Bài tập lớn môn đo lường cảm biến

Bài tập lớn môn đo lường cảm biến

Mục Lục

MỞ ĐẦU 2

Phần I: Phân tích công nghệ cân ô tô 4

I, Nguyên lý chung: 4

1.1 Cấu tạo và nguyên lí hoạt động cảm biến áp trở ( Tenzo) : 4

1.1.1 Nguyên lí hoạt động chung 4

1.1.2 Cảm biến áp trở kim loại 6

1.1.2 Cảm biến áp trở bán dẫn 8

1.2 Cấu tạo và nguyên lí của Loadcell 12

1.2.1 Cấu tạo của Loadcell : 13

1.2.2 Nguyên lí Loadcell : 14

1.3 Hộp nối dây - Hộp cộng tín hiệu ( Junction Box) : 17

1.4 Đầu cân – Chỉ thị cân (Indicator) : 18

1.5 Kết cấu hầm móng : 19

1.5.1 Kiểu móng hầm chìm ( Pit Type ) 19

1.5.2 Kiểu móng hầm nổi ( Pitless Type ) 20

1.6 Mặt bàn cân 21

1.7 Bảng đèn LED hiển thị phụ 22

1.8 Phần mềm quản lí cân 22

Phần II: Xây dựng hệ thống cân kiểm ô tô trong nhà máy sản xuất thức ăn gia súc 24

2.1 Mô hình hệ thống 25

2.2 Danh mục các thiết bị và chức năng 26

2.3 Lựa chọn thông số cân, thiết bị cân 27

2.4 Sơ đồ khối 31

2.5 Thiết kế mạch cho loadcell 32

2.5.1 Thiết kế mạch nguồn 32

2.5.2 Thiết kế mạch khuyếch đại tín hiệu 32

2.5.3 Mạch mô phỏng 34

Danh Sách Nhóm Sinh viên thực hành: 35

MỞ ĐẦU

Tự động hóa là một trong những ngành mũi nhọn để thúc đẩy tiến trình công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước Cùng sự phát triển nhanh và mạnh của công nghệ thông tin, của máy tính điện tử, kết hợp với lý thuyết điều khiển tự động và các lĩnh vực khác đã làm nên những bước đi mới cho lĩnh vực tự động hóa quá trình sản xuất, nâng cao sản lượng và chất lượng sản phẩm.

Cân ô tô hiện nay đã trở nên một thành phần cần thiết, trang bị cho các nhà máy sản xuất chế biến,cân hàng hóa phục vụ công tác quản lí hàng hóa nhập xuất,nguyên vật liệu cho sản xuất trong nhà máy cũng như là công cụ phục vụ cho các mô hình ISO,TQM…

Cân ô tô góp phần quản lí,kiểm tra nguyên vật liệu cho quy trình sản xuất

và hàng hóa xuất kho.

Cân ô tô giúp cho nhà máy có thể kiểm tra được nguyên vật liệu tồn kho cũng như khả năng dự trữ tối đa của nhà máy giúp cho công tác quản trị cung ứng được dễ dàng hơn,nhà quản lí có thể tham chiếu số liệu báo cáo

để có kế hoạch nhập nguyên vật liệu sản xuất thích hợp.

Trên cơ sở đó,chúng em phân tích và xây dựng hệ thống cân kiểm trọng tải ô

tô cho nhà máy sản xuất thức ăn gia súc như sau:

*Phần I: Phân tích công nghệ cân ô tô.

- Nguyên lý chung.

- Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của cảm biến áp trở (tenzo).

- Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của loadcell.

- Hộp nối dây - Hộp cộng tín hiệu ( Junction Box).

- Đầu cân – Chỉ thị cân (Indicator).

- Kết cấu hầm móng.

- Mặt bàn cân, bảng led hiển thị và phần mềm quản lý cân.

* Phần II: Xây dựng hệ thống cân kiểm ô tô trong nhà máy sản xuất thức ăn gia súc.

