Nghiên cứu chế tạo cảm biến đo và hệ thống đo lực ba chiều

Luận văn “Nghiên cứu chế tạo cảm biến đo và hệ thống đo lực ba chiều” nghiên cứu những kiến thức cơ bản về một hệ thống đo động học nói chung và một hệ thống đo sử dụng cảm biến điện tr

Trang 1

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

NGUYỄN HOÀI NAM

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO CẢM BIẾN ĐO VÀ HỆ THỐNG ĐO

LỰC BA CHIỀU

Chuyên ngành: Đo lường và các hệ thống điều khiển

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

ĐO LƯỜNG VÀ CÁC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

TS NGUYỄN THỊ LAN HƯƠNG

Hà nội – Năm 2013

Trang 2

Nghiên cứu chế tạo cảm biến đo và hệ thống đo lực ba chiều 2013

I

LỜI CẢM ƠN

Sau thời gian học tập, nghiên cứu tại trường Đại học Bách Khoa Hà Nội và phòng Thí nghiệm Đo lường Động học Bay, Viện Tên lửa, tác giả đã hoàn thành luận văn thạc sĩ, đồng thời được trang bị những kiến thức về chuyên ngành sâu, rộng và cả phương pháp học tập, nghiên cứu

Đầu tiên, tôi xin chân thành cảm ơn TS Nguyễn Thị Lan Hương đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ và tạo mọi điều kiện để tôi có thể nghiên cứu và hoàn thành luận văn thạc sĩ của mình

Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong bộ môn Kĩ thuật đo và Tin học công nghiệp, Viện Điện đã trang bị cho tôi những kiến thức chuyên môn nâng cao, hữu ích cho luận văn cũng như trong công việc

Tôi xin chân thành cám ơn lãnh đạo và các đồng nghiệp tại phòng thí nghiệm

Đo lường Động học Bay, Viện Tên lửa, Viện KH&CN Quân sự đã tạo mọi điều kiện để tôi làm việc, nghiên cứu, đồng thời đã giúp đỡ tôi rất nhiều trong quá trình thực hiện luận văn thạc sĩ

Tôi xin cảm ơn tập thể lớp cao học Đo lường và các hệ thống điều khiển hệ khoa học khóa 2011B, cùng với gia đình, bạn bè tôi, những người thường xuyên động viên, đóng góp trao đổi ý kiến và kiến thức trong suốt thời gian học tập và hoàn thành luận văn

Hà Nội, Ngày… tháng… năm……

Học viên thực hiện

Nguyễn Hoài Nam

Trang 3

II

LỜI CAM ĐOAN

Tôi là Nguyễn Hoài Nam, học viên cao học lớp 11B-ĐLĐK.KH khóa 2011B

2013 Giảng viên hướng dẫn là TS Nguyễn Thị Lan Hương

Tôi xin cam đoan toàn bộ nội dung được trình bày trong bản luận văn

“Nghiên cứu chế tạo cảm biến đo và hệ thống đo lực ba chiều” là công trình

nghiên cứu của tôi, dưới sự hướng dẫn trực tiếp của TS Nguyễn Thị Lan Hương – Viện Điện, trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Các thiết kế, kết quả nghiên cứu trong luận văn là trung thực và chưa từng được công bố trong bất kì luận văn thạc sĩ nào Mọi thông tin trích dẫn đều được tuân theo luật sở hữu trí tuệ, liệt kê rõ ràng các tài liệu tham khảo Tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm với những nội dung được viết trong luận văn này

Hà Nội, Ngày… tháng… năm……

Học viên thực hiện

Nguyễn Hoài Nam

Trang 4

III

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

a Tính cấp thiết của đề tài/lý do chọn đề tài 1

b Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tượng, phạm vi nghiên cứu 1

c Phương pháp nghiên cứu 2

d Nội dung thực hiện và đóng góp của đề tài 2

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC HỆ THỐNG ĐO ĐỘNG LỰC 4

1.1 Khái niệm chung về hệ thống đo động lực 4

1.2 Đặc tính động học của hệ thống đo các tham số động lực, hàm truyền 5

1.2.1 Các phần tử bậc 2 6

1.3 Sai số động trong các hệ thống đo các tham số động lực 9

1.4 Một số giải pháp kỹ thuật bù trừ động học 12

1.4.1 Loại trừ tác động nhiễu động học 13

1.4.2 Bù trừ nhiệt độ cho cảm biến 15

1.5 Kết luận chương 1 16

Chương 2: THIẾT KẾ CHẾ TẠO CẢM BIẾN ĐO LỰC BA CHIỀU 18

2.1 Cơ sở để thiết kế các loại cảm biến điện trở lực căng 18

2.1.1 Tem điện trở lực căng 18

2.1.2 Những nguồn phát sinh sai số khi sử dụng tem điện trở 24

2.1.4 Cơ sở lý thuyết để tính toán sơ bộ tổ hợp phần tử biến dạng 29

2.1.5 Tính toán, thiết kế phần tử biến dạng đàn hồi 33

2.2 Nghiên cứu chế tạo cảm biến đo lực ba chiều 39

2.2.1 Tính toán kết cấu tổ hợp phần tử biến dạng 39

2.2.2 Thiết lập các mạch cầu cảm biến 47

2.2.3 Xác định tần số dao động riêng của cảm biến 49

Trang 5

IV

Chương 3: NGHIÊN CỨU CHẾ TẠOTHIẾT BỊ THU THẬP, GIA CÔNG TÍN

HIỆU VÀ HỆ THỐNG ĐO 54

3.1 Thiết kế chế tạo mạch đo thí nghiệm sử dụng cảm biến điện trở lực căng (Loadcell) SIWAREX R BB 54

3.1.1 Cảm biến (Loadcell) SIWAREX R BB 54

3.1.2 Mạch đo thí nghiệm sử dụng cảm biến điện trở lực căng (loadcell) 56

3.2 Thiết kế chế tạo hệ thống đo cho cảm biến đo lực ba chiều 64

3.3 Các loại nhiễu chính ảnh hưởng đến hệ thống và biện pháp khắc phục 70

3.3.1 Nhiễu điện từ 70

3.3.2 Nhiễu tạp trắng 73

3.3.3 Nhiễu có chu kỳ 74

Chương 4: THỬ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 76

4.1 Thí nghiệm với mạch đo thí nghiệm sử dụng cảm biến điện trở lực căng (Loadcell) SIWAREX R BB 76

4.1.1 Thí nghiệm với mạch đo 76

4.1.2 Kết luận: 77

4.2 Thí nghiệm với hệ thống đo lực ba chiều 78

4.2.1 Kiểm tra, xác định độ nhạy thực thế của cảm biến đo lực ba chiều 78

4.2.2 Kiểm tra, xác định sự ổn định, tuyến tính của cả hệ thống

đo lực 3 chiều 79

4.2.3 Kết luận 80

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 81

TÀI LIỆU THAM KHẢO 83

Trang 6

V DANH MỤC VIẾT TẮT

Trang 7

VI

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Sơ đồ khối của một hệ thống đo động lực 4

Hình 1.2 Mạch thay thế của phần tử bậc hai với mạch dao động L-C-R mắc nối tiếp 8

