Nghiên cứu, xây dựng hệ thống tự động xử lý số liệu trên máy thử nghiệm kéo nén vật liệu

Header Page 1 of 126.

1

2
Công trình ñược hoàn thành tại

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

NGUYỄN ĐỨC LUÂN
Người hướng dẫn khoa học: TS. ĐINH MINH DIỆM

NGHIÊN CỨU, XÂY DỰNG HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG
XỬ LÝ SỐ LIỆU TRÊN MÁY THỬ NGHIỆM
KÉO NÉN VẬT LIỆU

Phản biện 1: TS. NGUYỄN XUÂN HÙNG
Phản biện 2: GS. TS. LÊ VIẾT NGƯU

Chuyên ngành : Công nghệ Chế tạo máy

Luận văn ñược bảo vệ tại Hội ñồng chấm Luận văn tốt nghiệp

Mã số :

thạc sĩ kỹ thuật họp tại Đại học Đà Nẵng vào ngày 23 tháng 10

60.52.04

năm 2010

* Có thể tìm hiểu luận văn tại:
TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

- Trung tâm Thông tin - Học liệu, Đại học Đà Nẵng
- Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng.

Đà Nẵng - 2010

Footer Page 1 of 126.


Header Page 2 of 126.

3

4
cao. Hiện nay trên thị trường có những loại máy thử nghiệm kéo nén

MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn ñề tài
Theo chủ trương chiến lược của Chính phủ về “Phát triển khoa

vật liệu thế hệ mới với sự hỗ trợ của máy tính ñã phần nào giải quyết
ñược nhưng khó khăn ñã nêu trên, tuy nhiên giá thành lại rất ñắt nên
việc ñầu tư mua sắm sẽ gặp rất nhiều khó khăn.

học và công nghệ Việt Nam ñến năm 2020” trong các lĩnh vực Công

Từ những cơ sở trên, tôi ñề xuất ñề tài mang tên: “Nghiên cứu,

nghệ tự ñộng hóa và cơ ñiện tử ñã nhấn mạnh: “… Thiết kế, xây

xây dựng hệ thống tự ñộng xử lý số liệu trên máy thử nghiệm kéo

dựng phần mềm, lắp ñặt, trang bị các hệ thống thích hợp giám sát,

nén vật liệu”

ñiều khiển, thu thập và xử lí số liệu áp dụng phổ cập trong ñiều hành

2. Mục ñích nghiên cứu

hoạt ñộng của các chuyên ngành công nghiệp;….Phát triển và hình

Mục ñích của ñề tài chủ yếu nghiên cứu cơ tính của vật liệu và

thành các ngành công nghiệp phần cứng và thiết bị thông minh. Phần

các phương pháp thử nghiệm kéo nén vật liệu và tìm hiểu một số

cứng là các bộ ñiều khiển, các hệ thống cơ-ñiện tử, các thiết bị thông

thiết bị thử nghiệm kéo nén vật liệu cũng như nguyên lý hoạt ñộng

minh sẽ là khâu quyết ñịnh hoàn thiện và nâng cấp dây chuyền công

của chúng. Đồng thời tác giả dựa trên ñộ chính xác của cảm biến lực

nghệ. Phát triển mạnh về thiết kế, chế tạo, tích hợp phần cứng phục

và cảm biến chiều dài ñể tính toán, thiết kế các thiết bị ghép nối máy

vụ phần mềm ñiều khiển. Các hệ thống cơ-ñiện tử ñược phát triển ñể

tính và xây dựng phần mềm xử lý số liệu kết quả ño.

dành chỗ cho sự phối hợp hệ thống trong dây chuyền sản xuất. Như

3. Phạm vi nghiên cứu

chế tạo các hệ thống tự ñộng ñiều khiển ñịnh lượng các quá trình sản

Nghiên cứu tổng quan về cơ tính, các phương pháp kiểm tra cơ

xuất liên tục, sản xuất theo dây chuyền, ứng dụng cho các hệ thống tự

tính của vật liệu; Nghiên cứu về nguyên lý của máy thử kéo nén vật

ñộng vận chuyển, công nghiệp xi măng, sản xuất vật liệu xây dựng,

liệu và các phương pháp thực hiện các phép thử kéo-nén; xử lý và

cân băng tải, bốc rót vật liệu rời. Chế tạo các thiết bị ño lường phân

ñánh giá kết quả của các phép thử nghiệm; Nghiên cứu thiết bị ño và

tích tự ñộng; hệ thống ñếm và phân loại sản phẩm…”

thiết bị ghép nối máy tính; Phân tích dữ liệu, lọc các dữ liệu cần thiết

Việc thử nghiệm kéo nén là những thí nghiệm cơ bản trong

cho mỗi phép thử; viết chương trình xử lý dữ liệu và giao diện màn

việc thử nghiệm vật liệu. Những thí nghiệm này minh họa cho những

hình; Đánh giá ưu nhược ñiểm.

ñặc tính ổn ñịnh quan trọng trong việc ñánh giá các vật liệu. Hiện

4. Phương pháp nghiên cứu

nay, trong các nhà trường, học viện, phòng thí nghiệm, các phân viện
nghiên cứu cũng như các nhà máy sản xuất ñang sử dụng một lượng

Đề tài sử dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với
phương pháp thực nghiệm.

lớn các thiết bị thử nghiệm kéo nén vật liệu. Các thiết bị này ñã có từ

Nội dung nghiên cứu:

lâu và phần lớn khâu xử lí số liệu ño lường và ñánh giá kết quả ño

- Về lý thuyết: Nghiên cứu tổng quan về cơ tính, các phương

ñều làm thủ công, rất tốn thời gian, hiệu suất và ñộ chính xác không

pháp kiểm tra cơ tính của vật liệu; Nghiên cứu về nguyên lý của máy

Footer Page 2 of 126.


