Nghiên cứu thiết kế hệ thống đo lực và ứng dụng nó trong máy xuyên tĩnh

Tóm tắt đề tài: Hệ thống đo này có các chức năng: chuyển đổi lực, áp suất thành tín hiệu điện dùng các cảm biến điện trở ; khuếch đại đại tín hiệu nhận được từ cảm biến; chuyển đổi tín

Trần Thanh Tùng

Nghiên cứu thiết kế hệ thống đo lực và ứng dụng nó

trong máy xuyên tĩnh

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : PGS.TS.Lê Văn Tiến

HÀ NỘI – 2010

MỤC LỤC Trang phụ bìa Trang

Lời cam doan 3 Danh mục các bảng và đồ thị 4

I.6 Lấy đặc tuyến tĩnh của mũi xuyên khi chịu tác dụng

của lực kháng đất Qc và lực ma sát Fs 20 I.7 Thiết kế đồ gá lấy đặc tuyến tĩnh 23

CHƯƠNG II: CẢM BIẾN ĐIỆN TRỞ BIẾN DẠNG

II.1 Khái niệm cơ bản về các bộ cảm biến II.1.1 Định nghĩa 25 II.1.2 Phân loại cảm biến 28 II.2 Cảm biến điện trở biến dạng

II.2.1.Khái niệm 31 II.2.2.Nguyên lý làm việc 38 II.3 Mạch cầu Wheatstone

II.3.1 Nguyên lý 42

II.3.2.Cân bằng ban đầu 43

II.3.3 Các đặc tính của cầu II.3.3.1.Bù nhiệt 44

II.3.3.2.Sự kết hợp các miếng đo 44

CHƯƠNG III: THIẾT KẾ MẠCH ĐIỆN TỬ III.1 Nhiệm vụ 46

III.2 Giới thiệu các phần tử chính của mạch điện tử III.2.1 Vi điều khiển AVR Atmega8535 47

III 2.2.1 Đặc trưng của vi điều khiển AVR AT 90S8535 50

III.2.1.2.Các chế độ truy nhập địa chỉ của AVR 52

III.2.1.3.Các thanh ghi chức năng đặc biệt 58

III.2.2 MAX 232 61

III 2.3.IC AMP AD620 62

III.3 Thiết kế mạch hiển thị 63

III.4 Thiết kế mạch khuếch đại 64

III.5 Ứng dụng phần mềm Codevison trong mạch hiển thị

và chuyển đổi ADC 72

CHƯƠNG IV: THIẾT KẾ PHẦN MỀM XỬ LÝ SỐ LIỆU IV.1 Giới thiệu về ngôn ngữ C# 99

IV.2 Phầm mếm xử lý số liệu và một vài kết quả 106

Kết luận và kiến nghị 109

Tài liệu tham khảo 110

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan những kết quả trong đề tài này hoàn toàn do tôi tự thực hiện và tính toán, không hề có sự sao chép Nếu sai tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm

Trần Thanh Tùng

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ TRONG BÀI

TT Hình Nội dung

1 0.1 Các thành phần trong hệ thống đo

2 0.2 Sơ đồ nguyên lý hoạt động của hệ thống

3 0.3 Cấu tạo đầu đo

4 0.4 Nguyên lý hoạt động của mạch cầu

16 2.3 Hai dạng của Strain gauge

17 2.4 Các kiểu tenzo dây dẫn

18 2.5 Tenzo đo kéo nén

19 2.6 Minh hoạ đo biến dạng

20 2.7 Mạch cầu Wheatstone

21 2.8 Mạch cầu cân bằng ban đầu

22 2.9 Kết hợp các miếng đo trên mạch cầu

23 3.1 Nhiệm vụ của mạch điện tử trong hệ thống đo

24 3.2 Sơ đồ chân của VĐK 8535

26 3.4 Sơ đồ cấu trúc của VĐK 8538S

27 3.5 Thiết bị MAX232

28 3.6 Sơ đồ mạch nguyên lý chuyển đổi ADC và hiển thị LCD

29 3.7 Sơ đồ khối của bộ biến đổi ADC 10 bit với 8 lối vào

30 3.8 Các thanh ghi điều khiển của bộ biến đổi ADC

31 3.9 Sắp xếp các chân lối vào của bộ biến đổi ADC

32 3.10 Bộ khuếch đại đảo

33 3.11 Bộ khuếch đại không đảo

34 3.12 Sơ đồ nguyên lý mạch khuếch đại

35 3.13 Sơ đồ bố trí chân của Atmega8535

36 4.1 Giao diện chương trình

37 4.2 Đường đặc tuyến tìm hệ số K (Qc)

