo khác nhau: phƣơng pháp đo
tuyệt đối và phƣơng pháp đo gia số. Với phƣơng pháp đo tuyệt đối, giá trị vị trí có
sẵn từ bộ mã hóa ngay sau khi chuyển đổi và có thể đƣợc gọi bất cứ lúc nào bởi các
thiết bị điện tử tiếp theo. Không cần phải di chuyển các trục để tìm vị trí tham
chiếu. Thông tin vị trí tuyệt đối đƣợc đọc từ giá trị độ chia của thƣớc, đƣợc hình
thành từ một cấu trúc mã nối tiếp tuyệt đối. Một vạch gia số riêng biệt đƣợc nội suy
cho các giá trị vị trí và đồng thời đƣợc sử dụng để tạo ra một tín hiệu gia tăng.
Với phƣơng pháp đo gia số, các vạch chia bao gồm một cấu trúc lƣới chu kỳ. Thông
tin vị trí thu đƣợc bằng cách đếm gia số riêng lẻ (các bƣớc đo) từ một số điểm gốc.
Khi một tham chiếu tuyệt đối cần để xác định vị trí, các vạch chia hoặc dải thang đo
đƣợc cung cấp thêm một vạch đóng vai trò mốc tham chiếu.Vị trí tuyệt đối trên
Nguyễn Ngọc Khánh
11
Khóa 2011B
Đầu đọc theo nguyên lý giao thoa
Nguyên lý hoạt động dựa trên nguyên lý nhiễu xạ và gia thoa ánh sáng đi qua khe
hẹp để điều chế tín hiệu sử dụng đo khoảng dịch chuyển của vàch chia độ. Các bƣớc
chia của vạch chia đƣợc sử dụng nhƣ chuẩn đo. Ở mặt phía trên của mặt nạ có một
loạt các vạch phản xạ có bề dầy cỡ 0,2 µm, ở mặt phia dƣới có vạch chia tƣơng tự
với vạch chia của vành chia độ. Khi ánh sáng chiếu qua mặt nạ phân tách thành 3 tia
có thứ tự -1, 0,+1 có cƣờng độ sáng giống nhau (Hình 6). Khi các tia sáng phản xạ
lại trên bề mặt của mặt nạ các tia sáng lại nhiễu xạ một lần nữa tạo ra hiện tƣợng
giao thoa kết quả các tia sáng đi qua mặt nạ tại các góc khác nhau, tại bộ thu tín
hiệu sẽ thu đƣợc tín hiệu cƣờng độ sáng (Hình 6). Khi có sự chuẩn động tƣơng đối
giữa mặt nạ và vành chia độ dẫn đến sự thay đổi về thứ tự pha của tia nhiễu xạ. Giả
sử vành chia độ dịch chuyển một chu kỳ khi đó các tia nhiễu xạ sẽ thay đổi thứ tự
khi đó hai tia sánh giao thoa với nhau khi thoát khỏi mặt nạ, các sóng bị dịch
chuyển tƣơng đối với nhau bởi hai sóng dài. kết quả này trong hai giai đoạn tín hiệu
từ các chuyển động tƣơng đối chỉ là một giai đoạn cách tử.
Hình 8 - Nguyên lý chiếu xuyên
qua thân thƣớc
Hình 7 - Nguyên lý chiếu phản xạ
trên thân thƣớc
Hoạt động:
Khi thƣớc hoạt động, đèn phát sáng. Ánh sáng sẽ chiếu xuyên qua thƣớc (Hình 8)
hay ánh sáng phản xạ lại ngay trên bề mặt thƣớc (Hình 7) tới các photodiot, các
photodiot này thu ánh sáng và chuyển thành điện năng, sau đó đƣa đi xử lý để tạo ra
kết quả đo. Nhờ các vạch sáng tối liên tiếp trên thƣớc và một hệ thống mặt nạ (bố trí
Nguyễn Ngọc Khánh
13
Luận văn thạc sĩ khoa học
Dƣới đây là một số hình vẽ mô tả các loại chuyển đổi dạng điện dung, nhƣ chuyển
đổi có khe hở thay đổi hay chuyển đổi có diện tích thay đổi
Loại thƣớc này dễ chế tạo, độ bền và độ tin cậy cao, thƣớc cũng cho độ phân giải và
độ chính xác khá cao. Loại thƣớc này có độ phân giải cỡ 0,1 µm; 0,2 µm; 0,5 µm; 1
µm. Độ chính xác cỡ 1 µm; 2 µm; 3 µm
c. Thƣớc khắc vạch điện từ
Cấu tạo:
Bộ mã Magnasyn gồm có một dải thang đo mềm, dễ uốn, có thể lắp đƣợc vào bề
mặt cố định của máy mà không cần một giá đỡ phía sau và nó có một đầu đọc đƣợc
gắn vào phần dịch chuyển đƣợc đo để có thể di chuyển dọc theo thƣớc
Hình 11 Thƣớc vạch kiểu điện từ
Hình 12 - Cấu tạo của thƣớc vạch kiểu điện từ
Hoạt động:
Thang đo của thƣớc đƣợc làm từ một dải cao su mềm, dải cao su này đƣợc làm cho
nhiễm từ và nó đƣợc đặt giữa hai tấm bằng thép không gỉ có tác dụng nhƣ hai nắp
đậy để bảo vệ dải cao su (Hình 12). Trên thƣớc có chứa hai dải mã từ, hai dải mã từ
