Thiết kế cảm biến đo lực phẳng sử dụng cơ cấu đàn hồi

Biến dạng do các lực tạo ra trên phần tử đàn hồi sẽ được chuyển qua strain gauge và được tính toán để cho ra giá trị của lực cần đo.. Theo định luật Hooke: Trong đó: σ là ứng suất cơ học

Đại Học Quốc Gia Tp Hồ Chí Minh

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

-

VÕ ĐOÀN TẤT THẮNG

THIẾT KẾ CẢM BIẾN ĐO LỰC PHẲNG

SỬ DỤNG CƠ CẤU ĐÀN HỒI Chuyên ngành : CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HỒ CHÍ MINH, tháng 07 năm 2010

ý và chỉ bảo cho tôi trong suốt quá trình làm luận văn cũng như trong công việc

Tôi xin chân thành cảm ơn thầy TS Nguyễn Tuấn Kiệt về những góp ý và lời khuyên của thầy đã giúp tôi rất nhiều trong quá trình thực nghiệm

Tôi xin cảm ơn quý thầy cô trong Khoa Cơ khí và Trung tâm Đào tạo Bảo dưỡng công nghiệp đã giúp tôi có thêm nhiều kiến thức quý giá cũng như đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi hoàn thành tốt khóa học và luận văn

Tôi xin chân thành cảm ơn thầy ThS Trương Công Tiễn đã góp ý cho tôi rất nhiều trong quá trình điều chỉnh thiết kế để chế tạo

Tôi xin cảm ơn hai bạn Lê Quang Ngọc và Dụng Văn Thân đã giúp đỡ, góp

ý cho tôi rất nhiều trong suốt quá trình tạo mạch khuếch đại và tiến hành thực

nghiệm

Cuối cùng, tôi xin dành lời cảm ơn sâu sắc nhất cho bố mẹ, em gái và vợ sắp cưới vì đã dành cho tôi rất nhiều tình cảm và luôn là nguồn động viên to lớn nhất đối với tôi trong suốt quá trình học tập

Tp Hồ Chí Minh, tháng 07 năm 2010

Võ Đoàn Tất Thắng CK-SĐH 2008

TÓM TẮT

Luận văn trình bày về thiết kế của cảm biến đo lực phẳng sử dụng cơ cấu đàn hồi Phần tử đàn hồi của cảm biến được thiết kế thành một khối và đối xứng hợp bởi các phần tử mềm Biến dạng do các lực tạo ra trên phần tử đàn hồi sẽ được chuyển qua strain gauge và được tính toán để cho ra giá trị của lực cần đo Luận văn cũng trình bày về việc xác định độ nhạy cũng như cách bố trí các strain gauge trên phần

tử đàn hồi Quá trình thực nghiệm cho thấy được sự sai khác giữa mô phỏng và thực

tế cũng như giúp định hình được phương thức hạn chế sai số

Lý thuyết về strain gauge và khớp mềm cũng như các nghiên cứu liên quan được trình bày trong Chương 1 Thiết kế về hình dạng của phần tử đàn hồi cảm biến được trình bày trong Chương 2 Việc mô phỏng và xác định độ nhạy của cảm biến cũng như vị trí dán strain gauge được trình bày trong Chương 3 Việc phân cứng của phần tử đàn hồi được trình bày trong Chương 4 Quá trình thực nghiệm được trình bày trong Chương 5 Chương 6 trình bày kết luận và hướng phát triển tiếp theo của đề tài

