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

1.1 Các loại thƣớc khắc vạch và ứng dụng .................................................................8
1.2 Phƣơng pháp đo dịch chuyển bằng các thƣớc khắc vạch .....................................9
1.2.1 Nguyên lý đo dịch chuyển của thƣớc khắc vạch................................................9
1.2.2 Các loại thƣớc khắc vạch .................................................................................10
1.3 Các phƣơng pháp nâng cao độ phân giải ............................................................18
1.3.1. Phƣơng pháp du xích.......................................................................................18
1.3.2. Phƣơng pháp nội suy .......................................................................................20
1.4. Kết luận chƣơng 1 ..............................................................................................24
CHƢƠNG 2: PHƢƠNG PHÁP NÂNG CAO ĐỘ PHÂN GIẢI BẰNG XỬ LÝ
ẢNH ..........................................................................................................................25
2.1. Sơ đồ biến đổi tín hiệu của phƣơng pháp ...........................................................25
2.2 Hệ thống đọc vạch ...............................................................................................25
2.2.1 Kính hiển vi quang học ....................................................................................25
2.2.2 Cảm biến hình ảnh ...........................................................................................31
2.3. Cơ sở lý thuyết xử lý ảnh ...................................................................................34
2.3.1 Quá trình thu nhận ảnh .....................................................................................34
2.3.2 Quá trình xử lý ảnh...........................................................................................38
2.3.3. Phân vùng hình ảnh .........................................................................................46
2.3.4 Phát hiện biên ...................................................................................................55
2.4 Xây dựng các thuật toán ......................................................................................64
2.4.1 Thuật toán tìm vết của các vạch .......................................................................64


2.4.2 Thuật toán xử lý trực tiếp .................................................................................65
2.4.3 Thuật toán pixel giữa .......................................................................................67
2.5 Xây dựng chƣơng trình phần mềm thực nghiệm ................................................68
2.6 Kết luận chƣơng 2 ...............................................................................................70
CHƢƠNG 3: THỰC NGHIỆM ................................................................................71
3.1 Xây dựng mô hình thực nghiệm..........................................................................71
3.1.1. Nội dung thực nghiệm:....................................................................................71

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


1

Khóa 2011B


Luận văn thạc sĩ khoa học
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
ảng 1- Thuộc tính của các toán tử biên...................................................................58
ảng 2 - Độ phóng đại quang của kính hiển vi VHX-100 ........................................74
ảng 3 - Kết quả thực nghiệm với bƣớc dịch chuyển 1 µm .....................................81
ảng 4 - Kết quả thực nghiệm với bƣớc dịch chuyển 2 µm .....................................82
ảng 5 - Kết quả thực nghiệm với bƣớc dịch chuyển 3 µm .....................................82
ảng 6 - Kết quả thực nghiệm với bƣớc dịch chuyển 4 µm .....................................82
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1 - Một số ứng dụng của thƣớc khắc vạch dạng thẳng ......................................8
Hình 2 - Thƣớc khắc vạch dạng góc và một số ứng dụng ..........................................9
Hình 3 - Nguyên lý đọc vạch của thƣớc vạch khắc ....................................................9
Hình 4 - Thƣớc khắc vạch quang học .......................................................................10
Hình 5 - Các dạng vạch khắc quang học ...................................................................11
Hình 6 - Đầu đọc theo nguyên lý quét a) - Đầu đọc theo nguyên lý giao thoa b) ....12
Hình 7 - Nguyên lý chiếu phản xạ trên thân thƣớc ...................................................13
Hình 8 - Nguyên lý chiếu xuyên qua thân thƣớc ......................................................13
Hình 10 - Nguyên lý chuyển đổi điện dung ..............................................................14
Hình 9 - Một số thƣớc kiểu điện dung ......................................................................14
Hình 12 - Cấu tạo của thƣớc vạch kiểu điện từ .........................................................15
Hình 11 Thƣớc vạch kiểu điện từ .............................................................................15
Hình 13 - Nguyên lý hoạt động của thƣớc kiểu điện từ ............................................16
Hình 14 - Thƣớc vạch kiểu điện từ ...........................................................................17
Hình 15 - Cấu tạo của thƣớc phụ ..............................................................................19