38 4.3 Đường đặc tuyến tìm hệ số K (Qc)

LỜI MỞ ĐẦU

Ngày nay với sự phát triển của khoa học kỹ thuật việc tìm hiểu và nghiên cứu các thiết bị có tính ứng dụng cao trong đời sống và trong kỹ thuật là rất cần thiết Như chúng ta đã thấy với sự phát triển của kỹ thuật ngày nay thì một thiết bị, máy móc đòi hỏi phải có độ chính xác cao hay được điều khiển tự động cao nên việc kết hợp giữa

cơ khí với điện tử và tin học là rất cần thiết Tìm hiểu đầy đủ về điện tử, cơ khí và tin học là phần kiến thức rất cần thiết để có thể nghiên cứu khoa học

Hiện nay do yêu cầu thực tế khảo sát lòng đất của một số ngành như xây dựng

và địa chất mà việc thiết kế ra các máy đo và đầu đo đạt tiêu chuẩn chất lượng là một yêu cầu bức thiết

Ở Việt Nam trong khoảng 10 năm trở lại đây đang sử dụng một số máy đo của

bộ môn công nghệ chế tạo máy trường đại học bách khoa Hà Nội sản xuất Tuy những máy này vẫn hoạt động tốt nhưng sử dụng mũi xuyên tiêu chuẩn dùng chỉ thị

áp kế lò xo chưa đo được áp lực lỗ rỗng trong lòng đất, chưa tự động đo trong quá trình xuyên và khoảng cách độ sâu các lần đo lớn nên chưa xác định chính xác vị trí địa tầng của đất

Dựa trên nhu cầu thực tế nên trong đề tài này tác giả đã nghiên cứu những vấn

Mục đích của đề tài trước hết là tìm hiểu, làm quen với việc nghiên cứu khoa học và áp dụng những kiến thức đã được trang bị vào thực tế Mặt khác việc nghiên

cứu, thực hiện đề tài góp phần nâng cao kiến thức, tiếp cận được với những vấn đề của thực tế Tuy nhiên do nội dung của đề tài rất rộng và nằm trong nhiều lĩnh vực khác nhau đồng thời với trình độ còn hạn chế nên tác giả không đi sâu vào tất cả vấn

đề cụ thể có liên quan đến đề tài Sau thời gian thực hiện đề tài, đến nay đã hoàn thành, và mặc dù còn nhiều thiếu sót nhưng kết quả bước đầu cho thấy hướng nghiên cứu của tác giả phù hợp và có nhiều ứng dụng trong thực tế

Qua đây tác giả xin chân thành cảm ơn đến thầy PGS.TS.Lê Văn Tiến tận tình chỉ bảo và giúp đỡ để tác giả hoàn thành luận văn tốt nghiệp này

Học viên: Trần Thanh Tùng Lớp CNCK 2008-2010

GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ, CHẾ TẠO HỆ THỐNG ĐO LỰC, ÁP SUẤT VÀ

ỨNG DỤNG NÓ TRONG MÁY XUYÊN TĨNH

Mục tiêu đề tài:

+ Tìm hiểu và ứng dụng cảm biến điện trở tenzo trong hệ thống đo lực

+ Tính toán thiết kế đầu đo xuyên tĩnh dùng cảm biến điện trở

+ Thiết kế chế tạo mạch điện tử để xử lý tín hiệu thu được

+ Thiết kế hệ thống thủy lực

Tóm tắt đề tài:

Hệ thống đo này có các chức năng: chuyển đổi lực, áp suất thành tín hiệu điện dùng các cảm biến điện trở ; khuếch đại đại tín hiệu nhận được từ cảm biến; chuyển đổi tín hiệu này sang dang digital; kết nối với máy tính có phần mềm xử lý số liệu để hiển thị kết quả đo, đồng thời vẽ các biểu đồ: lực kháng xuyên qc [KG/cm2], hệ số ma sát fs [KG/cm2], và áp suất lỗ rỗng po [KG/cm2], theo độ sâu

Kết quả đạt được:

+ Tính toán thiết kế đầu đo xuyên tĩnh dùng cảm biến điện trở biến dạng tenzo

+ Thiết kế chế tạo được mạch điện tử và phục vụ thí nghiệm xuyên tĩnh

+ Thiết kế viết phần mềm kết nối và xử lý kết quả

Nguyên lý: sử dụng các sensor, bộ biến đổi tín hiệu tương tự số ADC để biến đổi dòng điện thành tín hiệu số và kết nối với máy tính thông qua phần mềm để xử lý các kết quả lực cản Qc, lực ma sát Fms từ thí nghiệm

Sơ đồ nguyên lý của hệ thống như sau:

Hình 0.2 Sơ đồ nguyên lý hoạt động của hệ thống

Nguyên lý hoạt động của hệ thống:

+ Đầu đo:

1 2

3 4 5

6 7

2 Màng chống thấm 4 Cảm biến biến dạng 6 Dây nối

Hình 0.3 Cấu tạo đầu đo

+ Cảm biến:

Các lực cần đo ( Qc, Fms, po ) tác dụng lên đầu đo làm đầu đo biến dạng làm cho các cảm biến điện trở dán trên đầu đo biến dạng nên điện trở của các cảm biến thay đổi tạo ra dòng điện ở mạch cầu Wheaston

Hình 0.4 Nguyên lý hoạt động của mạch cầu

+ Bộ khuếch đại: Tín hiệu ra ở mạch cầu được chuẩn hóa thông qua bộ

khuếch đại rồi đưa vào các chân ADC của vi xử lý AVR

Hình 0.5 Bộ khuếch đại

Tín hiệu qua bộ khuếch đại vẫn là tín hiệu dạng analog nên ta phải dùng bộ

ADC tích hợp trong chip AVR chuyển nó thành dạng tín hiệu dạng digital

KHUẾCH ĐẠI

n*x

x

Hình 0.6 Bộ ADC

+ Vi điều khiển AVR: Atemega8535

Thông qua bộ ADC có sẵn trong chip ta sẽ xác dịnh được giá trị số của lực tác dụng lên đầu đo, đồng thời AVR còn có khả năng lập trình để điều khiển toàn bộ hoạt động của quá trình đo cũng như gửi kết quả lên máy tính

Hình 0.7 Vi điều khiển AVR

ADC

+ Kết nối với máy tính:

Phần mềm có nhiệm vụ lấy dữ liệu truyền từ cổng COM , lưu kết quả vào file,

vẽ đồ thị biểu diễn các thông số đo được theo độ sâu…Từ đó giúp ta xác định được tính đồng nhất của địa tầng, đặc tính biến dạng và sức chịu tải của đất nền

Nhận

dữ liệu

Lưu

dữ liệu

CHƯƠNG I : TÍNH TOÁN THIẾT KẾ ĐẦU ĐO

Trình tự thiết kế:

1 Thiết kế, tính toán sức bền của đầu đo

2 Chọn sensor và phương án dán chúng lên đầu đo

3 Lựa chọn phương pháp và tính toán cho việc đo áp suất lỗ rỗng

4 Chọn thiết bị đo

5 Kết nối máy tính, lập trình và sử dụng phần mềm để vẽ các đường đặc tính

6 Xác định hìng ảnh lớp địa tầng và thuộc tính của đất

I.1.Tính toán biến dạng để chọn loại sensor:

Các thông số ban đầu:

+ Diện tích tiết diện của đầu đo: F=1000mm2

+ Độ côn của đầu mũi là:600

+ Diện tích áo ma sát : S =15000mm2

+ Để đo lực kháng đất lớn nhất có thể đo được là q c = 2500 KG

+ Lực ma sát lớn nhất : f S = 800 KG

I.2.Tính toán biến dạng đo lực kháng đất q c:

Chọn biến dạng lớn nhất của phần tử đàn hồi cho phép là:ε =10− 3

I.3.Tính biến dạng đo lực ma sát F S:

Với trường hợp lực ma sát khi đó thân đầu đo sẽ chịu cả hai lực là lực ma sát và lực

3300

2 2

mm d

F

⇒

ππ

I.5 Tính màng để đo áp suất lỗ rỗng:

Đo áp suất lỗ rỗng cũng giống như đo lực nhưng kết quả là lực phân bố Yêu cầu là

khoảng 10at tức là khoảng 10KG/cm2 Kết quả của chuyển đổi áp lực cần nhỏ gọn để lắp trực tiếp vào đầu đo

Chọn kiểu phần tử đang hồi là màng đàn hồi được ngàm xung quanh

Theo tài liệu của thầy Nguyễn Huy Ninh ta có các ứng suất tương ứng:

P

Ở đây ε ε :Biến dạng vòng và hướng kính tương ứng φ, r

x: Toạ độ bán kính điểm khảo sát

E: môdung đàn hồi của vật liệu màng

Sφ:Độ nhạy cảm biến của màng khi sử dụng biến dạng vòng

S r:Độ nhạy cảm biến của màng khi sử dụng biến dạng hướng kính

Theo công thức (3) và (4) , hàm chuyển đổi được xác định bởi các kích thước hình học của màng(bán kính,chiều dày) đặc tính của vật liệu (E), hệ số Poatxông và phụ thuộc vào biến dạng nào được sử dụng để làm việc (Hướng kính,vòng).Ngoài ra nó còn phụ thuộc vào giá trị bán kính hiện tại

Với B m: hệ số kết cấu làm việc của cảm biến

r: bán kính màng

h: Chiều dày màng

E: Môđun đàn hồi của vật liệu màng

Nếu màng là chuyển đổi áp lực thành dịch chuyển thì thường sử dụng dịch chuyển của tâm màng Hàm chuyển đổi đối với trường hợp này là:

= với ρ : Khối lượng riêng của kim loại

Kết cấu kích thước màng như sau:

+ Để có thể lắp đặt vị trí lên đầu đo ta sử dụng phần tử đàn hồi kiểu màng ngàm xung quanh

+ Để có thể dán được các loại tensor kép gồm 2 chiếc lá chồng lên nhau kiểu chữ thập ta chọn : r = 6mm Lấy biến dạng của phần tử đàn hồi là ε =0,5.10− 4

+ Theo sơ đồ dán tensor điện trở ta sử dụng biến dạng hướng kính của phần tử đàn hồi

+ Ta có giá trị trung bình của hệ số kết cấu đối với toàn vùng biến dạng là

I.6 Lấy đặc tuyến tĩnh của mũi xuyên khi chịu tác dụng của lực kháng đất Qc và lực ma sát Fs

¾ Sơ đồ nguyên lý:

Hình 1.1 Sơ đồ nguyên lý lấy đặc tuyến tĩnh của lực

¾ Thiết lập đường đặc tuyến tìm hệ số K (Qc)

Fms 1000N

I.7 Thiết kế đồ gá lấy đặc tuyến tĩnh

Hình 1.4 Đồ gá lấy đặc tuyến tính

Nguyên lý hoạt động:

Chi tiết được định vị thẳng đứng trong vòng bạc Trong quá trình thí nghiệm lấy đặc tuyến tĩnh, cơ cấu tay quay ren vít sẽ sinh ra lực nén Qc và truyền đến thân của mũi xuyên

Trong quá trình lấy đặc tuyến tĩnh của Fms, phần đầu của mũi xuyên sẽ được lấy

ra, áo ma sát sẽ được ép bời 1 vòng bạc

CHƯƠNG II: CẢM BIẾN ĐIỆN TRỞ BIẾN DẠNG

II.1 Khái niệm cơ bản về các bộ cảm biến:

Chương này có tính chất nhập môn, giới thiệu các đặc tính chung của các bộ cảm biến, phân loại các bộ cảm biến, nêu vai trò của các bộ cảm biến trong kỹ thuật

đo lường và điều khiển Trình bày khái quát nguyên lý vật lý cơ bản ứng dụng trong

kỹ thuật cảm biến Tiếp theo trình bày những đặc trưng đo lường, chuẩn hóa tín hiệu

đo và các mạch đo cơ bản ứng dụng trong cảm biến, vấn đề nhiễu tác động đến hệ thống đo lường - điều khiển

II.1.1 Định nghĩa:

Trong các hệ thống đo lường - điều khiển mọi quá trình đều được đặc trưng bởi các biến trạng thái như nhiệt độ, áp suất, tốc độ, mômen Các biến trạng thái này thường là các đại lượng không điện Nhằm mục đích điều chỉnh, điều khiển các quá trình ta cần thu thập thông tin, đo đạc, theo dõi sự biến thiên các các biến trạng thái của quá trình Các bộ cảm biến thực hiện chức năng này, chúng thu nhận và đáp ứng với các tín hiệu và kích thước, là "tai mắt" của các hoạt động khoa học và công nghệ của con người

Các bộ cảm biến thường được định nghĩa theo nghĩa rộng là thiết bị cảm nhận

và đáp ứng với các tín hiệu và kích thích

Trong thế giới tự nhiên các cơ thể sống thường đáp ứng với các tín hiệu bên ngoài có đặc tính điện hóa, dựa trên cơ sở trao đổi ion, ví dụ như hoạt động của hệ thần kinh Trong các quá trình đo lường - điều khiển thông tin được truyền tải và xử

lý dưới dạng điện nhờ sự truyền tải của các điện tử

Theo mô hình mạch ta có thể coi bộ cảm biến như một mạng hai cửa trong đó cửa vào là biến trạng thái cần đo x và cửa ra là đáp ứng y của bộ cảm biến với kích thích đầu vào x

Y Đáp ứng

Bộ cảm biến

Hệ thống điều khiển tự động quá trình

Phương trình mô tả quan hệ giữa đáp ứng y và kích thích x của bộ cảm biến có dạng:

II.1.2 Phân loại cảm biến:

II.1.2.1 Theo nguyên lý chuyển đổi giữa đáp ứng và kích thích :

Hiện tượng Chuyển đổi đáp ứng và kích thích

Quang điện Quang tử Điện Từ Quang đàn hồi

Từ điện Nhiệt tử Nhiệt Quang

Biến đổi điện hóa Phân tích phổ

Biến đổi vật lí Hiệu ứng trên cơ thể sống

II.1.2.2 Theo dạng kích thích có thể phân chia các bộ cảm biến như sau:

Kích thích Đặc tính của kích thích

• Phổ

• Tốc độ truyền sóng

9 điện thế, điện áp

9 điện trường (biên pha, phân cực,phổ)

9 điện dẫn hăng số điện môi

9 từ thông, cương độ từ trường

• Nghiên cứu khoa học

• Môi trường, khí tượng

• Thông tin, viễn thông

II.1.2.5 Theo thông số của mô hình mạch thay thế

Các bộ cảm biến có thể phân chia theo thông số

- Cảm biến tích cực (có nguồn) đầu ra là nguồn áp hoặc nguồn dòng

- Cảm biến thụ động (không nguồn) được đặc trưng bằng các thông số R, L, C, M tuyến tính hoặc phi tuyến

II.2 Cảm biến điện trở biến dạng:

II.2.1.Khái niệm

Miếng đo biến dạng (strain - gauge) 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 Gauge được tạo ra với 2 kết cấu là lưới phẳng và dạng ống trụ