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Khớp mềm bản lề 2

Hình 1.2 Khớp mềm tịnh tiến 3

Hình 1.3 Khớp mềm không gian dị tâm và đồng tâm 3

Hình 1.4 Khớp cầu mềm 4

Hình 1.5 Sơ đồ khối chuyển đổi cơ điện của tem biến dạng 5

Hình 1.6 Cấu trúc của tem điện trở 5

Hình 1.7 Cấu tạo của tem điện trở kim loại 6

Hình 1.8 Các trục biến dạng của tem điện trở 8

Hình 1.9 Cấu tạo của tem bán dẫn 8

Hình 1.10 Mạch cầu trở kháng khái quát và mạch thay thế Thevenin 11

Hình 1.11 Mạch cầu đo biến dạng sử dụng một tem đo 12

Hình 1.12 Vị trí chính xác của tem đo 12

Hình 1.14 Tem điện trở được dán vào vật cần đo lực 16

Hình 1.14 Cảm biến lực 6 DOF dùng Stewart Platform của T.A Dwarakanath 17

Hình 1.15 Cảm biến lực 6 DOF dùng Stewart Platform của T.A Dwarakanath 17

Hình 1.16 Sơ đồ thu nhận dữ liệu cho cảm biến của T.A Dwarakanath 18

Hình 1.17 Thử nghiệm cảm biến của T.A Dwarakanath 18

Hình 1.18 Cảm biến lực dùng Stewart Plateform của R Ranganath 19

Hình 1.19 Mô hình cảm biến của Jin Zhenglin 19

Hình 1.20 Mạch cầu cho cảm biến của Jin Zhenglin 20

Hình 1.22 Các mạch cầu sử dụng trong cảm biến của Aguo Song 20

Hình 1.23 Mô hình cảm biến của Dirk Diddens 21

Hình 1.24 Mạch cầu cho cảm biến của Dirk Diddens 21

Hình 1.25 Cảm biến dạng vòng 22

Hình 2.1 Phân bố biến dạng khi có lực tác dụng 23

Hình 2.2 Phân bố biến dạng khi có moment tác dụng 24

Hình 2.3 Phân bố biến dạng khi có lực tác dụng 24

Hình 2.4 Biến dạng trên mặt 1 nhánh khi có lực tác dụng 25

Hình 2.5 Phân bố biến dạng khi có moment tác dụng 25

Hình 2.6 Biến dạng trên mặt một nhánh khi có moment tác dụng 26

Hình 2.7 Phân bố biến dạng khi có lực tác dụng 26

Hình 2.8 Biến dạng trên bề mặt nhánh khi có lực tác dụng 27

Hình 2.9 Phân bố biến dạng khi có moment tác dụng 27

Hình 2.10 Biến dạng trên bề mặt nhánh khi có moment tác dụng 28

Hình 2.11 Phân bố biến dạng khi có lực tác dụng 28

Hình 2.12 Biến dạng trên bề mặt nhánh khi có lực tác dụng 29

Hình 2.13 Phân bố biến dạng khi có moment tác dụng 29

Hình 2.14 Biến dạng trên bề mặt nhánh khi có moment tác dụng 30

Hình 2.15 Mô hình cảm biến 30

Hình 2.16 Các phần chính của cảm biến 31

Hình 2.17 Sơ đồ lắp ráp 31

Hình 4.1 Cấu trúc của cơ cấu đàn hồi 44

Hình 4.2 Chuỗi nối tiếp. 45

Hình 4.3 Tổ hợp song song 46

Hình 4.4 Khớp mềm dạng tròn đối xứng 48

Hình 4.5 Tổ hợp song song của hai chuỗi nối tiếp 51

Hình 4.6 Mô hình một nhánh của phần tử đàn hồi 52

Hình 4.7 Mô hình phần tử đàn hồi được thu gọn 53

Hình 5.1 Các phần tử của cảm biến 56

Hình 5.2 Vị trí dán strain gauge trên cảm biến 56

Hình 5.3 Mô hình cảm biến được dán strain gauge 57

Hình 5.4 Sơ đồ khối thể hiện quy trình thu dữ liệu từ cảm biến 57

Hình 5.5 Mạch khuếch đại dùng INA 125 57

Hình 5.6 Cảm biến được lắp lên khung để khảo sát 58

Hình 5.7 Mạch khuếch đại và thu dữ liệu với NI USB-6008 58

Hình 5.8 Điện áp đầu ra của Fx với độ khuếch đại theo Bảng 5.4 59

Hình 5.9 Đồ thị thể hiện quan hệ Vout theo thời gian của Fx 59

Hình 5.10 Đồ thị thể hiện quan hệ Fx-Vout 60

Hình 5.11 Điện áp đầu ra của Fy với độ khuếch đại theo Bảng 5.4 60

Hinh 5.12 Đồ thị thể hiện quan hệ Vout theo thời gian của Fy 61

Hình 5.14 Điện áp đầu ra của Mz với độ khuếch đại theo Bảng 5.4 62

Hinh 5.15 Đồ thị thể hiện quan hệ Vout theo thời gian 62

Hình 5 11 Đồ thị thể hiện quan hệ Vout- Mz 62

Hình 2.14 Biến dạng trên bề mặt nhánh khi có moment tác dụng 30

Hình 2.15 Mô hình cảm biến 30

Hình 2.16 Các phần chính của cảm biến 31

Hình 2.17 Sơ đồ lắp ráp 31

Hình 4.1 Cấu trúc của cơ cấu đàn hồi 44

Hình 4.2 Chuỗi nối tiếp. 45

Hình 4.3 Tổ hợp song song 46

Hình 4.4 Khớp mềm dạng tròn đối xứng 48

Hình 4.5 Tổ hợp song song của hai chuỗi nối tiếp 51

Hình 4.6 Mô hình một nhánh của phần tử đàn hồi 52

Hình 4.7 Mô hình phần tử đàn hồi được thu gọn 53

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Hằng số tem và hệ số nhiệt điện trở của một số kim loại làm tem 6

