Các cảm biến dùng trong băng thử

CHƯƠNG III THIẾT KẾ BĂNG THỬ

3.1.4 Các cảm biến dùng trong băng thử

a. Khái niệm

Loadcell là thiết bị cảm biến dùng để chuyển đổi lực hoặc trọng lượng thành tín hiệu điện.

Khái niệm“strain gage”: cấu trúc có thể biến dạng đàn hồi khi chịu tác động của lực tạo ra một tín hiệu điện tỷ lệ với sự biến dạng này.

Loadcell thường được sử dụng để cảm ứng các lực lớn, tĩnh hay các lực biến thiên chậm. Một số trường hợp loadcell được thiết kế để đo lực tác động mạnh phụ thuộc vào thiết kế của Loadcell.

b. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động Cấu tạo

Loadcell được cấu tạo bởi hai thành phần, thành phần thứ nhất là “Strain gage”

và thành phần còn lại là “Load“.

+ Strain gage là một điện trở đặc biệt chỉ nhỏ bằng móng tay, có điện trở thay đổi khi bị nén hay kéo dãn và được nuôi bằng một nguồn điện ổn định, được dán chết lên “Load”

+Load –một thanh kim loại chịu tải có tính đàn hồi.

S1 T1

24

24

D1 D2

D4 D3

AC

C1 C3

C2 C4 C7 C8

C5 C6 U1 LM 337

R1 R2

R3 R4

U2 LM 337

Nguyên lý hoạt động

Cấu tạo chính của loadcell gồm các điện trở strain gauges R1, R2, R3, R4 kết nối thành 1 cầu điện trở Wheatstone như hình dưới và được dán vào bề mặt của thân loadcell.

Hình 2.14 Mạch cầu Wheatstone

Một điện áp kích thích được cung cấp cho ngõ vào loadcell (2 góc (1) và (4) của cầu điện trở Wheatstone) và điện áp tín hiệu ra được đo giữa hai góc.

Tại trạng thái cân bằng (trạng thái không tải), điện áp tín hiệu ra là số không hoặc gần bằng không khi bốn điện trở được gắn phù hợp về giá trị.

Khi có tải trọng hoặc lực tác động lên thân loadcell làm cho thân loadcell bị biến dạng (giãn hoặc nén), điều đó dẫn tới sự thay đổi chiều dài và tiết diện của các sợi kim loại của điện trở strain gauges dán trên thân loadcell dẫn đến một sự thay đổi giá trị của các điện trở strain gauges. Sự thay đổi này dẫn tới sự thay đổi trong điện áp đầu ra.

Sự thay đổi điện áp này là rất nhỏ, do đó nó chỉ có thể được đo và chuyển thành số sau khi đi qua bộ khuếch đại .

c. Phân loại

+ Phân loại Loadcell theo lực tác động: chịu kéo (shear loadcell), chịu nén (compression loadcell), dạng uốn (bending), chịu xoắn (TensionLoadcell);

+ Phân loại theo hình dạng: dạng đĩa, dạng thanh, dạng trụ, dạng cầu,dạng chữ S + Phân loại theo kích thước và khả năng chịu tải: loại bé, vừa, lớn;

Hình 3.16 Loadcell chữ Z và sơ đồ kết nối

1. Loadcell chữ Z, 2. Mạch khuếch đại HX711, 3. Mạch Arduno Uno R3 Tùy vào dạng của vật cứng mà loadcell có nhiều loại khác nhau như loadell chịu nén, chịu kéo, chịu uốn, chịu xoắn…Sau đây là kết cấu và nguyên lý của loadcell chịu kéo được sử dụng trong đề tài.

Các điện trở lực căng trong loadcell được kết nối thành một mạch cầu Wheastone, khi không bị tác động, điện trở của các điện trở lực căng bằng nhau, cầu ở trạng thái cân bằng. Khi bị tác động, vật cứng bị biến dạng, các điện trở lực căng thay đổi điện trở làm cầu lệch cân bằng và làm xuất hiện ở ngõ ra một điện áp V0. - Khi loadcell có 2 strain gage tích cực (R2, R4 giãn, R1=R3=R cố định):

3 2

0 1 1 1

1 2 3 4 2 2 2

R R R R R R

V V V V

R R R R R R R R R R

   +   

= + − +  = +  − +   = +  (3.25) Khi loadcell có 4 strain gage tích cực (R2 = R4 = R + ΔR, R1 = R3 = R - ΔR).

Điện áp ra của cầu V0:

0 1 1

2 2

R R R R R

V V V

R R R

+  −  

 

= −  = (3.26)

Tính toán chọn loadcell:

Thông số của Loadcell chọn đáp ứng yêu cầu làm việc như bảng 3.1.

