Đo lực và ứng suất Trang 33 SVTH :HÀ THANH LÂM - PHẠM TRỌNG QUỲNH PHẦN C THIẾT KẾ Đo lực và ứng suất Trang 34 SVTH :HÀ THANH LÂM - PHẠM TRỌNG QUỲNH CHƯƠNG III 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. 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 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 Đo lực và ứng suất Trang 35 SVTH :HÀ THANH LÂM - PHẠM TRỌNG QUỲNH 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. a b l C B H P max max Đo lực và ứng suất Trang 36 SVTH :HÀ THANH LÂM - PHẠM TRỌNG QUỲNH Hình mô hình kiểm nghiệm dầm chòu uốn 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. làm liệuvật của hồiđàn modun :E uốn.chốngmoment : W: đó Trong .p 3.E.J l :vò Chuyển 6 B.H J .p W.E a :dạng Biến WVới :suất Ứng 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 Đo lực và ứng suất Trang 37 SVTH :HÀ THANH LÂM - PHẠM TRỌNG QUỲNH 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: - Chọn Op.Amp là TL 082. - Điện áp 2 ngõ vào V a và V b được lấy từ cầu Wheatstone. V2 V1 + + Va Vb + C2 R7 R8 C1 R6 R5 R4 R2 R1 R11 R10 R9 R3 Đo lực và ứng suất Trang 38 SVTH :HÀ THANH LÂM - PHẠM TRỌNG QUỲNH 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 là 1 thứ tầng đại khuếchsố hệđó Do ne. Wheatstocầu từ lệch sai áp điện )(V ) ( R :đó Khi .;R chọn ta giản đơn Để V có ta Op.amp củachất tính Theo 0 .V cho Kirchhoffluật 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 Đo lực và ứng suất Trang 39 SVTH :HÀ THANH LÂM - PHẠM TRỌNG QUỲNH 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.( thấy Ta 1 2 bậcthấp tầng củaquát tổng truyền hàm sánh So .) ().3( 1 là sẽ này lúc truyềnHàm .C và R trò. giá các cho cách bằngtoán tính thức công giản đơn Để 1A đó Trong )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 Đo lực và ứng suất Trang 40 SVTH :HÀ THANH LÂM - PHẠM TRỌNG QUỲNH Hz. 8,8f lại tính ta F10C Chọn .9,8 10.8,1.50 2 1 2 1 .10f chọn 50Hz số tần ở nhiễu chế hạnĐể .1,8kR được Ta 6.358,3 6,510 6,5.10 )//(R2R Chọn 6,5 Chọn ;8,5;10R .58,0586,1 R R 1 raSuy 586,123 1 2)3( .1,2 được Ta 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 . CHƯƠNG III 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. 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 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