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 37 - Các mô hình hình thành hình ảnh .............................................................37
Hình 38 - Cấu trúc của một bộ thu ảnh .....................................................................38
Hình 39 - Ảnh tỉ lệ xám và ảnh nhị phân ..................................................................39
Hình 40 - Các hình dạng khác nhau của biểu đồ mức sáng ......................................40
Hình 41 - Điều chỉnh tăng độ tƣơng phản .................................................................41
Hình 42 - Điều chỉnh cân bằng biểu đồ. ...................................................................41
Hình 43 - Mặt nạ tích chập. ......................................................................................43
Hình 44 - Quá trình mặt nạ tích chập thực hiện ........................................................43
Hình 45 - Lọc trung vị ...............................................................................................45
Hình 46 - Hình ảnh qua bộ lọc trung vị. ...................................................................46
Hình 47 - Biểu đồ mức xám lý tƣởng .......................................................................47
Hình 48 - Quá trình tạo ngƣỡng sử dụng giá trị ngƣỡng duy nhất............................48

Nguyễn Ngọc Khánh

3

Khóa 2011B


Luận văn thạc sĩ khoa học
Hình 49 - Chuyển đổi ảnh xám sang nhị phân. .........................................................49
Hình 50 - Phân ngƣỡng ảnh các linh kiện điện tử có đặc điểm ảnh khác nhau ........49
Hình 51 - Quá trình tạo ngƣỡng lặp ..........................................................................51
Hình 52 - Bảy khu vực hình ảnh đƣợc phân chia khác nhau ...................................53
Hình 53 - Phân đoạn đối với thuật toán tách và hợp nhất . .......................................54
Hình 54 - Minh họa của các phân đoạn khu vực cơ sở. ............................................55
Hình 55 - Các đặc điểm biên .....................................................................................56
Hình 56 - Toán tử Sobel áp dụng cho hình ảnh khảm ..............................................59
Hình 57 - Các ảnh tác động bởi toán tử Sobel và LoG. ............................................61

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

Hình 76 - Đồ thị thực nghiệm khoảng cách vạch thay đổi dùng thuật toán tìm vết .80
Hình 77 - Đồ thị thực nghiệm khoảng cách vạch thay đổi dùng thuật toán xử lý trực
tiếp .............................................................................................................................80

Nguyễn Ngọc Khánh

5

Khóa 2011B


Luận văn thạc sĩ khoa học
PHẦN MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Ngày nay với sự phát triển không ngừng của khoa học kỹ thuật, việc ứng dụng các
tiến bộ khoa học kỹ thuật vào trong lĩnh vực đo lƣờng và lĩnh vực công nghiệp là
một đòi hỏi tất yếu.
Các thiết bị gia công CNC có độ chính xác cao đòi hỏi xác định chính xác vị trí của
dao hay chi tiết, điều khiển gia công chính xác. Điều này đƣợc đảm bảo nhờ ứng
dụng các thƣớc dịch chuyển có độ chính xác cao gắn trên các thiết bị này. Thiết bị
gia công thông qua các thƣớc dịch chuyển này để xác định vị trí của dao, vị trí của
bệ máy, từ đó phản hồi về thiết bị để xử lý và đƣa ra chuyển động chính xác của dao
hoặc chi tiết đƣợc kẹp trên bệ máy.
Các thƣớc đo dịch chuyển thƣờng sử dụng nguyên lý các khắc vạch để xác định vị
trí của đầu đo dựa trên các nguyên lý chuyển đổi nhƣ quang điện, điện từ, điện cảm,
điện dung … Tín hiệu điện sau chuyển đổi đƣợc xử lý và hiển thị trên màn hiển thị.
Các thƣớc trên sử dụng phƣơng pháp nâng cao độ phân giải chủ yếu kiểu điện tử,
xử lý trên tín hiệu điện thu đƣợc. Tuy nhiên theo phƣơng pháp này nâng cao độ
phân giải gặp khó khăn khi muốn khắc vạch nhỏ hơn do khó chế tạo và tín hiệu điện
phụ thuộc vào tốc độ dịch chuyển của đầu đọc, khi nâng cao độ phân giải dễ bị tác

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

4.1 Đối tƣợng nghiên cứu
- Kính hiển vi kỹ thuật số VHX-100
- Thƣớc khắc vạch quang học
4.2 Phạm vi nghiên cứu
Chỉ hạn chế trong phạm vi nghiên cứu phƣơng pháp nâng cao độ phân giải của
thƣớc khắc vạch quang học bằng xử lý ảnh.
5. Nội dung nghiên cứu
Nội dung nghiên cứu của đề tài tập trung vào các phần sau:
- Phƣơng pháp nâng cao độ phân giải của các loại thƣớc khắc vạch
- Nghiên cứu, lựa chọn phƣơng pháp nâng cao độ phân giải của thƣớc khắc vạch
quang học bằng xử lý ảnh
- Nghiên cứu, đánh giá ảnh hƣởng của các yếu tố đến độ phân giải khi sử dụng
phƣơng pháp xử lý ảnh

