Thiết kế, chế tạo thiết bị đo mô men xoắn trên trục quay

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

PHẠM HỒNG NAM

THIẾT KẾ, CHẾ TẠO THIẾT BỊ ĐO MÔ MEN XOẮN
TRÊN TRỤC QUAY

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

Thái Nguyên, tháng 12 năm 2014


LỜI CAM ĐOAN

Tên tôi là

: Phạm Hồng Nam

Sinh ngày : 01 tháng 3 năm 1981
Nơi sinh

: Thành phố Thái Nguyên, tỉnh Thái Nguyên

Học viên lớp cao học khóa K14-chuyên ngành: Công nghệ chế tạo máyTrường Đại học kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên
Hiên đang công tác tại Sở Công Thương Thái Nguyên.
Tôi xin cam đoan những kết quả có được trong luận văn là do bản thân
tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn của thầy giáo PGS.TS Ngô Như Khoa. Ngoài
phần tài liệu tham khảo đã được liệt kê, các kết quả và số liệu thực nghiệm là
do tôi thực hiện và chưa được công bố trong bất cứ công trình nào khác.
Tôi xin cam đoan rằng mọi thông tin trí dẫn trong luận văn đều chỉ rõ

nguồn gốc.
Thái Nguyên, tháng 12 năm 2014
Người thực hiện

Phạm Hồng Nam


MỤC LỤC
BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ.................................................................................. 5
PHẦN MỞ ĐẦU .................................................................................................................. 7
1. Tính cấp thiết của đề tài.................................................................................................... 7
2. Mục đích nghiên cứu đề tài .............................................................................................. 7
3. Đối tượng nghiên cứu của đề tài....................................................................................... 7
4. Ý nghĩa khoa học của đề tài ............................................................................................. 7
5. Phương pháp nghiên cứu .................................................................................................. 8
CHƯƠNG I. TỔNG QUAN VỀ THIẾT BỊ ĐO MÔ MEN XOẮN .................................... 9
TRÊN TRỤC QUAY ........................................................................................................... 9
1. Giới thiệu về thiết bị đo mô men xoắn trên trục quay ...................................................... 9
2. Nguyên lý cơ bản đo mô men xoắn trên trục quay......................................................... 12
3. Lựa chọn phương án thiết kế .......................................................................................... 14
CHƯƠNG 2. CƠ SỞ TÍNH TOÁN THIẾT KẾ TRỤC QUAY ........................................ 17
I. Phân tích yêu cầu bài toán:.............................................................................................. 17
1. Mục đích của đề tài......................................................................................................... 17
2 Lựa chọn kiểu trục quay ................................................................................................. 17
3. Phân tích bài toán ........................................................................................................... 18
II. CảM BIếN BIếN DạNG (STRAIN GAUGE) ............................................................... 19
1. Cấu tạo strain gauge ....................................................................................................... 19
2) Phân loại strain gauge .................................................................................................... 20
3) Thông số cơ bản và các đặc trưng của strain gauge ....................................................... 21
CHƯƠNG 3. THIẾT KẾ, CHẾ TẠO THIẾT BỊ ĐO MÔ MEN XOẮN ......................... 23

I. Thiết kế trục chịu xoắn (trục quay) ................................................................................. 23
1. Chức năng:...................................................................................................................... 23
2. Tính toán thiết kế trục..................................................................................................... 23
3) Bản vẽ thiết kế trục quay................................................................................................ 26
II. Nghiên cứu lựa chọn strain gauge ................................................................................. 26
III. Ứng dụng mạch cầu Wheatstone trong việc biến đổi R của strain gauge thành
điện áp................................................................................................................................. 28
IV. Lựa chọn bộ khuyếch đại, bộ xử lý, nguồn và màn hình hiển thị ................................ 33
1. Lựa chọn bộ khuyếch đại................................................................................................ 33
2. Lựa chọn hệ thống xử lý dữ liệu..................................................................................... 35
3. Màn hình hiển thị............................................................................................................ 36
4. Nguồn cấp điện áp .......................................................................................................... 38


V. Tiến hành dán strain gauge ............................................................................................ 40
1. Chuẩn bị vật tư, dụng cụ................................................................................................. 40
2. Các bước tiến hành dán strain gauge .............................................................................. 41
CHƯƠNG 4. XÁC ĐỊNH ĐẶC TÍNH LÀM VIỆC CỦA THIẾT BỊ BẰNG THỰC
NGHIỆM ............................................................................................................................ 46
I. Thiết kế sơ đồ thí nghiệm................................................................................................ 46
1. Mục đích: ........................................................................................................................ 46
2. Mô hình thí nghiệm ........................................................................................................ 46
3. Thiết bị thí nghiệm ......................................................................................................... 46
II. Kết quả thí nghiệm......................................................................................................... 47
1. Thí nghiệm khảo sát giá trị điện áp hiển thị khi đặt tải trọng đã biết............................. 47
2. Thí nghiệm đo mô men xoắn trên trục quay. ................................................................ 48
3. Đánh giá kết quả và nhận xét .......................................................................................... 49
4. Kết luận và hướng nghiên cứu tiếp theo ......................................................................... 49
5. Một số hình ảnh của thiết bị ........................................................................................... 50
6. Chương trình cài đặt cho bộ xử lý ardunio ..................................................................... 53

TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................................. 57


BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Cờ lê lực Tohnichi FHDS
Hình 1.2: Tua vít lực STC (TOHNICHI)
Hình 1.3: Dụng cụ đo mô men để đo lực đóng, mở chai.
Hình 1.4 là thiết bị đo mô men xoắn loại ST2-BT spin tork của hãng Excel Air tool
co.,INC
Hình 1.5: Ứng dụng thiết bị đo mô men xoắn loại ST2-BT spin tork trong lắp ráp.
Hình 1.6a: Cảm biến mô men xoắn kiểu 4503 A của hãng Kitsler
Hình 1.6b: Ứng dụng cảm biến mô men xoắn trong việc kiểm tra động cơ
Hình 1.6c: Cấu tạo cảm biến mô men xoắn kiểu 4503 A của hãng Kitsler
Hình 1.6d: Sơ đồ của nguyên lý hoạt động của cảm biến mô men xoắn.
Hình 1.7: Sơ đồ hệ nguyên lý cảm biến đo mô men xoắn dùng vành góp
Hình 1.8: Hình ảnh tháo rời cảm biến mô men xoắn dùng vành góp slip ring
Hình 1.9:Sơ đồ hệ nguyên lý cảm biến đo mô men xoắn dùng biến áp quay
Hình 1.10: Nguyên lý cơ bản của cuộn dây bên trong
Hình 1.11: Hình vẽ cấu tạo bên trong của cảm biến mô men xoắn dùng biến áp quay
Hình 1.12. Hình vẽ cấu tạo thiết bị đo mô men xoắn dùng strain gauge tích hợp với hệ
thống chuyển đổi , bộ lưu trữ dữ liệu và hiển thị gắn trên trục quay.
Hình 1.13.Hình vẽ cấu tạo thiết bị đo mô men xoắn dùng strain gauge tích hợp với hệ
thống chuyển đổi , bộ lưu trữ dữ liệu và hiển thị gắn trên trục quay.
Hình 2.1: Hình vẽ kết cấu một số trục quay thường gặp
Hình2.2: Mô hình bài toán
Hình 2.3: Mô tả lực tác dụng và biến dạng của dây dẫn
Hình 2.4: Cấu tạo một strain gaugse điển hình
Hình 3.1: Bản vẽ hình dạng và các ký hiệu kích thước trên trục quay
Hình 3.2: Hình biểu diễn lực tác dụng lên mặt bích của trục quay
Hình 3.3. Bản vẽ thiết kế chi tiết trục quay.

Hình 3.4: Phương án dán strain gauge lên trục quay.
Hình 3.5: Bảng thông số và hình dáng strain gauge kiểu Z23-FA-2-350-11
Hình 3.6: Mạch cầu Wheatstone
Hình 3.7: Quarter-Bridge
Hình 3.8 : Sử dụng dummy gauge để tránh ảnh hưởng của nhiệt độ
Hình 3.9: Ảnh hưởng của điện trở dây dẫn ở mạch đo dạng Quarter-Brige
Hình 3.10: Half-Bridge
Hình 3.12: Sơ đồ nguyên lý của cầu 6 dây
Hình 3.13: Sơ đồ khối chức năng của IC 3B18
Hình 3.14 : Ô kết nối đầu vào 3B18
Hình 3.15. Bảng mô tả chân chức năng
Hình 3.17: Tùy chỉnh hệ số khuyếch đại
Hình 3.18. Hình ảnh cấu tạo bộ vi xử lý andunio


Hình 3.19. Sơ đồ mạch led 7 đoạn\
Hình 3.20: Sơ đồ khối màn hình hiển thị
Hình 3.21: Sơ đồ mạch nguồn
Hình 3.22 : Keo dán Extra 4000-Showa và băng dính Scotch
Hình 3.23. Ảnh trục mẫu sau khi gắn strain gauge.
Hình 3.24. Hình ảnh kiểm tra độ nhạy xoắn của thiết bị sau khi dán strain gauge bằng
màn hình hiển trị Daytronic 3570.
Hình 3.25. Hình ảnh thiết bị đo mô men xoắn do học viên thiết kế, chế tạo
Hình 3.26. Hình ảnh kết nối thành công strain gauge với bộ nguồn, bộ khuyếch đại, vi
xử lý và màn hình hiển thị
Hình 3.27. Hình ảnh lắp đặt thiết bị đo mô men xoắn trên truc quay lên bộ truyền
động tạo mô men xoắn
Hình 3.28. Đồ thị biểu diễn kết quả đo mô men hiển thị qua giá trị điện áp V0
Hình 4.3. Hình ảnh kiểm tra độ nhạy xoắn của thiết bị sau khi dán strain gauge bằng
màn hình hiển trị Daytronic 3570.

