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
b. Tầng thứ 3:
Tầng 3 dùng để chỉnh điện áp lệch, đồng thời mạch dùng để
chia độ lợi để đảm bảo hệ số khuếch đại của mỗi tầng là không
quá lớn.
Hệ số khuếch đại tầng thứ 3:
 A

3
= 5.7
Hệ số khuếch đại toàn mạch là : A=A
1
.A
2
.A
3
=R
3
/R
1.
.1,586 . 5,7
=1000
Chọn R
1
=1K  R
3
=110,6K chọn R
3
=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.


K10
R
R
1A

11
10
3
1110
R; 47K RChọn
:liệudữghiThanh
$378:addresscó uliệdữghi thanhcủaD bit đếnnốiđượcHOLDRUN/
đổi. biếnsàngsẵntháitrạngở 7109ICLđể[0]mứcở ChoCE/LOAD
liệu.dữghithanhcủaD bit đếnnốiđược:enable) byteHighBENH.
$378.chỉđòacóliệudữghithanhcủaD bit đếnnốiđược:enable) bytelowLBEN
:
gồm
bao
INPUT
CONTROL
BYTE
Các
1
0
:
(:
(:
D4
D0
D5
D6 D1D2D7
D3
RUN/HOLD
HBEN
LBEN

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 tiếp với máy tính bằng cổng máy in nên ta không
thể 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:
-
-
1A
1B
2A
2B
3A
3B
4A
4B
OE
SL
1Y
2Y
4Y

1A
1B
2A
2B
3A
3B
4A
4B
OE
SL
1Y
2Y
4Y
SLCT (13) (low)
PE (12)
ACK(10)
BUSY (11) (high)
B9 B12 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 bảng trạng thái của IC 74257 ta có bảng trạng thái sau:
SLCTI
N
INIT
OE SL Bit đọc vào
1
1
0
0
1
0
0
0
1
0
1
0
B
1
—B
4
.
B
5

—B
8.
B
9
—B
12.
Do ở thanh ghi điều khiển tại bit D
3
trước khi đưa ra để nối
DB 25 qua cổng not. Vì vậy muốn gởiø D
3
=0 ra cổng thì phải qua
thêm 1 cổng Not nữa như hình vẽ.
-Khi INIT=0 SL=0
 Ngõ vào B
1
B
4
được chọn (74257
(1) được SLCTIN = 1 OE
(1)
=0
chọn
-Khi INIT=1 SL=1

 Ngõ vào B
5
B
8
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 B
9
B
12
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 7812,
7912, 7805, 7905. Trong đó 79xx là họ IC ổn áp âm, 78xx là họ
IC ổn áp dương. Sơ đồ mạch được vẽ như sau:





15V
15V
+12V
+5V
-12V
-5V
~ 220
- +
25V
2200uF
4,7uF
4,7uF
25V
2200uF
0,1uF
0,1uF
Biến áp sử dụng là biến áp có điểm giữa.
Nguoàn kích cho caàu Wheatstone:
Sô ñoà keát noái LM 723.
21
2
123
.
//
R
ñoù
Trong

RR
R
VV
R
R
ccout



12V
Regulator Output12 11
10
2
3
4
7
5
6
R
R3
R1
R2