Hình 1.3 Hệ thống đo với những đặc tính động học của nhiều phần tử hợp thành 10

Hình 1.4 Các giới hạn phần trăm và độ rộng băng 14

Hình 1.5 Sơ đồ khối phương pháp bù trừ động học vòng hở 15

Hình 1.6 Sơ đồ khối phương pháp bù trừ động học vòng kín 15

Hình 2.1 Sơ đồ khối của phần tử chuyển đổi tem điện trở lực căng 18

Hình 2.2 Cấu tạo của tem điện trở kim loại 20

Hình 2.3 Các trục biến dạng của tem điện trở 22

Hình 2.4 Cấu tạo của tem bán dẫn 23

Hình 2.5 Mạch cầu trở kháng khái quát và mạch thay thế Thevenin 25

Hình 2.6 Mạch cầu đo biến dạng sử dụng một tem đo và một tem bù trừ nhiệt cùng các điện trở chuẩn không phụ thuộc nhiệt độ 27

Hình 2.7 Vị trí chính xác của tem đo và tem bù trừ nhiệt được dán trên phần tử biến dạng thuần kéo hoặc thuần nén 27

Hình 2.8 Nguyên lý cấu tạo và hoạt động của cảm biến đo lực 30

có phần tử biến dạng đàn hồi 30

Hình 2.9 Khối lập phương mô tả các phương trình cơ bản của lý thuyết biến dạng đàn hồi 32

Hình 2.10 Một số loại phần tử biến dạng điển hình 36

Hình 2.11 Biểu diễn các mối quan hệ giữa lực và biến dạng của phần tử nhạy cảm 38

Hình 2.12 Các lực cần đo khi gia công phay kim loại 40

Hình 2.13 Vị trí gá lắp cảm biến trên máy phay 40

Trang 8

VII

Hình 2.14 Cấu trúc phần tử biến dạng và vị trí dán tem điện trở lực căng 41

Hình 2.15 Mô hình đơn giản hóa của phần tử biến dạng với lực tác động theo phương X 42

Hình 2.16 Kết cấu tổ hợp phần tử biến dạng đàn hồi của cảm biến đo lực 3 chiều 46

Hình 2.17 Mạch cầu cảm biến đo lực Fz 48

Hình 2.18 Quy trình dán tem điện trở lực căng 49

Hình 2.19 Cảm biến đo lực 3 chiều và phần tử biến dạng 52

Hình 3.1 Sơ đồ chức năng của thiết bị thu thập và gia công tín hiệu 54

Hình 3.2 Cảm biến đo lực SIWAREX R BB 55

Hình 3.3 Cấu trúc phần tử biến dạng và mạch cầu của cảm biến đo lực SIWAREX R BB 56

Hình 3.4 Sơ đồ khối thiết bị gia công tín hiệu cảm biến 57

Hình 3.5 IC khuếch đại đo lường INA 125P 57

Hình 3.6 Sơ đồ mạch cơ bản khi sử dụng IC INA 125P và bảng chọn giá trị điện trở R theo hệ số khuếch đại 58

Hình 3.7 Vi điều khiển ATMEGA 8535 59

Hình 3.8 Sơ đồ nguyên lý mạch đo thí nghiệm sử dụng cảm biến điện trở lực căng 60

Hình 3.9 Ảnh chụp mạch đo thí nghiệm sử dụng cảm biến điện trở lực căng và cảm biến đo lực SIWAREX R BB 61

Hình 3.9 Lưu đồ thuật toán chương trình chính của mạch đo thí nghiệm sử dụng cảm biến điện trở lực căng và cảm biến đo lực SIWAREX R BB 63

Hình 3.10 CARD NI PCI-6025E 64

Hình 3.11 Hệ thống đo và cảm biến đo lực ba chiều 65

Hình 3.12 Lưu đồ đọc và xử lý tín hiệu đo 69

Hình 3.13 Chương trình đo lực ba chiều viết bằng DASY Lab 70

Trang 9

VIII

Hình 3.14 Hệ thống đo lực cắt ba chiều khi phay 71Hình 3.15 Cáp dây xoắn có bọc kim để chống lại nhiễu điện dung và nhiễu từ trường 73Hình 4.2 Thí nghiệm kiểm tra sự ổn định, tuyến tính của hệ thống đo lực 3 chiều

đã chế tạo 79

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1 Hằng số tem và hệ số nhiệt điện trở của một số kim loại làm tem 20Bảng 2.2 Một số đặc tính quan trọng của tem điện trở kim loại thường dùng 22Bảng 2.3 Những ưu, nhược điểm chung của tem biến dạng bằng kim loại 22Bảng 2.4 Những ưu nhược điểm điển hình của tem bán dẫn 23Bảng 2.5 Một số phương thức bố trí tem đo và bù trừ tương ứng với ứng suất trên một số phần tử biến dạng điển hình 29

Trang 10

1

MỞ ĐẦU

a Tính cấp thiết của đề tài/lý do chọn đề tài

Trong các máy công cụ, gia công cơ khí lực cắt là thông số quan trọng hàng đầu để khảo sát, điều khiển và tối ưu hóa quá trình công nghệ gia công cơ khí nhằm nâng cao năng suất lao động Với các máy công cụ hiện đại thì thường được tích hợp hệ thống đo lực và hệ thống điều khiển đồng bộ Tuy nhiên giá thành của các máy công cụ này cũng không rẻ Bên cạnh đó, trong nước ta hiện nay còn sử dụng rất nhiều thiết bị, máy móc cũ mà chưa được tích hợp hệ thống đo và điều khiển Với các máy công cụ này, việc tính toán các chế độ hoạt động hoàn toàn dựa vào các thông số lý thuyết, kinh nghiệm của người điều khiển Vì vậy dẫn đến nhiều bất cập như chế độ hoạt động chưa hoàn toàn tối ưu, nguy cơ sảy ra mất an toàn, hỏng hóc cao Để khắc phục những nhược điểm này, có thể cải tiến các máy công cụ cũ này bằng cách thêm vào hệ thống đo lực nhiều chiều và hệ thống điều khiển Hiện tại, giá thành của các hệ thống đo lực nhiều chiều được các hãng nước ngoài cung cấp là rất đắt và khi hỏng hóc thì phải gọi chuyên gia của hãng và các phụ kiện cũng như chi phí sửa chữa là rất cao Chính vì thế nghiên cứu chế tạo hệ thống đo lực cắt

sử dụng trong các máy công cụ bằng công nghệ trong nước, phù hợp với điều kiện kinh tế trong nước là một yêu cầu cấp bách

b Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tượng, phạm vi nghiên cứu

Yêu cầu của một hệ thống đo lường là phải đạt đủ yêu cầu về độ ổn định, tuyến tính, có độ chính xác cao và có độ nhạy đủ lớn để có thể đo được các tham số biến đổi phức tạp của đối tượng đo Muốn vậy trước hết phải thiết kế, chế tạo từng

bộ phận của hệ thống sao cho chúng đạt các yêu cầu tiêu chuẩn chất lượng đề ra Mỗi bộ phận hợp thành được đảm bảo ổn định và tuyến tính trong giới hạn đo sẽ là

cơ sở cho việc tổ hợp thành một hệ thống đo tuyến tính và ổn định Như vậy, để có được một hệ thống đo đủ độ nhạy, tin cậy, chính xác cao thì trước hết phải có giải pháp hợp lý chế tạo các phần tử hệ ổn định và tuyến tính

Luận văn “Nghiên cứu chế tạo cảm biến đo và hệ thống đo lực ba chiều”

nghiên cứu những kiến thức cơ bản về một hệ thống đo động học nói chung và một

hệ thống đo sử dụng cảm biến điện trở lực căng nói riêng Từ đó thiết kế, chế tạo cảm biến đo lực ba chiều sử dụng công nghệ điện trở lực căng và hệ thống đo đi

Trang 11

2

kèm, làm việc ổn định, tuyến tính trong miền giới hạn đo, có độ chính xác cao và có

độ nhạy đủ lớn để có thể đo được các tham số biến đổi phức tạp của đối tượng đo là lực cắt trong các máy công cụ Bên cạnh đó hệ thống đo cũng phải đáp ứng được các yêu cầu khắc nghiệt của điều kiện làm việc như độ cứng vững, quá trình tăng nhiệt độ hay việc sử dụng dung dịch tưới nguội trong quá trình gia công của máy công cụ

Bên cạnh đó, trong luận văn cũng thiết kế một mạch đo lường phục vụ cho mục đích thí nghiệm, sử dụng cảm biến đo lực một chiều có sẵn của hãng Siemen

để làm bài thí nghiệm và đưa ra kết quả so sánh giữa hai phương pháp sử dụng ADC

c Phương pháp nghiên cứu

Dựa trên yêu cầu thực tiễn với các máy công cụ là cần đo lực cắt để làm cơ

sở tính toán các chế độ làm việc, điều khiển thiết bị, tránh các sự cố đáng tiếc Yêu cầu đặt ra với cảm biến và hệ thống đo là phải hoạt động ổn định, chịu được môi trường làm việc khắc nghiệt như chịu rung động, chịu tác động của dung dịch tưới nguội

Với các máy công cụ, tần số tương tác vật lý giữa dụng cụ cắt và đối tượng gia công thường dưới 500 Hz, tương ứng với dải hoạt động của các cảm biến đo ứng suất biến dạng Vì vậy, hệ thống đo sử dụng cảm biến tem điện trở lực căng luôn được sử dụng rộng rãi trong việc đo thí nghiệm tham số động lực (lực, mô men, áp suất ) của các máy công cụ Hệ thống đo sử dụng tem điện trở lực căng rất phổ biến trong nhiều lĩnh vực của nhiều quốc gia trên thế giới Tuy nhiên, các hệ thống đo này thường do một số công ty thuộc các nước có trình độ công nghệ phát triển cao chế tạo và sản xuất Với một nước mà nền công nghệ chế tạo còn chưa thực sự phát triển như nước ta, việc chế tạo, sản xuất dụng cụ, thiết bị đo là một thách thức lớn Chính vì vậy, nghiên cứu chế tạo các hệ thống đo phù hợp với điều kiện công nghệ trong nước,phục vụ cho công tác đào tạo, nghiên cứu khoa học và sản xuất là nhu cầu thiết yếu hiện nay

d Nội dung thực hiện và đóng góp của đề tài

- Nghiên cứu cơ sở ly thuyết về hệ thống đo động lực và hiệu ứng áp trở

Trang 12

Trang 13

Chương 1: Tổng quan về các hệ thống đo động lực 2013

4

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC HỆ THỐNG ĐO ĐỘNG LỰC

1.1 Khái niệm chung về hệ thống đo động lực

Hệ thống đo động lực là một hệ thống đo các tham số động lực của đối tượng

đo Các tham số động lực là lực, áp suất, nhiệt độ, mô men uốn của trục tua bin Các tham số động lực cần đo thường có đặc điểm là phải chịu nhiều tác động ảnh hưởng từ nhiều yếu tố của môi trường và của chính tác động của đối tượng cần đo khi hoạt động

Một hệ thống đo các tham số vật lý nói chung bao gồm ba bộ phận chính là

cảm biến, bộ phận gia công xử lý tín hiệu và bộ phận hiển thị Cùng với sự phát

triển của khoa học công nghệ, cấu tạo, chất lượng, kích thước của hệ thống được thay đổi rất nhiều song kỹ thuật và nguyên lý cấu tạo không thay đổi Cũng có thể

tách phần gia công xử lý tín hiệu thành hai bộ phận, đó là các bộ phận gia công tín

hiệu và xử lý số tương ứng với các chức năng xử lý tương tự và số Hình 1.1 thể

hiện sơ đồ khối tổng quát của một hệ thống đo các tham số động lực

HỆ THỐNG ĐO CÁC THAM SỐ ĐỘNG LỰC

Hình 1.1 Sơ đồ khối của một hệ thống đo động lực Cảm biến có vai trò biến đổi đại lượng cần đo sang dạng tín hiệu có thể xử lý

được Ví dụ, với cảm biến cặp nhiệt thì suất điện động nhiệt điện tính theo milivôn

sẽ phụ thuộc vào nhiệt độ; với cảm biến đo lưu lượng đĩa nghẽn thì độ chênh áp sẽ phụ thuộc vào tốc độ dòng chảy; còn với cảm biến tem biến dạng thì biến đổi điện trở phụ thuộc vào biến dạng cơ học v.v Yêu cầu đối với cảm biến là phải chuyển đổi chính xác, trung thực đại lượng cần đo Tín hiệu đo được từ cảm biến sẽ được đưa vào xử lý ở bộ phận gia công xử lý

Trong nhiều trường hợp, một hệ thống đo có nhiều cảm biến và cảm biến có thể có mặt ở hầu hết các bộ phận của hệ thống Trong một hệ thống đo lường, điều

GIA CÔNG XỬ LÝ

Cảm biến Đầu

đã

đo đượ

c

Trang 14

5

khiển hay một hệ thống vật lý nói chung, cảm biến được nối trực tiếp đến bộ phận gia công xử lý thường được gọi là cảm biến sơ cấp, những cảm biến khác được gọi

là cảm biến thứ cấp

Bộ phận gia công xử lý tín hiệu có vai trò xử lý, gia công tín hiệu từ cảm

biến truyền về để thu được kết quả chính xác, trung thực của phép đo, sau đó đưa ra hiển thị Bộ phận này có thể được tách thành hai bộ phận là bộ phận gia công tín hiệu và bộ phận xử lý số

Bộ phận gia công tín hiệu làm nhiệm vụ gia công, biến đổi tín hiệu ở dạng

tương tự Bộ phận này nhận tín hiệu tương tự từ đầu ra của cảm biến để gia công, chuyển đổi, tạo điều kiện cho việc xử lý số tín hiệu sau đó được tiện lợi và thích hợp Tín hiệu này là tín hiệu tương tự, thường nằm dưới dạng điện áp một chiều, dòng một chiều hoặc tần số Ví dụ như độ lệch cầu sẽ chuyển đổi một biến đổi trở kháng thành một biến đổi điện áp; bộ khuếch đại sẽ khuếch đại điện áp mi li vôn thành vôn v.v

Bộ phận xử lý số hay còn gọi xử lý số tín hiệu sẽ nhận tín hiệu ra tương tự ở

đầu ra của bộ phận gia công tín hiệu để chuyển đổi, số hoá thành các dạng phù hợp cho cho mục đích hiển thị Ví dụ như bộ ADC sẽ chuyển đổi các tín hiệu điện áp thành dạng số phục vụ cho việc nối ghép với máy tính Máy tính sẽ tính các giá trị đo của các biến dưới dạng số, lấy từ bộ xử lý tín hiệu

