Đo lực và ứng suất Trang 1 SVTH :HÀ THANH LÂM - PHẠM TRỌNG QUỲNH BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG…………… LUẬN VĂN Đo lực và ứng suất Đo lực và ứng suất Trang 2 SVTH :HÀ THANH LÂM - PHẠM TRỌNG QUỲNH LỜI GIỚI THIỆU Ngày nay việc đo lường và điều khiển được ứng dụng trong sản xuất công nghiệp cũng như trong phòng thí nghiệm rất hữu dụng. Lợi dụng việc đo ứng suất biến dạng từ đó mà ta có thể xác định được những thông số vật lý cơ học khác như: độ võng tĩnh, moment, lực tác dụng, … Hiện nay đã có những máy đo như loại dùng đồng hồ chỉ thị số P3500 được thực hiện tại phòng thí nghiệm. Khi khoa học công nghệ thông tin đã và đang phát triển thì máy vi tính bắt đầu thay thế các thiết bị đo lường thông thường mà cho ta kết quả nhanh và chính xác. Các thiết bị, hệ thống đo lường và điều khiển ghép nối với máy tính có độ chính xác cao, thời gian thu thập số liệu ngắn nhưng điều đáng quan tâm hơn là mức độ tự động hóa trong việc thu thập và xử lý các kết quả đó. Tuy nhiên để hệ thống đo lường và điều khiển ghép nối với máy tính hoạt động được thì ngoài phần mạch điện khuếch đại và chuyển đổi AD thì cần có chương trình được nạp vào máy tính để xử lý kết quả. Bài luận văn này cũng là một đề tài xử lý tín hiện điện tử bộ cảm biến cho phép máy tính có thể giao tiếp thông qua cổng máy in. Đo lực và ứng suất Trang 3 SVTH :HÀ THANH LÂM - PHẠM TRỌNG QUỲNH I. ĐẶT VẤN ĐỀ: Để hiểu được và làm chủ được các hiện tượng vật lý hóa học, y, sinh học trong đời sống chúng ta, đòi hỏi chúng ta phải có phương pháp đo và thiết bị đo lường sẽ giúp chúng ta đạt được mục đích này. Cùng với sự tiến bộ vượt bậc của công nghệ điện tử và công nghệ thông tin chúng ta có thêm các thiết bị đo lường điện tử ngày càng chính xác hơn, sử dụng thuận lợi hơn, hoạt động ở chế độ tự động hóa hoàn toàn. Để phục vụ cho việc tự động hóa trong công nghiệp, chúng ta phải đề cập đến các phương pháp và cảm biến đo các đại lượng không điện. Ví dụ như: lực, áp suất, nhiệt độ v.v Từ những đại lượng không điện này được cảm biến chuyển đổi thành đại lượng điện rồi xử lý tín hiệu bằng những mạch điện tử. Với mục đích là xác định độ biến dạng, ứng suất khi tác dụng một lực vào một đầu của một dầm ngang. Tức là đặt một vật có khối lượng vào đầu dầm, trên dầm có gắn Strain Gage (miếng đo biến dạng) mà từ đó ta có thể xác định được khối lượng mà vật đặt vào. Thông qua đại lượng trung gian này mà ta có thể xác định được: độ biến dạng ứng suất, độ võng và đề tài này sẽ được tìm hiểu kỹ về cách thức xác định được các đại lượng này. Với đề tài “ĐO LỰC VÀ ỨNG SUẤT” này có thể dùng làm thiết bị đo lường ở phòng thí nghiệm. Do đó nhiệm vụ chủ yếu là phải hiển thị được kết quả với sai số càng nhỏ càng tốt. II. GIỚI HẠN ĐỀ TÀI: Đo lực và ứng suất bằng máy tính. Nhờ sự trợ giúp của máy tính cộng với phần mềm Pascal cho phép người lập trình có thể hiển thị kết quả dưới