Winding Cord

a Dạng lưới phẳng b Dạng ống trụ

Hình 2.3 Hai dạng của Strain gauge

Nguyên lý hoạt động của chuyển đổi tenzo là dựa trên hiệu ứng tenzo tức là sự thay đổi điện trở của dây dẫn khi có biến dạng cơ học Đặc trưng cơ bản của chuyển đổi tenzo là hệ số nhạy cảm tương đối K Nó là đại lượng được xác định bằng tỷ số biến đổi tương đối của điện trở εr chia cho biến đổi tương đối chiều dài của dây dẫn

Điện trở của dây dẫn được xác định theo công thức

s

l

R =ρ trong đó ρ là điện trở suất, và l là chiều dài, s là tiết diện của dây Như vậy khi có sự biến thiên của điện trở xác định theo công thức:

ss

ls

l

R =ρ∆ −ρ 2 ∆

∆

biến thiên tương đối của điện trở:

Xét trường hợp dây dẫn là dây tròn: S =π.r2 với r là bán kính dây thì:

r

r.2r

sr

l R

llr

rH

ta có:

l

l.H.2l

lR

∆ ρ

ρ

∆ + +

=

Yêu cầu của vật liệu để chế tạo chuyển đổi tenzo là hệ số nhạy cảm tenzo phải tương đối lớn Các vật liệu thường dùng để làm điện trở tenzo là constanta (60% Cu + 40% Ni), Nicrom (80% Ni + 20% Cr) vv… Chuyển đổi tenzo là loại chỉ sử dụng một lần,

vì vậy chỉ số của nó được lấy chuẩn theo chuyển đổi cùng loại Như vậy đòi hỏi khi chế tạo các chuyển đổi cùng loại phải bảo đảm hoàn toàn giống nhau và một điều không kém phần quan trọng là tính chất của vật liệu phải ổn định

1

3 3

1 2

Hình 2.4 Các kiểu tenzo dây dẫn

Chuyển đổi tenzo được chế tạo rất nhiều loại, hình vẽ mô tả cấu trúc các loại đó Chuyển đổi loại dây được dung phổ biến nhất có sơ đồ được mô tả trong hình vẽ Trên tấm đệm bằng giấy mỏng 1 hoặc màng sơn dán dây điện trở tenzo 2 có đường kính 0,02 đến 0,05 mm, đầu của dây điện trở được nối hàn với đây đồng làm dây dẫn

ra 3 phía trên cùng của chuyển đổi phủ lớp sơn hoặc dán giấy mỏng Chiều dài của chuyển đổi được tính trong khoảng có dây tenzo khoảng 5 đến 20 mm với giá trị điện trở ban đầu 30 đến 500 Ω

Có thể chế tạo điện trở tenzo bằng cách quấn dây tenzo lên một ống giấy mỏng sau đó phết keo dán lên rồi rút ống giây ra, dập bẹt ống dây có keo rồi gắn các đầu dây ra

Chuyển đổi tenzo loại dây song song có công suất lớn Nó bao gồm 30 đến 50 dây điện trở tenzo 2 mắc song song với hai đầu ra 3 được dán lên tấm đệm 1 và phía trên phủ sơn hoặc dán giấy mỏng Loại chuyển đổi này thường có chiều dài 150 đến 200mm cho phép dòng đi qua chuyển đổi lớn

Khi sử dụng các chuyển đổi tenzo thường quan tâm đến biến dạng theo chiều trục

và độ nhạy của nó được tính theo biến dạng này Cần lưu ý rằng trong chuyển đổi tenzo có những phần dây nằm ngang chiều trục Phần này thường không tham gia biến dạng hoặc biến dạng theo chiều ngược lại làm cho độ nhạy của chuyển đổi giảm xuống Vì vậy khi chế tạo thường làm cho các phần này có kích thước lớn để giảm ảnh hưởng của chúng

Dòng điện đi qua điện trở tenzo được quy định khá nghiêm ngặt để đảm bảo độ tin cậy làm việc và độ nhạy cần thiết Dòng điện thường được sử dụng ở giá trị cực đại cho phép Nếu điện trở tenzo làm việc trong thời gian ngắn thì có thể cho phép tăng dòng điện lên 30 ÷ 50%