Bảng 3.1. Thông số Loadcell chữ Z

TT Thông số Giá trị

1 Nhãn hiệu Keli PST

2 Tải trọng 50Kg

3 Cấp chính xác OIML R60 C3

4 Điện áp biến đổi (20.002) và (30.003) mV/V

5 Sai số lặp lại ( 0.01)%R.O

6 Độ trễ 0.02%R.O

7 Sai sô tuyến tính 0.02%R.O

8 Điện áp kích thích 10÷12 V (DC)

Mạch khuếch đại HX711

Điện áp đặt vào loadcell V0 được lấy từ nguồn của cổng USB là điện áp 5 [V], do điện áp của ngõ ra quá nhỏ khi không đặt tải và cả khi đặt tải nên để thiết bị thu thập dữ liệu có thể xử lý được phải khuếch đại tín hiệu điện áp đầu ra của loadcell.

Hình 3.17 Mạch khuếch đại HX711 Module đọc tín hiệu loadcell

Hình 3.18 Sơ đồ đọc tín hiệu Loadcell

3.1.4.2 Lắp đặt loadcell

Một đầu loadcell được lắp vào càng chữ V nối với vỏ băng thử, đầu còn lại được lắp cố định vào khung của băng thử. Việc lắp đặt loadcel cần phải chính xác theo phương vuông góc với cần kéo tránh để loadcell bị nghiêng sẽ ảnh hưởng đến kết quả đo mô men và công suất khi thử nghiệm. Vì vậy, phải điều chỉnh được độ vuông góc của loadcell với cần kéo của băng thử. Điểm gá cố định của loadcell trên băng thử cần phải đảm bảo độ cứng vững.

Hình 3.19 Lắp đặt loadcell 3.1.4.3Cảm biến tốc độ động cơ

Để xác định tốc độ quay của động cơ có thể sử dụng nhiều loại cảm biến khác nhau như cảm biến quang, cảm biến điện từ. Trong phạm vi đề tài này sử dụng encoder để xác định tốc độ của động cơ. Dựa theo tín hiệu phát ra của encoder mà có hai loại encoder khác nhau.

Encoder tuyệt đối :có ưu điểm dùng trong những trường hợp khi góc quay là nhỏ và động cơ không quay nhiều vòng. Khi đó, việc xử lý encoder tuyệt đối trở nên dễ dàng cho người dùng hơn, vì chỉ cần đọc giá trị là chúng ta biết ngay được vị trí góc của trục quay.

Hình 3.20 Encoder tuyệt đối

Encoder tương đối: có cấu tạo gồm một đĩa mã có khắc vạch sáng tối, đặt giữa nguồn sáng và transistor quang (phototransistor). Cấu tạo và sơ đồ mạch điện của một encoder tương đối như hình 3.20.

Hình 3.21 Cấu tạo và sơ đồ mạch điện của encoder tương đối 1-Trục; 2-Ổ bi; 3-Giá đỡ trục; 4,10-Đĩa mã có khắc vạch;

5-Bộ thu phát hồng ngoại; 6-Vỏ; 7-Lỗ trống nhỏ; 8-Lỗ trống lớn;

9-Điện trở; 11-Điốt quang; 12-Phototransistor; 13-Tín hiệu ra.

Nguyên lý cơ bản của encoder bao gồm một đĩa có khắc vạch quay quanh trục, trên đĩa có các rãnh. Bộ thu phát hồng ngoại gồm một điốt quang (Đèn led) và một phototransistor (Mắt thu). Khi đèn led chiếu lên mặt đĩa, khi đĩa quay, chỗ không có lỗ, đèn led không chiếu xuyên qua được, chỗ có lỗ, đèn led sẽ chiếu xuyên qua. Đồng thời mặt bên kia của đĩa được đặt một con mắt thu. Với các tín hiệu có, hoặc không có ánh sáng chiếu qua tương ứng cho ra tín hiệu mức 1 và tín hiệu mức 0. Số xung đếm được và tăng lên nó tính bằng số lần ánh sáng chiếu qua các lỗ mà phototransistor thu nhận được.

Hình 3.22 Nguyên lý hoạt động

Như vậy, encoder sẽ tạo ra các tín hiệu xung vuông và tần số của xung đầu ra sẽ phụ thuộc vào tốc độ quay của đĩa mã có khắc vạch. Do đặc điểm của động cơ là quay nhiều vòng nên encoder lựa chọn sử dụng trong đề tài là loại có 360 xung trong một vòng quay.