NIST Kỹ thuật xác minh độ chính xác của thanh tỷ lệ nhanh hơn

Các nhà khoa học tại Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Quốc gia (NIST) ở Hoa Kỳ đã nghĩ ra một cách mới, chính xác, dễ vận hành, tiết kiệm thời gian và nhân công để cung cấp các tiêu chuẩn thanh tỷ lệ đã hiệu chuẩn để kiểm tra hiệu suất của laser trên mặt đất. hệ thống máy quét (TLS).

Công nghệ TLS được sử dụng rộng rãi để tạo ra các hình ảnh kỹ thuật số 3D chi tiết, độ phân giải cao về địa hình, tòa nhà, thảm thực vật, dự án xây dựng, pháp y hiện trường vụ án và – ngày càng – các vật thể rất lớn như các bộ phận khung máy bay phải được lắp với nhau một cách chính xác, thường xuyên trên quy mô vài trăm micromet (một phần triệu mét; một sợi tóc người dày khoảng 100 micromet).

Nhà khoa học dự án NIST Vincent Lee cho biết: “Tất nhiên, đối với trắc địa và khảo sát và hầu hết các mục đích sử dụng pháp y, bạn không thực sự cần độ phân giải micromet. “ Nhưng các hệ thống TLS hiện nay thường được sử dụng trong ngành hàng không vũ trụ và đóng tàu, nơi các bộ phận lớn phải được nối với nhau rất tỉ mỉ, chẳng hạn như cánh vào thân máy bay. Đó là nơi các phép đo từ vài trăm micromet đến milimet thực sự quan trọng.”Và đó là nơi kiểm tra hệ thống cẩn thận thực sự quan trọng.

Nhiều hệ thống TLS hoạt động giống như radar. Các hệ thống radar phát ra các chùm tia vi sóng và phát hiện khoảng cách tới cũng như hình dạng của các mục tiêu bằng cách đo lượng thời gian cần thiết để chùm tia đó tấn công mục tiêu và dội ngược trở lại máy dò – thời gian càng dài thì khoảng cách càng lớn .

TLS sử dụng ánh sáng laser xung thay vì vi sóng. Một số hệ thống TLS được thiết kế để thu thập hàng trăm nghìn điểm dữ liệu vị trí (hoặc nhiều hơn) mỗi giây và cung cấp các phép đo chính xác đến vài milimet ở phạm vi 100 mét.

Tất nhiên, điều đó chỉ khả thi nếu các hệ thống đã được thử nghiệm đầy đủ, một quy trình bao gồm việc xác định mức độ chính xác mà chúng có thể đo các đối tượng tham chiếu đã hiệu chuẩn có kích thước đã biết chính xác. Các giao thức đồng thuận quốc tế (tức là,  ASTM E3125-17 ) yêu cầu nhiều thử nghiệm độ dài, thường được thực hiện bằng cách sử dụng một thanh tỷ lệ tham chiếu rộng khoảng 15 cm và dài 2,3 mét (khoảng 7,5 feet). [Xem Video 1 ở trên]

Được gắn ở mỗi đầu và ở giữa thanh là ba mục tiêu: các quả cầu nhôm màu xám mờ trung bình, các tâm của chúng được đặt ở khoảng cách có lẽ đã biết chính xác với nhau trong quá trình sản xuất. Việc hiệu chỉnh một thanh tỷ lệ để nó có thể đóng vai trò là tiêu chuẩn đòi hỏi phải đo và xác minh các khoảng cách đó.

Một phương pháp quen thuộc yêu cầu nhà sản xuất khoan các lỗ nhỏ xuyên qua cả hai mặt của mỗi quả cầu, căn chỉnh sao cho tất cả các lỗ đều thẳng hàng chính xác. Kết quả là, một chùm tia laze hẹp duy nhất từ ​​thiết bị theo dõi laze được chiếu qua các lỗ từ một đầu của thanh, đi tới đầu kia, đập vào một gương phản xạ ngược đặc biệt và quay trở lại để thoát khỏi lỗ đầu tiên và đi vào máy dò trong theo dõi laze. Phép đo được lặp lại để đo khoảng cách giữa mỗi mục tiêu.

Hình ảnh động bên trên minh họa một phương pháp cũ hơn, tốn nhiều thời gian hơn để kiểm tra độ chính xác của máy quét laze trên mặt đất (TLS), được gọi là phương pháp tầm nhìn thẳng (LOS). Tín dụng: Sean Kelley/NIST.

Phương pháp line-of-sight (LOS) đó hiện đang là kỹ thuật được ưa thích trên thực tế. Vì tốc độ ánh sáng là một hằng số cố định đã biết chính xác nên thời gian khứ hồi là thước đo khoảng cách có độ nhạy cao.

