Đang tải... (xem toàn văn)
Đồ án thiết kế phần mềm
Đo lực và ứng suất Trang 1 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 đònh được những thông số vật lý cơ học khác như: độ võng tónh, moment, lực tác dụng, … Hiện nay đã có những máy đo như loại dùng đồng hồ chỉ thò 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 bò đo lường thông thường mà cho ta kết quả nhanh và chính xác. Các thiết bò, 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. SVTH :HÀ THANH LÂM - PHẠM TRỌNG QUỲNH Đo lực và ứng suất Trang 2 PHẦN A DẪN NHẬP SVTH :HÀ THANH LÂM - PHẠM TRỌNG QUỲNH Đo lực và ứng suất Trang 3 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 bò 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 bò 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 đònh 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 đònh được khối lượng mà vật đặt vào. Thông qua đại lượng trung gian này mà ta có thể xác đònh được: độ biến dạng ứng suất, độ võng . và đề tài này sẽ được tìm hiểu kỹ về cách thức xác đònh được các đại lượng này. Với đề tài “ĐO LỰC VÀ ỨNG SUẤT” này có thể dùng làm thiết bò đo lường ở phòng thí nghiệm. Do đó nhiệm vụ chủ yếu là phải hiển thò 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 thò kết quả dưới nhiều hình thức khác nhau (hiển thò chế độ văn bản, ở chế độ đồ thò). 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 thò kết quả trên màn hình. 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 thò 1 loạt các thông số: lực, ứng suất, biến dạng . thì sẽ trở nên gặp khó khăn SVTH :HÀ THANH LÂM - PHẠM TRỌNG QUỲNH Đo lực và ứng suất Trang 4 và hiển thò dưới đồ thò 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 dó chọn phương pháp này có ưu điểm là: - Có thể hiện thò cùng một lúc các thông số và đồ thò. - Tính toán và lập trình trên phần mềm Pascal so với xử lý và vi điều khiển. SVTH :HÀ THANH LÂM - PHẠM TRỌNG QUỲNH Đo lực và ứng suất Trang 5 CHƯƠNG I CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO BIẾN DẠNG I. KHÁI NIỆM VỀ BIẾN DẠNG: Khi đặt một lực vào vật thể, vật thể bò 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 vò 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 đònh 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 đạêc 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 chòu 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 đònh) song rất ít sử dụng. SVTH :HÀ THANH LÂM - PHẠM TRỌNG QUỲNH Đo lực và ứng suất Trang 6 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 bò biến dạng. Phương pháp này có điểm khó khăn là các biến dạng thường nhỏ do đó hầu hết các trường hợp sự dòch chuyển các 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 chòu 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 đònh biến dạng. Các thiết bò 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 SVTH :HÀ THANH LÂM - PHẠM TRỌNG QUỲNH W i n d i n g C o r d Đo lực và ứng suất Trang 7 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 không bò ảnh hưởng nhiệt độ cao tác động. Thêm vào đó, hệ số miếng đo luôn luôn 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 hoàn toàn 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 khô cứng trong vài giây dưới tác dụng của sức ép. b) Keo epoxy: Rất có hiệu quả, ổn đònh trong thời gian lâu với nhiệt độ đến 300 o c. c) Keo gốm: Khó áp dụng hơn vì cần thiết bò đặt biệt có vẻ mong manh yếu ớt, không 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 không quá bóng. SVTH :HÀ THANH LÂM - PHẠM TRỌNG QUỲNH E.F L L F R R = ∆ = ∆ trở điện đổi biếnđộ: R R ∆ Đo lực và ứng suất Trang 8 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. Nguyên lý: Đối cầu Wheatstone của hình 1: Tín hiệu đầu ra E m qua thiết bò đo với trở kháng Z m : R: điện trở danh nghóa ban đầu của các điện trở R 1 , R 2 , R 3 & R 4 (thường là 120Ω nhưng là 350Ω 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 đònh. Phần lớn Z m lớn hơn R rất nhiều (ví dụ như:Vôn 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 vò điện trở của 2 điện trở nghòch nhau. Đặc tính này của cầu Wheatstone thường được dùng để bảo đảm tính ổn đònh nhiệt của mạch đo và cũng để dùng cho các thiết kế đặc biệt. SVTH :HÀ THANH LÂM - PHẠM TRỌNG QUỲNH 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 RV Em m E Z m m H ì n h 1 : M a ïc h c a àu W h e a t s t o n e R 1 R 2 R 4 R 3 V Đo lực và ứng suất Trang 9 2. Cân bằng ban đầu: Trước khi bắt đầu việc thử nghiệm, điều quan trọng là nên nhớ đem tất cả các số ghi trên thiết bò trở lại số không. Điều này sẽ làm đơn giản cho việc thể hiện đo đạc và cho phép dùng thiết bò 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 đònh, R b là một thế kế nhiều vòng. Trong phần lớn thường sử dụng R a =20kΩ, R b =40kΩ 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). SVTH :HÀ THANH LÂM - PHẠM TRỌNG QUỲNH M a ïc h c a àu c a ân b a èn g b a n đ a àu E m R 1 R 2 R 3 R 4 V R a R b Đo lực và ứng suất Trang 10 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 bò chòu 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 bò kéo ra khỏi bởi lực P, những biến dạng tương tự sẽ là: ν: hệ số Poisson. A: tiết diện ngang. E: Modun đàn hồi. SVTH :HÀ THANH LÂM - PHẠM TRỌNG QUỲNH ευεε εεε . Và . 