PHẦN MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Ngày nay với sự phát triển của khoa học, công nghệ. Dụng cụ đo lường đã
có những bước tiến lớn về chất lượng, kết cấu và sự thuận tiện khi sử dụng. Cụ
thể như về độ chính xác phép đo, phương pháp đo, cơ chế hiển thị kết quả đo,
khả năng tích hợp với máy in, máy vi tính, khả năng thu phát không dây.
Thiết bị đo lường thường được phân thành các nhóm như: đo lường nhiệt,
đo lường áp suất, đo lường lực và mô men, đo lường độ cứng, đo lường độ dài,
đo lường các chỉ tiêu hóa lý, đo dung tích, đo khối lượng, đo bức xạ hạt nhân…
Thiết bị đo mô men xoắn trên trục quay dựa trên nguyên lý mạch cầu
wheatston, tín hiệu đầu ra từ các cảm biến biến dạng được kết nối với bộ
khuyếch đại 3B18 của hãng Analog divices, vi xử lý Ardunio đã giảm đáng kể
công việc tính toán thiết kế cơ khí, tăng độ chính xác của thiết bị.
Kết quả của đề tài sẽ là cơ sở để thiết kế chế tạo các thiết bị đo mô men
xoắn, ứng dụng các strain gauge vào công tác đo biến dạng trên trục quay, lựa
chọn bộ khuyếch đại và xử lý tín hiệu đo cho mạch cầu hai tay và mạch cầu 4
tay (Half- Bridge và full-Bridge).
2. Mục đích nghiên cứu đề tài
Thiết kế chế tạo thiết bị đo mô men xoắn trên trục quay dải đo 0 Nm500Nm.
3. Đối tượng nghiên cứu của đề tài
* Đối tượng nghiên cứu:
- Các loại strain gauge.
-Thiết kế trục chịu xoắn thuần túy
- Nguyên lý mạch cầu wheatston.
- Kỹ thuật gắn strain gauge trên trục quay, kết nối ngõ ra của strain
gauge với bộ khuyếch đại và bộ vi xử lý;
4. Ý nghĩa khoa học của đề tài
* Ý nghĩa khoa học của đề tài:

-Xây dựng và thử nghiệm được công nghệ dán strain gauge trên bề mặt
trục chịu xoắn bằng nhôm. Lựa chọn và thử nghiệm thành công sử dụng strain
gauge với bộ khuyếch đại và bộ vi xử lý;


Xác định được môđul 3B18 khuyếch đại tín hiệu điện áp vô cùng bé từ
strain gauge để có thể hiển thị được kết quả đo mô men xoắn.
* Ý nghĩa thực tiễn:
- Kết quả của đề tài dùng làm cơ sở để thiết kế chế tạo thiết bị đo mô men
xoắn trên trục quay.
- Sản phẩm đề tại làm dụng cụ đo mô men xoắn sử dụng trong thực hành,
thí nghiệm tại trường Đại học kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên.
5. Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với nghiên cứu thực nghiệm.


CHƯƠNG I. TỔNG QUAN VỀ THIẾT BỊ ĐO MÔ MEN XOẮN
TRÊN TRỤC QUAY

1. Giới thiệu về thiết bị đo mô men xoắn trên trục quay
Thiết bị đo mô men xoắn được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp lắp ráp
và chế biến chế tạo, sửa chữa như: thiết bị cầm tay, thử động cơ máy công cụ,….
Đa số các thiết bị đo mô men xoắn chủ yếu được nhập khẩu từ các nước:
Mỹ (hãng Futex), Anh, Ấn Độ, Trung Quốc... Các thiết bị này sử dụng phương
pháp đo biến dạng trên trục quay để tính ra mô men xoắn. Biến dạng trên trục
quay được xác định nhờ các strain gauge dán trên trục và hoạt động dựa theo
nguyên lý cầu điện trở cân bằng Wheatstone. Gia công và chế tạo những thiết bị
này tương đối phức tạp và đòi hỏi độ chính xác cao.
Thiết bị đo mô men xoắn hiệu có trên thị trường có thể chia làm 2 loại:
Thiết bị đo mô men xoắn tĩnh và thiết bị đo mô men xoắn động.