Bộ phận hiển thị số liệu làm nhiệm vụ hiển thị giá trị đã đo dưới dạng dễ

quan sát nhất, ví dụ đơn giản chỉ là một bộ chỉ thị bằng kim, máy tự ghi trên giấy,

bộ chỉ thị số hoặc phức tạp hơn là bộ hiển thị hình ảnh

Đối với các hệ thống đo lượng khác nhau, các thành phần của hệ thống có thể thay đổi để phù hợp với yêu cầu của hệ thống, ví dụ như một số hệ thống đo đơn giản, biến đổi trực tiếp thì không có bộ phận xử lý số, tín hiệu thu được từ cảm biến sẽ qua khâu chuyển đổi tương tự rồi được hiển thị (cân cơ học, thước đo )

1.2 Đặc tính động học của hệ thống đo các tham số động lực, hàm truyền

Trong một hệ thống đo động lực, khi đối tượng đo chuyển từ trạng thái tĩnh sang trạng thái hoạt động, tín hiệu đầu vào x biến đổi đột ngột từ một giá trị này đến một giá trị khác, khi đó, tín hiệu ra y cũng sẽ biến đổi đến một giá trị mới của nó và

ời có sự tham gia của can nhiễu Sự biến đổi của tín hiệu đầu ra là không đồng thời

Trang 15

6

với sự thay đổi của tín hiệu đầu vào vì đặc tính trễ của phần tử hệ cũng như của toàn

bộ hệ thống đo Biểu diễn của đáp ứng đầu ra với những kích thích đột biến trong một phần tử hệ được gọi chung là đặc tuyến động học Đặc tuyến này, hầu hết được biểu diễn dưới dạng hàm truyền G(s) Dựa vào hàm truyền có thể khảo sát được hành vi của các phần tử hệ cũng như toàn hệ, xác định được các phương pháp thử chuẩn, những sai số động học và các phương thức bù trừ động học nhằm giảm sai

độ dịch chuyển x(m) ở đầu ra Trong mô hình cấu tạo của phần tử hệ bậc hai này có sự liên kết giữa các tham số khối lượng m(kg), độ cứng của lò xo k(N.m-1), và hằng số giảm chấn (N.s.m-1) Với điều kiện hệ ở trạng thái tĩnh trong thời gian ban đầu t = 0-, như vậy tốc độ ban đầu của hệ là v’ = x(0-) = 0 và gia tốc ban đầu là a = x’’(0-) = 0 Lực ban đầu F(0-) cân bằng với lực lò xo tại vị trí ban đầu x(0-), như vậy:

Nếu lực đầu vào tăng đột biến tại thời điểm t = 0, khi ấy phần tử hệ không còn ở trong trạng thái bền vững nữa, đặc tính động học của nó được mô tả theo định luật hai Newton, ta có biểu thức tổng quát:

hay là mx” + x’ + kx = F

Trang 16

mx” + x’ + kx(0-) + kx = F(0-) + F, (1.4) Thay biểu thức (1.2) vào (1.5), ta có:

mx” + x’ + kx = F,

Từ đó, phương trình vi phân bậc hai:

Fk

1xdt

xdkdt

xdk

m2



và hệ số tắt dần:

mk

1xdt

xd2dt

xd1

n 2

2 2 n

Trang 17

2)0(x)0(xs)

1)s(x1s

2s1

)s(



trong đó, l/k chính là độ nhạy K ở trạng thái bền vững, 1/k = K

Từ đó, hàm truyền của một phần tử hệ bậc hai được biểu diễn dưới dạng chuẩn khái quát sẽ là:

1s

2s1

1)

s(G

n

2 2 n

q iR

dq R q C

Trang 18

9

Trong công thức (1.2) và (1.12) ta thấy: q tương tự với x; U tương tự với F

và L, R, 1/C lần lượt tương tự với m, , k Mạch điện cũng được biểu diễn dưới dạng hàm truyền của hệ bậc hai như đã nêu trên, với:

L

C2

RvµLC

1



1.3 Sai số động trong các hệ thống đo các tham số động lực

Trong một hệ thống đo các tham số động lực nói chung luôn phải chịu nhiều tác động của nhiễu môi trường, của đối tượng cần đo và của chính hoạt động của hệ gây ra Vì vậy sai số trong các hệ thống đo động bị chi phối bởi rất nhiều yếu tố phân tích các nguồn gây sai số nhằm tìm ra các nguồn nhiễu ảnh hưởng đến độ chính xác của hệ thống đo Nhờ đó sẽ có những giải pháp phù hợp nhằm loại trừ hoặc giảm thiểu sai số

Một hệ thống đo, cho dù rất đơn giản cũng có thể phân tích thành nhiều phần

tử hệ nối ghép với nhau Ví dụ, trên hình 1.3 thể hiện một hệ thống đo có thể chứa

đựng n phần tử Phần tử thứ i nào cũng đều có trạng thái bền vững lý tưởng và đặc tuyến động học tuyến tính Chính vì vậy mà mỗi phần tử i đều được biểu diễn bởi

một hằng số nhạy trạng thái bền vững Ki và một hàm truyền Gi(s)

Trước hết ta hãy giả thiết rằng những độ nhạy trạng thái bền vững K1,

K2, Ki, Kn đối với toàn hệ là bằng 1, điều đó có nghĩa là hệ không có sai số ở trạng thái bền vững Hàm truyền của toàn hệ chính bằng tích của mọi hàm truyền phần tử, nghĩa là:

)s(G)

s(G)

s(G)s(G)s(G)s(X

)s(Y

n i

2 1

Trang 19

10

Hình 1.3 Hệ thống đo với những đặc tính động học của nhiều phần tử hợp thành

Về nguyên lý, có thể sử dụng phương trình (1.15) để tìm biến đổi tín hiệu ra

Y(t) tương ứng với biến đổi tín hiệu vào theo thời gian X(t) của hệ Trước hết, hãy tìm hàm biến đổi Laplace X(s) của X(t), sau đó sử dụng biểu thức tìm hàm truyền G(s) = fra(s)/ fV(s) để xác định biến đổi Laplace của tín hiệu ra Y(s) = G(s)X(s) Khai triển Y(s) thành các phân thức riêng và sử dụng các biểu thức chuyển đổi Laplace để tìm tín hiệu thời gian Y(t) tương ứng Khai triển theo biểu thức toán học, ta có:

trong đó L -1 là ký hiệu của biến đổi ngược Laplace

Sai số động học S(t) của hệ thống đo chính là độ chênh lệch giữa tín hiệu đo

được và tín hiệu thực tế, nghĩa là hiệu giữa tín hiệu ra và tín hiệu vào:

Sử dụng biểu thức (1.16) sẽ xác định được:

S(t) = L -1 [G(s)X(s) ] - X(t) (1.18) Trong hệ thống đo các tham số động lực nói chung, tín hiệu vào thường đã được tính toán sơ bộ, mọi hành vi ngẫu nhiên và can nhiễu đều phải được loại trừ để đảm bảo cho tín hiệu có tính xác định, thể hiện đúng bản chất của tham số đối tượng cần đo

Để xác định sai số động học của một hệ thống nói chung với hàm truyền G(s) dưới tác động của tín hiệu kích thích hình sin (tín hiệu vào) X(t) = X sint Từ biểu thức định nghĩa hàm truyền của phần tử hệ G(s) = fra (s)/fV(s), ta sẽ xác định được:

K1G1(s) K2G2(s) KiGi(s) KnGn(s)

Tín hiệu ra Tín hiệu vào

X(s) =X1(s) Y1(s) =X2(s) Y2(s) Xi(s) Yi(s) Xn(s) Yn(s)

Trang 20

Trong thực tế tín hiệu vào một hệ thống đo thường là một tín hiệu chu kỳ phức tạp chứ không phải là một sóng sin giản đơn Tín hiệu chu kỳ là một loại tín hiệu sẽ lặp lại chính nó tại những quãng bằng nhau của thời gian T, nghĩa là f(t) = f(t+T) = f(t+2T) = f(t+3T) , ở đó T chính là chu kỳ Để tính các sai số động học cho những tín hiệu chu kỳ, chúng ta nên sử dụng khai triển Fourier Bất kỳ một tín hiệu chu kỳ f(t) nào cũng có thể phân tích, khai triển thành chuỗi của các sóng sin và cosin Chúng có những tần số là các hài của tần số cơ bản 1 = 2/T rad.s-1, nghĩa là:

1 n

n

1 n

a)t

trong đó:

dttncos)t(T

2a

2 / T

2b

2 / T

0 



 = giá trị trung bình của f(t) trên T

Nếu f(t) = X(t), thì ở đó X(t) là vi phân của tín hiệu vào cần đo tính từ trạng thái bền vững hoặc là giá trị dòng một chiều X0 khi a0 = 0

Nếu đặt giả thiết f(t) là hàm lẻ, nghĩa là f(t) = - f(-t), thì an = 0 với mọi n Như vậy có nghĩa là chỉ có các biểu thức hạng sóng sin xuất hiện trong chuỗi Tính

Trang 21

1

nsinn tX

)t(

trong dó, Xn = bn là biên độ của hài bậc thứ n tại tần số n1 Để tìm Y(t), trước hết ta đặt giả thiết rằng chỉ có hài bậc thứ n, Xnsin n1t, đi vào hệ đo Theo hình 1.5, tín hiệu ra tương ứng sẽ là:

XnG(jn1) sin(n1t + n); trong đó n = arg G(jn1) Đến đây, cần phải sử dụng đến nguyên lý xếp chồng, một tính chất cơ bản của các hệ thống tuyến tính Bản chất của nguyên lý này được biểu hiện như sau:

Khi một hệ thống đã được bảo đảm là tuyến tính thì nếu một tín hiệu vào

X1(t) tạo nên một tín hiệu ra Y1(t) và một tín hiệu vào X2(t) tạo nên một tín hiệu ra

Y2(t) thì một tín hiệu vào X1(t) + X2(t) sẽ tạo nên một tín hiệu ra Y1(t) + Y2(t)

Điều đó có nghĩa là nếu toàn bộ tín hiệu vào là tổng của nhiều sóng sin như biểu thức (1.24) thì toàn bộ tín hiệu ra chính là tổng của mọi đáp ứng của từng sóng sin vào, nghĩa là:

n 1 1

nG(jn )sin(n t )X

)t(

1 n

1 1

n G(jn )sin(n t ) sinn tX

)t(

1.4 Một số giải pháp kỹ thuật bù trừ động học

Bản chất của phép bù trừ trong đo lường là sử dụng nhiễu để hạn chế hoặc loại trừ nó Có thể nói phương pháp bù trừ là một công cụ không thể thiếu trong việc xây dựng hệ thống đo lường nói chung Không một hệ thống đo lường động học nào lại có thể vắng bóng phép bù trừ trong đó Đối tượng đo lường là phong phú, do đó phép bù trừ cũng có đặc tính đa dạng của nó Với phép bù trừ, ta có thể chủ động loại trừ được những can nhiễu của môi trường hoặc của chính thiết bị tạo

Trang 22

13

nên hệ thống đo Vì vậy, ứng với một tham số đo cụ thể trong một môi trường và điều kiện hoạt động cụ thể sẽ có những đề xuất khác nhau cho giải pháp hạn chế hoặc loại trừ nhiễu cụ thể

Tham số bù trừ có tính phong phú đa dạng và phương pháp bù trừ cụ thể có những đòi hỏi nghiêm ngặt cho nên chúng ta không có tham vọng nắm bắt hết đối tượng và giải pháp bù trừ mà chỉ làm quen với một số phương pháp kinh điển nhất

và cũng thường được sử dụng nhiều nhất trong các hệ thống đo lường các tham số động lực

1.4.1 Loại trừ tác động nhiễu động học

a Giới hạn phần trăm

Từ biểu thức tính sai số động học (1.24), ta có thể nhận thấy rằng để loại trừ được tác động của nhiễu động học, nghĩa là để có được nhiễu động học bằng không, S(t) = 0, đối với một tín hiệu vào (kích thích) có chu kỳ thì những điều kiện sau đây phải được bảo đảm:

G(j1) = G(j21) = = G(jn1 = = G(jm1) = 1

argG(j1) = argG(j21)= =argG(jn1)= = argG(jm1) = 0 (1.25)

trong đó m là bậc cao nhất của hài đáng kể Nếu là một tín hiệu ngẫu nhiên với phổ

tần số liên tục chứa những tần số nằm giữa 0 và max thì ta cần có:

G(j) = 1 và argG(j) = 0 với 0 < max (1.26) Điều kiện này khó có thể thực hiện được trong thực tiễn

Một tiêu chuẩn có tính thực tiễn hơn đó là chính là tiêu chuẩn sẽ hạn chế sự biến đổi của G(j) chỉ trong khoảng vài phần trăm, được gọi là tiêu chuẩn giới hạn phần trăm đối với những tần số có mặt trong tín hiệu Ví dụ với các điều kiện:

0,98 < G(j) = 1 với 0 max (1.27) thì sẽ đảm bảo sai số động học được giới hạn trong khoảng  2% đối với một tín hiệu chứa những tần số cao đến max/2 [Hz] như trên hình 1.4

Trang 23

14

Hình 1.4 Các giới hạn phần trăm và độ rộng băng

b Độ rộng băng

Một tiêu chuẩn khác thường được sử dụng là tiêu chuẩn độ rộng băng Độ

rộng băng của một phần tử hoặc là một hệ thống chính là giới hạn của những tần số

mà ở chúng giá trị G(j) sẽ lớn hơn 1/2, nghĩa là lớn hơn 0,707 Như vậy, độ rộng băng của một hệ thống, như đặc tuyến tần số đã được thể hiện trên hình 1.8, sẽ nằm trong khoảng từ 0 đến B rad.s-1 Tín hiệu tần số lớn nhất max phải là một tần

số đáng kể và phải nhỏ hơn tần số B Đương nhiên, vì có sự giảm biên độ G(j)đến 30% tại tần số B, cho nên độ rộng băng không phải là một tiêu chuẩn hữu dụng đặc thù cho những hệ thống đo phức tạp

Độ rộng băng được sử dụng phổ biến trong việc biểu diễn đặc tuyến tần số của các bộ khuếch đại Việc giảm biên độ G(j) từ 1 đến 1/2 tương đương với biến đổi độ lớn theo decibel N = 20log(1/2) = - 3,0 dB Một phần tử hệ bậc nhất có một độ rộng băng nằm giữa 0 và 1/ rad.s-1

c Bù trừ vòng hở

Một phương pháp khả thi khác được thể hiện trên hình 1.5 Phương pháp này

có tên gọi là bù trừ động học vòng hở Cho hàm truyền của một phần tử hoặc một

hệ không được bù là Gob(s) và hàm truyền của một phần tử được bù là Gb(s), như vậy hàm truyền toàn bộ hệ G(s) = Gob(s).Gb(s) sẽ thoả mãn điều kiện cần như đã nêu

ở biểu thức (1.27) Như vậy, nếu sử dụng một mạch khuếch đại thuật toán xoay chiều ghép với cặp nhiệt như ở phần dưới của hình 1 9 thì hằng số thời gian toàn bộ

Trang 24

15

sẽ giảm đến giá trị 2, như vậy G(j) sẽ tiến sát đến đơn vị trên một dải tần số rộng Vấn đề chính đối với phương pháp này là ở chỗ hằng số thời gian  có thể được thay đổi cùng với hệ số truyền nhiệt , như vậy sẽ làm giảm tác động của sự

bù trừ

Hình 1.5 Sơ đồ khối phương pháp bù trừ động học vòng hở

d Bù trừ động học vòng kín

Một giải pháp khác nữa là sát nhập phần tử đã được bù trừ vào một hệ thống

kín có hệ số khuếch đại phản hồi âm lớn Tương tự như với bù trừ vòng hở, nhưng ở đây đầu vào phần tử bù trừ là tín hiệu ra, đầu ra của phần tử bù trừ sẽ được đưa trở lại đầu vào của phần tử không bù trừ

Hình 1.6 Sơ đồ khối phương pháp bù trừ động học vòng kín

1.4.2 Bù trừ nhiệt độ cho cảm biến

Cảm biến đo là phần tử quan trọng nhất, chịu nhiều rủi ro nhất và do đó cần phải thay thế nhiều nhất trong hệ thống đo lường các tham số động lực Một trong những nguyên nhân chính làm cho cảm biến hoạt động thiếu ổn định chính là biến động nhiệt Việc bù trừ sai số vì nhiệt là việc làm đầu tiên và quan trọng nhất vì ngoài ứng suất biến dạng do chính tham số cần đo gây nên, ảnh hưởng của nhiệt vào

Cảm biến Mạch khuếch đại 1cặp nhiệt thuật toán xoay chiều 2 << 1

Gob(s)

Gb(s)

Phần tử không bù

trừ Phần tử bù trừ

Trang 25

biến đổi nhiệt gây ra ngay trong mạch cầu cảm biến

Việc thiết lập mạch bù trừ nhiệt có liên quan mật thiết đến cấu trúc hình dạng

và bản chất vật lý như khả năng chịu ứng suất, mô đun đàn hồi, hệ số giãn nở nhiệt,

hệ số nhiệt điện trở v.v của phần tử biến dạng đàn hồi và vật liệu tạo nên tem điện trở Do đó phải nắm vững các tính chất vật lý của những vật liệu nêu trên cũng như các đặc trưng kỹ thuật của tem điện trở và keo dán trước khi tính toán thiết lập mạch cầu bù trừ nhiệt độ

1.5 Kết luận chương 1

Đặc tuyến động học của những phần tử hệ thống đo lường mà tiêu biểu là các hệ thống đo lường động lực được xem xét như một hệ thống vật lý khái quát được ứng dụng vào mục đích cụ thể Trong thực tế, hệ thống đo các tham số động cũng chỉ xoay quanh việc định lượng các tham số nhiệt độ, áp suất, lực, mô men Điều đó có nghĩa là dưới quan điểm hệ vật lý, các hệ đo chính là những hệ bậc nhất (nhiệt) và bậc hai (các tham số còn lại) Như vậy các hàm truyền của các phần tử hệ bậc nhất và bậc hai đã được xem xét khái quát theo lý thuyết hệ và được làm sáng

tỏ thêm bởi những ví dụ ứng dụng cụ thể

Dựa vào hành vi của tham số đối tượng trong thực tế, việc phân tích nghiên cứu các đáp ứng hệ bậc hai đã được xét cụ thể với các kích thích bước nhảy đơn vị cũng như sóng sin Sự mô tả khái quát về sai số động học của hệ thống qua ứng dụng thực tế đối với một hệ thống đo bao gồm những phần tử hệ bậc hai trước các

Trang 26

Trang 27

Chương 2: Thiết kế chế tạo cảm biến đo lực ba chiều 2013

18

Chương 2: THIẾT KẾ CHẾ TẠO CẢM BIẾN ĐO LỰC BA CHIỀU 2.1 Cơ sở để thiết kế các loại cảm biến điện trở lực căng

2.1.1 Tem điện trở lực căng

Tem điện trở lực căng (tenzo, strain gauge, tem điện trở biến dạng) là một phần tử biến đổi điện có thể biến những thay đổi nhỏ trong kích thước thành một thay đổi điện trở tương đương Tem điện trở lực căng ứng dụng tính chất thay đổi điện trở của vật liệu theo chiều dài Tem được làm bằng một sợi (hoặc lá) mỏng xếp dặt theo hướng đã chọn trước và được dán lên phần tử biến dạng thông qua một miếng cách điện (miếng nền hay miếng đế) Khi phần tử biến dạng bị biến dạng, sự biến dạng của nó được truyền qua lớp keo và miếng cách điện đến tem điện trở lực căng Khi đó chiều dài của dây điện trở của tem thay đổi, dẫn đến một sự thay đổi điện trở tỷ lệ với biến dạng Hình 2.1 là sơ đồ khối của một tem điện trở lực căng cơ bản Với các cảm biến sử dụng tem điện trở lực căng, đại lượng vào là các ứng suất

cơ học làm biến dạng phần tử mang tem (phần tử biến dạng hoặc phần tử đàn hồi)

và do đó làm biến dạng tem, đại lượng ra là điện trở tem do biến dạng tạo nên

Hình 2.1 Sơ đồ khối của phần tử chuyển đổi tem điện trở lực căng

Với:  là ứng suất cơ học, R là thay đổi điện trở của tem

Tem điện trở lực căng được sử dụng rất phổ biến trong nhiều lĩnh vực khoa học công nghệ, đặc biệt trong việc định lượng độ bền, độ võng, miền biến dạng đàn hồi của những công trình cầu đường, nhà kho, thiết bị máy và trong cảm biến của các hệ thống điều khiển, tự động Tem có thể được dán trực tiếp lên vùng biến dạng cần đo, cũng có thể dán lên những phần tử biến dạng đàn hồi được thiết kế gia công sẵn để tạo nên tổ hợp có các tên gọi là tổ hợp phần tử đàn hồi - tem điện trở lực căng hoặc phần tử biến dạng - tem điện trở (load cell)

Biểu thức xác định điện trở của một dây dẫn:

Tem điện trở lực căng

Trang 28

Chương 2: Nghiên cứu thiết kế và chế tạo ma trận điện cực 2013

dl d R

dldR

/d

Từ (2.6) ta nhận thấy rằng hằng số tem phụ thuộc vào hai yếu tố là biến đổi điện trở suất của vật liệu và hệ số Poisson và nó có thể mang dấu âm hoặc dương tuỳ thuộc vào vật liệu chế tạo nó