Với lý thuyết được học trên lớp, cùng với sự hướng dẫn nhiệt tình của

thầyThs.Hà Văn Phương.Đồng thời có sự giúp đở của các bạn trên lớp em

đã hoàn thành Bài tập Lớn đúng thời hạn Tuy nhiên với thời gian ngắn và kiến thức của em còn rất hạn chế nên Bài tập lớn của em còn nhiều thiếu sót.

Em rất mong nhận được sự chỉ bảo của thầy cô để Đề tài của em được hoàn thiện hơn.

Em xin chân thành cảm ơn!

Hà nội, Ngày 20 tháng 8 năm 2012

Ph n I: Phân tích công ngh cân ô tô ầ ệ

I, Nguyên lý chung:

Hệ thống cân ô tô hoạt động dựa trên công nghệ cân điện tử.Khi có áp lực do trọngtải của xe lên mặt cân,các cảm biến (Loadcell) sẽ nhận tín hiệu và truyền đến Hộp nối dây –Hộp cộng tín hiệu(Junction Box).Tại đây các tín hiệu từ các Loadcell chuyển đến sẽ đượccộng lại và chia trung bình để tìm ra giá trị khối lượng của xe.Giá trị này sẽ được hiển thị ramàn hình thông qua một bộ chuyển đổi và hiển thị.Đó là Đầu cân – Chỉ thịcân(Indicator).Hệ thống sẽ được kết nối với máy vi tính để điều khiển và quản lí số liệubằng phần mềm chuyên dụng cân ô tô

Bộ phận chính có nhiệm vụ xác định giá trị trọng tải xe trong hệ thống cân ô tô là bộcảm biến gồm các Loadcell được kết nối với nhau.Loadcell hoạt động nhờ vào cơ cấu cáccảm biến đo biến dạng – Áp trở(Tenzo) gắn trên nó

1.1C u t o và nguyên lí ho t đ ng c m bi n áp tr ( Tenzo) ấ ạ ạ ộ ả ế ở :

1.1.1 Nguyên lí ho t đ ng chung: ạ ộ C m bi n áp tr ho t đ ng d a trên hi u ả ế ở ạ ộ ự ệ

ng áp tr (Piezo resistive effect): “

Do chịu ảnh hưởng của biến dạng nên điện trởcủa cảm biến thay đổi một lượng ΔR.Ta có:

ΔR/R = Δl/l + Δρ/ρ – ΔS/S

Nếu gọi:

εR = ΔR/R : lượng biến thiên tương đối của điện trở khi bị biến dạng

εl = Δl/l : lượng biến thiên tương đối theo chiều dài

ερ = Δρ/ρ : lượng biến thiên tương đối theo điện trở suất

εS = ΔS/S : lượng biến thiên tương đối theo tiết diện

Ta có thể viết lại dưới dạng : εR= εl+ ερ– εS

Trong cơ học ta đã biết: εS= -2kpεl và ερ= cεv

K : độ nhạy của cảm biến áp trở

- Với vật liệu lỏng ( thủy ngân,chất điện phân),V = l.S không đổi,kp = 0,5,bỏ qua m

(m rất nhỏ) ta có K = 2

- Với kim loại: kp = 0,24 ÷ 4 ta có K = 0,5 ÷ 4

- Với chất bán dẫn: quan hệ giữa điện trở suất ρ và ứng lực σ được biểu diễn bằng

a Áp trở dạng dây mảnh: gồm có dây điện trở uốn hình răng lược,đường kính 0,02 ÷ 0,03

mm.Hai đầu dây hàn với 2 lá đồng Berin hoặc đồng phốt pho để nối với mạch đo.Haiphía dán hai tấm giấy mỏng 0,1 mm hoặc nhựa polymide ( 0,03 mm) để cố định hìnhdáng dây,chiều dài dây L = nlo ( lo :độ dài một đoạn dây,n :số đoạn); n = 10-20.Bìnhthường lo = 8 ÷ 15 mm,có thể tới 100 mm hoặc có thể nhỏ hơn 2,5 mm.Chiều rộng ao = 3

c Áp trởdạng màng mỏng: chế tạo bằng phương pháp bốc hơi kim loại có độ nhạy cao

bám vào một khung có hình dạng định trước,Ưu điểm là có thể chế tạo với hình dángphức tạp,kích thước nhỏ,điện trở ban đầu lớn,độ nhạy cao