Nguyễn Ngọc Khánh

7

Khóa 2011B


Luận văn thạc sĩ khoa học
CHƢƠNG 1: PHƢƠNG PHÁP VÀ THIẾT BỊ ĐO DỊCH CHUYỂN BẰNG
THƢỚC KHẮC VẠCH
1.1 Các loại thƣớc khắc vạch và ứng dụng
Thƣớc khắc vạch đã có từ rất lâu và đƣợc sử dụng phổ biến trong các lĩnh vực công
nghiệp cũng nhƣ trong đời sống. Các thƣớc vạch khắc từ loại đơn giản bằng cơ khí
nhƣ thƣớc lá, thƣớc cặp cơ khí, thƣớc panme cơ khí… đến những thƣớc khắc vạch
phức tạp dùng trong các hệ thống của các máy gia công CNC, robot công nghiệp
hay trong hệ thống đo dịch chuyển của các thiết bị đo nhƣ kính hiển vi đo lƣờng,

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


9

Khóa 2011B


Luận văn thạc sĩ khoa học
Các vạch khắc cách nhau khoảng nhất định gọi là chu kỳ C. Việc xác định vị trí và
dịch chuyển đƣợc xác định bằng số chu kỳ C và vị trí của vạch chuẩn nằm trong
khoảng cách giữa 2 vạch. Khả năng đọc đƣợc đến phần bao nhiêu của khoảng cách
vạch là độ phân giải của thƣớc.
Dựa trên nguyên lý trên, các thƣớc khắc vạch đƣợc chế tạo theo rất nhiều công
nghệ. Một số thƣớc khắc vạch không đòi hỏi liên kết cơ học giữa cảm biến và vật
cần đo vị trí hoặc dịch chuyển. Mối liên hệ giữa vạch chính và các khắc vạch đƣợc
thực hiện thông qua vai trò trung gian của điện trƣờng, từ trƣờng hoặc điện từ
trƣờng, ánh sáng. Trong phần sau trình bày các loại thƣớc khắc vạch hông dụng
dùng để xác định vị trí và dịch chuyển của vật nhƣ thƣớc điện cảm, thƣớc điện
dung, thƣớc quang học, thƣớc điện từ
1.2.2 Các loại thƣớc khắc vạch
a. Thƣớc khắc vạch quang học
Thƣớc khắc vạch quang học sử dụng nguyên lý chuyển đổi quang điện để thể hiện
mối liên hệ giữa vạch chính và các vạch khắc trong đó các vạch khắc đƣợc tạo ra
trên thƣớc kính.
Cấu tạo:

Hình 4 - Thƣớc khắc vạch quang học
Nguyễn Ngọc Khánh

10

Khóa 2011B



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



Luận văn thạc sĩ khoa học
thƣớc đƣợc xác định bởi các mốc tham chiếu, che với một bƣớc đo chính xác. Các
mốc tham chiếu phải đƣợc quét để thiết lập một mốc tuyệt đối hoặc để tìm mốc
đƣợc lựa chọn cuối cùng.
Để xác định chính xác số lƣợng vạch chia dịch chuyển trong các thiết bị đo thƣờng
sử dụng đầu đọc quang điện để thu nhận tín hiệu dịch chuyển vạch chia. Hiện nay
tồn tại nhiều đầu đọc có nguyên lý và cấu tạo khác nhau nhƣng có hai loại đầu đọc
đƣợc sử dụng nhiều
+ Đầu đọc theo nguyên lý quét ảnh (Imaging scaning )
+ Đầu đọc theo nguyên lý quét giao thoa (Interferential scaning)
Đầu đọc theo nguyên lý quét ảnh
Nguyên lý hoạt động của đầu đọc quét ảnh: ánh sáng từ nguồn sáng 1 đi qua thấu
kính 2 tạo thành chùm sáng song song đi qua mặt nạ 3 có cấu tạo bao gồm hai hệ
thống vạch chia có kích thƣớc giống hệt với vạch chia của vành chia độ và mỗi một
hệ thống bao gồm hai vạch chia. Khi vành chia độ dịch chuyển thông lƣợng ánh
sáng đi qua vành chia độ thay đổi theo chu kỳ từ sáng đến tối và ngƣớc lại tại bộ thu
tín hiệu sẽ thu đƣợc tín hiệu thông lƣợng ánh sáng có dạng hình sin,hai hệ vạch
cách nhau một khoảng sao cho tín hiệu thu đƣợc tại bộ thu tín hiêu lệch pha ¼ chu
kỳ để phát hiện ra chiều chuyển động của vành chia độ.