Header Page 3 of 126.

5

6

thử kéo nén vật liệu và các phương pháp thực hiện các phép thử kéo-

trình xử lí số liệu dễ dàng hơn, tiết kiệm thời gian, kinh phí nâng cấp

nén; Nghiên cứu khả năng lập trình ghép nối máy tính; xử lý dữ liệu;

và nâng cao hiệu suất lao ñộng.

- Về thực nghiệm: Thiết kế thiết bị giao tiếp với máy tính, thử

6. Cấu trúc của luận văn

nghiệm giao tiếp, trao ñổi dữ liệu với thiết bị; thử nghiệm trên máy

Mở ñầu

thử nghiệm vạn năng WP 300 tại Trung tâm TC-ĐL-CL3/ Bộ Quốc

Chương 1. Đặc trưng cơ học của vật liệu và các phương pháp

phòng.
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
Dựa trên các nguyên lý và các phương pháp thử nghiệm vật
liệu cũng như ñộ chính xác cao của các cảm biến lực, cảm biến chiều

kiểm tra.
Chương 2. Phương pháp xử lý số liệu.
Chương 3. Lựa chọn thiết bị ño và tính toán thiết kế thiết bị
ghép nối máy tính.

dài và khả năng kết nối máy tính của các thiết bị này ñể tiến hành xây

Chương 4. Xây dựng phần mềm xử lý số liệu.

dựng phần mềm xử lý số liệu trên máy thử nghiệm kéo nén vật liệu.

Kết luận và hướng phát triển của ñề tài.

Thông qua các tín hiệu ñiện từ bộ cảm biến lực và chiều dài có
ñộ chính xác cao, ta có thể thu các kết quả thử nghiệm về và tính toán

CHƯƠNG 1

một cách chính xác, ñồng thời thể hiện lại một cách trực quan toàn bộ

ĐẶC TRƯNG CƠ HỌC CỦA VẬT LIỆU VÀ

quá trình biến ñổi của vật liệu thông qua các loại biểu ñồ khác nhau,

CÁC PHƯƠNG PHÁP KIỂM TRA

ñồng thời lưu lại kết quả, lập báo cáo và kết xuất dữ liệu theo
yêu cầu.

1.1. Các ñặc trưng cơ tính của vật liệu
Để nghiên cứu ứng xử của vật liệu dưới tác dụng của tải trọng,

Với phần mềm này, ta có thể theo dõi toàn bộ quá trình phép

người ta phải tiến hành thí nghiệm trên các mẫu chính vật liệu ñó

thử ngay trong chương trình; các giá trị ñọc ñược từ máy tính có ñộ

trong các phòng thí nghiệm chuyên dùng. Các thí nghiệm ñược tiến

chính xác cao. Cho phép chọn và quan sát, phân tích các giai ñoạn

hành nhằm xác ñịnh các ñại lượng cho phép ta ñánh giá ñược tính

biến dạng của vật liệu trên biểu ñồ, thông qua ñó ñánh giá chất lượng

ñàn hồi, tính dẻo, ñộ bền v.v… của vật liệu.

vật liệu có hệ thống và chi tiết hơn.

Những ñại lượng ñặc trưng ñó ñược gọi là ñặc trưng cơ học của

Hiện nay trong nền công nghiệp quốc phòng nói riêng và

vật liệu. Cơ tính của vật liệu ñược biểu thị bởi các ñặc trưng cơ học,

ngành cơ khí của ñất nước nói chung, các thiết bị thử nghiệm kéo nén

chúng cho biết khả năng chịu tải của vật liệu trong từng ñiều kiện cụ

vật liệu ñang ñược sử dụng rất nhiều và chiếm một vai trò to lớn

thể, là cơ sở ñể tính toán ñộ bền khi sử dụng và khi so sánh các vật

trong quá trình ñánh giá cơ tính của vật liệu. Đề tài sẽ góp một phần

liệu với nhau. Các chỉ tiêu này ñược xác ñịnh bằng các phương pháp

trong việc thử nghiệm cơ tính vật liệu với ñộ chính xác cao hơn, quá

thử nghiệm trên các mẫu có kích thước theo tiêu chuẩn nhất ñịnh.

Footer Page 3 of 126.


Header Page 4 of 126.

7

8

1.1.1. Độ bền

thể xác ñịnh một số các ñặc trưng cơ học của một loại vật liệu

Các chỉ tiêu về ñộ bền

Fñh
MN/m2
S0
F0, 2
c. Giới hạn chảy qui ước (σ0,2): σ 0 , 2 =
MN/m2
S0

a. Giới hạn ñàn hồi (σñh): σ ñh =

d. Giới hạn bền (σb):

σb =

Fb
S0

MN/m2
Hình 1.4. Đường cong ñặc tính của vật liệu

1.1.2. Độ dẻo
1.1.3. Độ dai va ñập

1.2.2. Thí nghiệm nén vật liệu

1.1.4. Độ dai phá hủy biến dạng thẳng

1.2.3. Một số yếu tố ảnh hưởng ñến các ñặc trưng cơ học của vật

1.1.5. Độ cứng

liệu

1.2. Phương pháp kiểm tra ñặc trưng cơ học của vật liệu

1.3. Nguyên lý hoạt ñộng của máy kéo nén

1.2.1. Thí nghiệm kéo

Các máy thí nghiệm kéo nén ở nước

Thí nghiệm kéo vật liệu ñược tiến hành trên một máy sinh lực,

ta hiện nay chủ yếu làm việc theo

gọi là máy kéo, nén vạn năng. Mẫu thí nghiệm ñược chế tạo với hình

nguyên lý thủy lực hoặc cơ khí,

dạng và kích thước nhất ñịnh, tùy thuộc vào loại vật liệu và tuân thủ

trong ñó các máy thí nghiệm kéo

theo quy phạm của từng quốc gia.

nén thủy lực chiếm số lượng rất lớn.
Sơ ñồ nguyên lý hoạt ñộng của máy
thí nghiệm kéo nén ñược thể hiện
trên hình 1. 13. Từ một bơm thủy
lực, dầu ñược dẫn vào xi-lanh(A),
dầu tác dụng lên bề mặt pittông (B)
một áp lực P. Cần pittông (C) ñược

Hình 1.1. Kích thước của mẫu thép hình trụ

nối với mẫu M thông qua ngàm (D),

Sau thí nghiệm ta sẽ có ñược ñường cong ñặc tính của vật liệu.

tác dụng vào mẫu một lực kéo, có trị

Căn cứ vào ñường cong ñặc tính của vật liệu như trên hình 1.4, ta có

số bằng áp lực P, lực này ñược chỉ

Footer Page 4 of 126.

thị trên ñồng hồ áp lực N.

Hình 1.13. Sơ ñồ nguyên lý
hoạt ñộng của máy thí nghiệm
kéo nén


Header Page 5 of 126.

9
CHƯƠNG 2

PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ SỐ LIỆU
2.1. Khái niệm về sai số ño và phân loại
Sự sai khác giữa kết quả ño, nhận ñược từ giá trị chỉ thị trên
máy và dụng cụ ño x với giá trị thực Q của nó gọi là sai số ño:

∆x = x − Q
2.2. Sai số ngẫu nhiên - phương pháp tính thông số ñặc trưng

10
2.4. Sai số thô - các chỉ tiêu loại sai số thô
2.4.1. Chỉ tiêu 3σ
2.4.2. Chỉ tiêu Sovinô
2.5. Xử lý kết quả ño gián tiếp
Phương pháp ño gián tiếp trong thực tế thường gặp nhiều hơn.
Phương trình biểu diễn quan hệ giữa ñại lượng cần ño y và các ñại
lượng ñược ño trực tiếp x1; x2; …; xm là:

2.2.1. Tính toán các thông số ñặc trưng khi ño không cùng ñiều
kiện ño

Y = f(x1; x2; …; xm)
Vấn ñề ñặt ra là các giá trị xi là các ñại lượng ño trực tiếp, xi

2.2.2. Tính toán các tham số ñặc trưng trong trường hợp phân bố

ñược biểu diễn qua Xi và ∆Xi là sai số của chúng, ñược ño qua ñộ ño

của các ñại lượng thuần dương

σx. Độ lớn của ∆Xi phụ thuộc vào ñộ chính xác khi ño cũng như số

2.3. Sai số hệ thống - phương pháp khử sai số hệ thống

lần ño. Vấn ñề cần giải quyết là mối quan hệ giữa Xi; ∆Xi và các

Sai số hệ thống là loạt sai số mà có thể dự ñoán trước ñược
nguyên nhân gây ra sai số, nắm trước ñược luật biến thiên, có trị số

tham số phân bố của ñại lượng ño gián tiếp Y và σy.
2.5.1. Bài toán thuận

và dấu xác ñịnh trong mỗi ñiều kiện ño cụ thể. Do ñặc ñiểm này, sai

Nội dung của bài toán thuận: với kết quả ño trực tiếp, ta có X1,

số hệ thống có thể dùng các biện pháp khác nhau ñể làm giảm ñến

X2, …, Xm và ñộ chính xác tương ứng ño σx1, σx2, …, σxm. Hãy xác

mức tối thiểu hoặc khử hoàn toàn khỏi kết quả ño và vì vậy, trong

ñịnh kết quả ño gián tiếp Y và σy.

các phép ño thông thường ở kết quả ño chỉ có ghi trị số giới hạn của
sai số ngẫu nhiên mà không ghi thành phần sai số hệ thống.
2.3.1. Phương pháp hiệu chỉnh

2.3.2. Phương pháp so sánh với mẫu
Phương pháp này ñược dùng khi ño so sánh: ñại lượng ño ñược
ñem so sánh với ñại lượng mẫu có cùng kích thước nhưng có ñộ
chính xác cao hơn. Kết quả ño cho ta sai lệch tuyệt ñối giữa kích
thước ño và kích thước mẫu. Với phương pháp này các sai số do vị trí
cơ cấu, do ñiều kiện ño… sẽ ñược khử hết.
2.3.3. Phương pháp bù (phương pháp bồi thường)

Cơ sở ñể giải quyết bài toán này là công thức Taylo tính sai số
của hàm số theo sai số của ñối số:
y = f(x1, x2, …, xm)
∆y = f (∆x1 , ∆x2 ,..., ∆xm ) =

m
∂f
∂f
∂f
∂f
∆x1 +
∆x2 + ... +
∆xm = ∑
∆xi
∂x1
∂x2
∂xm
∂
i =1 xi

Muốn tính giá trị trung bình của giá trị ño gián tiếp ta chỉ việc
thay giá trị trung bình của các ñại lượng ño trực tiếp vào phương

trình quan hệ giữa chúng với nhau.
Để tính toán ñộ chính xác của các ñại lượng ño gián tiếp ta xuất
phát từ công thức tính sai số hàm:

Footer Page 5 of 126.


Header Page 6 of 126.