Hình 2.5 Tenzo đo kéo nén

Chuyển đổi tenzo được sử dụng rộng rãi để đo biến dạng Các chuyển đổi tenzo được dán lên bề mặt vật sao cho trục chuyển đổi nằm theo hướng biến dạng lớn nhất

Có thể dùng keo dán hoặc si măng để gắn chuyển lên đối tượng tuỳ thuộc vào điều kiện làm việc, ở nhiệt độ bình thường và hơi cao dùng keo dán axêtat – xenluloit, bakelit – pheno v.v… ở nhiệt dộ cao đến 800o C dùng xi măng silic hữu cơ

Hình 2.6 Minh hoạ đo biến dạng

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

E F L

L F R

∆

R

∆

độ biến đổi điện trở

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 bị 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

Chất keo dán:

*Keo cyanoacrylate: Rất thực dụng cho việc áp dụng bình thường trong thời gian

ngắn, nhiệt độ áp dụng dưới 1000C Sẽ khô cứng trong vài giây dưới tác dụng của sức

ép

*Keo epoxy: Rất có hiệu quả, ổn định trong thời gian lâu với nhiệt độ đến 300oc

*Keo gốm: Khó áp dụng hơn vì cần thiết bị đặt biệt có vẻ mong manh yếu ớt, không

cho phép dùng với những biến dạng lớn.,sử dụng được đến 600oc

*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

II.2.2.Nguyên lý làm việc:

Khi chịu tác dụng của lực cơ học nói chung các cấu trúc đều chịu ứng suất và

bị biến dạng Việc đánh giá ứng suất và biến dạng là nhiệm vụ hàng đầu trong kỹ thuật cơ khí, trong xây dựng và trong cơ học vật rắn Lý thuyết sức bền vật liệu đã chỉ

rõ mối quan hệ giữa ứng lực và biến dạng Các cảm biến đo biến dạng không chỉ giới hạn ở việc đo ứng lực cơ học mà qua đó có thể xác định các đại lượng cơ học khác như lực, áp suất, vận tốc, gia tốc

Chương này trình bày nguyên lý chung của cảm biến biến dạng thường dùng trong công nghiệp như các loại đầu đo điện trở kim loại, đầu đo điện trở bán dẫn, ứng suất kế dây rung và các đầu đo dùng trong chế độ động Trước hết ta tóm tắt các định nghĩa cơ bản của cơ học vật rắn

Biến dạng ε: là tỷ số giữa biến thiên kích thước ∆l và kích thước ban đầu l:

Giới hạn đàn hồi: là ứng lực tối đa không gây nên biến dạng cố định có giá trị lớn

hơn 0,2% Độ lớn của giới hạn đàn hồi được đo bằng kglực/mm 2

- Thép từ 20 đến 80

- Đồng từ 3 đến 12

- Chì từ 0,4 đến 1 Theo định luật Hooke trong vùng giới hạn đàn hồi ứng lực tỷ lệ với biến dạng do nó gây nên

Modun Young Y xác định biến dạng theo phương của ứng lực

ε = = σ

Y

1S

R.Y

111

trong đó ứng lực σ= F

Đơn vị đo mođun Young là kglực/mm 2 Sau đây là môđun Young của một số vật liệu:

Nguyên lý hoạt động của chuyển đổi tenzo là dựa trên hiệu ứng tenzo tức là sự thay đổi điện trở của dây dẫn khi có biến dạng cơ học Đặc trưng cơ bản của chuyển đổi tenzo là hệ số nhạy cảm tương đối K Nó là đại lượng được xác định bằng tỷ số biến đổi tương đối của điện trở ε chia cho biến đổi tương đối chiều dài của dây dẫn r

Điện trở của dây dẫn được xác định theo công thức

s

l

R= ρ trong đó ρ là điện trở suất, và l là chiều dài, s là tiết diện của dây Như vậy khi có sự biến thiên của điện trở xác định theo công thức:

s

s

l s

l

R = ρ ∆ − ρ 2 ∆

∆biến thiên tương đối của điện trở: