đo lực và ứng suất, chương 8 ppt

Chương 8: THIẾT KẾ PHẦN CỨNG I. SƠ ĐỒ KHỐI HỆ THỐNG ĐO: 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 vụ cho việc đo biến dạng. Các mô hình thường được sử dụng là: + Vòng chòu kéo nén. + Dầm chòu uốn ngang phẳng. + Dầm uốn và xoắn đồng thời. Tuy nhiên mô hình đơn giản và trực quan nhất vẫn là mô hình dầm chòu uốn ngang phẳng. 2. Mạch cảm biến: Cảm biến 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. MÔ HÌNH HÌNH HỌC MẠCH CẢM BIẾN MẠCH CẦU WHEASTONE MẠCH CHỈNH OFFSET MẠCH GIAO TIẾP MÁY TÍNH NGUỒN KÍCH DC CHO CẦU NGUỒN DC 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 của cầu thì giữa 2 điểm đối xứng còn lại áp ra sẽ bằng không tức cầøu cân bằng. Khi có tác dụng lực sẽ làm thay đổi điện trở strain-gage, lúc này cầu mất cân bằng và sẽ xuất hiện điện áp ở ngõ ra. Với sự thay đổi điện trở Strain – gage kéo theo sự thay đổi điện áp ngõ ra. Đó là nguyên lý cơ bản của cầu Wheatstone. 4. Nguồn kích DC: Để cầu Wheatstone hoạt động thì ta phải cung cấp 1 nguồn DC ổn đònh. Giá trò điện áp kích này thay đổi tùy theo từng bộ cảm biến. 5. Mạch chỉnh Offset: Bình thường, nếu trong điều kiện lý tưởng khi cầu ở trạng thái cân bằng thì điện áp ngõ ra bằng 0V. Tuy nhiên trong thực tế rất khó có thể chỉnh cầu về 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 trò rất bé nên trước khi đưa vào ngõ vào của mạch chuyển đổi AD thì tín hiệu điện áp này phải được khuyếch đại đủ lớn để đáp ứng ngõ vào của mạch AD. Mạch khuyếch đại thường chia làm 3 tầng trong đó có 1 tầng có tác dụng lọc nhiễu nguồn. Mạch chuyển đổi AD: để giao tiếp với máy tính thì tín hiệu tương tự (analog) phải được chuyển sang tín hiệu số (digital) bằng mạch ADC. Tín hiệu số này sẽ được đưa vào máy tính qua cổng máy in. Phần mềm xử lý dữ liệu: phần mềm được viết bằng ngôn ngữ PASCAL với chức năng xử lý để cho ra kết quả dưới các dạng khác nhau III. THIẾT KẾ PHẦN CỨNG: 1. Mô hình dầm chòu uốn ngang phẳng: Mô hình dầm chòu uốn ngang phẳng là một thanh thẳng có mặt cắt ngang hình chữ nhật B.H (B=50mm, H=5mm). Một đầu được kẹp vào ngàm, đầu kia tự do để treo cân. Tại C có dán một miếng Strain –Gage có phương trùng với phương chính. Hình mô hình kiểm nghiệm dầm chòu uốn a b l C B H P max max   Mục đích: xác đònh ứng suất biến dạng tại vò trí C trên dầm chòu uốn ngang phẳng. Từ đó dựa vào quan hệ cơ học để tìm các đại lượng: độ võng, lực, moment tính.quánMoment : J thanh.làmliệuvật của hồiđànmodun:E uốn.chốngmoment : W:đóTrong .p 3.E.J l :vòChuyển 6 B.H J .p W.E a :dạngBiến WVới :suấtỨng 3 3    δ ε 6 H.B W a.p 2 Mạch bù R U R U Khuếch đại bổ sung Mạch AD Máy tính  Sơ đồ bố trí Strain Gauge 2. Chọn cảm biến Strain – Gage và chọn hệ số mạch khuếch đại: Chọn cảm biến có các thông số sau: Chòu lực max : 20000N. Tỷ lệ áp ra trên áp kích là 2mV/V. p kích tối đa 15V. Thực tế việc tìm cảm biến rất khó và giá thành rất đắt. Tuy nhiên để minh họa ý tưởng thiết kế nhóm sinh viên thực hiện có liên hệ mượn được strain – gage có các thông số sau: Chòu lực max : 2kg. Tỷ lệ áp ra trên áp kích là 1mV/V. Điện trở strain - gage 120 . Chọn áp kích cho strain gage là 5V.  áp ra tối đa của cảm biến là : 5V.1mV/V = 5mV. Chọn hệ số mạch khuếch đại : ADC mắác theo tầm đo lưỡûng cực +/-5V ứng với 4096 mức lượng tử từ 000H – FFFH. 2000 gram  5mV(cầu)  5V(ADC).  hệ số mạch khuếch đại là :5V/ 5mV = 1000. 3. Tính toán và thiết kế mạch khuyếch đại DC: Các yêu cầu của mạch khuyếch đại: - Khuếch đại tuyến tính: do tín hiệu đầu vào cần khuếch đại là điện áp DC rất nhỏ, do đó sự thay đổi này là rất chậm. - Có khả năng khuếch đại điện áp sai biệt của 2 ngõ vào. - Có khả năng chống nhiễu tần số công nghiệp. - Từ những yêu cầu trên ta có dạng mạch khuếch đại như sau: V2 V1 + + Va Vb + C2 C1 R6 R5 R4 R2 R1 R9 R3 - Chọn Op.Amp là TL 082. - Điện áp 2 ngõ vào V a và V b được lấy từ cầu Wheatstone. a. Tầng thứ nhất: 1 3 1 b 1 3 1 4113 4321 13 1`3 42 4 )()( 23 113 )( 3 1 1 (-) 42 4 )( 4 )( 2 )( A là1thứtầngđại khuếchsố hệđóDo ne. Wheatstocầu từlệchsaiápđiện)(V ) ( R:đóKhi .;RchọntagiảnđơnĐể VcótaOp.ampcủachất tínhTheo 0 .VchoKirchhoffluật Đònh . . V cho Kirchhoff luât đònh Viết R R V VV R R V RVVRV RRR RR vRvR RR Rv V RR RvRv v R vv R vv RR Rv v R v R vv a ab ba ab a a bb                            Vb v+ v- Va R3 R2 R1 R4 V1 V1 + Va Vb R4 R2 R1 R3 Tầng thứ 2: Đây là mạch lọc tầng thấp bậc 2 hồi tiếp dương. Hàm truyền của mạch được viết như sau : Tra bảng giá trò a 1 ,b 1 này ở bảng 2 loại bộ lọc Butterworth (*). (Trang 26 – tính toán và ứng dụng mạch lọc tích cực – KS. Ngô Anh Ba).     222 1 21 2 11 0 )( 22 2 2 )( 2165 8 7 2 2 2165 2 152652 2 )( )3.( thấyTa 1 2 bậcthấptầngcủaquát tổngtruyền hàm sánhSo .) ().3( 1 làsẽnàylúctruyềnHàm .CvàR trò.giácácchocách bằngtoántínhthứccônggiảnđơnĐể 1óTrong )1().(.1 CRb ACRa pbpa A A pCRpARC A A CCRR R R pCCRRpCRARRC A A C C p CC p CC p               V1 V2 + R8 R5 C2 R7 R6 C1 Hz.8,8flạitínhtaF10CChọn .9,8 10.8,1.50 2 1 2 1 .10fchọn50Hzsốtầnởnhiễuchế hạnĐể .1,8kRđượcTa 6.358,3 6,510 6,5.10 )//(R2RChọn 6,5Chọn;8,5;10R .58,0586,1 R R 1 raSuy 586,123 1 2)3( .1,2đượcTa C 3 C 87 778 8 7 8 7 2 222 2 11                         F Rf C Hz kkR kRkRkChọn R R A CR ACR ba C C [...]