nhiều hình thức khác nhau (hiển thị chế độ văn bản, ở chế độ đồ thị). Với thời gian ngắn chỉ có 10 tuần mà có nhiều vấn đề cần giải quyết, hơn nữa kiến thức về lập trình có giới hạn. Do đó trong khoảng thời gian đó, nhóm sinh viên thực hiện tập trung vào giải quyết những vấn đề sau: - Thiết kế phần cứng. - Viết chương trình xử lý tín hiệu từ bộ cảm biến để hiển thị kết quả trên màn hình. Đo lực và ứng suất Trang 4 SVTH :HÀ THANH LÂM - PHẠM TRỌNG QUỲNH III. CÁC PHƯƠNG PHÁP THỰC THI ĐỀ TÀI: Với những yêu cầu đó ta có thể đưa ra phương pháp để thực thi đề tài như sau:  Sử dụng kỹ thuật vi xử lý và vi điều khiển.  Dùng máy tính để xử lý. Với kỹ thuật vi xử lý và vi điều khiển nếu dùng led 7 đoạn để hiển thị 1 loạt các thông số: lực, ứng suất, biến dạng thì sẽ trở nên gặp khó khăn và hiển thị dưới đồ thị sẽ không thực hiện được. Do đó ở đây nhóm sinh viên thực hiện chọn máy tính để xử lý thông qua cổng máy in. Sở dĩ chọn phương pháp này có ưu điểm là: - Có thể hiện thị cùng một lúc các thông số và đồ thị. - Tính toán và lập trình trên phần mềm Pascal so với xử lý và vi điều khiển. Đo lực và ứng suất Trang 5 SVTH :HÀ THANH LÂM - PHẠM TRỌNG QUỲNH CHƯƠNG I CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO BIẾN DẠNG I. KHÁI NIỆM VỀ BIẾN DẠNG: Khi đặt một lực vào vật thể, vật thể bị thay đổi hình dạng. Trong trường hợp tổng quát, sự thay đổi này gọi là biến dạng. Ở đây chúng ta hiểu biến dạng như là sự thay đổi hình dạng trên 1 đơn vị dài hay là độ thay đổi chiều dài tương đối. II. CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO BIẾN DẠNG: Cùng với sự phát triển của kỹ thuật điện tử, kỹ thuật đầu dò, đặc biệt từ những năm 1970, người ta đã chế tạo ra rất nhiều dụng cụ đo biến dạng dựa trên các nguyên lý cơ khí, quang, điện âm thanh và nguyên lý khí nén Tuy nhiên không có một nguyên lý nào có thể thỏa mãn mọi yêu cầu kỹ thuật đặt ra. Do đó có rất nhiều hệ thống đo khác nhau để đáp ứng mọi yêu cầu đo trong phạm vi giải quyết những vấn đề khác nhau, sau đây là các phương pháp đo: 1. Phương pháp cơ khí: Phương pháp cơ khí đo biến dạng ngày nay ít được sử dụng, bởi vì đo biến dạng bằng điện trở chính xác hơn và dễ sử dụng. Tuy nhiên, dụng cụ đo cơ khí được gọi là Extensometer vẫn còn được sử dụng rộng rãi trong hệ thống kiểm tra vật liệu. 2. Phương pháp âm thanh: Phương pháp âm thanh đo biến dạng hiện nay hầu hết được thay đổi bằng phương pháp đo điện. Phương pháp đo biến dạng bằng âm thanh có nét độc đáo riêng, ổn định không mất độ chính xác theo thời gian. Phương pháp đo biến dạng bằng âm thanh vẫn được sử dụng dựa trên nguyên lý do ông R.S.Jerrett sáng chế vào năm 1944. 3. Phương pháp biến dạng bằng điện trở: Phương pháp đo biến dạng bằng điện trở này được xem là hoàn hảo nhất, chỉ trừ một số trường hợp đạc biệt phương pháp này không sử dụng được. Phương pháp này được xem là phổ biến nhất hiện nay dựa trên nguyên lý do ông Kelvin phát hiện năm 1856. 