Hình 1.1 : Sơ đồ cấu tạo áp trở kim loại a) Áp trở dạng dây mảnh b) Áp trở dạng lá mỏng

d Yêu cầu vật liệu chế tạo áp trở

+ Độ nhạy : Thông thường K nằm trong khoảng 1,8 ÷ 2,35 ± 0,1.Với hợp kim

platin-vonfram K = 4,1

+ Hệ số nhiệt cần nhỏ vì điện trở kim loại phụ thuộc vào nhiệt độ.RT = Ro [ 1 + αt(T –

To)],trong đó Ro : điện trở ở nhiệ độ chuẩn To,do đó αt nhỏ sẽ làm cho cảm biến ít bị thayđổi khi nhiệt độ thay đổi

+ Điện trở suất: phải đủ lớn để giảm kích thước và độ dài dây

+ Vật liệu chọn cần chịu được ứng lực lớn để tránh đứt khi chế tạo và sử dụng.Ứng lực

tối đa không nên biến dạng cố định có trị số lớn hơn 0,2%( Độ lớn của giới hạn đàn hồi

đo bằng kgN/mm2)

Bảng 1:Đặc tính một số vật liệu chế tạo áp trở kim loại

(10 -6 1/ o K)

ρ

(mm 2 /m) Constantan 60%Cu,40%Ni 1,9 ÷ 2,1 ± 50 0,46 ÷ 0,5 NiChrome 80%Ni,20%Cr 2,1 ÷ 2,5 150 ÷ 170 0,9 ÷ 1,7

a Loại cắt : là một mẩu cắt từ tấm đơn tinh thể pha tạp.Các mẩu cắt này được gắn lên

một giá đỡ bằng nhựa có chiều dài l = 0,1 ÷ 5 mm,dày 10-2 mm

Hình 1.2 : Áp trở bán dẫn loại cắt

b Loại khuếch tán : điện trở được tạo nên bằng cách khuếch tán tạp chất như

Sb,Ga,n…vào một phần của đế đơn tinh thể Silic đã pha tạp.Tùy theo loại tạp chấtkhuếch tán mà ta có áp trở loại n hoặc loại p

Hình 1.3 : Áp trở bán dẫn loại khuếch tán

c Nguyên lí hoạt động : bình thường các điện tử phân bố trong tinh thể bán dẫn bằng

nhau,độ dẫn điện không thay đổi.Khi bị biến dạng,kích thước các ô mạng tinh thểthay đổi làm cho nồng độ điện tử trong vùng đó độ dẫn thay đổi theo làm cho điệntrở bị thay đổi

d Yêu cầu vật liệu chế tạo

+ Điện trở suất : ρ chịu ảnh hưởng của độ pha tạp và nhiệt độ

- Ảnh hưởng của độ pha tạp : khi tăng độ pha tạp,mật độ hạt dẫn tăng lên làmcho điện trở suất giảm

ρ = 1/[q(μnn + μpp)]

q : giá trị tuyệt đối của điện tích điện trở hoặc lỗ trống

n,p : mật độ điện tử và lỗ trống tự do

μn,μp : độ linh động của điện tử và lỗ trống

- Ảnh hưởng của nhiệt độ : khi nhiệt độ nhỏ hơn 120 oC,hệ số nhiệt dương vàgiảm dần khi độ pha tạp tăng lên ; ở nhiệt độ cao hệ số nhiệt âm và không phụthuộc vào độ pha tạp