Mô men là một lực quay, mô men xoắn coi là tĩnh nếu nó không có gia
tốc góc. Ví dụ như các mô-men xoắn sinh ra bởi một lò xo đồng hồ sẽ là một
mô-men xoắn tĩnh. Tuy nhiên việc xác định mô men tĩnh và mô men động còn
phụ thuộc vào vị trí đo. Ví dụ mô-men xoắn được sinh ra bởi động cơ xe ô tô sẽ
có cả hai loại tĩnh và động. Nếu mô-men xoắn được đo ở trục khuỷu sẽ là mô
men động, vì nó có dao động lớn do mỗi khi nhiêu liệu cháy trong xi lanh sẽ
sinh ra lực tác dụng lực lên đầu piston làm trục khuỷu quay. Nếu mô-men xoắn
được đo các ổ trục nó sẽ gần như tĩnh vì quán tính quay của bánh đà và bộ
truyền dẫn sẽ làm giảm mức độ dao động.
Các thiết bị đo mô men xoắn ngày nay thường có cấu tạo gồm các thành
phần chính như sau:
- Trục xoắn có dán strain gauge và các mặt bích để lắp lên thiết bị cần đo;
- Bộ khuyếch đại tín hiệu từ cảm biến
- Bộ xử lý tín hiệu đo, hiển thị kết quả
- Nguồn cấp điện;
- Lớp vỏ bảo vệ.


a) Một số thiết bị đo mô men xoắn tĩnh:

Hình 1 .1: Cờ lê lực Tohnichi FHDS

Hình 1.2: Tua vít lực STC (TOHNICHI)

Hình 1.3: Dụng cụ đo mô men để đo lực đóng, mở chai.
, đồ uống.

Hình 1.4.
Trên hình 4 là thiết bị đo mô men xoắn loại
ST2-BT spin tork của hãng Excel Air tool

co.,INC. Hoạt động theo nguyên lý biến áp
quay. Sử dụng cảm biến, truyền dữ liệu bằng
bluetooth, thích hợp với kiểm tra mô men xoắn
đầu ra, độ chính xác ±1%, sử dụng pin để cấp
điện cho cơ cấu (10 h chạy/2h xạc). Giá tham
khảo: Với loại ST10N2 là 2904 USD.
Hình 1.5: Ứng dụng thiết bị đo mô men xoắn
loại ST2-BT spin tork trong lắp ráp.


b) Thiết bị đo mô men xoắn động

Hình 1.6b: Ứng dụng cảm biến mô men xoắn
trong việc kiểm tra động cơ
Hình 1.6a: Cảm biến mô men xoắn kiểu 4503
A của hãng Kitsler

Hình 1.6c: Cấu tạo cảm biến mô men xoắn kiểu 4503 A của hãng Kitsler

Hình 1. 6d: Sơ đồ của nguyên lý hoạt động của cảm biến mô men xoắn.


Cảm biến mô men xoắn kiểu 4503 A do hãng Kitsler sản xuất hoạt động dựa
trên nguyên lý biến áp quay. Thường được dùng trong việc giám sát kiểm tra
động cơ điện.
2. Nguyên lý cơ bản đo mô men xoắn trên trục quay

a) Dùng strain gauge tích hợp với vành góp (slip ring):
Phương án này thường được sử dụng để chế tạo thiết bị đo mô men xoắn.
Để kết nối các strain gauge trên trục quay với phần tĩnh người ta sử dụng chổi

quét bằng Bạc-Graphit tiếp xúc với cổ góp. Chổi quét và cổ góp có nhiệm vụ
đưa điện áp kích thích vào và nhận tín hiệu điện áp ra từ mạch cầu. Các strain
gauge được kết nối thành mạch cầu wheatstone và dán trên trục xoắn như sơ đồ
nguyên lý.
+ Ưu điểm: Có lợi thế khi sử dụng được cả dòng xoay chiều và một chiều
để kích thích mạch cầu, hoạt động với mọi tốc độ;
+ Nhược điểm: Tốc độ trục quay khá cao, trong quá trình họa động có ma
sát giữa chổi quét và cổ góp nên gây mòn chổi quét, nhiễu động, độ chính xác
không cao.