4. Phương pháp đo biến dạng bằng chất bán dẫn: Ưu điểm có độ nhạy cao nhưng giá thành lại cao. Phạm vi đo chịu ảnh hưởng nhiều về yếu tố nhiệt độ. Phương pháp này dùng để đo biến dạng rất nhỏ vì nó cực nhạy (với điều kiện nhiệt độ ổn định) song rất ít sử dụng. 5. Phương pháp đo biến dạng bằng phương pháp lưới: Phương pháp này có từ lâu đời, đặt lưới lên mẫu thử chụp hình trước và sau khi đạt tải trọng, lưới sẽ bị biến dạng. Phương pháp này có điểm khó khăn là các biến dạng thường nhỏ do đó hầu hết các trường hợp sự dịch chuyển các Đo lực và ứng suất Trang 6 SVTH :HÀ THANH LÂM - PHẠM TRỌNG QUỲNH mắt lưới không bảo đảm tính chính xác. Để sử dụng phương pháp biến dạng đủ lớn (cho chất dẻo cao su) rất hiệu quả. 6. Phương pháp tạo mẫu Hickson (phương pháp lưới): Đặt tờ giấy nhám lên vật mẫu kéo theo 2 phương để tạo vết trầy. Để đo biến dạng trên mẫu thử rất khó nên người ta lấy tấm hợp kim mỏng dán lên chỗ trầy, để in lên tấm phim đó, thay vì đo vật mẫu người ta đo vết trầy lên tấm phim. Trong suốt 50 năm qua phương pháp đo biến dạng bằng điện trở đã được sử dụng rộng rãi vì sự đơn giản cũng như kết quả đáng tin cậy của chúng. Do đó trong đề tài này nhóm sinh viên thực hiện đo biến dạng bằng điện trở. III. ĐO BIẾN DẠNG BẰNG STRAIN GAGE: Miếng đo biến dạng (strain - gage) là một cấu kiện điện trở được dùng để dán lên một bộ phận biến dạng. Mức biến dạng của bộ phận thông qua lớp keo được truyền sang miếng đo. Miếng đo như vậy phải chịu một sự biến động tỷ lệ với điện trở của nó. Strain Gage (SG-miếng đo biến dạng) là một trong những công cụ quan trọng của kỹ thuật đo lường điện tử được áp dụng đo các đại lượng cơ học. Đúng như tên gọi, nó được sử dụng để đo biến dạng. Biến dạng của một vật thể được gây ra bởi tác nhân bên ngoài hoặc bên trong, làm sinh ra ứng suất. Do vậy trong phân tích ứng suất thực nghiệm người ta sử dụng rộng rãi phương pháp xác định biến dạng. Các thiết bị biến dạng cho đến nay đã được nhiều hãng chế tạo như: Hottinger Baldwin, Messttechnik, Micromesures Vishay Strain Gage được tạo ra với 2 kết cấu là lưới phẳng và dạng ống trụ. a. Dạng lưới phẳng b. Dạng ống trụ Winding Cord Đo lực và ứng suất Trang 7 SVTH :HÀ THANH LÂM - PHẠM TRỌNG QUỲNH 1. Hệ số miếng đo (Gage factor): Sự thay đổi điện trở của một cấu kiện có điện trở biến đổi được tùy thuộc vào quan hệ sau: Với R: là điện trở ban đầu của cấu kiện. L: chiều dài ban đầu của cấu kiện. F : hệ số miếng đo. Một miếng đo lý tưởng phải có một điện trở rất lớn, một hệ số đo cực đại và một mức giới hạn đàn hồi cao, đồng thời lại khơng bị ảnh hưởng nhiệt độ cao tác động. Thêm vào đó, hệ số miếng đo ln ln bất biến cho dù mức biến dạng có lớn đến đâu đi chăng nữa. Để miếng đo có thể hoạt động một cách thích hợp theo sức căng cũng như sức nén, sợi điện trở phải càng mỏng để cho lớp keo có thể truyền hồn tồn mức