HỆ THỐNG THIẾT BỊ HIỆU CHUẨN/KIỂM ĐỊNH THƯỚC VẠCH, THƯỚC CUỘN PHẠM VI ĐO ĐẾN 30 m

ThS. Trần Nam Anh, ThS. Tống Công Dũng, ThS. Lê Xuân Dũng, ThS. Trần Xuân Đạt, ThS. Vũ Khánh Phan¹; TS. Nguyễn Xuân Thái²; KS. Nguyễn Ngọc Danh³

1 : Phòng Đo lường Độ dài – Viện Đo lường Việt Nam, 2 : Phòng Đo lường Dung tích Lưu lượng – Viện Đo lường Việt Nam,

3 : Trung tâm kỹ thuật Tiêu chuản Đo lường Chất lượng tỉnh Nghệ An 

1.Đặt vấn đề

Thước cuộn, thước vạch là những phương tiện đo độ dài thông dụng và phổ biến nhất hiện nay. Trong bối cảnh cuộc Cách mạng công nghiệp 4.0, các loại thước này vẫn giữ vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực, đặc biệt là các loại thước có phạm vi đo lớn (từ 30 mét trở lên), thường được sử dụng trong các phép đo ngoài hiện trường hoặc trên các cấu trúc có kích thước lớn. Tại những vị trí này, các thiết bị đo điện tử hiện đại vẫn chưa thể thay thế hoàn toàn do tính cơ động, đơn giản và dễ sử dụng của thước cơ khí.

Để đảm bảo độ chính xác trong quá trình sử dụng, các loại thước này cần được hiệu chuẩn, kiểm định theo quy định. Tuy nhiên, hiện nay công tác hiệu chuẩn và kiểm định chủ yếu vẫn dựa trên các chuẩn đo lường có phạm vi đo ngắn (thường dưới 3 mét), với phương pháp đọc vạch chủ yếu là thủ công. Điều này gây ra nhiều khó khăn và tiềm ẩn sai số ảnh hưởng đến kết quả đo.

Trước thực trạng đó, việc nghiên cứu, thiết kế và phát triển Hệ thống thiết bị hiệu chuẩn/kiểm định thước cuộn, thước vạch có phạm vi đo đến 30 m là yêu cầu cấp thiết. Hệ thống này ứng dụng công nghệ xử lý ảnh tiên tiến nhằm đáp ứng các tiêu chí về độ chính xác, tính ổn định, và khả năng triển khai thực tế, qua đó góp phần nâng cao năng lực đo lường trong nước. 

2.Cơ sở lý thuyết và cấu trúc thiết kế của Hệ thống

2.1.Phần cứng của hệ thống

Từ việc nghiên cứu kỹ các hệ thống hiệu chuẩn phạm vi lớn đã có của các nước Trung Quốc, Thái Lan, Hàn Quốc và hệ thống “Máy đo độ dài sử dụng giao thoa kế laser” có phạm vi đo đến 3 m có sẵn tại Viện Đo lường Việt Nam, nhóm nghiên cứu đã hình thành cấu trúc của hệ thống bao gồm các bộ phận sau :

(1) Giao thoa kế laser: nguồn laser He-Ne ổn định tần số bằng I-ốt và hệ gương đo tuyến tính tạo ra giá trị độ dài cho Hệ thống chuẩn;

(2) Camera: Thiết bị thu hình ảnh vạch chia của thước cuộn/thước vạch;

(3) Bộ thu thập nhiệt độ đa kênh: thực hiện đo nhiệt độ của thân thước cuộn/thước vạch trong quá trình hiệu chuẩn/kiểm định;

(4) Thiết bị đo nhiệt độ, độ ẩm và áp suất: Dùng để đo nhiệt độ, độ ẩm, áp suất không khí trong quá trình hiệu chuẩn/kiểm định thước cuộn, thước vạch và lưu trữ dữ liệu theo dõi môi trường phòng thí nghiệm.

(5) Các bộ phận cơ khí :

- Băng máy 32 m: Trên băng máy 32 m, nhóm nghiên cứu đã lựa chọn sử dụng ray trượt tròn có đế, đường kính ray 40 mm. Các thanh ray được đỡ bởi các tấm đỡ ray tinh chỉnh có thể điều chỉnh độ thẳng và độ song song trong quá trình lắp đặt. Các tấm đỡ được gá lên các thanh thép hộp và được đỡ bởi Cụm trụ đứng chân đỡ.

