Thiết kế, chế tạo thiết bị đo momen dạng cầm tay

i

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

NGUYỄN HỮU QUÂN

THIẾT KẾ, CHẾ TẠO THIẾT BỊ ĐO MOMEN DẠNG CẦM TAY

Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí
Mã số
: 60.52.01.03

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

PGS.TS NGÔ NHƯ KHOA

THÁI NGUYÊN – NĂM 2015


ii

LỜI CAM ĐOAN

Tôi là: Nguyễn Hữu Quân - Học viên cao học lớp K14 chuyên ngành Kỹ thuật Cơ
khí, khóa 2011 - 2013 trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp - Đại học Thái Nguyên.
Sau hai năm học tập, rèn luyện và nghiên cứu tại trường, tôi lựa chọn thực hiện
đề tài tốt nghiệp “ Thiết kế, chế tạo thiết bị đo momen dạng cầm tay”
Được sự giúp đỡ và hướng dẫn tận tình của Thầy giáo PGS.TS. Ngô Như Khoa
và sự nỗ lực của bản thân, đề tài đã được hoàn thành.

Tôi xin cam đoan các số liệu và kết quả nêu trong Luận văn là trung thực và chưa
từng được ai công bố trong bất kỳ một công trình khác.
Thái Nguyên, ngày 27 tháng 12 năm 2014.
Học viên

Nguyễn Hữu Quân


3

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới PGS.TS. Ngô Như Khoa
- Thầy đã tận tình hướng dẫn tôi trong suốt quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận
văn.
Tôi xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu trường Đại học Kỹ thuật Công
nghiệp, Phòng quản lý đào tạo sau đại học, Khoa Cơ khí và bộ môn Chế tạo máy đã
tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình học tập, nghiên cứu và thực hiện
bản luận văn này.
Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới Chú Nguyễn Đức Dũng – Xưởng cơ khí
Dũng Trình và học viên Nguyễn Thu Hường lớp cao học Khóa K15 đã giúp đỡ Tôi
trong thời gian Tôi triển khai thực hiện đê tài.
Cuối cùng Tôi muốn bày tỏ lòng cảm ơn đối với gia đình tôi, bạn bè đã ủng hộ
và
động viên Tôi trong suốt quá trình làm luận văn này.
Xin trân trọng cảm ơn!
Tác giả

Nguyễn Hữu Quân

4

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................................ i
LỜI CẢM ƠN................................................................................................................ iii
MỤC LỤC ..................................................................................................................... iv
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ................................................... vi
DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH.................................................................................. viii
DANH

MỤC

BẢNG

BIỂU

.............................................................................................x

CHƯƠNG

1

.....................................................................................................................1
TỔNG QUAN VỀ THIẾT BỊ ĐO MOMEN DẠNG DỤNG CỤ...................................1
1.1. Thiết bị đo momen xoắn dạng phản lực. ..................................................................2
1.2.
Thiết
bị
đo

momen
....................................................................3

xoắn

dạng

nối

tiếp.

CHƯƠNG 2 .....................................................................................................................5
CƠ SỞ TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ .............................................................................5
2.1. Thiết bị cảm biến strain gauge và phương pháp đo biến dạng. ................................6
2.2.
Mạch
cầu
đo
.........................................................................................10

biến

dạng.

Mạch cầu Wheatston’s Bridge.......................................................................................11
a. Mạch cầu một nhánh.................................................................................................13
b.

Mạch

cầu

hai

nhánh.

..................................................................................................14 c. Mạch cầu đầyđủ.
........................................................................................................16
CHƯƠNG 3 ...................................................................................................................19
THIẾT
KẾ
VÀ
CHẾ
..........................................................................19

TẠO

TRỤC

ĐO

3.1. Hệ thức liên quan tới trục tròn rỗng chịu xoắn. .....................................................19
Hình 3.1. Sự phân bố ứng suất trên mặt cắt ngang trục tròn chịu xoắn ........................19
3.2. Tính toán, thiết kế trục đo.......................................................................................20


5

3.2.1. Tính toán kích thước trục đo. ..............................................................................20
3.2.2. Bản vẽ chế tạo trục mẫu. .....................................................................................22

3.3. Chọn thiết bị cảm biến strain gauge. ......................................................................25
3.4. Chọn loại keo dán strain gauge. .............................................................................28