Hình 1.4 : Sự phụ thuộc ρ vào nồng độ pha tạp và nhiệt độ

+ Độ nhạy : K phụ thuộc vào độ pha tạp,độ biến dạng,nhiệt độ

- Ảnh hưởng của độ pha tạp : khi độ pha tạp tăng,K giảm

Hình 1.5 : Sự phụ thuộc K vào độ pha tạp

- Ảnh hưởng của độ biến dạng : K = K1 + K2ε + K2ε2

Tuy nhiên với độ biến dạng dưới một giá trị cực đại nào đó thì K không đổi

- Ảnh hưởng của nhiệt độ : khi nhiệt độ tăng,K giảm.Tuy nhiên

khi độ pha tạp lớn (Nd = 1020 cm-3),K ít phụ thuộc nhiệt độ

Nhược điểm là độ bền cơ học kém

Khi đo cảm biến áp trở được gắn vào bề mặt cấu trúc cần khảo sát,khi bề mặt cấu trúc bịbiến dạng thì cảm biến cũng chịu một biến dạng như bề mặt cấu trúc

Hình 1.6 : Cố định áp trở lên bề mặt khảo sát

1 : bề mặt 5 : dây dẫn

2 : cảm biến áp trở 6 : cáp điện

3 : lớp bảo vệ 7 : keo dán

4 : mối hàn

I.2 Cấu tạo và nguyên lí của Loadcell

Mô hình vị trí lắp đặt của các Loadcell trên bàn cân như hình vẽ dưới đây(cho bộ cảm biếndùng 6 Loadcell)

Các Loadcell

Hình 1.7 :Sơ đồ vị trí lắp đặt các Loadcell

Hình 1.8 :Vị trí lắp đặt Loadcell

1.2.1 C u t o c a Loadcell : ấ ạ ủ

Hình 1.9 :Hình ảnh Loadcell thực tế và cấu tạo

Cấu tạo cơ bản của Loadcell gồm có trụ thép,chịu tác động trực tiếp của trọng lượng,trên trụthép gắn 4 cảm biến áp trở.Các áp trở trên được nối thành mạch cầu 4 nhánh

1.2.2 Nguyên lí Loadcell :

Hình 1.10 : Sơ đồ tương đương Loadcell

Khi trụ thép chịu lực tác dụng (trong hệ thống cân là trọng lượng của xe ) sẽ bị biến dạngtheo trục X và Y (Hình 1.9) làm cho các áp trở biến dạng theo.Điện trở áp trở A tăng lên ΔR

và áp trở B giảm ΔR

Lúc đó điện áp ra UAB (Hình 1.10) thay đổi theo công thức

Ura = e.ΔR/R

R : điện trở ban đầu các áp trở

ΔR : độ biến thiên điện trở áp trở khi có biến dạng

Điện áp ra Ura này tỉ lệ với lực tác động (trọng lượng xe trong cân ô tô)

Sự thay đổi điện áp ra này chính là tín hiệu của Loadcell mà ta cần.Tín hiệu này sẽ đượctruyền đến hộp nối dây (Junction Box).Đây là tín hiệu tương tự Analog

Công nghệ Loadcell giới thiệu ở trên là công nghệ Analog.Hiện nay,ngoài công nghệAnalog,trong các hệ thống cân ô tô còn ứng dụng công nghệ Digital – Công nghệ số

Hình 1.11 : Loadcell Digital ( Digital Powercell )

Loadcell Digital có bộ vi xử lí riêng với công nghệ kí thuật số,tín hiệu xuất ra là tín hiệusố.Ngoài ra Loadcell Digital con có bộ chống sét riêng nên có thể hoạt động tốt trong thờitiết mưa bão

So sánh công nghệ cân Analog và công nghệ cân Digital

Tự động điều chỉnh các thông số

Loadcell

thiếu 1 vẫn hoạt động

tốt

Già thành công nghệ Digital cao hơn 30% so với công nghệ Analog nhưng do tính ưu việt,kĩthuật cao,độ bền cao,chất lượng tốt,độ chính xác tối ưu,mang lại hiệu quả kinh tế cao nêntrên thế giới hiện nay sử dụng công nghệ Digital 60%.