Đối với các kim loại và hợp kim, các cảm biến dây dẫn điện trở được chế tạo

từ chúng có hệ số Poison trong vùng biến dạng đàn hồi, nằm trong giới hạn 0,25 – 0,5; thông thường   0 , 3, còn trong vùng biến dạng dẻo   0 , 5

Khi   0, điện trở suất  không phụ thuộc vào biến dạng và giá trị hệ số tem gchỉ phụ thuộc vào số Poison , nghĩa là trong dải biến dạng đàn hồi:

6 , 1 2

1

ge   e  , hay trong giới hạn 1,5 – 2,0, còn trong vùng biến dạng dẻo

0 , 2 2

Trang 29

20

Phân loại tem điện trở lực căng:

Dựa vào vật liệu chế tạo, ta có thể phân tem điện trở lực căng thành hai loại chính:

+ Tem điện trở kim loại:

Vật liệu để chế tạo dây điện trở là kim loại Cấu tạo của loại tem điện trở này như sau: Trên đế cách điện bằng màng mi ca, thuỷ tinh hữu cơ, lụa hoặc giấy, người

ta cấy lượn sóng dây hoặc màng điện trở có kích thước nhỏ bé đã được xác định theo thiết kế để tạo thành tem điện trở kim loại Có thể sử dụng nhiều kim loại có tính chất khác nhau để chế tạo tem điện trở

Hình 2.2 Cấu tạo của tem điện trở kim loại

a/ Điện trở dây, b/ Điện trở mạch in

Bảng 2.1 Hằng số tem và hệ số nhiệt điện trở của một số kim loại làm tem

Trang 30

R = R.g.Trong đó, R là giá trị biến đổi điện trở của tem đo; R là điện trở không tải của tem đo;  = dl / l là biến dạng dài tương đối của phần tử biến dạng

Theo định luật Hooke thì:  = /E, trong đó:  là ứng suất cơ học xuất hiện trong phần tử biến dạng khi có lực nén và E là mô đun đàn hồi của phần tử biến dạng - của vật thể có độ biến dạng cần đo Thay thế vào ta được: R = R.g. / E

Và độ nhạy S tính theo định nghĩa sẽ là:

E

gRd

Rddx







Giả sử phần tử biến dạng làm bằng thép có E = 2,1.106 kG/cm2; các thông số

kỹ thuật của tem đo là g = 2,1; R = 100 Ohm và ứng suất cơ học đã cho  = 1000 Kg/cm2 thì trị số của độ nhạy là:

kG/cm.1010

.1,2

1,2100

và giá trị biến đổi của điện trở là: R = S. = 10-4.103 = 0,1 () Ta thấy rằng giá trị của S và R là rất nhỏ vì mô đun đàn hồi của vật liệu quá lớn Bảng 2.2 giới thiệu những giá trị đặc trưng cơ bản của tem điện trở lực căng, giá trị này được đưa

ra bởi các nhà sản xuất Khi sử dụng phải hết sức lưu ý đến các trị số này để làm cơ sở cho việc tính toán thiết kế phần tử biến dạng; chọn keo dán; cách thức và quy trình dán; chế độ vận hành và bảo quản cho cảm biến

Trang 31

Nhiệt độ làm việc cực đại Tmax (oC)

Tần số làm việc cực đại

fmax(Hz)

Tỷ lệ nhạy ngang (%)

Bình thường Đặc biệt

22,7 90;120;300

350;600;800 10100 80 200250 01000 14

Bảng 2.3 Những ưu, nhược điểm chung của tem biến dạng bằng kim loại

+ Kích thước nhỏ

+ Ổn định

+ Chính xác

+ Nội trở bé

- Sự phụ thuộc nhiệt độ của vật liệu làm điện trở

- Sai số phát sinh do sự co giãn vì nhiệt của phần tử biến dạng

- Sai số phát sinh do keo dán và kỹ thuật dán

2) Trên hình 2.3 Khi tem dán đúng vị trí; biến dạng cần đo sẽ tác động dọc theo trục x - x Tuy nhiên, tem đo cũng nhạy cảm với biến dạng ngang theo trục y -

y Biến dạng ngang này được tính theo tỷ lệ phần trăm so với biến dạng dọc;

y

Trang 32

Hình 2.4 Cấu tạo của tem bán dẫn

Một chất liệu khác được sử dụng để chế tạo tem điện trở lực căng là bán dẫn, đây cũng là điều khác biệt nhất so với tem kim loại Trên bề mặt của đế cách điện người ta cấy mạch điện trở bằng tinh thể bán dẫn với độ dày khoảng vài trăm

m Hai đầu là hai bản cực hàn dây dẫn ra Khi chế tạo tem điện trở bán dẫn, người

ta ứng dụng đặc tính biến đổi điện trở mà bản chất là biến đổi điện trở suất của vật liệu, tương ứng với tác động của ứng suất cơ học

Bảng 2.4 Những ưu nhược điểm điển hình của tem bán dẫn

+ Độ nhạy rất lớn so với tem kim loại - Không tuyến tính

+ Kích thước nhỏ - Độ ổn định và độ chính xác thấp hơn

so với tem kim loại + Điện trở gốc có thể thay đổi được

bằng các chất phụ gia

- Điện trở phụ thuộc mạnh vào nhiệt độ

+ Có thể sử dụng mạch cầu nhiều tem

(vừa đo vừa bù) để đo các ứng suất

thuần nén hoặc thuần kéo

- Bị ảnh hưởng từ nhiều nguồn can nhiễu khác (ngoài những nguồn can nhiễu cùng bị ảnh hưởng như đã liệt kê đối với tem kim loại)

Trang 33

24

Sử dụng biểu thức (2.6) và kí hiệu tỷ lệ biến đổi tương đối giữa điện trở suất với biến dạng (d/) / (dl/l) là  ta sẽ tính được hằng số tem g của tem điện trở bán dẫn:

Bằng quy trình và công nghệ dán hợp lý có thể loại trừ được ảnh hưởng của sai số vì dán Quy trình và công nghệ dán phụ thuộc vào kinh nghiệm và thực nghiệm của chuyên gia trong lĩnh vực này Song điều cốt lõi là phải chọn keo, xử lý

bề mặt hợp lý, đặt tem chính xác và phải tuân thủ quy trình tẩm phủ, sấy khô Khi chọn keo dán tem cần phải hết sức lưu ý các yêu cầu sau:

1) Mô đun đàn hồi của keo phải gần trùng với mô đun đàn hồi của vật liệu được dán tem

2) Sau khi dán, keo không thay đổi thể tích, không nứt rỗ, không bọt, không

Trang 34

25

của điện trở tem là: R = R..T; với  là hệ số nhiệt điện trở và T là số gia biến đổi nhiệt độ Với tác động của đầu vào là biến đổi nhiệt độ và đầu ra là biến đổi điện trở thì độ nhạy của chuyển đổi này được tính theo định nghĩa là:

Rd

Như ví dụ ở mục trước đã xét, độ nhạy S của chuyển đổi tổ hợp tem với phần

tử biến dạng bằng thép có độ lớn với số mũ là 10-4, điện trở bằng Konstantan có hệ

số  với số mũ là 10-5 /0C, để tiện so sánh hãy lấy điện trở gốc của tem vẫn là 100 Ohm Vậy độ nhạy của chuyển đổi do biến đổi nhiệt tác động ST sẽ có độ lớn với số

mũ là 10-3 Điều đó nói lên rằng: Độ nhạy của chuyển đổi do tác động của gia số biến đổi nhiệt 1oC gây ra lớn gấp mười lần so với độ nhạy của chuyển đổi do tác động của ứng suất 1kG/cm2 gây ra trên tổ hợp tem đo với phần tử biến dạng Kết luận trên vẫn đúng đối với tem bán dẫn Để đảm bảo giảm đến mức tối thiểu tác động của biến đổi nhiệt gây sai số cho phép đo cần phải ứng dụng nguyên lý đo vi sai với mạch cầu đo Trên hình 2.5 giới thiệu một mạch cầu đo điện trở với mạch thay thế Thevenin của nó [4], [3]

Hình 2.5 Mạch cầu trở kháng khái quát và mạch thay thế Thevenin

 1 3 2 4

4 2 3 1 T

Z Z Z Z

Z Z Z Z U U

2 1 T

Z Z

Z Z 2

U U

Trang 35

Biến đổi điện trở của các tem trên mạch cầu sẽ là:

1 T.1 g /E

.Ro

1 T.1 g /E

.Ro

trong đó: Ro là giá trị điện trở đồng nhất không tải của các tem ở 0o

C;

 là hệ số nhiệt điện trở của vật liệu làm điện trở;

T là gia số biến đổi nhiệt độ;

g là hệ số chuyển đổi của tem;  là ứng suất cơ học;

gb là hệ số chuyển đổi của tem theo chiều ngang (trong vai trò tem bù trừ nhiệt);

E là mô đun đàn hồi của đối tượng có biến dạng cần đo

Biểu thức (2.13) chỉ đề cập đến các biến đổi kích thước trùng với hướng tác động của ứng suất, những biến đổi kích thước vuông góc với chiều của ứng suất vì quá nhỏ nên ta có thể bỏ qua

Theo sơ đồ thay thế, ta tính được điện áp hở mạch đầu ra UT:

b d

b d T

R R

R R 2

U U

Trang 36

E

g 1 T 1 Ro

E

g 1 T 1 Ro

E

g 1 T 1 Ro 2

U U

Hình 2.6 Mạch cầu đo biến dạng sử dụng một tem đo và một tem bù trừ nhiệt cùng

các điện trở chuẩn không phụ thuộc nhiệt độ

Hình 2.7 Vị trí chính xác của tem đo và tem bù trừ nhiệt được dán trên phần tử

biến dạng thuần kéo hoặc thuần nén

g g E 2

U U

Trang 37

28

quá bé so với g Vậy, biểu thức tính điện áp hở mạch còn lại là:  

E

g.4

U

(2.17) Tương tự đối với trường hợp mạch đo có bốn tem điện trở vừa đo vừa bù:

R1 = R3 = R0.(1 + .).(1 + g./E) (2.18)

R2 = R4 = R0.(1 + .).(1 - g./E) (2.19) Sau khi thay thế, rút gọn ta được:

R

R.U

T



Từ những tính toán trên, ta rút ra kết luận chung như sau:

*) Trong trường hợp thiết lập được cầu đo thoả mãn các yêu cầu:

- Các tem có tham số giống nhau, trong đó, một (hoặc hai) tem chủ động (tem đo) còn một (hoặc hai) tem thụ động (tem bù trừ) và hai điện trở giống nhau;

- Biến đổi kích thước theo chiều ngang của phần tử biến dạng là không đáng

kể và có thể bỏ qua được thì: Theo phép tính gần đúng cho phép, điện áp ra của mạch cầu chỉ phụ thuộc vào điện áp nguồn và độ biến dạng tương đối của tem đo Như vậy, về nguyên tắc, việc bù trừ nhiệt độ đã được hoàn thiện là nhờ sử dụng tem

bù trừ

*) Trong thực tế, mạch bù trừ nhiệt có thể sử dụng nhiều tem bù với nhiều

cách bố trí khác nhau phụ thuộc vào tính chất của ứng suất lên phần tử biến dạng của cảm biến hoặc đối tượng cần đo biến dạng

Bảng 2.5 giới thiệu một số phương thức bố trí tem đo và bù trừ tương ứng với ứng suất trên một số phần tử biến dạng điển hình Ta dễ dàng nhận thấy rằng, mạch cầu nhiều tem đo - bù (vừa đo vừa bù) ứng dụng được khi và chỉ khi đo các ứng suất uốn hoặc xoắn Nếu đo các ứng suất thuần nén hoặc thuần kéo thì tem bù

chỉ đóng vai trò thụ động nghĩa là không thể vừa đo vừa bù được

Trang 38

Thay các Rc bằng Rđ và

Rb Các tem cùng chức năng phải nằm trên các nhánh đối nhau

Uốn

2

Tem đo thực hiện chức năng tem

bù

4

bù

Mặt trên: 2 Rđ(-) Mặt dưới: 2 Rđ(+)

Trên bốn nhánh cầu đều chứa tem đo

U ra

Trang 39

s

KF

)s(x

phù hợp và đây không phải là công việc một sớm một chiều Chính vì vậy, công

nghệ chọn vật liệu và gia công phần tử biến dạng đàn hồi là một trong những bí

Trang 40

quan tâm này Về mặt thực nghiệm, để đáp ứng các mục đích thiết kế, tần số dao

động riêng cần phải được xác định từ những biểu thức gần đúng sát với các dạng hình học đã có Nhờ vậy kết quả đạt được sẽ chính xác hơn so với việc sử dụng biểu thức (2.22) Một khi cảm biến đã được kết cấu hoàn chỉnh, tần số riêng thấp nhất của nó hoàn toàn có thể tìm được bằng thực nghiệm Đối với hệ số tắt  cũng vậy,

hệ số này rất nhỏ và rất khó xác định vì hệ số cản B thường tiêu biểu cho các tác

động của ma sát ký sinh (hơn là đại diện cho ma sát trong thiết kế) Thông thường

thì độ nhạy K được tính sẵn từ những biểu thức cơ đàn hồi hoặc lý thuyết sức bền vật liệu, nó sẽ tỷ lệ hoặc với độ dịch chuyển toàn bộ hoặc với độ biến dạng cục bộ

tại một vị trí xác định Bên cạnh đó, một khi cảm biến đã được lắp ráp hoàn chỉnh,

nó sẽ phải được lấy chuẩn toàn bộ theo tỷ lệ giữa đại lượng điện ở đầu ra và lực tác

động ở đầu vào Đây là một qui trình được rút ra từ thực nghiệm vì không có những

biểu thức lý thuyết tính toán chính xác ứng dụng được cho mục đích này

b Phương trình cơ sở của phần tử biến dạng đàn hồi

Cơ sở lý thuyết không thể thiếu khi tính toán sơ bộ để chọn vật liệu, dạng hình học, kích thước cho phần tử biến dạng, hướng đến thiết kế chế tạo cảm biến đo lực đa năng là các các phương trình đàn hồi

Định dạng
Số trang	98
Dung lượng	2,1 MB