Hình 1.7: Sơ đồ hệ nguyên lý cảm biến đo mô men xoắn dùng vành góp


Hình 1.8: Hình ảnh tháo rời cảm biến mô men xoắn dùng vành góp slip ring
b) Dùng strain gauge tích hợp với biến áp quay:
Phương pháp này hoạt động theo nguyên tắc cảm ứng để truyền tín hiệu
điện. Thiết bị sử dụng 2 máy biến áp. Một máy biến áp dùng để truyền dòng
điện xoay chiều (AC) kích thích cho mạch cầu. Máy biến áp còn lại để truyền tín
hiệu đầu ra của mạch cầu. Khi có điện áp kích thích cho cuộn dây sơ cấp thì từ
trường biến thiên tạo ra trong mạch điện thứ cấp 1 hiệu điện thế thứ cấp. Ở đây
hai máy biến áp thay thế cho 4 vòng trượt và chổi than, trong quá trình hoạt
động cũng không có sự tiếp xúc trực tiếp. Tín hiệu được truyền qua khoảng cách
không khí giữa cuộn dây sơ cấp và cuộn thứ cấp như hình vẽ.
Ưu điểm: Tín hiệu ổn định, cho độ chính xác cao, bảo trì ít hơn so với
phương pháp vành góp (slip rings). Nhược điểm: độ chính xác của thiết bị phụ
thuộc vào khoảng cách của 2 cuộn dây trong biến áp. Khó chế tạo, giá thành
thiết bị cao.
Ứng dụng: Thường được sử dụng cho các cơ cấu quay với tốc độ cao, các
cơ cấu đo cần độ chính xác cao.

Hình 1.9:Sơ đồ hệ nguyên lý cảm biến đo mô men xoắn dùng biến áp quay

Hình 1.10: Nguyên lý cơ bản Hình 1.11: Hình vẽ cấu tạo bên trong của cảm
của cuộn dây bên trong

biến mô men xoắn dùng biến áp quay

3. Lựa chọn phương án thiết kế
a) Lựa chọn phương án thiết kế
Trên cơ sở 2 phương án thiết kế đo mô men xoắn ở trên em nhận thấy
phương pháp dùng vành góp (slip rings) có nhiều nhược điểm như đã nêu ở trên.
Phương pháp dùng biến áp quay có nhiều ưu điểm nhưng khó chế tạo và đòi hỏi
độ chính xác cao nên không lựa chọn thiết kế.
Để giải quyết bài toán đo mô men xoắn phù hợp với thực tế của đề tài tác
giả đề xuất phương án mới như sau:
Dùng strain gauge tích hợp với hệ thống chuyển đổi, lưu trữ dữ liệu và
hiển thị gắn trên trục quay:
Phương pháp này giống hai phương án trên ở chỗ các strain gauge được
gắn trên trục quay nhưng khác là nguồn nuôi điện áp cho mạch cầu và nhận tín

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

/>

hiệu điện áp từ mạnh cầu thông quay bộ khuyếch đại. Sau đó tín hiệu điện áp
sau khuyếch đãi được truyền đến bộ xử lý và truyền đến màn hình hiển thị và
lưu trữ dữ liệu. Toàn bộ các thiết bị trên được gắn trên trục quay.
Ưu điểm: dễ dàng hiệu chỉnh, trong cơ cấu không có bộ phận chuyển
động, ít nhiễu động do đó đảm bảo được độ chính xác của thiết bị.

Nhược điểm: Cần có lớp bảo vệ các thiết bị điện tử, thường xuyên phải
nạp pin do phải cấp nguồn điện áp nuôi bộ hiển thị và lưu trữ dữ liệu.
Phương án dùng strain gauge tích hợp với hệ thống chuyển đổi và lưu trữ
dữ liệu gắn trên trục quay phù hợp với thực tiễn. Công tác thiết kế, chế tạo trục
xoắn có thể thực hiện ngay tại xưởng cơ khí không yêu cầu các máy chuyên
dùng, các thiết bị khuyếch đại, bộ xử lý và bộ lưu trữ dữ liệu có thể lựa chọn loại
thích hợp được bán rộng rãi trên thị trường.

STRAIN GAUGE
BRIDGE

BỘ KHUYẾCH
ĐẠI

BỘ XỬ LÝ

LƯU TRỮ DỮ LIỆU

Hình 1.12: Sơ đồ khối hệ thống đo mô men xoắn dùng dùng strain gauge tích
hợp với hệ thống chuyển đổi bộ lưu trữ dữ liệu và hiển thị gắn trên trục quay


b) Cấu tạo thiết bị

Hình 1.13. Hình vẽ cấu tạo thiết bị đo mô men xoắn dùng strain gauge tích hợp với hệ thống
chuyển đổi , bộ lưu trữ dữ liệu và hiển thị gắn trên trục quay.

Chú giải:
1: Trục chịu xoắn gắn liền mặt bích;
2: Bộ chuyển đổi và lữu trữ dữ liệu;

3: Strain gauge bridge;
4: Nguồn và bộ xử lý ARDUINO.
c) Phương án lắp đặt đo mô men xoắn
Để đo mô men xoắn thì trục sẽ được nối với với cơ cấu truyền mô men
xoắn và cơ cấu hãm nhờ mặt bích ở 2 đầu. Dưới tác dụng của mômen xoắn
truyền từ trục động cơ đến hộp giảm tốc qua trục xoắn và đến cơ cấu hãm làm
trục đo biến dạng. Sự biến dạng này tỷ lệ với mô men. Như vây việc xác định
được biến dạng của trục đo cũng chính là xác định mômen của cơ cấu.