- Bàn dịch chuyển: Bàn dịch chuyển có kích thước tổng hai chiều (X×Y) là (400×350) mm. Mặt bàn được đặt trên 4 ổ trượt bi dạng khuyết đặt đối xứng với nhau, cụm camera và gương phản xạ sẽ được đặt cố định trên mặt bàn nhưng vẫn có khả năng tinh chỉnh 3 chiều (X, Y, Z) giúp việc đọc vạch thước được linh hoạt.

- Đồ gá thước cuộn, thước vạch: Cụm đồ gá cân bằng thước được thiết kế đặt dọc theo chiều dài băng máy, đỡ các thanh dẫn hướng và lắp đặt đồ gá giữ đầu thước. Cuối hệ thống là cụm đồ gá treo quả cân tạo lực kéo theo đúng yêu cầu của từng loại thước. 

Sau hơn 1 năm nghiên cứu và chế tạo, nhóm nghiên cứu đã hoàn thiện Hệ thống thiết bị hiệu chuẩn/kiểm định thước vạch, thước cuộn phạm vi đo đến 30 m với băng máy dài 32 m theo đúng thiết kế ban đầu và được thể hiện trên Hình 4.

Hình 4. Hệ thống thiết bị hiệu chuẩn/ kiểm định thước vạch, thước cuộn 

2.2. Phần mềm đo và xử lý số liệu

Trên cơ sở cấu tạo và nguyên lý hoạt động của hệ thống chuẩn, nhóm nghiên cứu thực hiện xây dựng phần mềm đo và xử lý số liệu sẽ đóng vai trò trung tâm trong việc kết nối, đo, xử lý số liệu với 4 thiết bị phần cứng: giao thoa kế laser, camera, thiết bị đo thông số môi trường và bộ thu thập nhiệt độ đa kênh (16 cảm biến nhiệt độ được đặt đều trên toàn bộ chiều dài của Băng máy 32 m).

Phần mềm đo và xử lý số liệu sẽ được xây dựng trên cơ sở ngôn ngữ lập trình C#, Labview. Phần mềm đo và xử lý số liệu được cài đặt trên máy tính và thực hiện việc kết nối với các thiết bị phần cứng.

Phần mềm sử dụng thuật toán xử lý ảnh để xác định tâm vạch chia trên thước cuộn, thước vạch tại vị trí kiểm tra từ hình ảnh camera gửi về. Khi đó, người dùng chọn thao tác đọc dữ liệu thì giá trị đo sẽ được ghi lại cùng với dữ liệu thông số môi trường và nhiệt độ của thước từ bộ đo nhiệt độ đa kênh (16 kênh) với các đầu đo nhiệt độ được gắn trên thân thước.

Khi hoàn thành chu trình đo, các kết quả đo sẽ được xuất sang file excel trong đó đã thực hiện các tính toán hệ số hiệu chính do thay đổi nhiệt độ thước, thay đổi nhiệt độ môi trường.

Đối với phần xử lý hình ảnh thu được từ camera, phần mềm sẽ sử dụng thư viện mã nguồn mở OpenCV (Open Source Computer Vision Library). Trong OpenCV thì Canny là một phương pháp phát hiện biên cạnh được phát triển bởi John F.Canny vào năm 1986. Đây là một trong những phương pháp phát hiện biên hiệu quả nhất và được sử dụng rộng rãi trong thị giác máy tính và nhận dạng hình ảnh.

Sử dụng camera có độ phân giải cao kết hợp với ống kính phóng đại (ống kính tele) và đèn chiếu sáng kết hợp với thuật toán xử lý ảnh (thuật toán Canny) trong thư viện OpenCV để phát hiện và xác định tâm vạch của thước.

3. Đánh giá và ước lượng độ không đảm bảo đo của hệ thống

Hệ thống thiết bị hiệu chuẩn/kiểm định thước vạch, thước cuộn có phạm vi đo đến 30 m được tích hợp từ các thiết bị, bộ phận cơ khí và phần mềm tạo thành. Để có thể đạt được mục đích đề ra, hệ thống chuẩn cần đạt yêu cầu kỹ thuật sau:

• Phạm vi đo: 30 m;
• Độ không đảm bảo đo: U ≤ (0,03 + 0,03L) mm; [L]: m.