Hình 6 - Đầu đọc theo nguyên lý quét a) - Đầu đọc theo nguyên lý giao thoa b)
Nguyễn Ngọc Khánh

12

Khóa 2011B


Luận văn thạc sĩ khoa học

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


Khóa 2011B


Luận văn thạc sĩ khoa học
nhƣ hình) mà bộ phận xử lý tín hiệu biết đƣợc chiều dịch chuyển và tạo ra độ phân
giải nhỏ hơn khoảng cách giữa hai vạch chia. Loại thƣớc này có khoảng khắc vạch
10 µm, 2 µm; độ phân giải cỡ 0,01 µm; 0,005 µm. Độ chính xác cỡ 2 µm, 3 µm.
b. Thƣớc khắc vạch điện dung
Một kiểu thƣớc khắc vạch khác sử dụng các vạch khắc chế tạo theo nguyên lý điện
dung sẽ đƣợc trình bày trong phần tiếp theo đây.

Hình 9 - Một số thƣớc kiểu điện dung
Thƣớc dịch chuyển kiểu điện dung bao gồm có một tụ điện phẳng hoặc tụ điện hình
tròn có một bản cực có thể di chuyển và bản cực này đƣợc nối cứng với dịch chuyển
cần đo. Khi bản cực tụ điện dịch chuyển sẽ kéo theo sự thay đổi điện dung của tụ

Hình 10 - Nguyên lý chuyển đổi điện dung
Nguyên lý:
Chuyển đổi điện dung dựa trên sự tác động tƣơng hỗ giữa hai điện cực sẽ tạo thành
một tụ điện. Điện dung của tụ đƣợc thay đổi dƣới tác động của đại lƣợng vào. Vì
vậy tín hiệu điện ở đầu ra sẽ bị thay đổi theo vị trí của hai bản cực của tụ và tín hiệu
điện ở đầu ra này sẽ đƣợc xử lý nhờ một hệ thống điện tử rồi cho ra kết quả đo
Nguyễn Ngọc Khánh

14

Khóa 2011B



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

trong đầu đọc. Cũng nhờ có bộ vi điều khiển ở trong đầu đọc này có thể xác định
đƣợc trƣờng điện từ thay đổi đều đặn theo hình Sin và từ đó xác định đƣợc vị trí đầu
đọc một cách chính xác so với gốc lấy lúc đầu

Hình 13 - Nguyên lý hoạt động của thƣớc kiểu điện từ
Với bản chất mềm mại của thƣớc đo thì nó làm cho bộ mã hóa của Magnasyn ngoài
việc lắp cho chuyển đổi thẳng mà còn rất lý tƣởng cho các yêu cầu về chuyển đổi
quay
Tuy có cấu tạo là dải cao su nhiễm từ nhƣng nó cũng cho độ chính xác và độ phân
giải khá cao. Loại thƣớc này có độ phân giải cỡ 0,01 µm; 0,05 µm; 0,1 µm; 0,5 µm;
1 µm. Độ chính xác cỡ 3 µm; 5 µm; 10 µm.
d. Thƣớc khắc vạch điện cảm
Cấu tạo:
Thân thƣớc là một loạt các viên bi xếp lại với nhau. Các viên bi đƣợc làm bằng thép
Cr-Ni và đƣợc đặt vào trong một ống thép không gỉ. Ống thép này có tác dụng bảo
vệ không cho dầu mỡ, bụi bẩn … ảnh hƣởng tới các viên bi nằm trong. Đồng thời
ống thép còn có tác dụng làm giá đỡ các viên bi khi chúng chịu áp lực
Đầu đọc bao gồm các cuộn dây và một hệ thống mạch điện tử để thu tín hiệu và xử
lý tín hiệu đo từ các cuộn dây