biến dạng của bộ phận sang miếng đo. 2. Chất keo dán: a) Keo cyanoacrylate: Rất thực dụng cho việc áp dụng bình thường trong thời gian ngắn, nhiệt độ áp dụng dưới 100 0 C. Sẽ khơ cứng trong vài giây dưới tác dụng của sức ép. b) Keo epoxy: Rất có hiệu quả, ổn định trong thời gian lâu với nhiệt độ đến 300 o c. c) Keo gốm: Khó áp dụng hơn vì cần thiết bị đặt biệt có vẻ mong manh yếu ớt, khơng cho phép dùng với những biến dạng lớn.,sử dụng được đến 600 o c. d) Hàn: Đây là cách thức thực tế nhất để dùng ở nhiệt độ cao cho các miếng đo trong vỏ bọc kim loại rất đặc. Cần chú ý là bề mặt để dán phải được tẩy sạch dầu mỡ và sau đó được trung hòa bằng hóa chất. Để tạo ra bề mặt có tính chất lý tưởng đối với loại keo này, bề mặt phải được làm sạch vết rỉ để tạo ra bề mặt nhẵn nhưng khơng q bóng. IV. MẠCH CẦU WHEATSTONE: Cầu Wheatstone là mạch cầu được chọn nhiều nhất trong việc đo những biến dạng điện trở nhỏ (tối đa 10%) như trong việc dùng các miếng đo biến dạng. 1. Ngun lý: E.F L L F R R     trở điện đổi biếnđộ: R R  Đo lực và ứng suất Trang 8 SVTH :HÀ THANH LÂM - PHẠM TRỌNG QUỲNH Đối cầu Wheatstone của hình 1: Tín hiệu đầu ra E m qua thiết bị đo với trở kháng Z m : R: điện trở danh nghĩa ban đầu của các điện trở R 1 , R 2 , R 3 & R 4 (thường là 120 nhưng là 350 cho các bộ biến cảm). V: điện áp cung cấp cho cầu. Điện áp cung cấp cho cầu là một nguồn năng lượng cung cấp thật ổn định. Phần lớn Z m lớn hơn R rất nhiều (ví dụ như:Vơn kế, bộ khuếch đại với liên kết trực tiếp) do đó thì phương trình (1) trở thành: Từ (2) có nhận xét là: sự thay đổi đơn vị điện trở của 2 điện trở nghịch nhau. Đặc tính này của cầu Wheatstone thường được dùng để bảo đảm tính ổn định nhiệt của mạch đo và cũng để dùng cho các thiết kế đặc biệt. 2. Cân bằng ban đầu: trở. điện của vò đơn đổi Biến: (1) 4 4 3 3 2 2 1 1 14 R R R R R R R R R R Zm R V Em                         2 4 4 3 3 2 2 1 1 4               R R R R R R R R V Em m E Zm m Hình 1: Mạch cầu Wheatstone R1 R2 R4 R3 V Mạch cầu cân bằng ban đầu Em R1 R2 R3 R4 V Ra Rb Đo lực và ứng suất Trang 9 SVTH :HÀ THANH LÂM - PHẠM TRỌNG QUỲNH Trước khi bắt đầu việc thử nghiệm, điều quan trọng là nên nhớ đem tất cả các số ghi trên thiết bị trở lại số không. Điều này sẽ làm đơn giản cho việc thể hiện đo đạc và cho phép dùng thiết bị tốt hơn. Hình trên cho thấy một phương pháp thường dùng để đảm bảo cho việc cân bằng ban đầu. R a là điện trở cố định, R b là một thế kế nhiều vòng. Trong phần lớn thường sử dụng R a =20k, R b =40k đủ thích hợp cho việc cân bằng. Trong trường hợp của các bộ biến cảm, việc cân bằng có thể thực hiện trực tiếp lên bộ cảm biến bằng cách thêm những điện trở vào mạch các miếng đo. 3. Các đặc tính của cầu: a) Bù nhiệt: Phần lớn các miếng đo biến dạng hiện nay đều có khả năng tự động cân bằng. Thí dụ, một miếng đo được cân bằng cho phép về lý thuyết sẽ không cho thấy sự thay đổi điện