Với yêu cầu kỹ thuật trên sẽ phải tiến hành đánh giá từng thành phần, yếu tố cấu thành nên hệ thống chuẩn. Cụ thể các tiêu chí đánh giá như sau:

• Độ thẳng của Băng máy 32 m;
• Phạm vi đo của hệ thống chuẩn;
• Độ chính xác của việc xác định tâm vạch chia;
• Điều kiện môi trường phòng thí nghiệm khi thực hiện phép hiệu chuẩn/ kiểm định;
• Đánh giá độ không đảm bảo đo.

3.1.Đánh giá hệ thống

Qua quá trình thử nghiệm, đánh giá hệ thống chuẩn theo các chỉ tiêu kỹ thuật như đã nêu ở trên đều đáp ứng được yêu cầu. 

3.2.Ước lượng độ không đảm bảo đo của hệ thống

Dựa trên các kết quả đánh giá hệ thống, nhóm nghiên cứu đã xác định được các yếu tố ảnh hưởng của hệ thống ảnh hưởng đến kết quả đo. Độ không đảm bảo đo của hệ thống được ước lượng gồm 10 thành phần được nêu trong Bảng 2

Dựa trên các kết quả đánh giá hệ thống, nhóm nghiên cứu đã xác định được các yếu tố ảnh hưởng của hệ thống ảnh hưởng đến kết quả đo. Độ không đảm bảo đo của hệ thống được ước lượng gồm 10 thành phần, từ đó xác định được độ không đảm bảo đo tổng hợp và độ không đảm bảo đo mở rộng. 

4. Hiệu chuẩn thước cuộn

Sau quá trình thử nghiệm, đánh giá được độ không đảm bảo đo của hệ thống chuẩn, cần thực hiện phép đo thực tế mẫu thử trên hệ thống đã chế tạo và so sánh kết quả đo được với kết quả hiệu chuẩn đã có để có thể đánh giá được giá trị của hệ thống thông qua chỉ số En.

Cụ thể, nhóm nghiên cứu thực hiện sử dụng 01 thước cuộn chuẩn làm mẫu thử đánh giá trên Hệ thống thiết bị hiệu chuẩn/kiểm định thước vạch, thước cuộn phạm vi đo đến 30 m và so sánh với kết quả trên giấy chứng nhận hiệu chuẩn do Viện Đo lường Quảng Đông thực hiện.

Chỉ số E_n lớn nhất là 0,67 < 1 cho thấy kết quả hiệu chuẩn phù hợp. Hệ thống thiết bị hiệu chuẩn/ kiểm định thước vạch, thước cuộn phạm vi đo đến 30 m hoàn toàn đủ khả năng đáp ứng công tác hiệu chuẩn các loại thước cuộn có độ chính xác cao cho đến các loại thước cuộn thông dụng trên thị trường.

5. Kết luận

Hệ thống thiết bị hiệu chuẩn/kiểm định thước vạch, thước cuộn có phạm vi đo đến 30 m đã được nghiên cứu, thiết kế và chế tạo thành công, đáp ứng đầy đủ các yêu cầu kỹ thuật về phạm vi đo, độ chính xác và độ không đảm bảo đo. Việc tích hợp công nghệ xử lý ảnh sử dụng thuật toán Canny cùng hệ thống giao thoa kế laser và các thiết bị đo môi trường cho phép tự động hóa quá trình xác định tâm vạch, giảm thiểu sai số do thao tác thủ công và nâng cao độ tin cậy của kết quả hiệu chuẩn.

Kết quả thử nghiệm hệ thống cho thấy độ lệch giữa các phép đo so với kết quả hiệu chuẩn của phòng thí nghiệm quốc tế nằm trong giới hạn cho phép với chỉ số En luôn nhỏ hơn 1. Điều này khẳng định tính chính xác, độ ổn định và khả năng ứng dụng thực tiễn của hệ thống. Hệ thống là giải pháp khả thi trong việc thay thế các phương pháp kiểm định, hiệu chuẩn thủ công hiện nay, đồng thời góp phần nâng cao năng lực tự chủ về thiết bị đo lường trong nước, hướng đến mục tiêu nội địa hóa và phát triển bền vững trong lĩnh vực đo lường kỹ thuật.

                                                                                                                                                                               7/2025

Xem đầy đủ bài báo trong file đính kèm.