này đƣợc đặt cách nhau 2 mm dọc theo chiều dài của thƣớc
Nguyễn Ngọc Khánh
15
Khóa 2011B
Luận văn thạc sĩ khoa học
Khi sensor ở trên đầu đọc đi qua dải thƣớc, trƣờng điện từ đƣợc biến đổi thành một
tín hiệu điện và tín hiệu điện này đƣợc đo và xử lý bằng một bộ vi điều khiển ở
Hoạt động:
Dựa trên nguyên lý cảm ứng điện từ với dạng chuyển đổi kiểu tự cảm. Một trƣờng
điện từ đƣợc tạo ra bởi một dòng điện hình Sin có tần số 1 kHz hay 10 kHz, chạy
qua một cuộn dây đơn trong đầu đọc. Từ trƣờng này sẽ ảnh hƣởng tới các viên bi ở
trong thang đo. Lúc này đầu đọc dùng bốn cuộn dây để thu tín hiệu thay đổi trong
trƣờng cảm ứng và sau đó tín hiệu thu đƣợc kết hợp lại với nhau rồi xử lý để có
đƣợc tín hiệu đo cần thiết. Nhờ bộ vi điều khiển ở trong đầu đọc mà có thể xác định
đƣợc vị trí đầu đọc so với thƣớc một cách chính xác và có thể chia nhỏ chu kỳ tín
hiệu thu đƣợc trên các cuộn dây thứ cấp, tức là chúng sẽ cho phép đọc đƣợc giá trị
kết quả đo nhỏ hơn giá trị một chu kỳ tín hiệu
Loại thƣớc này có các mức độ phân giải và chính xác nhƣ sau:
Độ phân giải cỡ 10 µm đến 0,1µm
Độ chính xác cỡ 10 µm, 5 µm, 3 µm
Nguyễn Ngọc Khánh
17
Khóa 2011B
Luận văn thạc sĩ khoa học
1.3 Các phƣơng pháp nâng cao độ phân giải
Phần trên ta đã tìm hiểu về nguyên lý của các loại thƣớc khắc vạch điển hình. Trong
phần này luận án đề cập đến các phƣơng pháp đang áp dụng để nâng cao độ phân
giải của các thƣớc khắc vạch.
Độ phân giải của thƣớc khắc vạch phụ thuộc vào khoảng chu kỳ giữa hai vạch khắc
liên tiếp. Khả năng đọc đến giá trị nhỏ nhất mà vẫn đảm bảo đƣợc độ chính xác của
thƣớc. Từ nguyên lý khắc vạch thƣớc theo các dạng vật lý nhƣ trên, yêu cầu đặt ra
phải nâng cao khả năng khả năng khắc vạch với chu kỳ nhỏ. Sau đây là một số
Hình 15 - Cấu tạo của thƣớc phụ
Trƣờng hợp thƣớc phụ dạng tang chia: Khoảng chia trên thƣớc phụ là a, d là đƣờng
kính tang chia, n là số vạch trên tang chia
(2)
Giá trị độ chia của thƣớc phụ phụ thuộc vào đƣờng kính tang chia và số vạch trên
tang chia
Hình 16 - Cấu tạo thƣớc phụ dạng tang chia
Nguyễn Ngọc Khánh
19
Khóa 2011B
Luận văn thạc sĩ khoa học
b. Phƣơng pháp du xích quang học
Phƣơng pháp du xích quang học thƣờng sử dụng trong các kính hiển vi đo lƣờng,
máy đo chiều dài nằm ngang…. sử dụng thƣớc xoắn Acsimet. Theo phƣơng pháp
này, vạch thƣớc chính sẽ đƣợc chia nhỏ thông qua hệ các thƣớc gồm thƣớc có vạch
chia 0,1 mm và thƣớc xoắn có giá trị 0,001 mm. Nguyên lý hoạt động của thƣớc
xoắn Acsimet (
nh 17): Ảnh của thƣớc chuẩn vạch chia 1 mm đƣợc chiếu lên màn
ảnh là kính chuẩn số 7, kính chuẩn này khắc vạch xoắn kép Acsimet với bƣớc là 0,1
mm. Phần giữa của kính chuẩn có khắc bảng chia có giá trị chia 0,001 mm. Kính
Cộng vector các tín hiệu A và
trọng số của A và
ban đầu cho kết quả các tín hiệu lệch pha. Các
đƣợc tính toán từ quan hệ lƣợng giác
n
o
n
n α
n
o
o
(3)
Và
o
Thay n
n
o
Luận văn thạc sĩ khoa học
tăng, độ chính xác của các trọng số khó đạt đƣợc hơn và tốc độ xử lý tín hiệu xung
tần số cao tăng lên, điều này giới hạn giá trị của m đối với phƣơng pháp này.
Hình 18 - Sơ đồ mạch điện chia 8 dùng mạng điện trở
Các tín hiệu sin và cos từ cảm biến đƣợc cộng vector để điều chế các tín hiệu lệch
pha khác nhau. Qua bộ biến đổi TTL, chúng đƣợc thực hiện phép logic OR với
nhau. Các tín hiệu lệch pha vuông góc và kết quả của quá trình nội suy đƣợc chỉ ra
ở hình dƣới đây.
Hình 19 - Trạng thái tín hiệu khi sử dụng mạch điện chia 8
Nguyễn Ngọc Khánh
22
Khóa 2011B
Copyright: Tài liệu đại học ©