11

12

∂f
∂f
∂f
∆x1 j +
∆x 2 j + ... +
∆x mj
∂x1
∂x 2
∂x m

∆y j =

CHƯƠNG 3
LỰA CHỌN THIẾT BỊ ĐO VÀ TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ
THIẾT BỊ GHÉP NỐI MÁY TÍNH

Cuối cùng ta có:

2

2

 ∂f

 ∂f

σ Y = 
σ X 1  + ... + 
σ Xm  =
 ∂x1

 ∂x m


 ∂f


σ Xi 
∑
i =1  ∂x i

m

2

3.1. Cảm biến dịch chuyển
- Ký hiệu : PY2 C 25
- Hành trình dịch chuyển của ñầu ño : 25 mm

2.5.2. Bài toán nghịch

- Điện áp nguồi nuôi lớn nhất : 24 V

2.6. Độ chính xác và ñộ tin cậy của kết quả ño

- Độ phi tuyến : ± 0,2 %

2.6.1. Khi ño trực tiếp các ñại lượng trong cùng ñiều kiện ño
2.6.2. Khi ño trực tiếp các ñại lượng không cùng ñiều kiện ño
2.6.3. Xác ñịnh số lần ño cần thiết theo ñộ chính xác và ñộ tin cậy
yêu cầu
2.7. Phương pháp xác ñịnh mối quan hệ thực nghiệm
Việc xác ñịnh mối quan hệ thực nghiệm từ số liệu ño cần qua
các bước:1. Vẽ sơ bộ quan hệ theo số liệu thực nghiệm; 2. Chọn công
thức biểu diễn hàm quan hệ; 3. Xác ñịnh hàm thực nghiệm: xác ñịnh các
hằng số trong công thức ñã chọn; 4. Kiểm nghiệm sự phù hợp thực tế của
công thức vừa xác ñịnh.
2.7.1. Xác ñịnh quan hệ hàm số giữa các ñại lượng

- Model: CBES

2.7.1.1. Chọn công thức thực nghiệm

- Dải ño (R.C): ñến 20 kN

2.7.1.2. Xác ñịnh công thức thực nghiệm

- Điện áp ñầu ra: 2 mV/V ± 0.25%

Hình 3.1. Cảm biến ño dịch chuyển PY2 C 25
3.1.1. Nguyên lý ño vị trí và dịch chuyển
3.1.2. Điện thế kế ñiện trở dùng con chạy cơ học
3.2. Cảm biến lực

2.7.2. Xác ñịnh quan hệ tương quan giữa các ñại lượng

- Độ không tuyến tính: ≤ 0.1% R.O

2.7.3. Áp dụng lý thuyết hàm ngẫu nhiên trong nghiên cứu quan

- Quá tải cho phép: 150% R.C

hệ thực nghiệm

- Giới hạn quá tải: 300% R.C

Hình 3.3. Cảm biến lực CBES 2000

3.2.1. Nguyên lý ño lực
3.2.2. Cảm biến lực với màng sọc co giãn kim loại
3.3. Tính toán thiết kế thiết bị ghép nối máy tính

Footer Page 6 of 126.


Header Page 7 of 126.

13

3.3.1. Sơ ñồ khối ghép nối các cảm biến với máy tính

14
3.3.2. Sơ ñồ nguyên lý
3.3.2.1. Sơ ñồ nguyên lý khối nguồn cung cấp
3.3.2.2. Sơ ñồ nguyên lý cảm biến, bộ chuyển ñổi và bộ khuếch ñại ño
dịch chuyển
3.3.2.3. Sơ ñồ nguyên lý cảm biến, bộ chuyển ñổi và bộ khuếch ñại ño
lực
3.3.2.4. Sơ ñồ nguyên lý bộ biến ñổi ADC 16 bít ño dịch chuyển
5V/DC

-5V/DC

U8

1.6V/DC
VR1
100K

1
2

VREF

UNDERRANGE
OVERRANGE

3

0
C24 0.47MF

ANA COM

R11 27
4

C23 1MF

INT OUT

5

AZ IN

D5
6
7

Hình 3.5. Sơ ñồ ghép nối các cảm biến với máy tính

8
9

0
0
R9

BUFF OUT
REF CAP-

R10 100K
C22
1MF

R12
100K

REF CAP+
IN LO

C21
0.1MF
10
11

100K

IN0(ADC)

STROBE
R/H
DIGI GND
POL
CLOCK IN
BUSY

B8(MSB)

B4
B2
B1(LSB)

IN HI
V+

5V/DC

D1(LSD)
D2
D3
D4
D5(MSB)

28
27
26
25
24
23
22
21

0
CLOCK 120kHz
P2(AD0...AD4)

0 AD0

20
19
18
17
12

AD1
AD2
AD3
AD4
P0(D0...D3)
D3
D2
D1
D0

16
15
14
13

ICL7135

- Cảm biến có nhiệm vụ chuyển ñổi các ñại lượng cần ño thành
tín hiệu ñiện hay sự thay ñổi các ñại lượng ñiện ở cảm biến như: ñiện

3.3.2.5 Sơ ñồ nguyên lý bộ biến ñổi ADC 16 bít ño lực
5V/DC

trở, ñiện dung, ñiện cảm …;

- Bộ khuyếch ñại có chức năng khuyếch ñại tín hiệu phát sinh ở

3

0
C24 0.47MF

C23 1MF

5

D5
6
7
R10 100K
C22
1MF

R12
100K

8
9

0
0

C21
0.1MF
10

11

R9 100K
IN0(ADC)
5V/DC

- Bộ hiển thị kết quả ra màn hình.

