Nghiên cứu xây dựng mô hình giám sát mô men xoắn của trục quay sử dụng phần mềm LABVIEW_2

luan van thac si - luan van thac si kinh te - luan an tien - luan van 1 of 95.

LỜI CAM ĐOAN
Em xin cam đoan đề tài tốt nghiệp “Nghiên cứu xây dựng mô hình giám sát
mô men xoắn của trục quay sử dụng phần mềm LabVIEW” là do em tự thiết kế,
chế tạo. Các số liệu và kết quả trong đề tài là hoàn toàn trung thực.
Để hoàn thành bản đồ án tốt nghiệp này, em chỉ sử dụng những tài liệu tham
khảo đã đƣợc ghi trong bảng các tài liệu tham khảo, không sử dụng tài liệu tham
khảo nào khác mà không đƣợc liệt kê ở phần tài liệu tham khảo.
Hải Phòng, ngày 15 tháng 9 năm 2015
Học viên

Bùi Khắc Tiệp

i
Footer Page - Footer Page - kho luan van - tai lieu - 123doctieu luan - khoa luan-tai chinh ngan hang - thuong mai -


luan van thac si - luan van thac si kinh te - luan an tien - luan van 2 of 95.

LỜI CÁM ƠN
Em xin chân thành gửi lời cám ơn thầy TS.Trần Sinh Biên, ngƣời đã tận tình
hƣớng dẫn, chỉ bảo, giúp đỡ để em hoàn thành đƣợc luận văn tốt nghiệp của mình.
Em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến quý thầy cô Khoa Điện và các thầy cô
trong Viện Đào tạo sau Đại học Trƣờng Đại học Hàng hải Việt Nam đã hƣớng dẫn,
giúp đỡ em để em hoàn thành đƣợc luận văn tốt nghiệp của mình.
Em xin chân thành cảm ơn !
Hải Phòng, ngày 15 tháng 9 năm 2015
Học viên

Bùi Khắc Tiệp

ii tieu luan - khoa luan-tai chinh ngan hang - thuong mai Footer Page - Footer Page - kho luan van - tai lieu - 123doc-


luan van thac si - luan van thac si kinh te - luan an tien - luan van 3 of 95.

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ....................................................................................................... i
LỜI CÁM ƠN ........................................................................................................... ii
MỤC LỤC ................................................................................................................ iii
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU .............................................. iv
DANH MỤC CÁC BẢNG ........................................................................................ v
DANH MỤC CÁC HÌNH ........................................................................................ vi
MỞ ĐẦU ................................................................................................................... 1
CHƢƠNG 1: NGHIÊN CỨU VỀ ĐO MÔ-MEN XOẮN CỦA TRỤC QUAY ...... 3
1.1 Khái quát về mô-men xoắn .............................................................................. 3
1.2. Các phƣơng pháp đo mô-men xoắn ................................................................ 3
1.3. Đo mô-men xoắn trên trục quay động cơ điện 1 chiều ................................ 19
1.4. Lựa chọn phƣơng pháp đo mô-men xoắn ..................................................... 20
CHƢƠNG 2: GIỚI THIỆU VỀ PHẦN MỀM LABVIEW VÀ
MODULE NI USB 6001 ......................................................................................... 21
2.1. Giới thiệu về LabVIEW ................................................................................ 21
2.2. Phƣơng pháp lập trình trên LabVIEW .......................................................... 25
2.3. Module NI-6001USB .................................................................................... 33
CHƢƠNG 3: XÂY DỰNG MÔ HÌNH GIÁM SÁT MÔ MEN XOẮN CỦA TRỤC
QUAY ỨNG DỤNG MODULE USB 6001 VÀ PHẦN MỀM LABVIEW TRÊN
HỆ THỐNG DL 1019M .......................................................................................... 46
3.1. Hệ thống đo mô-men xoắn DE LOZENRO DL 1019M .............................. 46
3.2. Mô phỏng giám sát mô-men xoắn trên phần mềm LabVIEW ..................... 56
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................. 65

TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................... 66

iii tieu luan - khoa luan-tai chinh ngan hang - thuong mai Footer Page - Footer Page - kho luan van - tai lieu - 123doc-


luan van thac si - luan van thac si kinh te - luan an tien - luan van 4 of 95.

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU
Chữ viết tắt

Giải thích

PC

Máy vi tính

GF

Hệ số biến dạng

Vout

Điện áp ra

KĐ

Khuếch đại

NI

National Instruments

SOC

System on Chip

VCC

Chân cấp nguồn

RST

Reset

UART

Universal Synchronous & Asynchronous serial Reveiver and
Transmitter

TCP

Transmission Control Protocol

UDP

User Datagram Protocol

TTL

Transistor - Transistor Logic

DC

Dòng một chiều

SCADA

Supervisory Control And Data Acquisition

VIs

Virtual Instrument

AI

Tín hiệu tƣơng tự vào

AO

Tín hiệu tƣợng tự ra

GND

Nối đất

MUX

The multiplexer

ADC

Bộ chuyển đổi từ tín hiệu tƣơng sang tín hiệu số

DAC

Bộ biến đổi từ tín hiệu số sang tƣơng tự

DIO

Tín hiệu số vào ra

iv tieu luan - khoa luan-tai chinh ngan hang - thuong mai Footer Page - Footer Page - kho luan van - tai lieu - 123doc-


luan van thac si - luan van thac si kinh te - luan an tien - luan van 5 of 95.

DANH MỤC CÁC BẢNG
Số bảng

Tên bảng

Trang

2.1

Tính năng các icon trên cửa sổ công cụ

27

2.2

Thông số kĩ thuật cơ bản của Module

35

2.3

Mô tả tín hiệu vào ra

38

3.1

Kết quả đo

62

v tieu luan - khoa luan-tai chinh ngan hang - thuong mai Footer Page - Footer Page - kho luan van - tai lieu - 123doc-


luan van thac si - luan van thac si kinh te - luan an tien - luan van 6 of 95.

DANH MỤC CÁC HÌNH
Số hình

Tên hình

Trang

1.1

Sự liên hệ giữa lực quay và mô-men xoắn

3

1.2

Bộ đo tiêu chuẩn

4

1.3

Bộ đo trục nhỏ

4

1.4

Bộ kit đo mô-men xoắn Datum Electronics Series 430

5

1.5

Phanh thử có cơ cấu cân bằng

6

1.6

Phanh thử không có cơ cấu cân bằng

7

1.7

Kết cấu trục xoắn

8

1.8

Mạch cầu Wheatstone

10

1.9

Quan hệ Mz và sự thay đổi điện áp sau khuếch đại

11

1.10

Sơ đồ dán 4 tenzo lên trục xoắn

12

1.11

Khối khuếch đại đo lƣờng

13

1.12

Đo mô-men xoắn bằng bộ khuếch đại đo lƣờng đƣa qua NI6001

14

1.13

Module thu phát

15

1.14

Giao tiếp máy tính qua cổng COM

17

1.15
2.1
2.2

Sơ đồ khối đo mô-men xoắn bằng bộ truyền tín hiệu không
dây
Biểu tƣợng LabVIEW

Một ví dụ về hệ thống SCADA đƣợc xây dựng từ
LabVIEW

18
21
23

2.3

Giao diện Front panel

24

2.4

Giao diện Block diagram của một VI

24

2.5

Một sơ đồ nối dây đơn giản

25

2.6

Chọn thiết bị đầu vào

26

2.7

Cửa sổ của bảng công cụ

26

2.8

Cửa sổ Control palette

27

vi tieu luan - khoa luan-tai chinh ngan hang - thuong mai Footer Page - Footer Page - kho luan van - tai lieu - 123doc-


luan van thac si - luan van thac si kinh te - luan an tien - luan van 7 of 95.

2.9

Giao diện Boolean

28

2.10

Giao diện Numeric

29

2.11

Giao diện Graph

29

2.12

Funtions palette

30

2.13

Boolean Funtions

30

2.14

Comparation Funtions

31

2.15

Cấu trúc vòng lặp While Loop

31

2.16

Hàm delay trong vòng lặp

32

2.17

Cấu trúc vòng lặp For loop

32

2.18

Module NI-6001USB

34

2.19

Thành phần phần cứng Module NI-6001USB

35

2.20

Sơ đồ khối

37

2.21

Các chân vào ra của Module NI-6001

37

2.22

Mạch tín hiệu Analog Input

39

2.23

Kết nối với DAQ Device

40

2.24

Một ví dụ về đo tín hiệu ±10V

40

2.25

Phạm vi tín hiệu vào tƣơng tự

40

2.26

Kết quả cắt bớt sau khi đo vƣợt quá ± 10 V

41

2.27

Mạch tín hiệu Analog Output

41

2.28

Đầu ra tƣơng tự kết nối với tải

42

2.29

Một ví dụ kết nối với tải

43

2.30

Nguồn +5V

44

2.31

Sơ đồ kết nối với tải

45

3.1

Hệ thống đo mô-men xoắn DE LOZENRO DL 1019M

46

3.2

Hệ thống đo mô-men xoắn DE LOZENRO DL 1019M

46

3.3

Nguyên lý hoạt động của DE LORENZO 1019M

47

3.4

Cấu hình phanh

49

3.5

Cấu hình phanh

50

vii tieu luan - khoa luan-tai chinh ngan hang - thuong mai Footer Page - Footer Page - kho luan van - tai lieu - 123doc-


luan van thac si - luan van thac si kinh te - luan an tien - luan van 8 of 95.

3.6

Vị trí lắp đặt cảm biến đo mô-men xoắn

51

3.7

Các chân nối dây của hệ thống DL 1019M

52

3.8

Máy điều nhiệt kết nối với cuộn kích của phanh

53

3.9

Máy điều nhiệt kết nối với một mạch bảo vệ ngoài

53

3.10

Sơ đồ điện

54

3.11

Sơ đồ nối dây thực tế

54

3.12

Sơ đồ khối

56

3.13

Chọn NI-DAQmx từ Measurement I/O

57

3.14

Chọn DAQ Assit từ NI-DAQmx

57

3.15

Chọn dạng tín hiệu Voltage cho đầu vào

58

3.16

Chọn 3 đầu vào module

58

3.17

Thiết lập các giá trị đầu vào

59

3.18

Thiết lập chân cho tín hiệu mô-men

60

3.19

Thiết lập chân cho tín hiệu công suất

60

3.20

Thiết lập chân cho tín hiệu điện áp ra của mô-men

61

3.21

Chƣơng trình giám sát

61

3.22

Kết quả đo đƣợc vẽ thành đồ thị

64

viii tieu luan - khoa luan-tai chinh ngan hang - thuong mai Footer Page - Footer Page - kho luan van - tai lieu - 123doc-


luan van thac si - luan van thac si kinh te - luan an tien - luan van 9 of 95.

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài

Ở Việt Nam, xe gắn máy và oto là loại phƣơng tiện giao thông khá phổ biến,
đây chính là nguồn ô nhiễm lớn ảnh hƣởng nhiều đến môi trƣờng và khí quyển. Là
một quốc gia đông dân số, với nền kinh tế đang phát triển, tình trạng gia tăng các
phƣơng tiện giao thông là điều không thể tránh khỏi. Nhu cầu lao động, sinh hoạt,
cũng nhƣ giá thành phù hợp khiến ngƣời dân sở hữu một chiếc là điều không khó.
Để đánh giá khả năng vận hành, tính cơ động của phƣơng tiện giao thông cần phải
xác định đƣợc công suất bằng cách đƣa động cơ lên băng thử động cơ hoặc đƣa xe
lên một băng thử công suất. Tuy nhiên, để có một băng thử nhƣ vậy đòi hỏi một
nguồn đầu tƣ rất lớn, mà với điều kiện kinh tế nhƣ hiện tại nhiều nơi chƣa thể thực
hiện đƣợc. Với mong muốn có thể chế tạo một thiết bị đo đƣợc công, suất nhằm so
sánh công suất giữa các chủng loại xe máy và oto khác nhau với mức chi phí phù
hợp, học viên đã quyết định thực hiện đề tài luận văn tốt nghiệp "Nghiên cứu xây
dựng mô hình giám sát mô men xoắn của trục quay sử dụng phần mềm
LABVIEW".
2. Mục đích nghiên cứu
Tìm hiểu về mô-men xoắn và các phƣơng pháp đo. Làm quen với ngôn ngữ
lập trình LabVIEW. Ứng dụng module NI USB 6001 truyền tín hiệu đo mô-men
xoắn từ trục động cơ về máy tính để giám sát.
3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
Đối tƣợng nghiên cứu: Phần mềm lập trình LabVIEW, module kết nối NI
USB 6001, hệ thống phanh DE LORENZO DL 1019M.
Phạm vi nghiên cứu: Xây dựng giao diện thu thập mô-men xoắn từ trục quay
của động cơ thông qua module NI USB 6001 từ hệ thống DE LORENZO DL
1019M ở quy mô phòng thí nghiệm.
4. Phƣơng pháp nghiên cứu
Phƣơng pháp nghiên cứu lý thuyết: Tìm hiểu tổng quan về mô-men xoắn. Các
loại cảm biến biến dạng, mạch đo, các phƣơng truyền dẫn tín hiệu về máy tính.

1 tieu luan - khoa luan-tai chinh ngan hang - thuong mai Footer Page - Footer Page - kho luan van - tai lieu - 123doc-

luan van thac si - luan van thac si kinh te - luan an tien - luan van 10 of 95.

Phƣơng pháp thực nghiệm: Sử dụng phần mềm LABVIEW với USB 6001 thu
thập tín hiệu mô-men xoắn và xây dựng giao diện giám sát.
5. Ý nghĩa khoa học của nội dung nghiên cứu
Chuyển động quay sinh ra mô-men xoắn xuất hiện rất nhiều trong cuộc sống.
Việc đo đạc đƣợc mô-men xoắn sẽ giúp ích nhiều cho công tác nghiên cứu, chế
tạo, và áp dụng những loại động cơ mới, tiên tiến, làm việc hiệu quả hơn.
Nghiên cứu nhằm tăng tính kinh tế trong tiêu thụ nhiên liệu, giảm khí thải ô
nhiễm do các loại động cơ đốt trong hiện nay xả ra, đang đƣợc các nhà khoa học
trong nƣớc cũng nhƣ nhiều nơi trên thế giới quan tâm.
NỘI DUNG
Để giải quyết và làm rõ các vấn đề trong nghiên cứu, nội dung đề tài gồm 03
chƣơng nhƣ sau:
- Chƣơng 1: Nghiên cứu về đo mô-men xoắn của trục quay. Giới thiệu mômen xoắn, đƣa ra những phƣơng pháp đo.
-

Chƣơng 2: Giới thiệu về phần mềm LabVIEW và module NI USB 6001.

Ngôn ngữ LabVIEW, giao diện và phƣơng pháp lập trình. Khái quát về NI USB
6001, cấu tạo, khả năng kết nối.
-

Chƣơng 3: Xây dựng mô hình giám sát mô-men xoắn của trục quay ứng

dụng module NI USB 6001 và phần mềm LabVIEW trên hệ thống DL 1019M.
Giới thiệu về hệ thống De Lozenro dl 1019M, viết chƣơng trình và mô phỏng.

2 tieu luan - khoa luan-tai chinh ngan hang - thuong mai Footer Page - Footer Page - kho luan van - tai lieu - 123doc-

luan van thac si - luan van thac si kinh te - luan an tien - luan van 11 of 95.

CHƢƠNG 1: NGHIÊN CỨU VỀ ĐO MÔ-MEN XOẮN CỦA TRỤC QUAY
1.1 Khái quát về mô-men xoắn
Mô-men xoắn là một đại lƣợng trong vật lý, thể hiện tác động gây ra sự quay
quanh một điểm hoặc một trục của một vật thể. Là một khái niệm mở rộng cho
chuyển động quay từ nền tảng khái niệm lực trong chuyển động thẳng.
Mô-men xoắn bắt đầu đƣợc khai sinh từ khi Archimedes khám phá ra
nguyên lý hoạt động của đòn bẩy. Trong một đòn bẩy, Archimedes nhận thấy rằng
độ lớn của khả năng tác động lực tỷ lệ thuận với độ lớn của lực và đồng thời tỷ lệ
thuận với khoảng cách từ điểm tác dụng lực cho tới tâm quay (cánh tay đòn).
Trong chuyển động quay của vật thể rắn, nếu nhƣ không tồn tại mô-men
xoắn tác động lên vật, mô-men động lƣợng của vật thể sẽ không thay đổi theo thời
gian.
Ví dụ động cơ tạo ra lực 1N với cánh tay đòn 1m thì có mô-men xoắn
(torque) sẽ là 1Nm.

Hình 1.1. Sự liên hệ giữa lực quay và mô-men xoắn
1.2. Các phƣơng pháp đo mô-men xoắn
Datum Electronics Series 430 là bộ kit dùng để đo mô-men xoắn, trên các
trục với kích thƣớc đƣờng kính từ 30mm đến 1100mm. Thƣờng đƣợc sử dụng để
kiểm tra các mức công suất khác nhau, từ đó so sánh mức độ tiêu thụ nhiên liệu.

3 tieu luan - khoa luan-tai chinh ngan hang - thuong mai Footer Page - Footer Page - kho luan van - tai lieu - 123doc-


luan van thac si - luan van thac si kinh te - luan an tien - luan van 12 of 95.

Bộ kit còn đƣợc ứng dụng với các thử nghiệm về công suất trong quá trình lắp đặt
hoặc các thử nghiệm mở rộng, để đánh giá khả năng cải thiện hoạt động của động
cơ. Thƣờng thấy trong các trục dẫn động của hệ trục tàu thủy, trục chân vịt và xe
hơi, xe máy. Hệ thống cung hai kênh đo, là đo mô-men, mô-men xoắn và đo tốc độ
vòng tua của trục. Từ đó ta có thể tính toán đƣợc công suất của hệ trục dẫn động.
Đo lƣờng và phân tích:
Hệ thống Datum Electronics Series 430 có khả năng cung cấp thông tin để
đánh giá nhiều nguồn dữ liệu và các tiêu chí khác, ngoài đo mô-men xoắn. Các dữ
liệu có thể đo và phân tích bao gồm:
 Truyền động công suất
 Thử nghiệm Mô-men xoắn
 Rung động và gia tốc xoắn (Torsional Acceleration)
 Chuyển tiếp công suất (Power Transients)
 Momen xoắn đỉnh (Peak Torque Levels)
 Chuyển tải công suất (Power Delivery)

Hình 1.2. Bộ đo tiêu chuẩn

Hình 1.3. Bộ đo trục nhỏ

Kích thƣớc đƣờng kính trục: 90mm -

Kích thƣớc đƣờng kính trục 30-

1100mm

500mm

4 tieu luan - khoa luan-tai chinh ngan hang - thuong mai Footer Page - Footer Page - kho luan van - tai lieu - 123doc-

luan van thac si - luan van thac si kinh te - luan an tien - luan van 13 of 95.

Thời gian hoạt động của pin: 30-50 giờ

Thời gian hoạt động của pin: 30 giờ

Đo đồng thời hai kênh

Đơn kênh hoặc hai kênh

Cảm biến tốc độ vòng tua của trục

Cảm biến tốc độ vòng tua của trục

Phần mềm kết nối máy tính và hiển thị

Phần mềm kết nối máy tính và hiển thị

Hình 1.4. Bộ kit đo mô-men xoắn Datum Electronics Series 430
Hệ thống Datum Electronics Series 430 có ƣu điểm chính là nhỏ gọn, lắp đặt
dễ dàng, thuận tiện cài đặt, kiểm tra và thử nghiệm. Hệ thống cấu tạo gồm ba thành
phần chính: Cảm biến, bộ phát gắn bên trên trục quay và bộ thu cố định bên ngoài
có chức năng giao tiếp không dây với bộ phát. Ngoài ra còn có phần mềm cài đặt
trên vi tính để thu thập dữ liệu. [3]
Những tiện ích:
 Hệ thống 430 có thể kết nối trực tiếp, đơn giản và dễ dàng với PC hay
Laptop bằng phần mềm.
 Chức năng chính là đo mô-men xoắn và tốc độ vòng tua, để từ đó biết đƣợc
công suất của trục.

 Lắp đặt thuận tiện với bản chỉ dẫn theo từng bƣớc cụ thể.
 Dữ liệu đƣợc thu thập đầy đủ, ghi lại và hiển thị trong thời gian thực (real
time).
 Thiết kế xách tay, thuận tiện khi di chuyển.
 Phần mềm dễ làm quen, giao diện sử dụng thân thiện. [3]

5 tieu luan - khoa luan-tai chinh ngan hang - thuong mai Footer Page - Footer Page - kho luan van - tai lieu - 123doc-


luan van thac si - luan van thac si kinh te - luan an tien - luan van 14 of 95.

Theo lí thuyết thông thƣờng công suất đƣợc xác định theo biểu thức:

Trong đó:
M: là mô-men của động cơ [ N.m]
W: là tốc độ góc của trục khuỷu [ rad /s]
n: là tốc độ của trục khuỷu [ vg / ph ]
Mô-men động cơ
Trong đó:
Mt: là mô-men tải ( mô-men phanh ) [N.m]
: hiệu suất truyền động
Nhƣ vậy để xác định công suất của động cơ đốt trong ta cần xác định mômen phanh M. Để xác định mô-men M ta có 2 phƣơng pháp sau:
1.2.1. Dùng phanh thử công suất có cơ cấu cân bằng

Hình 1.5. Phanh thử có cơ cấu cân bằng

6 tieu luan - khoa luan-tai chinh ngan hang - thuong mai Footer Page - Footer Page - kho luan van - tai lieu - 123doc-


luan van thac si - luan van thac si kinh te - luan an tien - luan van 15 of 95.

Nguyên tắc hoạt động của phanh thử: dựa vào mô-men ma sát đƣợc tạo ra bên
trong phanh. Từ cánh tay đòn và chỉ thị trên lực kế, ta xác định đƣợc mô-men
phanh.
Mô-men phanh:
Mph= L.P [N.m]
Trong đó: L độ dài cánh tay đòn [m]
P lực chỉ thị trên lực kế [N] [4]
1.2.2. Đo mô-men phanh bằng mô-men kế
Ta cũng sử dụng hệ thống phanh để tiêu thụ công suất của động cơ, nhƣng
trên cơ cấu phanh này không có cơ cấu cân bằng.

Hình 1.6. Phanh thử không có cơ cấu cân bằng
Ta có mô-men tối đa trên trục Mmax = 104,4 [N.m]
Tính sơ bộ trục:
Để xác định đƣợc đƣờng kính sơ bộ trục thì ta chỉ xét đến tác dụng của mômen xoắn trên trục, chọn d= 15 [mm]
Trong đó:
Mmax là mô-men xoắn lớn nhất tác dụng trên trục , Mmax= 104400 [N.m]
d: đƣờng kính của trục [mm] [4]
Tính giới hạn góc xoắn trên trục

7 tieu luan - khoa luan-tai chinh ngan hang - thuong mai Footer Page - Footer Page - kho luan van - tai lieu - 123doc-


luan van thac si - luan van thac si kinh te - luan an tien - luan van 16 of 95.

Đối với những trục có đƣờng kính không đổi, biến dạng xoắn (góc xoắn)
đƣợc xác định theo công thức sau:
Trong đó:

là góc xoắn trục

G là module đàn hồi trƣợt, G = 0,78 . 10^5 N/mm2
J là mô-men quán tính đơn cực , đối với tiết diện tròn có đƣờng kính d ta thu
đƣợc:
J=4967,58 [mm4]
Do đó:

max=

7,680

Ngoài các tính toán trên cần kiểm tra độ bền mỏi của trục để đảm bảo các
thông số hoạt động hiệu quả [4]
Kết cấu trục xoắn

Hình 1.7. Kết cấu trục xoắn
1.2.3. Đo mô-men xoắn sử dụng bộ khuếch đại đo lƣờng
Dụng cụ đƣợc chế tạo có dạng đo mô-men dạng nối tiếp. Việc xây dựng
đƣờng đặc tuyến mô-men – biến dạng có thể thực hiện bằng hai cách. Mối tƣơng
quan mô-men xoắn – biến dạng xoắn biến dạng có thể đƣợc xác định gián tiếp
thông qua việc đo mô-men xoắn – góc xoắn trên trục mẫu chịu xoắn.
Thông qua việc đo góc xoắn sẽ cho phép xác định đƣợc biến dạng góc, từ đó
xây dựng đƣờng đặc tuyến mô-men – biến dạng. Tuy nhiên, đối với hầu hết các
loại vật liệu, góc xoắn trong miền đàn hồi là rất nhỏ khoảng vài độ. Việc đo đƣợc

8 tieu luan - khoa luan-tai chinh ngan hang - thuong mai Footer Page - Footer Page - kho luan van - tai lieu - 123doc-


luan van thac si - luan van thac si kinh te - luan an tien - luan van 17 of 95.

góc xoắn trong miền đàn hồi của vật liệu là rất khó. Do đó, việc xây dựng đƣờng
đặc tuyến mô-men – biến dạng sẽ đƣợc xác định trực tiếp bằng cách đo biến dạng
dài trên trục chịu xoắn.
Theo cơ sở lí thuyết sức bền vật liệu trong xoắn thuần túy, biến dạng dài
theo 2 phƣơng 450 và 1350 là lớn nhất. Do đó, biến dạng dài ε đƣợc đo bằng cách
dán thiết bị cảm biến strain gauge lên trục mẫu chịu xoắn.
Thiết bị cảm biến strain gauge và phƣơng pháp đo biến dạng. Strain gauge
là thiết bị cảm biến dùng để xác định biến dạng của vật liệu. Biến dạng của vật liệu
đƣợc xác định thông qua việc đo sự thay đổi điện trở strain gauge trên mạch cầu.
Mối quan hệ giữa biến dạng và sự thay đổi điện trở của thiết bị cảm biến
strain gauge trên mạch cầu liên hệ theo các hệ thức sau.

Với R là điện trở,

điện trở suất, L chiều dài dây dẫn, A diện tích dây dẫn

Mối quan hệ giữa biến dạng và sự thay đổi điện trở

của strain gauge

đƣợc xác định theo công thức:

hệ số poisson,

biến dạng

Đại lƣợng 1+2v đặc trƣng cho sự thay đổi điện trở do sự tăng chiều dài dây
và giảm diện tích dây dẫn. Độ cảm biến của vật liệu ( hay sự thay đổi điện trở trên
mỗi đơn vị biến dạng ) đƣợc gọi là hệ số cảm biến biến dạng GF:[9]

Hệ số GF thể hiện mối quan hệ tuyến tính giữa biến dạng và sự thay đổi điện
trở, thông thƣờng GF= 1,9 ÷2,1 đối với hầu hết các loại cảm biến strain gauge.
Biến dạng của vật liệu rất nhỏ, khoảng từ 2.10^-6 – 0,01, vì vậy dẫn đến yêu cầu
đo đƣợc sự thay đổi điện trở không lớn hơn 1%. Việc xác định sự thay đổi của điện
trở strain gauge dựa trên nguyên lí cơ bản của mạch phân áp điện trở.

9 tieu luan - khoa luan-tai chinh ngan hang - thuong mai Footer Page - Footer Page - kho luan van - tai lieu - 123doc-


luan van thac si - luan van thac si kinh te - luan an tien - luan van 18 of 95.

Hệ thống này đo mô-me xoắn bằng việc áp dụng nguyên lý mạch cầu
Wheatstone. Khác với hệ thống cũ là sử dụng cảm biến quang để đo đƣợc góc
xoắn.[9]
Cấu tạo của mạch Wheatstone gồm bốn điện trở biến dạng (tenzo hoặc strain
guage) đƣợc mắc nhƣ hình 1.8:

Hình 1.8. Mạch cầu Wheatstone [9]
Điện áp Vout đƣợc xác định theo hệ thức sau:

Có

,

Khi chƣa có biến dạng, mạch cầu cân bằng, R1 = R2 = R3 = R4 = R nên từ
điện áp đầu ra trên mạch đƣợc viết nhƣ sau:

Khi biến dạng đƣợc xác định theo công thức:

10 tieu luan - khoa luan-tai chinh ngan hang - thuong mai Footer Page - Footer Page - kho luan van - tai lieu - 123doc-


luan van thac si - luan van thac si kinh te - luan an tien - luan van 19 of 95.

Do trục đo chỉ chịu xoắn thuần túy khi làm việc, nên trên 2 phƣơng 45 0 và
1350 biến dạng là lớn nhất. Do đó, chọn loại cảm biến đo biến dạng trục đo có dạng
đo theo 2 phƣơng vuông góc.
Thiết kế mạch hiển thị, biến dạng của strain gauge khoảng từ 2.10^-6 – 0,01,
điện áp đo đƣợc trên mạch cầu Wheatston rất nhỏ, khoảng vài μV. Do đó, để hiển
thị và đọc đƣợc kết quả đo phải sử dụng mạch khuếch đại tín hiệu đo lƣờng để đo
biến dạng. Việc xây dựng đƣờng đặc tuyến mô-men – biến dạng – điện áp đầu ra
trên mạch cầu Wheatston cho phép xác định giá trị mô-men ứng với mỗi đơn vị
biến dạng, từ đó cho phép quy đổi từ giá trị biến dạng ra giá trị mô-men tƣơng ứng.
[9]
M=f ( )
Mục đích để xây dựng bộ dữ liệu mô-men xoắn trên trục đo và điện áp đầu
ra của bộ hiển thị mạch khuếch đại strain gauge. Giá trị điện áp trên mạch cầu
đƣợc khuếch đại nhờ bộ khuếch đại đo lƣờng. Sơ đồ hiển thị giá trị điện áp tƣơng
ứng với sự thay đổi điện trở strain gauge dán trên trục đo nhƣ sau:

Hình 1.9. Quan hệ Mz và sự thay đổi điện áp sau khuếch đại

11 tieu luan - khoa luan-tai chinh ngan hang - thuong mai Footer Page - Footer Page - kho luan van - tai lieu - 123doc-


luan van thac si - luan van thac si kinh te - luan an tien - luan van 20 of 95.

Kết quả dùng để xây dựng đƣờng đặc tuyến đồ mô-men – biến dạng, từ đó
xây dựng bảng dữ liệu mối tƣơng quan giữa các giá trị mô-men biến dạng dùng

cho việc thiết kế mạch khuếch đại hiển thị giá trị mô-men trên trục đo khi tiến hành
đo mô-men.[9]
Từ dạng phƣơng trình đƣờng thẳng bậc nhất: y = kx, với k là hệ số góc của
đƣờng thẳng. Ta có công thức liên hệ giữa mô-men – biến dạng:

Với E là module đàn hồi, Wp mô-men chồng xoắn, Mz momen xoắn [9]
thƣờng trong khoảng (0,3

0,9), E trong giải (200 200.102), Wp trong

khoảng từ (100 100.10^2).
Từ (1.12) và (1.14). Suy ra công thức liên hệ giữa điện áp ra mà mô-men
xoắn:

Với GF=2,1; = 0,3; Vin=4000(mV); E=200; Wp= 100
Phƣơng trình Vout = 0,546 Mz (mV) dùng để thiết kế mạch khuếch đại hiển
thị giá trị mô-men tƣơng ứng với mỗi đơn vị biến dạng trên trục đo.[9]

Hình 1.10. Sơ đồ dán 4 tenzo lên trục xoắn [4]
Khi thanh chịu xoắn R1 và R3 sẽ bị kéo, R2 và R4 chịu nén. Do đó giá trị điện trở
R1 và R3 tăng , còn giá trị điện trở R2 và R4 giảm xuống. Khi đó sẽ sinh ra 1 giá

12 tieu luan - khoa luan-tai chinh ngan hang - thuong mai Footer Page - Footer Page - kho luan van - tai lieu - 123doc-


luan van thac si - luan van thac si kinh te - luan an tien - luan van 21 of 95.

trị điện áp V0 tỉ lệ thuận với mô-men xoắn. Mạch đo tiến hành đọc giá trị này
thông qua 1 bộ khuếch đại đo lƣờng nhƣ hình 1.16:

Hình 1.11. Khối khuếch đại đo lƣờng
Mạch này đƣợc thiết lập bằng cách thêm một mạch khuếch đại không đảo đệm vào
mỗi đầu vào của mạch khuếch đại vi sai để tăng tổng trở vào.
Trong các mạch đo lƣờng thƣờng sự dụng các bộ KĐ đo lƣờng là mạch kết hợp
các bộ lặp lại và các bộ khuếch đại điện áp
Vout1 = Vin1. [1+R1 /( R2+R3)] =V1
Vout2 = Vin2. [ 1+R1/(R2+R3 )] =V2
Vout = Ura = V2 [ R5 (R4 + R5) / (R4 + R5 )R4 ] – V1( R5 / R4 )
Nếu R1 = R4 và R4 = R5
Vout = K( V2 – V1 ) và K= R5 /R4
Với R1= R3= R4= 1 K, R2 = 2 K
Ta đƣợc điện áp ra Ura= 4,8 V
Bộ khuếch đại đƣợc ứng dụng nhƣ bộ phân áp, nhằm thay đổi điện áp ra
mong muốn.
+Có hai phƣơng án đo mô-men xoắn sử dụng bộ khuếch đại đo lƣờng

13 tieu luan - khoa luan-tai chinh ngan hang - thuong mai Footer Page - Footer Page - kho luan van - tai lieu - 123doc-


luan van thac si - luan van thac si kinh te - luan an tien - luan van 22 of 95.

Phƣơng án 1: Đo mô-men xoắn với tín hiệu điện áp ra đƣợc đƣa vào NI6008 gửi đến máy tính.

Hình 1.12. Đo mô-men xoắn bằng bộ khuếch đại đo lƣờng đƣa qua NI-6001
NI – 6001:
-Kết nối với cổng USB của máy tính để bàn ( Destop) hoặc Laptop.
-Bộ đếm 32 bit.
-Đọc 8 kênh analog vào card ( độ phân giải 14 bit, 48kS/s ).
-Xuất 2 analog ( 12 bit, 150kS/s).
-12 kênh xuất/nhập tín hiệu số ( digital I/O).

Sử dụng phần mềm Labview, LabWindows/CVI, Measurement Studio cho
Visual Studio.Net. Tƣơng thích với NI-DAQmx driver software. [5]
Phƣơng án 2. Đo mô-men xoắn với tín hiệu điện áp ra của bộ khuếch đại
đƣợc truyền tới bộ thu phát không dây.
Bộ thu phát không dây cho phép thu nhận tín hiệu trong phạm khi 100m. Ta
gắn bộ phát trên trục xoắn, còn bộ thu ta gắn trên mạch chính, để nhận tín hiệu và
tính toán đƣa về máy tính. Sử dụng hệ thống thu phát không dây ta có thể truyền
nhận tín hiệu từ khoảng cách xa, loại bỏ đƣợc hạn chế về dây dẫn. Mặt khác, giải
quyết đƣợc bài toàn truyền dẫn tín hiệu khi cảm biến đƣợc gắn cố định trên một
trục đang quay. Ngoài ra, module thu phát này còn có thể dễ dàng tìm đƣợc trên thị

14 tieu luan - khoa luan-tai chinh ngan hang - thuong mai Footer Page - Footer Page - kho luan van - tai lieu - 123doc-


luan van thac si - luan van thac si kinh te - luan an tien - luan van 23 of 95.

trƣờng truyền dẫn tín hiệu với nhiều chủng loại, mẫu mã đa dạng. Sau khi tính toán
kết nối với cồng COM.

Hình 1.13. Module thu phát [6]
ESP8266 Module WiFi Serial Transceiver Module ESP8266
Giới thiệu: Là một module truyền nhận WiFi với giá thành phải chăng dựa trên con
chip ESP8266.
ESP8266 là một chip tích hợp, đƣợc thiết kế ứng dụng trong chuẩn kết nối
mới. Có thể đƣa dữ liệu mong muốn kết nối trực tiếp tới internet. Chip này sử dụng
một giao thức nối tiếp với tốc độ cao, mặc định ở 9600 Baud. Nó hoạt động nhƣ
một máy chủ, hoặc một cầu nối trung gian, cho phép download dữ liệu từ internet.
Chức năng:
 Hỗ trợ chuẩn 802.11 b/g/n.
 Băng tần Wi-Fi 2.4 GHz. WPA/WPA2.

 Mức chuẩn điện áp hoạt động 3.3V.
 Giao tiếp nối tiếp UART. Tốc độ Baud lên đến 115200.
 Có 3 chế độ hoạt động: Client, Access Point, Both Client and Access Point.
 Hỗ

trợ

các

chuẩn

OPEN,

WEP,

WPA_PSK,

WPA2_PSK,

WPA_WPA2_PSK.

15 tieu luan - khoa luan-tai chinh ngan hang - thuong mai Footer Page - Footer Page - kho luan van - tai lieu - 123doc-


luan van thac si - luan van thac si kinh te - luan an tien - luan van 24 of 95.

 Hỗ trợ hai giao tiếp là TCP và UDP
 Làm việc nhƣ một máy chủ, cho phép kết nối tối đa đến 05 máy con.
 LED chỉ báo truyền nhận TX / RX
 VCC: 3.3V (max 3.6V) Chân cấp nguồn

 GND: Mass
 UTXD: Chân Tx của giao thức UART, kết nối đến chân Rx của vi điều
khiển. (3.3V level)
 URXD: Chân Rx của giao thức UART, kết nối đến chân Tx của vi điều
khiển. (3.3V level)
 RST: chân reset, (LOW= Reset active).
 CH_PD: Kích hoạt chip, sử dụng cho Flash Boot (HI= Boot mode, kích hoạt
Wifi, LOW = power down active)
 GPIO0: chân sử dụng cho mục đích chung. I/O-0
 GPIO2: chân sử dụng cho mục đích chung I/O-2 [6]
Cổng COM:
Trong đo lƣờng nói chung, vấn đề giao tiếp kết nối giữa vi điều khiển và máy
tính vô cùng quan trọng. Cổng ghép nối nối tiếp RS 232 là một trong những kỹ
thuật đƣợc sử dụng rộng rãi, kết nối giữa máy tính và các thiết bị ngoại vi khác
nhau. Đây là một chuẩn giao tiếp nối tiếp, dùng định dạng không đồng bộ. Có thể
kết nối tối đa với 2 thiết bị. Khoảng cách lớn nhất để đảm bảo dữ liệu vẫn ổn định
là 12.5m đến 25.4m. Tốc độ thông thƣờng là 20kbit/s, có thể là 115kbit/s với một
vài thiết bị đặc biệt. Trong một thời điểm, chỉ có duy nhất 1 bit tín hiệu đƣợc gửi đi
dọc theo đƣờng truyền, đây là ý nghĩa của chuẩn truyền thông nối tiếp này.
RS232 có hai phiên bản đƣợc lƣu hành sử dụng phổ biến trong một quãng thời
gian dài. Đó là RS232B và RS232C. Tuy nhiên phiên bản RS232C đƣợc sử dụng
rộng rãi hơn, do phiên bản kia đã quá cũ. Chính vì vậy mà ngƣời ta gọi ngắn gọn
lại là Chuẩn RS232.

16 tieu luan - khoa luan-tai chinh ngan hang - thuong mai Footer Page - Footer Page - kho luan van - tai lieu - 123doc-


luan van thac si - luan van thac si kinh te - luan an tien - luan van 25 of 95.

Hình 1.14. Giao tiếp máy tính qua cổng COM [4]

Ở máy tính, cổng RS232 có từ một đến hai vị trí. Ngƣời ta thƣờng gọi tắt là
cổng COM. Cổng này đƣợc dùng để ghét nối cho các thiết bị ngoại vi nhƣ chuột,
modem, hay dụng cụ đo lƣờng... Trên bảng main của PC có loại là 9 hoặc 25 chân,
tùy vào serie của loại main đó. Công việc thiết kế giao tiếp với chuẩn RS232 cũng
vô cùng đơn giản, đặc biệt khi chọn chế độ hoạt động không đồng bộ kết hợp với
truyền dẫn dữ liệu tốc độ thấp.
Những ƣu điểm của chuẩn nối tiếp RS232:
+ Các cổng nối tiếp ít khi bị nhiễu
+ Mức logic 1 có điện áp nằm trong khoảng -3V đến -12V, mức logic 0 từ
+3V đến 12V
+ Tốc độ tối đa cho việc truyền nhận dữ liệu là 100kbps
+ Điện dung các đầu vào nhỏ hơn mức 2500pF
+ Phạm vi của trở kháng tải rơi vào khoảng từ 3000 ôm đến 7000 ôm

17 tieu luan - khoa luan-tai chinh ngan hang - thuong mai Footer Page - Footer Page - kho luan van - tai lieu - 123doc-