Bảng 1.2 Một số đặc tính quan trọng của tem điện trở kim loại thường dùng 7

Bảng 1.3 Những ưu, nhược điểm chung của tem biến dạng bằng kim loại 8

Bảng 1.4 Những ưu nhược điểm điển hình của tem bán dẫn 9

Bảng 1.5 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 14

Bảng 3.1 Biến dạng và điện áp khi FY tác dụng 38

Bảng 3.2 Biến dạng và điện áp khi FX tác dụng 39

Bảng 3.3 Biến dạng và điện áp khi Mz tác dụng 39

Bảng 3.4 Tần số riêng của cảm biến 40

Bảng 4.1 So sánh kết quả giải tích và FEM 54

Bảng 5.1 Một số đặc tính cần có của phần tử đàn hồi 55

Bảng 5.2 Đặc tính vật liệu làm phần tử đàn hồi – AISI 4140 55

Bảng 5.3 Thông số của strain gauge SGT-1/350-TY11 56

Bảng 5.4 Độ khuếch đại của các kênh 58

Bảng 5.5 Giá trị trung bình của điện áp ứng với lực tác dụng FX 59

Bảng 5.6 Giá trị trung bình của điện áp ứng với lực tác dụng Fy 60

Bảng 5.7 Giá trị trung bình của điện áp ứng với moment MZ 61

Bảng 5.8 So sánh kết quả mô phỏng và thử nghiệm 63

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN i

TÓM TẮT ii

DANH MỤC HÌNH VẼ iii

DANH MỤC BẢNG BIỂU vi

MỤC LỤC vii

Chương 1: TỔNG QUAN 1

1.1 Giới thiệu 1

1.1.1.Khớp mềm và những ứng dụng 1

1.1.2 Phương pháp đo lực 4

1.1.3 Tem điện trở kim loại 5

1.1.4 Tem điện trở bán dẫn 8

1.1.5 Những nguồn phát sinh sai số khi sử dụng tem điện trở 9

1.1.6 Đo lực sử dụng tem biến dạng 14

1.2 Công trìn liên quan 16

1.3 Mục tiêu đề tài 22

Chương 2: THIẾT KẾ PHẦN TỬ ĐÀN HỒI 23

2.1.Các phương án về hình dạng của phần tử đàn hồi 23

2.1.1 Phương án 1 23

2.1.3 Phương án 2 24

2.1.4 Phương án 3 26

2.1.5 Phương án 4 28

2.2 Thiết kế sơ bộ hình dạng của cảm biến 30

Chương 3: MÔ PHỎNG VÀ XÁC ĐỊNH ĐỘ NHẠY 32

3.1.Mô hình hóa và mô phỏng cảm biến 32

3.2.Chọn vị trí dán strain gauge 37

3.3.Xác định độ nhạy của cảm biến 38

3.4.Tần số riêng và độ cứng vững của cảm biến 40

Chương 4: PHÂN TÍCH ĐỘ CỨNG CỦA PHẦN TỬ ĐÀN HỒI 43

4.1.Xây dựng ma trận cứng và các thành phần 43

4.1.1.Ma trận cứng của chuỗi nối tiếp 44

4.1.2.Ma trận cứng của tổ hợp song song 45

4.2.Xác định độ cứng của phần tử đàn hồi 47

4.2.1.Ma trận cứng của các phần tử mềm 47

4.2.2.Ma trận cứng của tổ hợp song song của hai chuỗi nối tiếp 51

4.2.3.Ma trận cứng của phần tử đàn hồi 53

4.3.So sánh kết quả thu từ FEM và giải tích 53