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ TÍNH TOÁN THIẾT KẾ TRỤC QUAY
I. Phân tích yêu cầu bài toán:
1. Mục đích của đề tài
- Thiết kế được thiết bị đo mômen xoắn trên trục quay; Chế tạo được thiết
bị thử nghiệm. Nghiên cứu, lựa chọn bộ khuyếch đại, bộ lưu trữ dữ liệu và hiển
thị; Tiến hành thí nghiệm để phân tích, đánh giá các khả năng làm việc thiết bị
động vận hành ổn định độ chính xác của thiết bị.
2 Lựa chọn kiểu trục quay
Hình dáng, kết cấu của một số trục quay thường gặp trong thiết kế, chế
tạo thiết bị đo mô men xoắn theo phương pháp biến dạng tiếp xúc:

a. Trụ tròn đặc

b. Trụ tròn rỗng

c. Trụ tròn rỗng có vách
lõm
Hình 2.1: Hình vẽ kết cấu một số trục quay thường gặp
Để có đủ diện tích dán các strain gauge lên trục ta cần đường kính ngoài
của trục đủ lớn nhằm tạo thuận lợi cho quá trình chế tạo cảm biến. Trục trụ đặc

đường kính nhỏ không đáp ứng yêu cầu đặt ra. Trụ tròn rỗng có vách lõm sẽ tạo
thuận lợi cho quá trình dán strain gauge lên trục nhưng mức độ biến dạng trên
cùng bán kính không đều.
Do đó tác giả lựa chọn dạng trục rỗng có mặt cắt hình vành khăn, kiểu
thiết kế hình b với ưu điểm là: dễ chế tạo gia công; chịu xoắn tốt, kích thước trục
đủ lớn để thuận tiện cho việc dán các strain gauge lên trục.
Nhược điểm: không thể đo được giá trị mô men xoắn thấp, độ nhạy xoắn
kém. Tuy nhiên dải đo của thiết bị nghiên cứu khá lớn từ 0 Nm đến 500Nm nên
có thể chấp nhận được.


3. Phân tích bài toán
Sau khi lựa chọn được hình dáng trục chịu xoắn ta có bài toán như sau:
Giả sử ta có trục tròn có mặt cắt hình vành khăn chỉ chịu xoắn thuần túy
với mô men xoắn M, đường kính ngoài D, đường kính trong d, chiều dài trục l
như hình vẽ 14.
o

Khi dán strain gauge theo phương 45 so với đường sinh của trục chịu
xoắn theo nguyên lý mạch cầu Wheatston. Dưới tác dụng của mô men xoắn trục
o

biến dạng bị kéo hoặc nén theo phương xiên một góc 45 so với đường sinh. Do
ứng lực và biến dạng có quan hệ với nhau và từ đó có thể xác định được ứng lực
khi đo biến dạng do nó gây ra.

Hình2.2: Mô hình bài toán
Ở đây trạng thái ứng suất tại một điểm trên trục tròn chịu xoắn là trạng
thái trượt thuần tuý với

1=- 3=

Áp dụng định luật Húc về biến dạng dài
u

u=

1
E

(

1
E

1

3

=

)

2G

1
E

(

. )

ở đây ta có G=

E
2(1

)

(1)

Dưới tác dụng của Mz, trục chịu biến dạng xoắn trên mặt cắt ngang chỉ có
thành phần ứng suất tiếp tác dụng. Khi đó vòng tròn Mo có tâm trùng gốc tọa


o

độ. Các phương chính xiên góc 45 so với ứng suất tiếp. Do đo các strain gauge
dán trên trục chỉ chị biến dạng dài.
Như vậy ta có:

u=

L
L

(2)

Cân bằng 1 và 2, thay │ │=
G=

L
8L. M
=
3
2. L
L D (1

4

M
=
wp

16 M
D3 (1

4

)

ta có

)

Kiểm nghiệm điều kiện bền của trục:
Max │ │≤[ ] hay
16 M
1

D≥ 3

M
wp

≤[ ]; với Wp =

D3
(116

4

);

16 M
D3 1

4

≤[ ] vậy

4

[ ] - ứng suất tiếp cho phép, được xác định theo các cách
[ ]=
[ ]=
[ ]=

0

n
2

3

,

ứng suất giới hạn của vật liệu, n- hệ số an toàn;

, nếu dựa vào thuyết bền ứng suất tiếp lớn nhất.
,nếu dựa vào thuyết bền thế năng biến đổi hình dáng

II. Cảm biến biến dạng (strain gauge)
1. Cấu tạo strain gauge
Năm 1856, Lord Kelvin đã báo cáo rằng điện trở của dây đồng và thép
tăng lên khi chịu kéo. Nhận xét này đã tạo ra sự phát triển của cảm biến biến
dạng (strain gauge) vào năm 1939 tại học viện công nghệ Caliofornia và học
Viện Công nghệ Massachusetts. Ngày nay Strain gauge được chế tạo bằng bán
dẫn hay kim loại mà điện trở của nó thay đổi khi có tác động của ngoại lực.
Giả sử ta có dây dẫn với chiều dài L, chịu lực kéo (nén), lực kéo (nén)
làm biến dạng tương ứng theo tỉ lệ, giả sử độ biến dạng là L. Kích thước dây
dẫn biến dạng là L+ l hoặc L- l. Tỷ lệ

L
L

gọi là độ biến dạng.