Nguyễn Ngọc Khánh

16

Khóa 2011B


Luận văn thạc sĩ khoa học

Hình 14 - Thƣớc vạch kiểu điện từ

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

phƣơng pháp nâng cao độ phân giải thƣờng sử dụng:
- Phƣơng pháp du xích: Sử dụng thƣớc phụ (du xích) chia nhỏ giá trị vạch chia của
thƣớc chính
- Phƣơng pháp nội suy: Quá trình chia xung và lấy mẫu liên tục sau mỗi một chu kỳ
sẽ cho phép nâng cao độ phân giải. Độ phân giải phụ thuộc quá trình chia xung, vì
vậy trƣớc hết phải chọn nhịp điệu lấy mẫu sau đó mới quyết định chia chu kỳ tín
hiệu điện áp ra bao nhiêu lần sau đó chuyển về dạng xung để có độ phân giải nhƣ
mong muốn
1.3.1. Phƣơng pháp du xích
Phƣơng pháp du xích chủ yếu áp dụng cho các thƣớc khắc vạch dạng cơ khí hoặc
quang học
a. Phƣơng pháp du xích cơ khí
Phƣơng pháp du xích cơ khí thƣờng gặp trên các thƣớc khắc vạch có dạng khắc
vạchcơ khí ví dụ nhƣ thƣớc cặp cơ khí, thƣớc vặn cơ khí …Phƣơng pháp này sử
dụng một thƣớc phụ còn gọi là du xích hoặc tang chia để chia nhỏ giá trị của thƣớc
vạch khắc.
Trƣờng hợp thƣớc phụ dạng thẳng: Gọi khoảng chia trên thƣớc chính là a, nếu
muốn giá trị độ chia trên thƣớc phụ là c thì số vạch chia trên thƣớc phụ sẽ là n với:
(1)
Giá trị độ chia của thƣớc phụ phụ thuộc vào độ lớn của khoảng vạch chia và số

Nguyễn Ngọc Khánh

18

Khóa 2011B


Luận văn thạc sĩ khoa học
lƣợng vạch chia trên thƣớc phụ


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

chuẩn 9 nằm áp sát kính chuẩn 7, chia độ 0,1 mm

Hình 17 - Cấu tạo thƣớc du xích xoắn
1.3.2. Phƣơng pháp nội suy
a. Nội suy bằng mạng điện trở
Các cảm biến điện tử hiện nay đều cho 2 kênh tín hiệu ra là các tín hiệu điện tử.
Một vài cảm biến cho tín hiệu ra dạng tín hiệu pha vuông góc. Các tín hiệu này có
pha lệch nhau góc 90º có dạng một tín hiệu sin(θ) ký hiệu là A và một tín hiệu
cos(θ) ký hiệu là B, với θ là góc pha trong một chu kỳ của tín hiệu điện tử. Những
tín hiệu này có thể đƣợc bình phƣơng và nạp vào bộ đếm chia 4 hoặc cũng có thể
Nguyễn Ngọc Khánh

20

Khóa 2011B


Luận văn thạc sĩ khoa học
đƣợc xử lý trực tiếp cho độ phân giải mịn hơn. Kỹ thuật chính là nhân bội các tín
hiệu lệch pha (1), bảng dò (2), xử lý arctang (3).
Phƣơng pháp nhân bội các tín hiệu lệch pha tăng tần số của tín hiệu pha vuông góc
dạng số lên một số nguyên lần. Trong trƣờng hợp tăng 4 lần, các tín hiệu A và B
đƣợc kết hợp thêm với 6 tín hiệu lệch pha, trong đó 3 tín hiệu lệch pha π/8, π/4 và
3π/8 tƣơng ứng từ tín hiệu A và 3 tín hiệu lệch pha tƣơng ứng từ tín hiệu B. Kết quả
có 8 tín hiệu hình sin lệch pha nhau α=iπ/8 với I = 0, 1, …, 7. Điều này cho thấy
muốn tăng độ phân giải lên m lần, cần có 2m tín hiệu lệch pha α=iπ/2m với i = 0, 1,
… 2m-1. Các tín hiệu sin lệch pha đƣợc bình phƣơng bằng các bộ biến đổi TTL.
Hình vẽ (Hình 19) chỉ ra kết quả bình phƣơng các tín hiệu. Cộng modun 2 các tín
hiệu mang giá trị lẻ của i đƣợc tín hiệu A’, cộng modun 2 các tín hiệu mang giá trị
chẵn của i đƣợc tín hiệu ’. Việc cộng modun 2 thực hiện bằng phép XOR

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


(4)

và o
n
o

o
n

n

(5)

o

(6)

Chú ý biên độ của các tín hiệu lệch pha không giới hạn, khi có các điểm đi qua giá
trị “0” của biên độ thì thực hiện điều chế chuyển đổi xung vuông. Các trọng số đƣợc
biến đổi nhỏ để đơn giản hóa việc thực hiện, dẫn đến sự thay đổi nhỏ chu trình thực
hiện của A’ và ’.
Các tín hiệu lệch pha có thể đƣợc điều chế bằng việc sử dụng các bộ chia điện áp và
các bộ khởi động Schmitt, trong đó các điện trở trong bộ chia tỉ lệ với tan(α). Khi m

Nguyễn Ngọc Khánh

21

Khóa 2011B



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