Chương 5: CHẾ TẠO MẪU THỬ VÀ THỰC NGHIỆM 55

5.1.Chế tạo mẫu thử 55

5.1.1.Lựa chọn vật liệu 55

5.1.2.Mô hình cảm biến để thử nghiệm 56

5.2.Xác lập mạch đo và thu dữ liệu 58

5.2.1.Thiết lập hệ số khuếch đại 58

5.2.2.Kết quả thu được từ kênh Fx 59

5.2.3.Kết quả thu được từ kênh Fy 60

5.2.4.Kết quả thu được từ kênh Mz 61

5.3.So sánh kết quả độ nhạy giữa mô phỏng và thực nghiệm 63

Chương 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 64

6.1.Kết luận 64

6.2.Hướng phát triển 65

PHỤ LỤC 66

PHỤ LỤC 1: CÁC BẢN VẼ 66

PHỤ LỤC 2: BẢNG TRA ĐÁNH GIÁ VẬT LIỆU 71

PHỤ LỤC 3: MẠCH KHUẾCH ĐẠI 73 PHỤ LỤC 4: CODE MÔ HÌNH VÀ GIẢI BÀI TOÁN BẰNG ANSYS 75 TÀI LIỆU THAM KHẢO 77

Các nghiên cứu gần đây chủ yếu tập trung sử dụng cơ cấu mềm trong cảm biến

để làm giảm độ phức tạp của kết cấu và tăng độ cứng vững cũng như loại bỏ độ rơ

và độ mài mòn của các khớp Điều này sẽ làm cho cảm biến nhỏ gọn hơn trong khi khả năng chế tạo cao Cảm biến phẳng dùng khớp mềm có thể được dùng rộng rãi trong các cơ cấu chính xác như tay gắp, bàn máy phẳng, …

tự hãm nhỏ của cơ cấu truyền động Các khớp mềm phù hợp với môi trường làm việc chân không bởi vì nó có thể làm việc ở điều kiện không bôi trơn Ngoài ra, quá trình hoạt động của các khớp mềm không thải ra khí ô nhiễm như các khớp thông thường phát ra các bột kim loại do mài mòn và tổn thất do bôi trơn Mặt khác, các

cơ cấu sử dụng khớp mềm để truyền chuyển động thì phù hợp với lĩnh vực hoạt động chính xác, có thể đạt tới độ phân giải cao trong không gian nhỏ (Stuart T Smith, 2000 [1])

Để thay thế các khớp nối truyền thống, nhiều loại khớp mềm đã được pháp triển

và chế tạo Khớp bản lề (Hình 1.1) được nghiên cứu đầu tiên vào những năm 1960

và được ứng dụng đối với những dụng cụ cỡ nhỏ như chốt xoay con lắc đồng hồ cân bằng lực gia tốc kế

Chúng ta có thể thấy các khớp bản lề mềm dạng hình tròn, elíp, parabolic, hyperbolic, elliptical và corner-filleted

Hình 1.1 Khớp mềm bản lề

Đối với khớp dịch chuyển thẳng, ở đó có khớp mềm tịnh tiến có chuyển động kí sinh theo phương đứng (Hình 2a) khớp mềm tịnh tiến không có chuyển động kí sinh (Hình 2b)

Hình 1.2 Khớp mềm tịnh tiến [1]

Hình 1.3 Khớp mềm không gian dị tâm và đồng tâm [1]

Hình 1.4 Khớp cầu mềm [1]

1.1.2.Phương pháp đo lực [3,4,5]:

Ta có nhiều phương pháp để xác định lực như dùng tem điện trở biến dạng hoặc piezoelectric nhưng phổ biến và giá thành thấp vẫn là sử dụng tem điện trở biến dạng

Tem điện trở biến dạng (Strain gauge) là một loại phần tử nhạy cảm hoạt động theo nguyên lý chuyển đổi biến dạng thành biến đổi điện Đại lượng vào là các ứng suất cơ học làm biến dạng phần tử mang tem và do đó làm biến dạng tem, đại lượng

ra là gia số điện trở tem do biến dạng tạo nên

dA A

= ρ + +

Hệ số chuyển đổi của tem điện trở được gọi là hằng số tem g và được tính bằng

Từ (1.6) 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

Hình 1.5 Sơ đồ khối chuyển đổi cơ điện của tem biến dạng

Hình 1.6 Cấu trúc của tem điện trở [4]

(a) Một phần tử (b)Hai phần tử (c) Ba phần tử

1.1.3.Tem điện trở kim loại:

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

Tem điện trở biến dạng

Hình 1.7 Cấu tạo của tem điện trở kim loại

(a) Điện trở dây (b) Điện trở mạch in

Bảng 1.1 Hằng số tem và hệ số nhiệt điện trở của một số kim loại làm tem

được dán tem đo khi có lực nén tác dụng Trong trường hợp đã cho, đại lượng vào x

là ứng suất cơ học do lực nén dây và đại lượng ra y là biến đổi điện trở của tem đo Theo (1.5) thì biến đổi điện trở có thể viết:

Trong đó, ∆∆R là số gia biến đổi điện trở của tem đo; R là điện trở không tải

của tem đo; εεεε = dl / l là biến dạng dài tương đối của phần tử biến dạng

Theo định luật Hooke:

Trong đó: σ là ứng suất cơ học xuất hiện trong phần tử biến dạng khi có lực σ

nén và E là mô đun đàn hồi của phần tử biến dạng - của vật thể có độ biến dạng cần

= ∆ =

Vì mô đun đàn hồi của vật liệu chế tạo phần tử đàn hồi thường là rất lớn, do

đó cảm biến chế tạo từ tổ hợp phần tử biến dạng và tem điện trở bằng kim loại bao

giờ cũng có độ nhạy và gia số điện trở nhỏ Bảng 1.2 giới thiệu những giá trị đặc

trưng cơ bản của tem điện trở, 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

Bảng 1.2 Một số đặc tính quan trọng của tem điện trở kim loại thường dùng

Nhiệt độ làm việc cực

việc cực đại fmax(Hz)

Tỷ lệ nhạy ngang (%) Bình

2÷2,7 90;120;3003

Bảng 1.3 Những ưu, nhược điểm chung của tem biến dạng bằng kim loại

- 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

Hình 1.9 Cấu tạo của tem bán dẫn

Chất liệu làm điện trở cho tem là chất 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

y

y

2 3

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 1.4 Những ưu nhược điểm điển hình của tem bán dẫn

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)

Sử dụng biểu thức (1.6) và kí hiệu tỷ lệ biến đổi tương đối giữa điện trở suất với biến dạng (dρ/ρ) / (dl/l) là βββ ta sẽ tính được hằng số tem g của tem điện trở bán dẫn:

Hệ số chuyển đổi của tem bán dẫn lớn gấp 50 đến 100 lần so với tem kim loại Tem đo biến dạng bằng bán dẫn có độ nhạy cao và rất nhạy với biến đổi nhiệt độ của môi trường

1.1.5 Những nguồn phát sinh sai số khi sử dụng tem điện trở:

a) Sai số vì dán:

Tem điện trở có thể được dán trực tiếp lên đối tượng cần đo hoặc lên phần tử biến dạng của cảm biến đo cần chế tạo Kết quả của quá trình dán được gọi là hoàn hảo khi và chỉ khi tem đo tiếp bám trung thành mọi biến dạng của đối tượng cần đo hoặc của phần tử biến dạng trong cảm biến đo Ngược lại, nếu tem đo không tiếp

bám được biến dạng của vật thể cần đo thì khi ấy hiện tượng bò (trượt) xuất hiện và gây nên sai số đo