trở nào khi miếng thép mà miếng đo được dán lên sẽ giãn nở khi nhiệt độ thay đổi. Đặc tính tự cân bằng này có được là nhờ việc xử lý nhiệt áp dụng cho kim loại dùng để chế tạo ra miếng đo. Cách xử lý nhiệt này chỉ có hiệu quả trong một tầm nhiệt độ giới hạn nào đó. Bằng cách dùng cầu Wheatstone ta cũng có thể chế tạo mạch cân bằng nhiệt độ. Như đã biết, sự thay đổi nhiệt độ của 2 nhánh cầu kề nhau sẽ tự triệt tiêu nên miếng đo cân bằng D được nối vào mạch cầu Wheatstone với miếng đo hữu công A. (xem hình vẽ). Đo lực và ứng suất Trang 10 SVTH :HÀ THANH LÂM - PHẠM TRỌNG QUỲNH Mạch cân bằng nhiệt độ. Miếng đo D cũng có cùng tính chất như miếng đo A và cũng được dán lên khối vật liệu; trong khi dán các miếng đo, khối vật liệu thử nghiệm này không bị chịu một lực tác động nào. Ngoài ra 2 miếng đo A&D nên được đặt gần với nhau càng tốt; tất cả sự thay đổi nhiệt độ chung cả hai miếng đo này sẽ được triệt tiêu và nó sẽ tự cân bằng nhiệt độ. b) Sự kết hợp các miếng đo: Cầu Wheatstone cho phép kết hợp nhiều miếng đo hữu công. Hình trên cho thấy bốn miếng đo được dán lên thanh mẫu. Khi thanh mẫu bị kéo ra khỏi bởi lực P, những biến dạng tương tự sẽ là: : hệ số Poisson. A: tiết diện ngang. E: Modun đàn hồi. Bốn miếng đo như vậy tạo thành cầu Wheatstone nên điện áp ở đầu ra sẽ là:     . 1 2   K Em E   . Vaø . 42 21   EA P R3 R4 R2 R1 E V D A Active Dumm R3 R4 R2 R1 V [...].. .Đo lực và ứng suất Trang 11 Độ uốn của thanh mẫu sẽ được cầu Wheatstone cảm nhận vì các miếng K VF (xem lại các biểu thức 1 & 2) 4 đo 1 và 3 ( cũng như 2&4) sẽ cộng các biến dạng có dấu nghịch với nhau và như thế sẽ tự triệt tiêu theo nhiệt độ Đây là ngun lý được dùng thường xun trong việc thiết kế các bộ cảm biến SVTH :HÀ THANH LÂM - PHẠM TRỌNG QUỲNH Đo lực và ứng suất Trang 12 CHƯƠNG... chỉnh từ 2V đến 37V Có thể dùng như bộ điều chỉnh tuyến tính hay đóng ngắt SVTH :HÀ THANH LÂM - PHẠM TRỌNG QUỲNH Đo lực và ứng suất Trang PHẦN C THIẾT KẾ SVTH :HÀ THANH LÂM - PHẠM TRỌNG QUỲNH 33 Đo lực và ứng suất Trang 34 CHƯƠNG III THIẾT KẾ PHẦN CỨNG I MƠ HÌNH HÌNH HỌC SƠ ĐỒ KHỐI HỆ THỐNG ĐO: MẠCH CẢM BIẾN MẠCH CẦU WHEASTONE NGUỒN KÍCH DC CHO CẦU MẠCH CHỈNH OFFSET MẠCH GIAO TIẾP MÁY TÍNH NGUỒN DC II... 24 Đo lực và ứng suất Trang 25 Đặc điểm: + ADC 12 bit nhị phân (cộng với bit cực tính và bit tràn) hoạt động theo phương pháp tích phân hai độ dốc +Ngõ ra 3 trạng thái tương thích TTL và với kiểu giao tiếp UART thì phù hợp với giao tiếp song song hoặc giao tiếp với hệ thống vi xử lý +Ngõ vào Run/Hold và Status được dùng để theo dõi và kiểm tra sự chuyển đổi Mức nhiễu thấp khoảng 15 Vp-p + Dòng ngõ vào... so sánh: SVTH :HÀ THANH LÂM - PHẠM TRỌNG QUỲNH Đo lực và ứng suất Trang V Điện áp a tương tự vào Mạch tạo mã số 15 Mã số ra Điện áp vào V R Do đó nhiệm vụ của mạch tạo ra mã số và mạch điều khiển logic là thử một bộ hệ số nhị phân ai sao cho hiệu số điện áp vào chưa biết