Ví dụ: Khi một dây dẫn có chiều dài 100mm bị biến dạng, chiều dài biến dạng
là

L =0,1mm vậy độ biến dạng là:

0,1
-6
=0,001=1000.10
100


Hình 2.3: Mô tả lực tác dụng và biến dạng của dây dẫn
Các dây dẫn điện được chế tạo bằng phương pháp khắc từ một lá kim loại
mỏng, tạo thành lưới kim loại, mục đích nhằm tăng chiều dài dây dẫn chiều dày
lưới kim loại từ 3-6 m. Lưới kim loại được đặt trên một tấm nhựa mỏng từ 1516 m và được ép với 1 film mỏng.

Hình 2.4: Cấu tạo một strain gaugse điển hình
Khi có lực tác dụng trục quay bị biến dạng, các strain gauges dán trên trên
trục quay biến dạng theo nhờ đó tạo ra sự thay đổi điện trở của lưới kim loại.
Quá trình thay đổi điện trở tỷ lệ với biến dạng của trục chịu xoắn. Lực tác dụng
được đo gián tiếp thông qua sự thay đổi thông số điện trở R của lưới kim loại.
Sự thay đổi này tỷ lệ chính xác với lực tác dụng.
2) Phân loại strain gauge
Hiện nay, người ta sử dụng phổ biến 2 loại cảm biến biến dạng:
+ Cảm biến điện trở là loại cảm biến thụ động, được chế tạo từ vật liệu có
điện trở biến thiên theo mức độ biến dạng, có kích thước nhỏ từ vài mm đến vài
cm và khi đo chúng được dán trực tiếp lên cấu trúc biến dạng. Chúng được sử
dụng rộng rãi trong lĩnh vực đo lường cơ khí, hàng hải, hàng không, kiến trúc xây
dựng, y tế , sử dụng nhiều trong chế tạo loadcell, cảm biến đo moment, áp suất…


+ Cảm biến đầu đo dạng dây rung được dùng chủ yếu trong ngành xây

dựng. Đầu đo được làm bằng một sợi dây kim loại căng giữa 2 điểm của cấu trúc
cần đo biến dạng. Tần số dây rung là hàm của sức căng cơ học, tần số này thay
đổi khi khoảng cách giữa 2 điểm nối thay đổi.
3) Thông số cơ bản và các đặc trưng của strain gauge
Điện trở của cảm biến được xác định bởi biểu thức:
R=

l
S

Phương trình vi phân
R
R

L
L

S
S

Biến dạng dọc DL của dây kéo theo biến dạng ngang của tiết diện, quan
hệ giữa biến dạng ngang và biến dạng dọc có dạng
a
a

b
b

S
S

2

L
d2
; Tiết diện ngang của dây S=a.b hoặc S=
ta có
L
4

d
d

L
mặt khác, đối với đầu đo kim loại:
L

C

V
;
V

C là hằng số Bridman; V: Thể tích dây; vì V=S.L ta có
V
V

(1 2 )

L

R
Vậy ta có:
L
R

1 2

C(1 2 )

L
L

K.

L
L

Hệ số K được gọi là hệ số đầu đo (Gauge factor). Giá trị xác định theo
biểu thực: K=1+2 +C(1-2 ); Với
0,3 ; C 3 thì K 2
Ta có Mối liên hệ giữa R và :
R
R. GF

L
L

* Các đặc trưng chủ yếu
- Điện trở suất: Điện trở của vật liệu làm dây phải đủ lớn để dây không
quá dài làm tăng kích thước cảm biến và tiết diện dây không quá bé làm giảm

dòng đo dẫn đến làm giảm độ nhạy.