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:

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

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

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:

( ) ( )

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 α với số mũ là 10-5 /0C, để tiện so sánh hãy lấy điện trở gốc của tem vẫn là 100

biến đổi nhiệt 1oC gây ra lớn gấp mười lần so vơí 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 1.6 giới thiệu một mạch cầu đo điện trở với mạch thay thế Thevenin của nó[4], [3]

Hình 1.10 Mạch cầu trở kháng khái quát và mạch thay thế Thevenin

Rđ được dán dọc theo trục biến dạng cần đo x-x và tem bù trừ Rb dán theo trục vuông góc y-y (hình 1.8)

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

( ) ( )

Trong đó: R o là giá trị điện trở đồng nhất không tải của các tem ở 0oC;

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

Z1Z4

U

Z2Z3

U T

U T

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

Biểu thức (1.18) 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:

g E

Hình 1.11 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 1.12 Vị trí chính xác của tem đo và tem bù trừ nhiệt

được dán trên phần tử biến dạng thuần kéo hoặc thuần nén

Biểu thức bên phải có thể giản ước cho Ro Điều đó có nghĩa là điện áp ra không phụ thuộc vào giá trị điện trở gốc đo được ở 00C

Biểu thức bên phải cũng có thể giản ước cho (1+α.∆T) Điều đó có nghĩa là theo các số liệu của phép tính gần đúng thì điện áp ra không phụ thuộc vào nhiệt độ Sau khi giản ước ta có:

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:

- Hai tem có tham số giống nhau, trong đó, một tem chủ động (tem đo) còn một 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 1.5 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,

F F

F F

1.1.6 Đo lực sử dụng tem biến dạng:

Để có thể ứng dụng tem biến dạng đo các đại lượng vật lý khác nhau, người

ta chuyển các đại lượng vật lý đó về các tải biến dạng và ta có thể chế tạo được các cảm biến đo các đại lượng vật lý đó bằng tem biến dạng Tuỳ thuộc vào yêu cầu cụ thể để thiết kế chế tạo cảm biến đo cho phù hợp với đối tượng đo và đạt chất lượng mong muốn

Trong thực tế, việc sử dụng tem biến dạng để chế tạo cảm biến đo đã tỏ rõ tính phong phú và đa dạng Có nhiều loại được sản xuất hàng loạt thành thương phẩm, có loại chỉ sản xuất đơn chiếc theo các đơn đặt hàng, cũng có loại được chế tạo trong các phòng thí nghiệm đo lường nhằm ứng dụng vào các thử nghiệm đặc biệt Mục đích sử dụng của chúng cũng hết sức phong phú như đo thay đổi kích thước, đo lực, đo áp suất, đo mô men

Bảng 1.5 Một số phương thức bố trí tem đo và bù trừ tương ứng với ứng suất trên

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

Tem đo thực hiện chức năng tem

Mặt dưới: 2 Rđ(+)

Trên bốn nhánh cầu đều chứa tem đo

Tem đo thực hiện chức năng tem

bù

Mạch cầu đo của cảm biến có thể có một, hai hoặc cả bốn nhánh đều chứa tem Với những cảm biến đo tự chế tạo dù sử dụng một tem hoặc nhiều tem điều cốt yếu là phải bố trí tem trên các nhánh cầu sao cho điện áp ra đạt được trị cực đại Nếu bố trí không hợp lý, sẽ có thể xẩy ra trường hợp: độ lớn của điện áp ra sẽ không đáng kể khi đại lượng vào là cực đại

Cầu Wheatstone với bốn nhánh là bốn tem biến dạng có trị số điện trở gốc như nhau sẽ có độ nhạy lớn nhất khi và chỉ khi chiều biến dạng R1 và R3 ngược với chiều biến dạng của R2 và R4

Điện áp ra của mạch cầu luôn tỷ lệ với điện áp nguồn nuôi và vì vậy ứng với một biến đổi dù nhỏ của điện trở tem thì điện áp ra biến đổi tỷ lệ với:

- Hiệu đại số của các biến đổi điện trở trên các nhánh cầu kề nhau,

- Tổng đại số của các biến đổi điện trở trên các nhánh cầu đối nhau,

- Nếu trên mỗi nhánh cầu được mắc nối tiếp nhiều tem thì giá trị trung bình tương ứng của các biến dạng sẽ được phản ánh đầy đủ ở lối ra

Tem điện trở biến dạng 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 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

Hình 1.13 Tem điện trở được dán vào vật cần đo lực

1.2.Công trình liên quan:

Các công trình nghiên cứu gần đây chủ yếu tập trung vào cảm biến lực 6 DOF ứng dụng các cơ cấu mềm song song vì đòi hỏi những cải tiến đáng kể trong thiết kế

và chế tạo Trong đó, các cảm biến dùng Stewart Platform được chú ý nhiều vì có những kết quả khả quan từ các nghiên cứu như của Gui-Lin Chen 2007[5], T.A Dwarakanath [6,7], Krzysztof Mianowski 2004 [8], R Ranganath 2004 [9], M Sorli

và S Pastorelli 1995 [10] Các đề tài trên tập trung vào thiết kế , phân tích, tối ưu

kết cấu, khảo sát sự phụ thuộc các thông số hình học tới độ nhạy, độ cứng và đưa ra đặc trưng của các lực đo Các nghiên cứu trên đều sử dụng tem điện trở trong việc chuyển đổi tín hiệu cơ-điện để thu nhận kết quả

Hình 1.14 Cảm biến lực 6 DOF dùng Stewart Platform của T.A Dwarakanath [6]

Hình 1.15 Cảm biến lực 6 DOF dùng Stewart Platform của T.A Dwarakanath [7]

Hình 1.16 Sơ đồ thu nhận dữ liệu cho cảm biến của T.A Dwarakanath [7]

Hình 1.17 Thử nghiệm cảm biến của T.A Dwarakanath [7]

Hình 1.18 Cảm biến lực dùng Stewart Plateform của R Ranganath 2004 [9]

Cảm biến 6 DOF của Jin Zhenglin 2003 [11] dựa vào cơ cấu mềm song song, đưa ra được mối liên hệ của các kích thước hình học và độ cứng của cơ cấu, tạo nền cho việc tính toán tối ưu cơ cấu

Hình 1.19 Mô hình cảm biến của Jin Zhenglin [11]

(1)Tấm trên (2) Chân đàn hồi (3) Tem điện trở (4) Khớm mềm (5) Tấm dưới

Hình 1.20 Mạch cầu cho cảm biến của Jin Zhenglin [11]

Các công trình liên quan đến cảm biến 4 DOF đo và tổng hợp lực cổ tay như của Aguo Song 2006 [12], Ken-Jun Xu 2004 [13] Phương pháp đo vẫn dựa vào tem điện trở dán nhưng giảm về số lượng tem xuống một nữa so với 6 DOF vì giảm số bậc tự do cần đo

Hình 1.21 Mô hình phần tử hữu hạn cảm biến của Aguo Song [12]

Hình 1.22 Các mạch cầu sử dụng trong cảm biến của Aguo Song [12]

Công trình ứng dụng hiệu ứng piezoresistive của Dirk Diddens 1995 [14] dùng

đo 3 thành phần lực trong Smartpen tạo nhiều khác biệt vì phương pháp đo dùng piezoresistive

Hình 1.23 Mô hình cảm biến của Dirk Diddens [14]

Hình 1.24 Mạch cầu cho cảm biến của Dirk Diddens [14]

Tien-Fu Lu 1996 [15] đưa ra sự so sánh và đánh giá phương pháp calib dùng neural-network với phương pháp bình phương nhỏ nhất để đánh giá hiệu quả cũng như sự chính xác hơn của neural-network.Các công trình của T.A Dwarakanath [6,7], R Ranganath 2004 [9], Aguo Song 2006 [12], Dirk Diddens 1995 [14], chủ yếu tập trung vào việc thu nhận và xử lý tín hiệu vào ra của cảm biến, đánh giá kết quả thu được đồng thời hiệu chỉnh và đưa ra giới hạn làm việc của cảm biến Ngoài những công trình nghiên cứu trên, các tài liệu [4,5] đưa ra các dạng cảm biến thông dụng dùng phần tử đàn hồi như cảm biến dạng dầm, dạng cột, dạng vòng

và dạng màng Đây là các cảm biến đã được thương mại hóa và kết cấu khá đơn giản nhưng thường chỉ đo được 1 bậc tự do