... đọc vào 1 lần là 12 bit, do đó ta có thể đọc vào máy tính 1 lần 4 bit và quá trình đọc từ ADC vào máy tính sẽ được đọc 3 lần sẽ hết 12 bit Quá trình đọc lần lượt này sẽ được thực hiện thông qua IC đa hợp 74257 IC này sẽ đa hợp 8 ngõ vào cho 4 ngõ ra, tất nhiên là 12 bit thì cần phải có 2 IC 74257 Các ngõ vào được chọn nhờ vào 2 chân OE và SL Sơ đồ mạch đa hợp được vẽ sau đây: { INIT { SL 7417 Ngõ vào... 2Y 4Y OE B1 B8 từ ADC 7109 74257 SLCTIN B9 B12 từ ADC 7109 { 74257 1A 1B 2A 2B 3A 3B 4A 4B SL - 1Y 2Y 4Y OE - SLCT (13) (low) PE (12) ACK(10) BUSY (11) (high) 2 ngõ vào chọn được nối đến 2 bit D2 và D3 của thanh ghi điều khiển có đòa chỉ $37AH ứng với chân 16 và 17 của DB25 Từ bảng trạng thái của IC 74257 ta có bảng trạng thái sau: SL Bit đọc vào SLCTI INIT OE N 1 0 0 0 B1—B4 1 1 0 1 B5—B8 B9—B12 0 0... INIT=0 SL=0  Ngõ vào B1 B4 được chọn (74257 (1) được SLCTIN = 1 OE(1)=0 chọn -Khi INIT=1 SL=1  Ngõ vào B5 B8 được chọn (74257 (1) được SLCTIN = 1 OE(1)=0 chọn OE(2)=1  74257 (2): Hz -Khi INIT=0 SL=0  74257 (1): Hz SLCTIN = 0 OE(1)=1 OE(2)=0  74257 (2) được chọn và B9 B12 được đọc vào Bộ nguồn DC Nguồn ở đây sử dụng ở cấp điện áp  5V để cung cấp cho ICL 7109;  12V cho TL 082 Với 2 cấp điện... toàn mạch là : A=A1.A2.A3 =R3/R1 .1, 586 5,7 =1000 Chọn R1=1K  R3 =110,6K chọn R3=100K 4 Điều khiển ADC ICL7109 và đọc vào cổng máy in: Chọn ICL 7109 có độ phân giải 12 bit, rẻ, dễ tìm trên thò trường , thích hợp cho các mạch đo có độ chính xác cao Các BYTE CONTROL INPUT bao gồm : LBEN : ( low byte enable) :được nối đến bit D 0 của thanh ghi dữ liệu có đòa chỉ $3 78 H.BEN : ( High byte enable) : được... chọn và B9 B12 được đọc vào Bộ nguồn DC Nguồn ở đây sử dụng ở cấp điện áp  5V để cung cấp cho ICL 7109;  12V cho TL 082 Với 2 cấp điện áp này sử dụng IC ổn áp 3 chân đó là 781 2, 7912, 780 5, 7905 Trong đó 79xx là họ IC ổn áp âm, 78xx là họ IC ổn áp dương Sơ đồ mạch được vẽ như sau: +12V  4,7uF 15V - ~ 220 15V +5V  + 0,1uF 25V 2200uF -12V  25V 2200uF 4,7uF  -5V 0,1uF Biến áp sử dụng là... của thanh ghi dữ liệ u có address : $3 78 Thanh ghi dữ liệu : D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 HBEN LBEN RUN/HOLD Chân ERROR (chân thứ 15 của DB25) được nối với chân STATUS Khi STATUS xuống mức thấp báo hiệu việc chuyển đổi đã hoàn tất Quá trình chuyển đổi được thực hiện như sau: máy tính sẽ gởi dữ liệu qua cổng máy in để tác động các chân RUN/HOLD,H.BEN,L.BEN rồi máy đọc vào cho đến khi STATUS xuống thấp Do giao . )1().(.1 CRb ACRa pbpa A A pCRpARC A A CCRR R R pCCRRpCRARRC A A C C p CC p CC p               V1 V2 + R8 R5 C2 R7 R6 C1 Hz .8, 8flạitínhtaF10CChọn .9 ,8 10 .8, 1.50 2 1 2 1 .10fchọn50Hzsốtầnởnhiễuchế hạnĐể .1,8kRđượcTa 6.3 58, 3 6,510 6,5.10 )//(R2RChọn 6,5Chọn ;8, 5;10R . 58, 0 586 ,1 R R 1 raSuy 586 ,123 1. từ ADC 7109 B1 B8 từ ADC 7109 INIT SLCTIN Ngõ vào chọn { { 7417 74257 74257 { 2 ngõ vào chọn được nối đến 2 bit D 2 và D 3 của thanh ghi điều khiển có đòa chỉ $37AH ứng với chân 16 và 17 của DB25. Từ. Chương 8: THIẾT KẾ PHẦN CỨNG I. SƠ ĐỒ KHỐI HỆ THỐNG ĐO: 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