- Hệ số đầu đo (Gauge factor): thường được ký hiệu là GF hoặc K và
R

được xác định như sau: GF= R L
L

Thông thường

GF=2-3, ngoại trừ Iso-Elastic có GF=3.5 và Platin-

vonfram GF=4.1
- Ảnh hưởng của lực đến độ tuyến tính: Trong giới hạn đàn hồi, hệ số đầu
đo không đổi do quan hệ tuyến tính giữa điện trở và biến dạng. Ngoài giới
hạn đàn hồi, khi l/l>0.5%-20% tùy theo vật liệu, hệ số đầu đo GF =2.
- Ảnh hưởng của nhiệt độ: Nói chung GF ít chịu ảnh hưởng của nhiệt
o

o

độ, ngoại trừ isoelastic. Trong khoảng nhiệt độ từ -100 C 300 C sự thay đổi
của hệ số đầu đo GF theo nhiệt độ có thể biểu thị qua biểu thức:
GF (T)= GF [1+

K(T- o)]
o

GF : hệ số đầu đo ở nhiệt độ chuẩn To ( thường To =25 C)

: hệ số phụ thuộc vật liệu. Với Nichrome V thì
o
C, constantan K=+0.01%/ C.
K

K

=-0.04%/

o

- Độ nhạy ngang: ngoài các nhánh dọc có điện trở R L cảm biến còn có
các đoạn nhánh ngang có tổng độ dài lt, điện trở Rt,
Các nhà sản xuất đã tiêu chuẩn hóa thông số điện trở của strain gauge với
3 mức điện trở là 120 Ω, 350 Ω và 1000 Ω,


CHƯƠNG 3. THIẾT KẾ, CHẾ TẠO THIẾT BỊ ĐO MÔ MEN XOẮN
I. Thiết kế trục chịu xoắn (trục quay)
1. Chức năng:
- Truyền mô men xoắn từ trục dẫn tới cơ cấu chấp hành
- Làm giá đỡ để lắp các thiết bị điện tử như: bộ khuyếch đại, bộ xử lý ,
nguồn và bộ hiển thị,
- Trục phải đảm bảo điều kiện bền khi chịu xoắn với mô men có giá trị
Mmax=500Nm.
2. Tính toán thiết kế trục
Để đảm bảo điều kiện bền và các chức năng của trục, em chọn vật liệu gia
2
công trục là nhôm, sau khi rèn đạt b=9000N/cm

Hình 3.1: Bản vẽ hình dạng và các ký hiệu kích thước trên trục quay
- Tính đường kính trục D0 và d1.
+ Ứng suất tiếp tại thanh tròn.
3

M
D0
Max │ │≤[ ] hay
≤[ ]; với Wp=
(1wp
16

D0≥ 3

16M
1

4

);

16M
3

D0 1

4

≤[ ] vậy

4

Theo thuyết bền ứng suất tiếp lớn nhất [ ]=

2

2 , vậy [ ] = 4.500N/cm .


2

[ ] - ứng suất tiếp cho phép của vật liệu chọn là 4.500N/cm .
D0≥ 3
=

16 50.000
4 =4,07cm; chọn D0=4,32cm, d1=2,4cm; Tính được
9000 3,14159 1 0,555

d
=0,555
D

- Tính mô men xoắn lớn nhất khi D0=4,32cm
Từ biểu thức Mmax=max│ │×Wp=[ ]×

D03
(116

4

)= 9000×

3,14159 4,323
×(116

4

)= 644,49 Nm

- Tính đường kính bu lông d1 và đường kính D2 :

Hình 3.2: Hình biểu diễn lực tác dụng lên mặt bích của trục quay
Giả sử chiều mô men như hình vẽ:
Theo nguyên lý cộng tác dụng: F1=F2=F3=F4=F
Ta có Mmax=

D2
2

Fmax

4 ; Vậy Fmax=

2 M max 2 644,52
=2.865,39 N
=
D2 4
0,12 4

Tính điều kiện bền để thân bu lông không bị cắt;
Fmax=

d1
4

2

×[ ]; với [ ]=4500 N/cm .


d1≥

4 Fmax
4500* 3,14159

4 2865,39 =0,435cm;
4500* 3,14159

Vậy chọn d1= 1 cm.
Bảng tổng hợp thông số kỹ thuật của trục xoắn với =

TT

Thông số

d
=0,555
D

Ký
hiệu

Đơn
vị

Giá trị

1

Vật liệu chế tạo: Nhôm hợp kim 2014A

2

Ứng suất tiếp cho phép [ ]

[ ]

N/cm2

3

Mô men xoắn danh nghĩa

M

Nm

500

4

Mô men xoắn lớn nhất (quá tải)

Mmax Nm

644,49

5

Điều kiện bền của trục

D0≥

mm

40,7

6

Đường kính ngoài trục làm việc

D0

mm

43,2

7

Đường kính trong trục làm việc

d

mm

24

8

Chiều dài lớn nhất

L2

mm

206

9

Đường kính mặt bích

D3

mm

173

10

Đường kính phân bố lỗ khoan bu lông

D2

mm

120

11

Điều kiện bền của thân bu lông

d1≥

mm

0,435

12

Đường kính lỗ bu lông chọn

d1

mm

10

13

Số lỗ bu lông

n

Lỗ

4500

4