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

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

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊNTRƯỜNG 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 Trường Đại học kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên

máy-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 thântôi thực hiện dưới sự hướng dẫn của thầy giáo PGS.TS Ngô Như Khoa Ngoàiphần 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 rõnguồn 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 Cụthể 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 cầuwheatston, tín hiệu đầu ra từ các cảm biến biến dạng được kết nối với bộkhuyếch đại 3B18 của hãng Analog divices, vi xử lý Ardunio đã giảm đáng kểcông 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 menxoắn, ứng dụng các strain gauge vào công tác đo biến dạng trên trục quay, lựachọn bộ khuyếch đại và xử lý tín hiệu đo cho mạch cầu hai tay và mạch cầu 4tay (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 500Nm

Nm-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 straingauge 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 mặttrục chịu xoắn bằng nhôm Lựa chọn và thử nghiệm thành công sử dụng straingauge 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.

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 phươngpháp đo biến dạng trên trục quay để tính ra mô men xoắn Biến dạng trên trụcquay được xác định nhờ các strain gauge dán trên trục và hoạt động dựa theonguyên lý cầu điện trở cân bằng Wheatstone Gia công và chế tạo những thiết bịnày 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 giatốc góc Ví dụ như các mô-men xoắn sinh ra bởi một lò xo đồng hồ sẽ là mộtmô-men xoắn tĩnh Tuy nhiên việc xác định mô men tĩnh và mô men động cònphụ 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 mômen động, vì nó có dao động lớn do mỗi khi nhiêu liệu cháy trong xi lanh sẽsinh ra lực tác dụng lực lên đầu piston làm trục khuỷu quay Nếu mô-men xoắnđược đo các ổ trục nó sẽ gần như tĩnh vì quán tính quay của bánh đà và bộtruyền dẫn sẽ làm giảm mức độ dao động

Các thiết bị đo mô men xoắn ngày nay thường có cấu tạo gồm các thànhphần 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.

Hình 1.4.

, đồ uống.

Hình 1.5: Ứng dụng thiết bị đo mô men xoắn

loại ST2-BT spin tork trong lắp ráp.

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.

b) Thiết bị đo mô men xoắn động

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.

Cảm biến mô men xoắn kiểu 4503 A do hãng Kitsler sản xuất hoạt động dựatrên nguyên lý biến áp quay Thường được dùng trong việc giám sát kiểm trađộng 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 chổiquét bằng Bạc-Graphit tiếp xúc với cổ góp Chổi quét và cổ góp có nhiệm vụđưa điện áp kích thích vào và nhận tín hiệu điện áp ra từ mạch cầu Các straingauge được kết nối thành mạch cầu wheatstone và dán trên trục xoắn như sơ đồnguyên 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 masát giữa chổi quét và cổ góp nên gây mòn chổi quét, nhiễu động, độ chính xáckhông 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 hiệuđiện Thiết bị sử dụng 2 máy biến áp Một máy biến áp dùng để truyền dòngđiện xoay chiều (AC) kích thích cho mạch cầu Máy biến áp còn lại để truyền tínhiệu đầu ra của mạch cầu Khi có điện áp kích thích cho cuộn dây sơ cấp thì từtrường biến thiên tạo ra trong mạch điện thứ cấp 1 hiệu điện thế thứ cấp Ở đâyhai máy biến áp thay thế cho 4 vòng trượt và chổi than, trong quá trình hoạtđộng cũng không có sự tiếp xúc trực tiếp Tín hiệu được truyền qua khoảng cáchkhông 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 vớiphương pháp vành góp (slip rings) Nhược điểm: độ chính xác của thiết bị phụthuộc vào khoảng cách của 2 cuộn dây trong biến áp Khó chế tạo, giá thànhthiết 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

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu -

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

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu -

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

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 tácgiả 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 đượcgắn trên trục quay nhưng khác là nguồn nuôi điện áp cho mạch cầu và nhận tín

hiệu điện áp từ mạnh cầu thông quay bộ khuyếch đại Sau đó tín hiệu điện ápsau khuyếch đãi được truyền đến bộ xử lý và truyền đến màn hình hiển thị vàlưu 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 chuyểnđộng, 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 phảinạp 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 trụcxoắn có thể thực hiện ngay tại xưởng cơ khí không yêu cầu các máy chuyêndùng, các thiết bị khuyếch đại, bộ xử lý và bộ lưu trữ dữ liệu có thể lựa chọn loạithích hợp được bán rộng rãi trên thị trường

STRAIN GAUGE BRIDGE BỘ KHUYẾCHĐẠI 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 menxoắn và cơ cấu hãm nhờ mặt bích ở 2 đầu Dưới tác dụng của mômen xoắntruyền từ trục động cơ đến hộp giảm tốc qua trục xoắn và đến cơ cấu hãm làmtrục đo biến dạng Sự biến dạng này tỷ lệ với mô men Như vây việc xác địnhđược 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 hiểnthị; Tiến hành thí nghiệm để phân tích, đánh giá các khả năng làm việc thiết bịđộng 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, chếtạo 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 ngoàicủa trục đủ lớn nhằm tạo thuận lợi cho quá trình chế tạo cảm biến Trục trụ đặcđường kính nhỏ không đáp ứng yêu cầu đặt ra Trụ tròn rỗng có vách lõm sẽ tạothuận lợi cho quá trình dán strain gauge lên trục nhưng mức độ biến dạng trêncùng bán kính không đều