1.3 H p n i dây - H p c ng tín hi u ( Junction Box) ộ ố ộ ộ ệ :

Hộp nối dây là nơi kết nối các Loadcell lại với nhau,tùy từng loại mà có thể kết nối được 4,6,8…Loadcell với nhau

Hình 1.12 : Sơ đồ hộp nối dây 6 Loadcell

Nguyên tắc của hộp nối dây là cộng tất cả các tín hiệu thu được từ các Loadcell nối vào nórồi chia trung bình để tìm ra khối lượng chính xác của vật cần cân

Hình 1.13 : Hình dáng 1 hộp nối dây J-Box

Tín hiệu từ J-Box sẽ được truyền đến đầu cân (Indicator)

1.4 Đ u cân – Ch th cân (Indicator) ầ ỉ ị :

Đầu cân là thiết bị nhận tín hiệu từ Loadcell thông qua hộp nối dây và thực hiện việc chuyểnđổi A/D (Analog/Digital),từ đó hiển thị thông số nhờ vào vi mạch và phần mềm trongnó.Thông thường Indicator cũng là bộ phận cấp nguồn cho Loadcell

Đầu cân được kết nối tới máy tính để truyền dữ liệu qua cổng giao tiếp truyền thông RS232.Trên đầu cân có máy in để in phiếu cân.Nguồn cấp cho đầu cân có thể dùng Pin hoặcnguồn xoay chiều 220 V

Hình 1.14 : Đầu cân Analog

Ứng với công nghệ Digital cũng có loại Indicator chuyên biệt.Loại này không thực hiệnchuyển đổi Analog/Digital nữa mà nhận trực tiếp tín hiệu số từ Loadcell để xử lí.DigitalIndicator có thể kết nối với nhiều Loadcell hơn Analog Indicator.

- Gọn,không có bờ dốc,diện tích tối thiểu,có thể kiêm luôn đường đi

- Dễ cho xe vào cân,xe dễ di chuyển

- Chiếm ít diện tích đất sử dụng

- Không làm hạn chế tầm nhìn của nhà máy

- Chiều cao thấp nên không bị ảnh hưởng của gió

- Bàn cân thấp,chi phí xây dựng thấp

+ Nhược điểm :

- Khó bảo hành,bảo trì cân

- Khó làm vệ sinh cân vì phải chui xuống hầm cân

- Chịu tác động của gió nhiều hơn

- Diện tích nhiều vì có hai bờ dốc

1.6 M t bàn cân ặ

Mặt bàn cân là thiết bị trực tiếp chịu tải trọng của xe,là nơi gắn các cảm biến,hộp nối dây.Cónhiều kích thước bàn cân khác nhau tùy vào nhu cầu sử dụng và mức cân.Các kích thướcbàn cân thường sử dụng là:

- 3m x 8m : thường dùng 4 Loadcell,mức cân max <= 50 tấn

- 3m x 10m : thường dùng 4 Loadcell,mức cân max <= 60 tấn

- 3m x 12m : thường dùng 6 Loadcell,mức cân max <= 80 tấn

- 3m x 16m : thường dùng 6 Loadcell,mức cân max >= 80 tấn

- 3m x 18m : thường dùng 8 Loadcell,mức cân max >= 100 tấn

Bàn cân có 3 dang chính tùy theo vật liệu chế tạo : bàn cân bê tông,bàn cân thép,bàn cân bêtông – thép

(a) (b)

Hình 1.16 : Mặt bàn cân

a : bàn cân bê tông

b : bàn cân thép

1.7 B ng đèn LED hi n th ph ả ể ị ụ

Hình 1.17 : Bản LED hiển thị phụ

Bảng đèn LED hiển thị phụ là thiết bị dùng để hiển thị trực quan giá trị khối lượng cânđược của ô tô,dùng để quan sát từ xa