6

3.5. Thiết kế mạch hiển thị ............................................................................................31
NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ĐỂ XÁC ĐỊNH ĐẶC TÍNH CỦA TRỤC ĐO ......34
4.1. Thí nghiệm..............................................................................................................34
4.2. Kết quả thí nghiệm. ................................................................................................36
TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................................43
PHỤ LỤC ......................................................................................................................44
1. Bảng kết quả đo giá trị điện áp momen và giá trị điện áp biến dạng trên trục đo.....44
2. Chương trình chạy mạch hiển thị giá trị điện áp biến dạng. .....................................45


7

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

STT

Kí hiệu

Diễn giải nội dung đầy đủ

1

R

Điện trở

2

ρ

Điện trở suất

3

L

Chiều dài dây dẫn

4

A

Diện tích dây dẫn

5

GF

Hệ số cảm biến biến dạng

6

υ

hệ số poisson

7

e, Vout

Điện áp đầu ra

8

Vin

Điện áp đầu vào

9

S

Độ cảm biến

10



Biến dạng dài

11



12



Ứng suất cắt

13



Ứng suất pháp

14

G

Modun đàn hồi cắt

15

E

Modun đàn hồi

16

r

Bán kính trục chịu xoắn

17

d

Đường kính trục chịu xoắn

18

t

Chiều dày trục rỗng

T

Biến dạng dài do nhiệt

19



Biến dạng cắt

20

Jp

Momen quán tính

21

Wp

Momen chống xoắn

22

MZ

Momen xoắn

23

υ

hệ số poisson

24



Góc xoắn tỉ đối

25

n

hệ số an toàn


vii

26

TT

Biến dạng tính toán

27



28

Vout QĐ

Điện áp đầu ra quy đổi theo điện áp biến dạng trục đo

29

Vout Mz

Điện áp momen Mz

30

KB

Hệ số khuếch đại trên thiết bị 3B18

31

∆%

Sai số

D

Biến dạng đo

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

8

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH

Số hiệu

Nội dung

Trang

Hình 1.1.

Thiết bị đo momen dạng dụng cụ cầm tay.

1

Hình 1.2.

Thiết bị đo momen dạng phản lực

2

Hình 1.3

Cấu tạo dụng cụ đo momen dạng phản lực.

2

Hình 1.4.

Thiết bị đo momen dạng phản lực.

3

Hình 1.5.

Thiết bị đo momen dạng nối tiếp.

3

Hình1.6.

Trục mẫu dán strain gauge.

3

Hình 2.1.

Sơ đồ xác định momen xoắn – góc xoắn.

5

Hình 2.2.

Biến dạng dài của trục xoắn.

5

Hình 2.3.

Cấu tạo cảm biến strain gauge.

6

Hình 2.4.

Các dạng cảm biến strain gauge.

6

Hình 2.5.

Biến dạng dây điện trở strain gauge.

7

Hình 2.6

Nguyên lí ánh xạ dòng điện

9

Hình 2.7.

Mạch cầu Wheatston’s Bridge 4 nhánh.

11

Hình 2.8.

Mạch cầu Wheatston’s Bridge 2 nhánh.

12

Hình 2.9.

Mạch cầu Wheatston’s Bridge 1 nhánh.

13

Hình 2.10.

Trục mẫu chịu xoắn dán strain gauge.

14

Hình 2.11.

Sơ đồ nguyên lí chế tạo trục đo momen xoắn.

15

Hình 3.1.

Sự phân bố ứng suất trên trục tròn chịu xoắn.

16

Hình 3.2.

Vòng tròn Morh ứng suất khi xoắn thuần túy.

16

Hình 3.3.

Bản vẽ chế tạo trục đo.

20

Hình 3.4.

Strain gauge đo biến dạng dài thông thường.

21

Hình 3.5.

strain gauge đo biến dạng theo 2 phương vuông góc.

22

Hình 3.6.

Strain gauge rosete hình chữ nhật

23

Hình 3.7.

strain gauge đo biến dạng cắt.

23

Hình 3.8.

Keo dán extra 4000.

25

Hình 3.9.

Silicon chống nhiễu cho strain gauge.

25

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

9

Hình 3.11.

Trục đo dán strain gauge.

27

Hình 3.12.

Sơ đồ mạch khuếch đại thiết bị analog 3B18.

28

Hình 3.13.

Thiết bị analog 3B18.

28

Hình 3.14.

sơ đồ đấu nguồn cho bộ khuếch đại 3B18.

28

Hình 3.15

sơ đồ mạch hiển thị giá trị momen cho dụng cụ đo.

29

Hình 4.1.