VREF

UNDERRANGE

ANA COM

R11 27
4

hoặc máy tính;
tương ứng bằng các công thức toán học.

1
2

OVERRANGE

- Bộ chuyển ñổi Analog - digital (ADC) có nhiệm vụ chuyển

- Bộ xử lý số liệu có nhiệm vụ xử lý số liệu ño thành ñại lượng

U8

1.6V/DC
VR1
100K

cảm biến.
ñổi tín hiệu ñiện tương tự sang tín hiệu số ñể giao tiếp với bộ xử lý

-5V/DC

INT OUT
AZ IN
BUFF OUT
REF CAP-

REF CAP+
IN LO

IN HI
V+

STROBE
R/H
DIGI GND
POL
CLOCK IN
BUSY
D1(LSD)
D2
D3

D4
D5(MSB)
B8(MSB)
B4
B2
B1(LSB)

28
27
26
25
24
23
22
21

0
CLOCK 120kHz
P2(AD00...AD04)

20
19
18
17
12

0 AD0
AD1
AD2
AD3

AD4
P0(D00...D03)

16
15
14
13

D3
D2
D1
D0

ICL7135

3.3.2.6. Sơ ñồ nguyên lý mạch tạo xung clock 120kHz

Footer Page 7 of 126.


Header Page 8 of 126.

15

16

3.3.2.7. Sơ ñồ nguyên lý mạch vi ñiều khiển

3.3.3. Tính toán thiết kế thi công
3.3.3.1.Tần số dao ñộng cung cấp cho ADC ILC7135

5V/DC

+ f (clock) = 120(kHz)
C11
104

P2(AD00...AD04)
5V/DC

+ Theo mạch dao ñộng LM 555 trên.

0
P0(D0...D3)

5V/DC
40
SW1

+

AD00
AD01
AD02
AD03
AD04

C14
10MF
RST

-

R5
8.2K
RST

0

1
2
3
4
5
6
7
8

P1.0
P1.1
P1.2
P1.3
P1.4
P1.5
P1.6
P1.7

9

RXD

C12

EA/VPP
P3.0/RXD
P3.1/TXD
P3.2/INT0
P3.3/INT1 ALE/PROG
P3.4/T0
PSEN
P3.5/T1
P3.6/WR
P2.7/A15
P3.7/RD
P2.6/A14
P2.5/A13
XTAL2
P2.4/A12
P2.3/A11
P2.2/A10
P2.1/A9
XTAL1
P2.0/A8

30P
18

GND

Y1

11.059
19
C13
30P

20

0

P0.0/AD0
P0.1/AD1
P0.2/AD2
P0.3/AD3
P0.4/AD4
P0.5/AD5
P0.6/AD6
P0.7/AD7

39
38
37
36
35
34
33
32

D0
D1
D2

D3
D00
D01
D02
D03

P0(D00...D03)

31
30
29

P2(AD0...AD4)

Suy ra: Ap = 1×1.0001
3.3.3.3. Hệ số khuếch ñại ño lực

AD3
AD2
AD1
AD0

Ta có: R01 = R02 = R03 = R04 =700 (Ω)

AT89C51

VCC
10
×R03 =
×R03 = 5(V)

R02 + R03
R02 + R03
VCC
10
V02 =
×R04 =
×R04 = 5(V)
R01 + R 04
R01 + R04
V 02
R05 + R06 R06
Ap = Vout =
×R08×(
)×V01
R08 + R07
R05
R 05

0

V01 =

3.3.2.8. Sơ ñồ nguyên lý mạch giao tiếp máy tính
5V/DC

D3
C19
104

C18

10MF

+

LED1

D4
LED2

0

-

4

+
5

RS232

C2+
C2-

0
MAX232

+

0

Chọn: R08 = R06 = 10KΩ;

R8
1K

12
11

RXD

10
9

TXD

8
7

suy ra Ap = Vout =

R06
×(V02-V01) = V02-V01
R 05

3.3.3.4. Thông số ñầu vào và ñầu ra ADC của dụng cụ ño chiều dài
3.3.3.5. Thông số ñầu vào và ñầu ra ADC của dụng cụ ño lực
3.3.3.6. Lưu ñồ giải thuật ño chiều dài

-

Footer Page 8 of 126.

R7
1K

V+

R2IN
/T2OUT
V-

3
C16
10MF

GND

1

6

-

/T1OUT
R1IN
/R1OUT
T1IN
C1+
T2IN
C1/R2OUT

15

14
13
C17
10MF
+

VCC

U12

1
6
2
7
3
8
4
9
5

2

16

P1

R3

) ; Ap1 = 1 (Mạch khuếch ñại ñệm)
R4
R3
10
Ap = ( 1+
) = (1 +
) = 1.0001
R4
100000
Ap = Ap1 × (1+

5V/DC

28
27
26
25
24
23
22
21

Chọn C15 = 0.01µF; suy ra: R14 = 600Ω
3.3.3.2. Hệ số khuếch ñại Ap ño chiều dài

RST

10
11
12

13
14
15
16
17

TXD

VCC

R6
100

Ta có: T ≈ 0.69×2×R14×C15

U10

C20
10MF

0

3.3.3.7. Lưu ñồ giải thuật của dụng cụ ño lực


Header Page 9 of 126.

17

18

CHƯƠNG 4
XÂY DỰNG PHẦN MỀM XỬ LÝ SỐ LIỆU
4.1. Xử lý số liệu thử nghiệm bằng phương pháp thông dụng
4.1.1. Những dữ liệu cơ sở cần thiết cho phép thử
Khi kim loại chịu tác dụng của tải trọng sẽ có 3 giai ñoạn
biến dạng: biến dạng ñàn hồi, biến dạng dẻo và phá huỷ. Quan hệ
giữa biến dạng (∆l) và tải trọng (P) ñược giới thiệu trên hình 4-1.
Giai ñoạn phá hoại khi tải
trọng ñã ñạt tới giá trị cực
ñại (Pmax), vết nứt xuất hiện
và mẫu bị phá hoại (hình 4-1,
vùng III).
Khi thí nghiệm kéo mẫu,
cường ñộ của kim loại ñược

Hình 4.2. Thiết bị thí nghiệm vật liệu vạn năng WP 300

ñặc trưng bằng 3 chỉ tiêu sau :
Hình 4.1 Biểu ñồ kéo của kim loại
Giới hạn ñàn hồi σp : σ P =

Chọn mẫu thử nghiệm kéo giãn bằng ñồng B6x30 DIN 50125.

PP
; kG/cm2
F0

PC
; kG/cm2

F0
P
Giới hạn bền σb: σ P = Max ; kG/cm2
F0

Giới hạn chảy σc: σ c =

4.1.2 Tiến hành thí nghiệm kéo mẫu trên thiết bị thử nghiệm WP
300 (Tại Trung tâm TC-ĐL-CL3/ Bộ Quốc phòng)

Hình 4.3. Mẫu thử kéo
Sau khi gá lắp mẫu thử chắc chắn và ñúng vị trí, tiến hành gia
tải bằng cách vặn tay quay gắn ở pittông bơm dầu, việc gia tải phải
thật chậm và liên tục. Đọc chỉ số lực từ ñồng hồ sau mỗi 0,1 mm, ghi
lại trị số lực tương ứng với từng ñộ giãn, từ ñộ giãn 1mm, khoảng trị
số có thể mở rộng tới 0,2mm. Cứ như vậy cho ñến khi mẫu thử bị phá
hủy. Các trị số ñã ño ñược thể hiện ở bảng 4.1.

Footer Page 9 of 126.


Header Page 10 of 126.

19

20

Bảng 4.1. Bảng kết quả thử nghiệm mẫu ñồng B6x30 DIN 50125

Với phương pháp này, ñể có biểu ñồ Ứng suất-Biến dạng, ta

THỬ NGHIỆM:Mẫu thử kéo B6x30 DIN 50125 ñược chế tạo từ ñồng

phải thực hiện các phép tính ñể có ñược biểu ñồ. Như vậy, với

Độ giãn ∆l,

Lực thử nghiệm

Độ giãn ∆l,

Lực thử nghiệm

phương pháp này quá trình xử lí số liệu sẽ tốn nhiều công sức và thời

1/100 mm

P, kN

1/100 mm

P, kN

gian, làm cho hiệu suất công việc không cao. Qua nghiên cứu ở

10

0,8

140

10,3

chương 2 ta thấy rằng với phương pháp này sẽ chịu rất nhiều nguyên

20

2,4

160

10,1

nhân dẫn ñến sai số, làm cho sai số của phép thử sẽ lớn. Thực tế ñã

30

4,9

180

9,8

chứng minh là qua kiểm ñịnh tại Trung tâm kỹ thuật Tiêu chuẩn Đo

40

7,6

200

9,6

lương Chất lượng 2 (QUATEST2/ Bộ Khoa học và Công nghệ) thì

50

10,0

220

9,4

máy thử nghiệm kéo nén vạn năng ñạt cấp chính xác 2.

60

11,0

240

9,1

4.2. Chương trình xử lí số liệu trên máy thử nghiệm kéo nén vật liệu.

70

11,0

260

8,7

4.2.1. Giới thiệu

80

10,9

280

8,35

90

10,8

300

7,9

100

10,7

320

7,25

Sau khi có bảng kết quả trên, ta tiến hành vẽ biển ñồ Tải-Độ

giãn ñối với mẫu thử ñồng B6x30 DIN 50125.
Lực thử nghiệm P, kN

Để thể hiện các quá trình thí nghiệm nhằm xác ñịnh các ñặc
trưng của vật liệu với ñộ chính xác cao, thông qua bộ cảm biến lực và
chiều dài, các tín hiệu từ các bộ cảm biến này ñể xây dựng nên modul
tính toán, xử lý các dữ liệu thí nghiệm. Modul này ñược viết trên cơ
sở ngôn ngữ lập trình Visual Basic với thiết kế có giao diện ñẹp,
ngôn ngữ hiển thị bằng tiếng Việt hoàn toàn, bố trí các chức năng
hợp lí và ñơn giản.
Ứng dụng trên máy thử nghiệm kéo nén vật liệu WP 300 tại
Trung tâm Tiêu chuẩn Đo lường Chất lương 3/ Bộ Quốc phòng. Thay
ñồng hồ so ño dịch chuyển bằng cảm biến dịch chuyển PY2 C 25 và
lắp cảm biến lực CBES 2000 vào vị trí giữa trụ chính thủy lực và xà
dưới của khung tải di ñộng. Các cảm biến này có nguyên lý hoạt
ñộng và kết nối máy tính như ñã trình bày ở chương 3.

Độ giãn ∆l, kN
Hình 4.4. Biểu ñồ Lực-Biến dạng của mẫu ñồng B6x30 DIN 50125

Footer Page 10 of 126.


Header Page 11 of 126.

21

22
- Xác ñịnh các giá trị: Biểu ñồ ứng suất dạng

4.2.2. Chức năng của chương trình
- Giao diện chính
Giao diện chính của chương
trình ñược hiển thị sau khi ta
chọn chạy chương trình, là nơi
ñể bắt ñầu các bước thực hiện
việc thí nghiệm.
Hình 4.7. Giao diện chính của chương trình

Hình 4.12. Biểu ñồ ứng suất biến dạng

- Hệ thống: Tạo dữ liệu mới
Hệ thống: Tạo dữ liệu mới cho phép xóa bỏ các ñặc tuyến khỏi màn

- Xác ñịnh các giá trị: Bảng giá trị lực và ñộ giãn

hình và bộ nhớ, chương trình ñược ñặt lại về trạng thái ban ñầu.

Xác ñịnh các giá trị: Bảng giá trị lực

- Hệ thống: Xem dữ liệu cũ

và ñộ giãn nhằm cung cấp các giá trị

Hệ thống: Xem dữ liệu cũ nhằm mở lại các dữ liệu cũ ñã thử nghiệm.

lực và ñộ giãn cho ñặc tuyến hiện

- Hệ thống: Lưu dữ liệu cũ

thời với các trị số có ñược từ các giá

Hệ thống: Lưu dữ liệu cũ cho phép

trị ño và từ số liệu ñã nhập vào như

lưu các dữ liệu và ñặc tuyến

ñã trình bày ở chức năng 5. Khi chọn

- Nhập các thông số cho phép thử

Xác ñịnh các giá trị: Bảng giá trị lực

nghiệm kéo giãn

và ñộ giãn, bảng giá trị lực và ñộ

Khi chọn Tiến hành thử nghiệm:

giãn sẽ ñược thể hiện trong một cửa

thử nghiệm kéo giãn, xuất hiện

sổ bên ngoài.

một cửa sổ Thiết lập trước các

Bảng giá trị sẽ cung cấp 80 giá trị lực và ñộ giãn trong quá trình thử.

thông số cho phép thử kéo giãn

- Xác ñịnh các giá trị: Bảng giá trị ứng suất và biến dạng

nhằm nhập các thông số ñầu vào

Khi chọn Xác ñịnh các giá trị: Bảng giá trị ứng suất và biến dạng ,

cho mẫu thử nghiệm.

bảng giá trị ứng suất và biến dạng dài tương ñối sẽ ñược thể hiện
Hình 4.11. Bảng thiết lập các thông số
cho phép thư kéo

Footer Page 11 of 126.

Hình 4.13. Bảng giá trị lực và ñộ giãn

trong một cửa sổ bên ngoài tương tự bảng giá trị lực và ñộ giãn.
- Thiết lập các chế ñộ: Thiết lập ñường truyền


Header Page 12 of 126.

23

24

- Thiết lập các chế ñộ: Các thông số

(2.65) ta có:

cho ñồ thị

2

2

 ∂f

 ∂f

λσ = 
λP1  + ... + 
λPm  =
 ∂P1

 ∂Pm


Một vài các thông số hiển thị
trên biểu ñồ và bảng giá trị có thể

Trong ñó:

ñược ñặt trước. Các số liệu ñặt trước
này ñược tạo ra từ menu Thiết lập

 ∂f


∑  ∂P λPi 
i =1 
i

m

2

λσ : ñộ chính xác của giá trị ño gián tiếp σ
λPi : ñộ chính xác của giá trị ño trực tiếp thứ Pi

Tại mục 4.3.1 ñã nghiên cứu và kết luận sau khi sử dụng các

các chế ñộ: Các thông số cho ñồ thị.

cảm biến và chương trình xử lý kết quả ño, sai số trực tiếp

Khi chọn, sẽ xuất hiện một cửa sổ

λPi nhỏ

hơn so với khi sử dụng phương pháp trước ñây. Như vậy, kết quả

sau:
Hình 4.15. Bảng thiết lập các giá trị cho ñồ thị
4.3. Các ưu ñiểm khi sử dụng chương trình
4.3.1. Kiểm ñịnh máy thử ñộ bền kéo nén
Căn cứ vào Tiêu chuẩn Việt Nam ĐLVN 49: 1999 , sau khi sử
dụng chương trình xử lý số liệu với các cảm biến ñã chọn, cảm biến
CBES 2000 với ñộ phân giải 1/100 so với thiết bị chỉ thị lực cũ, thiết

bị thử nghiệm kéo nén WP 300 ñã ñược kiểm ñịnh tại Trung tâm Kỹ
thuật Tiêu chuẩn Đo lường Chất lượng 2/ Bộ Khoa học và Công nghệ

cuối cùng là ñộ chính xác của giá trị ứng suất

λσ

sẽ chính xác hơn

nhiều so với phương pháp trước ñây.
4.3.3. Ưu ñiểm của chương trình
- Modul này ñược viết trên cơ sở ngôn ngữ lập trình Visual
Basic với thiết kế có giao diện ñẹp, ngôn ngữ hiển thị bằng tiếng Việt
hoàn toàn, bố trí các chức năng hợp lí và ñơn giản, do ñó rất dễ sử
dụng, thậm chí ñối với người không sử dụng thành thạo máy vi tính
cũng có thể thao tác dễ dàng.
- Tất cả các dữ liệu nhập vào và kết quả trong suốt quá trình thí

và ñạt cấp chính xác 0,5.

nghiệm ñều ñược lưu lại trên máy tính. Điều này giúp cho người sử

4.3.2. Xử lý kết quả ño
Tín hiệu sau khi ñược truyền về sẽ ñược tính toàn bởi các công
thức nhằm xác ñịnh ñược ñường ñặc tính của vật liệu. Chỉ tiêu quan
trọng là xác ñịnh ñường ñặc tính ứng suất-biến dạng dài tương ñối.