Kích thước bảng LED thường là 200(cao) x 600(dài) x 150(rộng) mm,hoặc 200 x 600 x

100 mm.Số chữ số hiển thị tùy vào kích thước,thường là hiển thị 5 – 6 số

Bảng LED có cổng RS 232 kết nối với máy vi tính

1.8 Ph n m m qu n lí cân ầ ề ả

Phần mềm chuyên dụng TPC – Truck Scales chạy trên môi trường Windows,giao diệntương tác bằng tiếng Việt có dấu nên dễ dàng sử dụng

Các nhóm chức năng cơ bản được lập trình :

- Lưu trữ và quản lí tự động các thông tin liên quan đến : tên chủ hàng,tên hànghóa,số xe,thời gian và khối lượng hàng hóa xuất nhập,…

- In phiếu cân cho từng xe,trong mỗi phiếu ghi rõ các chi tiết : số xe,mã số kháchhàng,nhân viên vận hành cân,khối lượng tổng,khối lượng tịnh,khối lượng trừbì,thời gian…

- Khai báo thông tin phục vụ mục đích quản lí thống kê : thống kê chi tiết theo thờigian,theo khách hàng,theo mặt hàng,theo số xe trong một giai đoạn nhất định

Ngoài ra trong một hệ thống cân ô tô còn có các bộ phận thiết bị phụ trợ khác như : bộchống giao động,bộ chống sét đường dây nguồn,hệ thống dây dẫn cáp điện,hệ thống đèn tínhiệu,barie điều khiển vào ra…

Ph n II: Xây d ng h th ng cân ki m ô tô trong nhà ầ ự ệ ố ể

máy s n xu t th c ăn gia súc ả ấ ứ

Trong phần này chúng em xây dựng một hệ thống cân kiểm trọng tải ô tô cho nhà máy sản xuất thức ăn gia súc, bao gồm :

- Mô hình hệ thống

- Lựa chọn các thiết bị

- Sơ đồ khối

- Thiết kế mạch cho loadcell.

- Lưu đồ thuật toán và viết chương trình.

2.1 Mô hình h th ng ệ ố

Hình 2.1 : Mô hình hệ thống

Mô hình trên mô phỏng khái quát hệ thống cân ô tô được thiết kế

Hình 2.2 : Sơ đồ liên kết các thiết bị trong hệ thống

2.2 Danh m c các thi t b và ch c năng ụ ế ị ứ

Các thiết bị được sử dụng trong hệ thống là :

- Bộ cảm biến lực Loadcell : Gồm 6 Loadcell

- 1 hộp nối dây Junction Box

- 1 đầu cân Indicator

Chức năng sử dụng từng thiết bị

Bộ cảm biến lực cảm biến áp lực trọng tải xe và truyền tín

hiệu về đầu cân 1 bộ 6 Loadcell

Đầu cân nhận tín hiệu từ bộ cảm biến và xử lí,hiển

thị thông số,truyền dữ liệu vào máy tính 1

Bàn cân thép là nơi lắp đặt cảm biến và chịu tải trọng

Bộ máy tính và máy

in điều hành,quản lí,lưu trữ và in phiếu cân 1

2.3 L a ch n thông s cân,thi t b cân ự ọ ố ế ị

a Lựa chọn thông số cân

- Mức cân max : Do đặc thù về hàng hóa và nguyên vật liệu của nhà máy sản xuất

thức ăn gia súc thường là các hàng hóa khô,nhẹ,nguyên liệu thường là nông thủysản.Vì vậy để phù hợp về tài chính,chúng em lực chọn cân có mức cân max là 30tấn

- Phân độ chia : Theo quy định cân cấp 3

Với mức cân max 30 tấn và yêu cầu về độ chính xác ta có thể chọn phân độ chia

là 5 Kg