“Nhưng khi một công ty gửi cho chúng tôi một thanh tỷ lệ, chúng tôi nhận thấy quy trình LOS rất, rất khó khăn,” nhà nghiên cứu khách mời của NIST và Phó Giáo sư tại Đại học Jiliang Trung Quốc, Ling Wang, thành viên của nhóm đã báo cáo phát hiện của mình vào tháng Hai. Số đo lường năm 2020  . “ Chúng tôi gặp một số khó khăn trong việc căn chỉnh chùm tia hoàn hảo qua những lỗ nhỏ đó và sau đó nghĩ về cách ai đó sẽ làm điều này trên thực địa. Vì vậy, chúng tôi đã nói, ‘Hãy nghĩ ra một cách thay thế dễ dàng hơn cho người dùng’.”Phương pháp mới loại bỏ nhu cầu khoan lỗ trên mục tiêu và cho phép đo chính xác với thiết bị theo dõi laze được thiết lập cách thanh tỷ lệ vài mét.

Bởi vì các mục tiêu được gắn cứng vào thanh tỷ lệ và thanh này không linh hoạt, nên nguồn không chắc chắn chính trong việc đo kích thước thanh tỷ lệ là độ chính xác ‘phạm vi’ của thiết bị theo dõi laze. Một tập hợp các phép đo từ một vị trí và hướng cố định có thể bao gồm các lỗi do sự sai lệch nhỏ của các bộ phận theo dõi và/hoặc sự bất thường trong “bộ mã hóa” xử lý thông tin góc ngang và dọc.

Để giảm thiểu các nguồn không chắc chắn đó, nhóm NIST đã quyết định thực hiện các phép đo khoảng cách của các trung tâm mục tiêu từ bốn hướng theo dõi khác nhau: lần đầu tiên đi thẳng và sau đó thêm ba lần nữa khi thiết bị theo dõi được xoay theo gia số 90 độ so với thanh tỷ lệ . (Xem video.) Các nhà nghiên cứu đưa ra giả thuyết rằng việc lấy trung bình các phép đo từ tất cả các hướng sẽ tạo ra kết quả đọc có sai số tối thiểu.

Chùm tia của thiết bị theo dõi cuối cùng cũng có thể xoay 360 độ theo chiều dọc và nhóm đã thực hiện các phép đo vị trí mục tiêu với nguồn/bộ phát hiện chùm tia (‘mặt trước’) hướng lên trên và các phép đo tương tự với ‘mặt sau’ lộn ngược. Một lần nữa, lấy trung bình các phép đo đã loại bỏ sai số.

Các nhà khoa học cũng thực hiện các phép đo cẩn thận về kích thước mục tiêu bằng kỹ thuật LOS. Khi chúng được so sánh với các phép đo bằng phương pháp ‘bốn hướng, hai mặt’ mới, sự khác biệt không quá vài micromet, quá nhỏ để có ý nghĩa thực tế. Và “nó có thể được thực hiện trong 15 hoặc 20 phút, so với một hoặc hai giờ – hoặc hơn – bằng cách sử dụng phương pháp LOS rất bất tiện,” nhà khoa học NIST Bala Muralikrishnan cho biết.

Daniel Sawyer, lãnh đạo của NIST cho biết : “Các nhà khoa học của NIST hỗ trợ nhu cầu đo lường kích thước của ngành sản xuất tiên tiến của Hoa Kỳ đang đáp ứng nhu cầu của ngành để cung cấp các phương pháp và kỹ thuật cung cấp thêm thông tin và khả năng cho người dùng tại hiện trường và tại điểm sản xuất”. Nhóm đo lường kích thước. “Sự phát triển mới này đáp ứng nhu cầu công nghiệp quan trọng này cho phép sử dụng các công cụ quét laser sẽ giải quyết các thách thức đo lường mới nổi trong sản xuất tiên tiến quy mô lớn.”

Giống như nhiều nỗ lực thành công của NIST nhằm cải thiện đo lường cho mục đích thương mại, dự án được hưởng lợi từ một đối tác trong ngành – trong trường hợp này là Bal-tec Industries, công ty đã cung cấp thang đo ba hình cầu cho nghiên cứu.

“Nỗ lực chung này đã dẫn đến một phương pháp mới dễ dàng hơn để hiệu chỉnh các thanh tỷ lệ, tạo ra một cách để người dùng TLS đánh giá các hệ thống đo lường của họ một cách nhanh chóng và thuận tiện hơn. Cho dù trong phòng thí nghiệm hay ngoài hiện trường, phương pháp này hoạt động theo các tiêu chuẩn đã công bố như ASTM E3125-17,” đồng tác giả bài báo Joseph Gleason, Giám đốc Kỹ thuật tại ScanningSpheres, một bộ phận của Bal-tec cho biết.

Giấy kỹ thuật: L. Wang, B. Muralikrishnan, V. Lee, P. Rachakonda, D. Sawyer và J. Gleason. Các phương pháp hiệu chỉnh thanh tỷ lệ ba hình cầu để đánh giá hiệu suất máy quét laze theo tiêu chuẩn ASTM E3125-17. Đo đạc. Xuất bản tháng 2 năm 2020.

Để biết thêm thông tin: www.nist.gov