Chức năng cụ thể của các chân điều khiển part1 potx

Đo lực và ứng suất Trang 1
SVTH :HÀ THANH LÂM - PHẠM TRỌNG QUỲNH
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 đònh được những thông số vật
lý cơ học khác như: độ võng tónh, moment, lực tác dụng, …
Hiện nay đã có những máy đo như loại dùng đồng hồ chỉ thò 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 bò đo lường
thông thường mà cho ta kết quả nhanh và chính xác. Các thiết bò, 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 ngoài 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.
Đo lực và ứng suất Trang 2
SVTH :HÀ THANH LÂM - PHẠM TRỌNG QUỲNH

PHẦN A
DẪN NHẬP
Đo lực và ứng suất Trang 3
SVTH :HÀ THANH LÂM - PHẠM TRỌNG QUỲNH

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 bò 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 bò đo lường điện tử ngày càng chính xác
hơn, sử dụng thuận lợi hơn, hoạt động ở chế độ tự động hóa hoàn toàn. 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 đònh 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 đònh được khối lượng mà vật đặt vào. Thông qua đại lượng trung gian
này mà ta có thể xác đònh được: độ biến dạng ứng suất, độ võng và đề tài
này sẽ được tìm hiểu kỹ về cách thức xác đònh được các đại lượng này.
Với đề tài “ĐO LỰC VÀ ỨNG SUẤT” này có thể dùng làm thiết bò
đo lường ở phòng thí nghiệm. Do đó nhiệm vụ chủ yếu là phải hiển thò 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 thò kết quả dưới
nhiều hình thức khác nhau (hiển thò chế độ văn bản, ở chế độ đồ thò).
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 thò 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 thò
1 loạt các thông số: lực, ứng suất, biến dạng thì sẽ trở nên gặp khó khăn
Đo lực và ứng suất Trang 4
SVTH :HÀ THANH LÂM - PHẠM TRỌNG QUỲNH
và hiển thò dưới đồ thò 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 dó chọn phương
pháp này có ưu điểm là:
- Có thể hiện thò cùng một lúc các thông số và đồ thò.
- Tính toán và lập trình trên phần mềm Pascal so với xử lý và vi
điều khiển.

Đo lực và ứng suất Trang 5
SVTH :HÀ THANH LÂM - PHẠM TRỌNG QUỲNH
CHƯƠNG I

CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO BIẾN DẠNG

I. KHÁI NIỆM VỀ BIẾN DẠNG:
Khi đặt một lực vào vật thể, vật thể bò 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 vò 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 đònh 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 hoàn 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 chòu 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 đònh) song rất ít sử dụng.
Đo lực và ứng suất Trang 6
SVTH :HÀ THANH LÂM - PHẠM TRỌNG QUỲNH

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 bò biến dạng. Phương pháp này có điểm khó
khăn là các biến dạng thường nhỏ do đó hầu hết các trường hợp sự dòch
chuyển các 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 chòu 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 đònh biến dạng.
Các thiết bò 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
Winding Cord
Đo lực và ứng suất Trang 7
SVTH :HÀ THANH LÂM - PHẠM TRỌNG QUỲNH
1. 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.

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 bò 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.

2. Chất keo dán:

a) Keo cyanoacrylate: Rất thực dụng cho việc áp dụng bình
thường trong thời gian ngắn, nhiệt độ áp dụng dưới 100
0
C. Sẽ khô cứng
trong vài giây dưới tác dụng của sức ép.

b) Keo epoxy: Rất có hiệu quả, ổn đònh trong thời gian lâu với
nhiệt độ đến 300
o
c.

c) Keo gốm: Khó áp dụng hơn vì cần thiết bò đặt biệt có vẻ mong
manh yếu ớt, không cho phép dùng với những biến dạng lớn.,sử dụng
được đến 600
o
c.

d) 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.
E.F
L
L
F
R
R




trở điện đổi biếnđộ:
R
R

Đo lực và ứng suất Trang 8
SVTH :HÀ THANH LÂM - PHẠM TRỌNG QUỲNH
IV. MẠCH CẦU WHEATSTONE:
Cầu Wheatstone là mạch cầu được chọn nhiều nhất trong việc đo
những biến dạng điện trở nhỏ (tối đa 10%) như trong việc dùng các miếng
đo biến dạng.
1. Nguyên lý:
Đối cầu Wheatstone của hình 1:

Tín hiệu đầu ra E
m
qua thiết bò đo với trở kháng Z
m
:

R: điện trở danh nghóa ban đầu của các điện trở R
1
, R
2
, R
3
& R
4
(thường là
120 nhưng là 350 cho các bộ biến cảm).
V: điện áp cung cấp cho cầu.

Điện áp cung cấp cho cầu là một nguồn năng lượng cung cấp thật ổn

đònh.
Phần lớn Z
m
lớn hơn R rất nhiều (ví dụ như:Vôn kế, bộ khuếch đại với liên
kết trực tiếp) do đó thì phương trình (1) trở thành:

Từ (2) có nhận xét là: sự thay đổi đơn vò điện trở của 2 điện trở nghòch
nhau. Đặc tính này của cầu Wheatstone thường được dùng để bảo đảm tính
ổn đònh nhiệt của mạch đo và cũng để dùng cho các thiết kế đặc biệt.

trở. điện của vò đơn đổi Biến:
(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
R

V
Em
m
E
Zm
m
Hình 1: Mạch cầu Wheatstone
R1
R2
R4
R3
V