Do đó tác giả lựa chọn dạng trục rỗng có mặt cắt hình vành khăn, kiểuthiết 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 xoắnkém 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 túyvới mô men xoắn M, đường kính ngoài D, đường kính trong d, chiều dài trục lnhư hình vẽ 14

Khi dán strain gauge theo phương 45o so với đường sinh của trục chịuxoắn theo nguyên lý mạch cầu Wheatston Dưới tác dụng của mô men xoắn trụcbiến dạng bị kéo hoặc nén theo phương xiên một góc 45o so với đường sinh Doứng lực và biến dạng có quan hệ với nhau và từ đó có thể xác định được ứng lựckhi 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 trạngthái trượt thuần tuý với 1=- 3=

Áp dụng định luật Húc về biến dạng dài

u ( 1

1 ( )

độ Các phương chính xiên góc 45o so với ứng suất tiếp Do đo các strain gaugedán trên trục chỉ chị biến dạng dài.

G= = 8L M

Kiểm nghiệm điều kiện bền của trục:

Max │ │≤[ ] hay M ≤[ ]; với W = D (1- 4); 16 M3 4 ≤[ ] vậy

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

[ ]= 0 , ứng suất giới hạn của vật liệu, n- hệ số an toàn;

n

[ ]=

2 , nếu dựa vào thuyết bền ứng suất tiếp lớn nhất

[ ]= ,nếu dựa vào thuyết bền thế năng biến đổi hình dáng

3

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 théptăng lên khi chịu kéo Nhận xét này đã tạo ra sự phát triển của cảm biến biếndạng (strain gauge) vào năm 1939 tại học viện công nghệ Caliofornia và họcViện Công nghệ Massachusetts Ngày nay Strain gauge được chế tạo bằng bándẫn 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 dâydẫn biến dạng là L+ l hoặc L- l Tỷ lệ L gọi là độ biến dạng

L

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

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 loạimỏng, tạo thành lưới kim loại, mục đích nhằm tăng chiều dài dây dẫn chiều dàylưới kim loại từ 3-6 m Lưới kim loại được đặt trên một tấm nhựa mỏng từ 15-

16 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 trêntrục 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 dụngđược 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 cóđiện 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 sửdụng rộng rãi trong lĩnh vực đo lường cơ khí, hàng hải, hàng không, kiến trúc xâydựng, 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 xâydựng Đầu đo được làm bằng một sợi dây kim loại căng giữa 2 điểm của cấu trúccần đo biến dạng Tần số dây rung là hàm của sức căng cơ học, tần số này thayđổi 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:

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

Hệ số K được gọi là hệ số đầu đo (Gauge factor) Giá trị xác định theobiểu thực: K=1+2 +C(1-2 ); Với 0,3 ; C 3 thì K 2

Ta có Mối liên hệ giữa R và :

R L

R GF 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 giảmdòng 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 vonfram GF=4.1

Platin 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 giớihạn 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

độ, ngoại trừ isoelastic Trong khoảng nhiệt độ từ -100oC 300oC sự thay đổicủa hệ số đầu đo GF theo nhiệt độ có thể biểu thị qua biểu thức:

GF (T)= GF [1+ K(T-o)]

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

K : hệ số phụ thuộc vật liệu Với Nichrome V thì K =-0.04%/

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

[ ] - ứng suất tiếp cho phép của vật liệu chọn là 4.500N/cm2.

16 50.000

- 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:

4 Fm ax

=0,435cm;

1 Vật liệu chế tạo: Nhôm hợp kim 2014A

3) Bản vẽ thiết kế trục quay

Từ bảng thông số kỹ thuật của trục quay ở trên, ta có bản thiết kế chi tiếttrục quay như sau:

Ø 10

Hình 3.3 Bản vẽ thiết kế chi tiết trục quay.

Vật liệu chế tạo: nhôm mác 2014A, có thành phần hóa học như sau:

Phôi được chế tạo bằng phương pháp rèn

II Nghiên cứu lựa chọn strain gauge

Tùy thuộc vào mức độ phức tạp của hệ lực cần đo mà ta lựa chọn sốlượng, chủng loại strain gauge cũng như chọn vị trí dán strain gauge sao cho phùhợp

Tuy nhiên do tải trọng tác dụng lên phần từ biến dạng là mô men xoắnnên ta phải sử dụng cảm biến strain gauge để đo biến dạng theo phương xiêngóc 45o với đường sinh của trục tròn (phần tử biến dạng)

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

Thông số chính của strain gauge lựa chọn như sau:

- Công ty sản xuất: SHOWA MEASURING INSTRUMENTS CO.,LTD- JAPAN

- Kiểu: Z23-FA-2-350-11

- Chiều dài căng: 2mm;

- Mức thay đổi điện trở: 350 ±0,3%;

- Gauge factor: 2,06±0,2%;

- Thermal output: ±0,2 ;