σ =

P

F0

dụng dễ dàng quản lí các kết quả ñã thí nghiệm. Khi cần thiết chương
trình sẽ tạo lại báo cáo kết quả hay xuất dữ liệu ra các phần mềm như
Access, Excel, Word.
- Một số các kết quả ñược phần mềm cung cấp bao gồm: giới
hạn bền, lực bền (Tensile strength, tension force), giới hạn chảy, lực

2

; MN/m

chảy (yield strength, yield force), mô ñun ñàn hồi E-Module(E), biến
dạng tương ñối (elogation) có thể ño trực tiếp bằng dụng cụ từ bên

Các giá trị lực P ño ñược là các kết quả ño trực tiếp, trong khi

ngoài hay ñược tự ñộng tính bằng chương trình. Trong suốt quá trình

ñó, mục ñích của chương trình là xác ñịnh kết quả ño gián tiếp ứng

thí nghiệm hay kiểm tra kết quả, chương trình có thể hiển thị các loại

suất σ. Theo như mục 2.5 xử lý kết quả ño gián tiếp và công thức

Footer Page 12 of 126.


Header Page 13 of 126.

25

26

ñồ thị như ứng suất-biến dạng, lực chuyển vị và các bảng giá trị ñi

khi áp dụng ñề tài và sau khi áp dụng bằng bài toán xử lý kết quả ño

kèm.

gián tiếp. Đã tiến hành áp dụng trên máy thử nghiệm vật liệu vạn
- Khi sử dụng chương trình xử lý số liệu với các cảm biến ñã

năng WP 300 ñang có tại Trung tâm Tiêu chuẩn-Đo lường-Chất

chọn thì các loại sai số ảnh hưởng ñến kết quả thử nghiệm ñã ñược

lượng 3/ Bộ Quốc ñạt ñộ chính xác cao. Đã ñược kiểm ñịnh tại Trung

loại bỏ một cách ñáng kể. Cụ thể như: ảnh hưởng của ma sát ñến

tâm kỹ thuật Tiêu chuẩn-Đo lường-Chất lượng 2/ Bộ KHCN

ñồng hồ chỉ thị lực và ñộ giãn; ảnh hưởng của quá trình chuyển ñổi

(QUATEST2) và ñạt cấp chính xác 0,5.

áp suất-lực; ảnh hưởng của quá trình xử lý số liệu bằng tay,...

b. Những ñóng góp khoa học và thực tiến của luận văn

- Sau khi sử dụng chương trình xử lý số liệu với các cảm biến

Đề tài sẽ góp một phần trong việc thử nghiệm cơ tính vật liệu

ñã chọn, thiết bị thử nghiệm kéo nén WP 300 ñã ñược kiểm ñịnh tại

với ñộ chính xác cao hơn, quá trình xử lí số liệu dễ dàng hơn, tiết

Trung tâm Kỹ thuật Tiêu chuẩn Đo lường Chất lượng 2/ Bộ Khoa

kiệm thời gian và nâng cao hiệu suất lao ñộng, tiết kiệm về kinh tế

học và Công nghệ và ñạt cấp chính xác 0,5.

trong quá trình nâng cấp các thiết bị ño lường thử nghiệm hiện có.
c. Những hạn chế của luận văn

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
1. Kết luận
a. Những nội dung chính ñã ñược giải quyết trong luận văn
Nghiên cứu tổng quan về cơ tính, cơ tính của vật liệu ñược biểu

Mới chỉ nghiên cứu, tính toán và áp dụng cho các phép thử kéo
nén, chưa mở rộng chương trình ñối với các phép thử khác như thử
uốn, thử ñộ cứng của vật liệu.
d. Hướng nghiên cứu tiếp theo

thị bởi các ñặc trưng cơ học. Nêu ñược các phương pháp kiểm tra cơ

Tiếp tục nghiên cứu về các yếu tố ảnh hưởng ñến quả trình thử

tính của vật liệu và nguyên lý hoạt ñộng của máy thử nghiệm kéo nén

nghiệm vật liệu ñể từ ñó có các biện pháp giảm ảnh hưởng của các

vật liệu.

yếu tố ñó ñến kết quả thử nghiệm, nâng cao ñộ chính xác và ñộ tin

Nêu ñược các phương pháp xử lý số liệu; các dạng sai số xảy ra

cậy của kết quả. Nghiên cứu, mở rộng ñể tiến hành phép thử nghiệm

trong quá trình ño kiểm và các thông số của chúng, trên cơ sở ñó nêu

uốn và kiểm tra ñộ cứng của vật liệu.

ñược các công thức tính toán các tham số ñó và phương pháp khử các

2. Kiến nghị

sai số. Nắm ñược các bài toán về xử lý kết quả ño gián tiếp.

Các loại cảm biến ño lường là một thiết bị ño cho ñộ chính cao,

Lựa chọn thiết bị ño (cảm biến) và tính toán ñể chế tạo bộ

vì vậy cần ñược ứng dụng nhiều ño lường, thử nghiệm và sản xuất cơ

khuyếch ñại tín hiệu, bộ chuyển ñổi tín hiệu ADC. Xây dựng chương

khí. Cần nghiên cứu ñể có những ứng dụng mang tính thực tiễn, áp

trình tính toán, xử lý tín hiệu, trích xuất kết quả dưới chương trình

dụng trực tiếp vào trong quá trình công tác của các ñơn vị, cơ sở sản

ñược viết bằng ngôn ngữ lập trình Visual Basic.

xuất, trong nghiên cứu, giảng dạy, .v.v.

Đánh giá kết quả ñã ñạt ñược bằng việc so sánh kết quả trước

Footer Page 13 of 126.