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 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 ngồi 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. Trang 2 PHẦN A DẪN NHẬP 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 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 hồn tồn. 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. 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 tốn và lập trình trên phần mềm Pascal so với xử lý và vi điều khiển. Trang 4 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 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 hồn 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 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 Trang 6 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 ngồi 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 W i n d i n g C o r d Trang 7 1. H s ming o (Gage factor): S thay i in tr ca mt cu kin cú in tr bin i c tựy thuc vo quan h sau: Vi R: l in tr ban u ca cu kin. L: chiu di ban u ca cu kin. F : h s ming o. Mt ming o lý tng phi cú mt in tr rt ln, mt h s o cc i v mt mc gii hn n hi cao, ng thi li khụng b nh hng nhit cao tỏc ng. Thờm vo ú, h s ming o luụn luụn bt bin cho dự mc bin dng cú ln n õu i chng na. ming o cú th hot ng mt cỏch thớch hp theo sc cng cng nh sc nộn, si in tr phi cng mng cho lp keo cú th truyn hn tn mc bin dng ca b phn sang ming o. 2. Cht keo dỏn: a) Keo cyanoacrylate: Rt thc dng cho vic ỏp dng bỡnh thng trong thi gian ngn, nhit ỏp dng di 100 0 C. S khụ cng trong vi giõy di tỏc dng ca sc ộp. b) Keo epoxy: Rt cú hiu qu, n nh trong thi gian lõu vi nhit n 300 o c. c) Keo gm: Khú ỏp dng hn vỡ cn thit b t bit cú v mong manh yu t, khụng cho phộp dựng vi nhng bin dng ln.,s dng c n 600 o c. d) Hn: õy l cỏch thc thc t nht dựng nhit cao cho cỏc ming o trong v bc kim loi rt c. Cn chỳ ý l b mt dỏn phi c ty sch du m v sau ú c trung hũa bng húa cht. to ra b mt cú tớnh cht lý tng i vi loi keo ny, b mt phi c lm sch vt r to ra b mt nhn nhng khụng quỏ búng. IV. MCH CU WHEATSTONE: Cu Wheatstone l mch cu c chn nhiu nht trong vic o nhng bin dng in tr nh (ti a 10%) nh trong vic dựng cỏc ming o bin dng. 1. Nguyờn lý: E.F L L F R R = = trụỷ ủieọn ủoồi bieỏnủoọ: R R Trang 8 i cu Wheatstone ca hỡnh 1: Tớn hiu u ra E m qua thit b o vi tr khỏng Z m : R: in tr danh ngha ban u ca cỏc in tr R 1 , R 2 , R 3 & R 4 (thng l 120 nhng l 350 cho cỏc b bin cm). V: in ỏp cung cp cho cu. in ỏp cung cp cho cu l mt ngun nng lng cung cp tht n nh. Phn ln Z m ln hn R rt nhiu (vớ d nh:Vụn k, b khuch i vi liờn kt trc tip) do ú thỡ phng trỡnh (1) tr thnh: T (2) cú nhn xột l: s thay i n v in tr ca 2 in tr nghch nhau. c tớnh ny ca cu Wheatstone thng c dựng bo m tớnh n nh nhit ca mch o v cng dựng cho cỏc thit k c bit. 2. Cõn bng ban u: trụỷ. ủieọn cuỷa vũ ủụn ủoồi Bieỏn: (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 ỡ n h 1 : M a ùc h c a u W h e a t s t o n e R 1 R 2 R 4 R 3 V M a ùc h c a u c a õn b a ốn g b a n ủ a u E m R 1 R 2 R 3 R 4 V R a R b Trang 9 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 =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). Trang 10 Mch cõn bng nhit . Ming o D cng cú cựng tớnh cht nh ming o A v cng c dỏn lờn khi vt liu; trong khi dỏn cỏc ming o, khi vt liu th nghim ny khụng b chu mt lc tỏc ng no. Ngi ra 2 ming o A&D nờn c t gn vi nhau cng tt; tt c s thay i nhit chung c hai ming o ny s c trit tiờu v nú s t cõn bng nhit . b) S kt hp cỏc ming o: Cu Wheatstone cho phộp kt hp nhiu ming o hu cụng. Hỡnh trờn cho thy bn ming o c dỏn lờn thanh mu. Khi thanh mu b kộo ra khi bi lc P, nhng bin dng tng t s l: : h s Poisson. A: tit din ngang. E: Modun n hi. Bn ming o nh vy to thnh cu Wheatstone nờn in ỏp u ra s l: ( ) [ ] .12 +== KEmE 2)&1 thửực bieồucaực laùi(xem 4 VF K = . Vaứ . 