Hình 1.25 Cảm biến dạng vòng [2]

1.3.Mục tiêu đề tài:

Sau quá trình tìm hiểu về các đề tài liên quan, ta có thể thấy được khớp nối mềm được sử dụng nhiều khi các cảm biến đòi hỏi sự nhỏ gọn và độ chính xác cao Tuy nhiên, các tham khảo trên đa phần tập trung vào ứng dụng Stewart Platform trong các cảm biến 6 bậc tự do hoặc 4 bậc tự do của cảm biến ở khớp cổ tay, kết cấu phần

tử đàn hồi phức tạp, sử dụng nhiều strain gauge, kết cấu cảm biến phần lớn chưa được tối ưu hóa… Luận văn sẽ tập trung vào cảm biến phẳng ba bậc tự do vì tiết kiệm được chi phí khi chỉ cần đo lực phẳng, vẫn sử dụng cơ cấu đàn hồi như các công trình trên nhưng sẽ tối ưu hóa kết cấu để cảm biến có độ cứng vững giới hạn

đo và độ nhạy tốt

Chương 2:

THIẾT KẾ PHẦN TỬ ĐÀN HỒI

2.1.Các phương án về hình dạng của phần tử đàn hồi:

Vật liệu chọn làm phần tử đàn hồi là thép AISI 304 với module đàn hồi E= 1.9x1011N/m2, hệ số Poission ν= 0.29, giới hạn chảy σy= 206807000 N/m2

Giá trị yêu cầu tối đa của cảm biến là Fx, Fy=100N, Mz=1Nm Do đó chọn giá trị tính toán thiết kế để an toàn là: Fx, Fy=150N, Mz=2Nm

2.1.1 Phương án 1:

Hình 2.1 Phân bố biến dạng khi có lực tác dụng

Hình 2.2 Phân bố biến dạng khi có moment tác dụng

Nhận xét : vùng tập trung biến dạng rất gần gốc của mỗi nhánh nên sẽ gây trở ngại cho việc dán lá đo Do đó ta phải chuyển vùng tập trung biến dạng ra xa gốc

2.1.2.Phương án 2:

Hình 2.3 Phân bố biến dạng khi có lực tác dụng

Hình 2.4 Biến dạng trên mặt 1 nhánh khi có lực tác dụng

Hình 2.5 Phân bố biến dạng khi có moment tác dụng

-1.00E-04 -5.00E-05 0.00E+00 5.00E-05 1.00E-04 1.50E-04

x

Hình 2.6 Biến dạng trên mặt một nhánh khi có moment tác dụng

Nhận xét: Biến dạng đã ở xa gốc phần tử đàn hồi nhưng vẫn chưa tập trung Phải tập trung biến dạng để kết quả đo chính xác

2.1.3 Phương án 3:

Thêm các khớp mềm vào cuối mỗi rãnh

Hình 2.7 Phân bố biến dạng khi có lực tác dụng

-5.00E-05 -4.00E-05 -3.00E-05 -2.00E-05 -1.00E-05 0.00E+00 1.00E-05 2.00E-05

x

Hình 2.8 Biến dạng trên bề mặt nhánh khi có lực tác dụng

Hình 2.9 Phân bố biến dạng khi có moment tác dụng

-6.00E-04 -4.00E-04 -2.00E-04 0.00E+00 2.00E-04 4.00E-04 6.00E-04

x

Hình 2.10 Biến dạng trên bề mặt nhánh khi có moment tác dụng

Nhận xét: Biến dạng đã tập trung hơn khi tác dụng lực nhưng vẫn chưa tập trung khi tác dụng moment

2.1.4 Phương án 4:

Thêm các khớp đàn hồi vào tại gốc của phần tử

Hình 2.11 Phân bố biến dạng khi có lực tác dụng

-6.00E-05 -4.00E-05 -2.00E-05 0.00E+00 2.00E-05 4.00E-05 6.00E-05 8.00E-05 1.00E-04

x