Thí nghiệm xác định biến dạng của trục đo.

36

Hình 4.2.

Đồ thị mối tương quan giữa momen – biến dạng.

39

Bảng 4.2.

Bảng tính toán sai số kết quả đo

41

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

10

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Số hiệu

Nội dung

Trang

Bảng 3.1

Bảng thành phần hóa học của thép 18Mn2Si.

18

Bảng 3.2

Bảng cơ tính thép 18Mn2Si.

18

Bảng 3.3

Bảng ứng suất cắt cho phép.

18

Bảng 3.4

Bảng đường kính trục đo.

18

Bảng 3.5

Bảng vật liệu chế tạo cảm biến strain gauge.

21

Bảng 3.6

Bảng hệ số strain gauge.

24

Bảng 3.7

Bảng các loại keo dán strain gauge.

24

Bảng 3.8

Bảng thông số thiết bị analog 3B18.

27

Bảng tính toán giá trị momen – biến dạng – giá trị điện
Bảng 4.1

áp.

38

Bảng 4.2

Bảng tính toán sai số kết quả đo

41

Bảng tính toán giá trị momen – điệp áp đầu ra trên thiết
Bảng 4.3

bị 3B18

43

Bảng 1

Bảng giá trị điện áp momen và giá trị điện áp biến dạng

48

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

1

CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ THIẾT BỊ ĐO MOMEN DẠNG DỤNG CỤ

Trong lĩnh vực kĩ thuật, với những mối ghép kẹp chặt bằng ren thì việc xác
định lực kẹp là rất quan trọng. Khi lực xiết hay vặn ren quá lớn sẽ làm hỏng bề mặt
làm việc của ren, dập ren, cắt chân ren…nhưng khi lực kẹp của ren nhỏ lại không đảm
bảo độ bền của mối ghép cũng như đảm bảo yêu cầu an toàn của những chi tiết được
kẹp chặt. Với yêu cầu xác định lực xiết hay vặn chặt ren, ngày nay có rất nhiều dạng
dụng cụ dùng để đo lực kẹp chặt của ren. Nguyên lí hoạt động chung của các dụng cụ
đo này đều dựa trên việc đo momen xoắn dạng tĩnh.

Hình 1.1. Thiết bị đo momen dạng dụng cụ cầm tay.
Momen xoắn dạng tĩnh là momen có sự dịch chuyển nhỏ trong phép đo. Ứng
dụng của thiết bị đo momen xoắn dạng tĩnh dùng để xác định lực vặn hay xiết chặt của
bulong đai ốc…Thiết bị đo momen xoắn dạng tĩnh được chia thành 2 dạng dựa vào
phương pháp đo :
-

Thiết bị đo momen xoắn dạng phản lực

-

Thiết bi đo momen dạng nối tiếp.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

2

1.1. Thiết bị đo momen xoắn dạng phản lực.

Hình 1.2. Thiết bị đo momen dạng phản lực
Nguyên lí đo của các thiết bị đo momen dạng phản lực dựa trên việc đo lực

xoắn thông qua biến dạng của lò xo trong dụng cụ.

Đầu kẹp

Lò xo chịu kéo

Hình 1.3. Cấu tạo dụng cụ đo momen dạng phản lực.
Lực xoắn của lò xo được hiển thị bằng đồng hồ cơ học hoặc đồng hồ điện tử
nhờ một bộ phận cảm biến lực trong dụng cụ :

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

3

Hình 1.4. Thiết bị đo momen dạng phản lực.
1.2. Thiết bị đo momen xoắn dạng nối tiếp.

Hình 1.5. Thiết bị đo momen dạng nối tiếp.
Nguyên lí hoạt động của thiết bị đo momen dạng nối tiếp dựa trên việc đo biến
dạng của trục chịu xoắn bằng thiết bị cảm biến strain gauge.
Strain gauge
chịu kéo

Strain gauge
chịu nén

MZ

Trục chịu xoắn

Momen xoắn

Hình1.6. Trục mẫu dán strain gauge.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

4

Công đoạn quan trọng trong chế tạo dụng cụ đo momen nối tiếp là việc xây
dựng đường đặc tuyến momen – biến dạng. Dưới tác dụng của momen xoắn ngoại lực,
0

0

biến dạng của trục chịu xoắn trên 2 phương 45 và 135 là lớn nhất. Do đó, đường đặc
tuyến momen – biến được xây dựng bằng việc đo biến dạng của trục xoắn trên 2
0

0

phương 45 và 135 . Biến dạng của trục đo được xác định bằng cách dán thiết bị cảm
biến strain gauge lên trục xoắn. Thông qua việc xây dựng đường đặc tuyến biến dạng
và sự thay đổi điện trở của strain gauge sẽ cho phép xác định được mối tương quan
giữa momen – biến dạng của trục đo được chế tạo.
Tuy nhiên, hiện nay việc mua thiết bị đo momen có sẵn ở Việt Nam là rất khó.
Với điều kiện hạn chế trong nước, vẫn chưa có cơ sở nào sản suất, chế tạo thiết bị đo
momen dạng dụng cụ. Vì vậy, tác giả chọn đề tài “ Thiết kế, chế tạo thiết bị đo momen

dạng cầm tay “ với nguyên lí hoạt động là thiết bị đo momen dạng nối tiếp.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

5

CHƯƠNG 2
CƠ SỞ TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ

Dụng cụ được chế tạo có dạng đo momen dạng nối tiếp. Việc xây dựng đường
đặc tuyến momen – biến dạng có thể thực hiện bằng hai cách. Mối tương quan momen
xoắn – biến dạng xoắn biến dạng có thể được xác định gián tiếp thông qua việc đo
momen xoắn – góc xoắn trên trục mẫu chịu xoắn.

Hình 2.1. Sơ đồ xác định momen xoắn – góc xoắn.
Thông qua việc đo góc xoắn sẽ cho phép xác định được biến dạng góc, từ đó xây
dựng đường đặc tuyến momen – 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 được góc xoắn
trong miền đàn hồi của vật liệu là rất khó. Do đó, việc xây dựng đường đặc tuyến
momen – biến dạng sẽ được xác định trực tiếp bằng cách đo biến dạng dài trên trục
chịu xoắn.

ε45

0

Hình 2.2. Biến dạng dài của trục xoắn.
Theo cơ sở lí thuyết sức bền vật liệu trong xoắn thuần túy, biến dạng dài theo 2

0

0

phương 45 và 135 là lớn nhất. Do đó, Biến dạng dài ε được đo bằng cách dán thiết bị
cảm biến strain gauge lên trục mẫu chịu xoắn. Mối tương quan giữa momen – biến

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

6

dạng được xác định bằng việc xây dựng đường đặc tuyến momen – sự thay đổi điện
trở trên cầu biến dạng.
2.1. Thiết bị cảm biến strain gauge và phương 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 được xác định thông qua việc đo sự thay đổi điện trở trên strain
gauge. Cấu tạo của strain gauge gồm lá kim loại mỏng được khắc thành dạng lưới lên
trên một tấm nhựa mỏng. Lưới lá kim loại được nối cả hai đầu với hai miếng kim loại
được phủ 1 lớp đồng để hàn dây dẫn ra mạch khuếch đại tín hiệu đo.
Lưới lá kim loại mỏng

Miếng kim loại được phủ lớp đồng

Vị trí hàn dây dẫn

Tấm nhựa
Hình 2.3. Cấu tạo cảm biến strain gauge.

Số hóa bởi

Trung tâm Học liệu


u.vn/


Hình 2.4. Các dạng cảm biến strain gauge.
Mối quan hệ giữa biến dạng và sự thay đổi điện trở của thiết bị cảm biến strain
gauge liên hệ theo các hệ thức sau.

R
()
A

L
(2.1)

Hình 2.5. Biến dạng dây điện trở strain gauge.
Khi có sự thay đổi điện trở :
L
L
R   L (    )
A
A  A

()

(2.2)

Sự thay đổi của điện trở suất, chiều dài dây dẫn và diện tích dây dẫn là vô cùng nhỏ,
do đó có thể lấy R  d (R) .
Từ (2.1) có :

R  d (R)  d ( 
L
)
A

Logarit 2 vế (2.1) có :

LnR  LnL  Ln -

Có :

LnA

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

(2.3)

d (Ln(x))  d
x
x

/>

(2.4) (2.5)

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

Từ (2.3), (2.4),(2.5) có :

dR dL dρ dA
=
+
R
L 
A

(2.6)

A  a.b (mm2 )

(2.7)

Diện tích qua dây dẫn :

Biến dạng dài của dây dẫn :

  d
L

(2.8)

L

Biến dạng theo diện tích dây dẫn :

 A  dA  a.db  b.da  db  da
a.b
b
a
A

(2.9)

Vật liệu dây dẫn đồng chất và đẳng hướng nên ta có hệ thức :

db

 
b
L

dL

 

da
dL
 
 
a
L

(2.10)

(2.11)

Từ (2.8) – (2.11) có :

 A

(2.12)

2
Thay (2.12) vào (2.6)

có

:

dR d 

 (1  2  )

R
(2.13)
Mối quan hệ giữa biến dạng và sự thay đổi điện trở R / R của strain gauge
được xác định theo công thức :


dR / R



d/ 

2 )

Tỉ số

d /




 (1 

(2.14)



đặc trưng mức độ cản trở dòng điện của vật liệu dây dẫn, là hằng

số đối với mỗi loại thiết bị strain gauge khác nhau.
Đại lượng 1  2 đặc trưng 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 )
được gọi là hệ số cảm biến biến dạng GF :

GF 

dR / R R / R
=
dL / L



(2.15)

Hệ số GF thể hiện mối quan hệ tuyến tính giữa biến dạng và sự thay đổi điện
trở, thông thường thông thường GF = 1,9 ÷2,1 đối với hầu hết các loại cảm biến strain
-6

gauge.. Biến dạng của vật liệu rất nhỏ, khoảng từ 2.10 – 0,01, vì vậy dẫn đến yêu cầu
đo được 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 như sau:

Hình 2.6. Nguyên lí ánh xạ dòng điện
Điện áp đầu ra :


Rg

V
Vout  e 

Rg  R b

in (V

)

Biến dạng của strain gauge vô cùng nhỏ, có thể lấy xấp xỉ R  d (R) , do đó
sự thay đổi điện áp được xác định như sau :

de 
V

 dRg

Rg .dRg




(R  R )

R R
g



b

g



Rb RgVin


in

2

(R  R )

b

g

b

2

dRg

R
g

(2.16)

Thay (2.15) vào (2.16) , sự thay đổi điện áp đầu ra được xác định:

Rb RgVin

de 



GF 
(Rg  Rb )

2

.
(2.17)

Độ cảm biến lớn nhất của strain gauge chính là mức độ biến dạng lớn nhất của
strain gauge. Nó được thể hiện bằng giá trị điện áp đầu ra lớn nhất cho mạch đo. Độ
cảm biến của strain gauge được xác định theo công thức :

S

de





Rb RgVin
(Rg  Rb )2

 GF
(2.18)

Độ cảm biến lớn nhất khi :

( Rg  Rb ) RgVin
dS

 GF 0
3
dR b

(R g  R b)

(2.19)

(2.19) xảy ra khi : Rg  Rb

4

Khi đó, sự thay đổi điện áp đầu ra :

i
n

de 
.V

GF




(2.20)
2.2. Mạch cầu đo biến dạng.


Tuy nhiên, khi sử dụng strain gauge đo biến dạng, có sự ảnh hưởng của một số
thông số tới sự thay đổi điện trở. Các thông số ảnh hưởng tới sự thay đổi điện trở bao
gồm: sự thay đổi điện trở suất theo nhiệt độ môi trường và nhiệt kể đến biến dạng của
strain gauge. Đối với mỗi loại strain gauge, sự thay đổi điện trở suất theo nhiệt độ môi
trường đã được tính toán và cho thành hệ số. Sai số biến dạng cũng xảy ra khi dán

strain gauge lên vật liệu được đo do có sự khác nhau về hệ số giãn nở nhiệt của strain
gauge và vật liệu được đo. Rất khó để xác định chính xác ảnh hưởng của yếu tố này do
tính không đồng nhất của hai vật liệu. Vì vậy, sai số biến dạng strain gauge được xác
định trên đồ thị sai số như một hàm của nhiệt độ và được nhà sản xuất cung cấp. Việc
bù lại sai số biến dạng do nhiệt của srain gauge khi đo biến dạng được thực hiện bằng
cách sử dụng mạch cầu Wheatston’s Bridge. Việc bù sai số do nhiệt trên mỗi strain
gauge không loại bỏ được toàn bộ ảnh hưởng. Do đó, sự loại bỏ sai số do nhiệt được
tính toán tùy thuộc vào dạng mạch cầu Wheatston’s Bridge.
Mạch cầu Wheatston’s Bridge.

Hình 2.7. Mạch cầu Wheatston’s Bridge 4 nhánh.
Điện áp Vout được xác định theo hệ thức sau:

Vout  VD 
VC
Có :

V C  V BC 

R2

V

V V



R3

RV1  R2

in ,

D
DB

R
in

R

3

4