Va và trị ngun lượng tử hóa sau cùng nhỏ hơn 1 LSB 111 110 101 100 011 010 Tương tự vào 001 000 1/2 LSB 1 2 3 4 5 6 7 V FS +1/2 LSB... 74257 là IC đa hợp có ngõ ra 3 trạng thái Các ngõ vào được chọn nhờ 4B (13) vào chân Select và Output Enable Select (1) Họ 54LS và 54S được dùng trong kỹ thuật qn sự với khoảng nhiệt độ làm việc từ –550C  1250C 14069 Họ 74LS và 74S dùng trong dân dụng có khoảng nhiệt độ làm việc trong khoảng 0 – 700C SVTH :HÀ THANH LÂM - PHẠM TRỌNG QUỲNH 4Y Đo lực và ứng suất Trang 31 Khảo sát IC 7414: Sơ đồ chân IC 7414... hợp ATOR KÝ HIỆU CHỨC NĂNG COMMON INPUT LO Ngõ vào tương tự INPUT HI Ngõ vào tương tự REF IN + Điện áp chuẩn dương REF CAP + Ap dương trên tụ REF CAP - Ap âm trên tụ SVTH :HÀ THANH LÂM - PHẠM TRỌNG QUỲNH Đo lực và ứng suất 39 40 REF IN V+ Trang 27 Điện áp chuẩn âm Nguồn cung cấp dương = +5V CHỨC NĂNG CỤ THỂ CỦA CÁC CHÂN ĐIỀU KHIỂN: - NGÕ VÀO MODE: Ngõ vào Mode dùng điều khiển trạng thái biến đổi của... số ra có giá trị tương ứng với điện áp vào chưa biết SVTH :HÀ THANH LÂM - PHẠM TRỌNG QUỲNH Đo lực và ứng suất Trang 17 b Mạch ADC dùng điện áp mẫu VR hình nấc thang:  Dạng mạch cơ bản: V (+) - a + V=V R R S DAC DAC n bit FF Q Q EOC Mã số ra CK xung đồng hồ tần số fc Mạch đếm n bit START dốc lên Để tạo điện áp mẫu nấc thang so sánh với điện áp vào dùng mạch ADC mà số nhị phân vào được lấy từ một mạch... i 1 V Điện áp a tương tự vào so sánh Mạch tạo mã số Điện áp mẫu VR SVTH :HÀ THANH LÂM - PHẠM TRỌNG QUỲNH Mã số ra Đo lực và ứng suất Trang 16 Sự khác nhau giữa các mạch đổi là cách thức thay đổi điện áp mẫu VR để xác định hệ số nhị phân ai Điện áp tương tự chưa biết là Va và điện áp chuẩn là VR được nối ở hai ngõ vào của mạch so sánh Khi VR tăng từ 0 đến điện áp tương tự vào với sai số bằng sai số... B C b a l Hình mơ hình kiểm nghiệm dầm chịu uốn Mục đích: xác định ứng suất biến dạng tại vị trí C trên dầm chịu uốn ngang phẳng Từ đó dựa vào quan hệ cơ học để tìm các đại lượng: độ võng, lực, moment SVTH :HÀ THANH LÂM - PHẠM TRỌNG QUỲNH Đo lực và ứng suất Ứng suất :   Trang p a W Với W  Biến dạng : ε  a p W.E Chuyển vò : δ  36 B H 2 6 B.H 6 3 l3 p 3.E.J J Trong đó : W : moment chống uốn E :... QUỲNH Đo lực và ứng suất Trang 35 trạng thái cân bằng nên vẫn có điện áp lệch ở ngõ ra Mạch offset có tác dụng chỉnh cho điện áp ngõ ra bằng 0V lúc cầu cân bằng 6 Mạch giao tiếp máy tính: Phần mạch giao tiếp máy tính bao gồm: Mạch khuếch đại, mạch chuyển đổi AD và phần mềm xử lý dữ liệu Mạch khuếch đại: vì điện áp xuất hiện ở ngõ ra của cầu Wheatstone có giá trị rất bé nên trước khi đưa vào ngõ vào của . Đo lực và ứng suất Trang 1 SVTH :HÀ THANH LÂM - PHẠM TRỌNG QUỲNH BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG…………… LUẬN VĂN Đo lực và ứng suất. Đo lực và ứng suất Trang 2 SVTH :HÀ THANH LÂM - PHẠM TRỌNG QUỲNH LỜI GIỚI THIỆU Ngày nay việc đo lường và điều khiển được ứng dụng trong