42 21 == === EA P R 3 R 4 R 2 R 1 E V D A Active Dumm R3 R4 R2 R1 V [...]... MÔ HÌNH HÌNH HỌC II 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 SƠ LƯỢC CHỨC NĂNG CÁC KHỐI: 1 Mơ hình hình học: Mơ hình hình học là những mơ hình cơ khí sẽ chịu biến dạng dưới tác dụng lực ngồi Mơ hình này kết hợp với miếng cảm biến tạo thành mạch cảm biến phục vụ cho việc đo biến dạng Các mơ hình thường được sử dụng... ít tốn kém nhưng về mặt kỹ thuật thì khá phức tạp Giao tiếp qua khe cắm SLOT cũng phức tạp khơng kém đòi hỏi việc gia cơng thiết bị phải chính xác, hơn nữa việc tháo vỏ máy để gắn SLOT Card sau mỗi lần đo là vấn đề khó chấp nhận Giao tiếp qua cổng song song, dữ liệu truyền song song vì vậy tốc độ truyền song song thường cao hơn truyền nối tiếp (khoảng từ 40kB/s đến 1MB/s) Hầu hết các máy tính đều trang... D0 D1 D2 14 C O NNE C TO R D B 25 1 13 25 Việc nối máy in với máy tính được thực hiện qua lỗ cắm DB25 ở phía sau máy tính Nhưng đây khơng chỉ la øchỗ nối với máy in mà khi sử dụng máy tính vào mục đích đo lường và điều khiển thì việc ghép nối cũng thực hiện qua ổ cắm này Qua cổng này dữ liệu được truyền đi song song nên đơi khi còn được gọi là cổng ghép nối song song và tốc độ truyền dữ liệu cũng đạt... 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 định do lượng tử hóa: Điện áp tương tự liên tục được chia thành 2 n khoảng gián đo n ở mỗi mạch đổi n bit Các giá trị tương tự cùng một khoảng được biểu thị cùng nhị phân Do có một độ chính xác bất định ± ½ LSB (Least significant bit) b Độ chính xác: Độ chính xác tuyệt đối là sự sai... về 0) Mạch logic điều khiển mở S1, đóng S2 Chuyển mạch S2 đóng đưa VR vào mạch tính phân để lấy tích phân theo VR (VR>0) Vì thế ngã ra VI giảm từ VImax về 0 - Giá trị VImax khơng đổi trong suốt 2 giai đo n lấy tích phân t1,t2 t t + t 1 1 2 1 1 − Va dt = − ∫ R dt V RC ∫ RC 0 0 Giả sử R,C khơng đổi trong suốt thời gian chuyển đổi 3 Đặc tính kỹ thuật của mạch ADC: a Độ chính xác bất định do lượng tử... VR t2 = = t2 N N = n => Va = VR n t1 2 2 N 2n (với N là số đếm sau cùng); t1 = (trong mạc h đếm từ 0 đến giá trò tràn khung) fc fc Trang 23 -Điện áp tương tự liên tục được chia thành 2 n khoảng gián đo n Ở mạch đổi n bit Các trị tương tự cùng một khoảng được biểu thị cùng một mã số nhị phân Do đó có một độ chính xác bất định ± ½ LSB bên cạnh các sai số chuyển đổi khác Trong mạch tín hiệu dốc đơn sai... chu kì xung đồng hồ cuối cùng sau khi dữ liệu biến đổi được chốt lại NGÕ VÀO RUN/HOLD: Khi ngõ vào RUN /HOLD ở mức cao, vi mạch sẽ tiếp tục thực hiện chu kỳ biến đổi và cập nhật ngõ ra chốt suốt giai đo n biến đổi Khi hoạt động ở mức nàymột chu kỳ biến đổi sẽ có 8192 xung Khi RUN / HOLD ở mức thấp vi mạch lập tức biến đổi và nhảy về chế độ AUTO-ZERO Đặc tính này dùng để cắt ngang thời gian biến đổi... đại thuật tốn TL 082 là họ của JFET cho nên làm việc ở chế độ khuếch đại rất ổn định khả năng chống nhiễu tốt TL 082 thích hợp bộ tích phân nhanh, các bộ khuếch đại, các mạch lọc tích cực và trong máy đo Các thơng số kỹ thuật: Điện áp ±3V ÷ ±18V Cơng suất 680mV Điều kiện kiểm tra ±15V Độ lợi vòng hở 106dB Độ phân giải 3 – 20mV Độ tăng điện áp 13µs Dòng tiêu thụ11,2mA Khảo sát LM 723: LM 723/LM723C là...Trang 11 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 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 Trang 12 CHƯƠNG . 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. 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. 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