42 21 −== === EA P R 3 R 4 R 2 R 1 E V D A Active Dumm R3 R4 R2 R1 V [...]... ADC ICL 7109: A Kỹ thuật biến đổi ADC: Biến đổi Analog – Digital là thành phần cần thiết trong việc xử lý thông tin và các chức năng điểu khiển sử dụng phương pháp số, tín hiệu thực tế thì ở dạng Analog Một hệ thống tiếp nhận dữ liệu giao tiếp A/D để chuyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số để xử lý 1 Đặc tính kỹ thuật của mạch ADC: a Độ chính xác bất đònh do lượng tử hóa: Điện áp tương tự liên tục... 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 µVp-p + Dòng ngõ vào khoảng 1pA +Hoạt động có thể lêâøn đến 30 lần biến đổi trong 1 giây +Vi mạch bên trong sử dụng dao động thạch anh 3,58MHz sẽ cho 7,5 lần chuyển đổi trong 1 giây Ngoài ra nó có thể sử dụng dao động RC hoặc bất cứ tần số xung đồng hồ khác để tạo dao động... lực và ứng suất Trang 34 CHƯƠNG III THIẾT KẾ PHẦN CỨNG I MÔ HÌNH HÌNH HỌC SƠ ĐỒ KHỐI HỆ THỐNG ĐO: MẠCH CẢM BIẾN MẠCH CẦU WHEASTONE MẠCH CHỈNH OFFSET NGUỒN KÍCH DC CHO CẦU MẠCH GIAO TIẾP MÁY TÍNH NGUỒN DC II SƠ LƯC CHỨC NĂNG CÁC KHỐI: 1 Mô hình hình học: Mô hình hình học là những mô hình cơ khí sẽ chòu biến dạng dưới tác dụng lực ngoài Mô hình này kết hợp với miếng cảm biến tạo thành mạch cảm biến phục... lấy chuẩn, vì các điểm rời trên đặc tính chuyển lý thuyết nằm trên một đường thẳng nên độ chính xác tương đối cũng là độ phi tuyến c Thời gian và tốc độ chuyển đổi: Thời gian chuyển đổi: Thời gian chuyển đổi cần cho 1 lần chuyển đổi hoàn toàn Đối với phần lớn mạch đổi, thời gian này gọi là nghòch đảo của tốc độ đổi, nếu không có thêm các trì hoãn của hệ thống Tuy nhiên trong mạch đổi có tốc độ cao, lần... như vậy cho đến bit cuối cùng của SAR, lúc đó Va gần VR nhất d Mạch ADC dùng tín hiệu dốc đơn (Single ramp converter) : Tín hiệu chuẩn từng nấc được tạo bởi mạch ADC có thể được thay thế bởi điện áp chuẩn dốc liên tục do mạch tạo tín hiệu dốc lên liên tục tạo ra V a (t) V R + + V c (t) 1 V c 2( t ) M a ïc h t a ïo t í n h i e äu d o ác l e ân S R FF Q E O C Q M a ïc h đ e ám n b it CK M ãsố ra STA RT... lực và ứng suất Trang 11 Bốn miếng đo như vậy tạo thành cầu Wheatstone nên điện áp ở đầu ra sẽ là: ∆E = Em = K [ 2(1 +ν )ε ] K = VF (xem lại các biểu thức 1 & 2) 4 Độ uốn của thanh mẫu sẽ được cầu Wheatstone cảm nhận vì các miếng đo 1 và 3 ( cũng như 2&4) sẽ cộng các biến dạng có dấu nghòch với nhau và như thế sẽ tự triệt tiêu theo nhiệt độ Đây là nguyên lý được dùng thường xuyên trong việc thiết kế... lực và ứng suất Trang 21 • Khi VR>Va: Mạch SS1: VR=V(+) > V(-)=Va VC1=[1] Tại FF: S=VC1=[1] Q=1=EOC R= hết xung START =[0] Q=0Đóng cổng AND lại không cho xung CK vào mạch đếm, tạo tín hiệu EOC Tín hiệu dốc lên thường được tạo bởi mạch tích phân nối đến điện áp mẫu VR (hình b) e Mạch ADC dùng tín hiệu dốc đôi: Mạch đổi này dùng cách lấy tích phân để giải quyết khuyết điểm của mạch đổi dùng tín hiệu... Converter) có bộ phận chính là mạch so sánh: V a Đ i e än a ùp t ư ơ n g t ư ï v a øo M a ïc h t a ïo m a õ so á M a õ so á ra Đ i e än a ùp v a øo V R Do đó nhiệm vụ của mạch tạo ra mã số và mạch điều khiển logic là thử một bộ hệ số nhò phân a i sao cho hiệu số điện áp vào chưa biết V a và trò nguyên lượng tử hóa sau cùng nhỏ hơn 1 LSB 111 110 101 100 011 010 T ư ơ n g t ư ï v a øo 001 000 1 /2 L S... á R M a õ so á ra Sự khác nhau giữa các mạch đổi là cách thức thay đổi điện áp mẫu V R để xác đònh hệ số nhò 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 lượng tử hóa, lúc đó mạch tạo mã số ra có giá trò tương ứng với điện áp vào chưa biết SVTH :HÀ THANH LÂM - PHẠM TRỌNG QUỲNH... thường sử dụng là Strain – Gage Strain – Gage là cảm biến điện trở nghóa là sẽ thay đổi giá trò điện trở khi bò biến dạng 3 Mạch cầu Wheatstone: Cầu Wheatstone có cấu tạo gồm 3 điện trở cố đònh và một điện trở thay đổi (Strain – gage) nối nhau tạo thành mạch cầu Bình thường khi miếng Strain – gage chưa bò biến dạng thì hai nhánh điện trở cân bằng với nhau Lúc này nếu ta có 1 nguồn kích vào 2 điểm đối xứng . 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. 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
