Đo lực và ứng suất, chương 6

Chia sẻ: Nguyen Van Dau | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:17

0
48
lượt xem
11
download

Đo lực và ứng suất, chương 6

Mô tả tài liệu
  Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mô hình hình học là những mô hình cơ khí sẽ chịu biến dạng dưới tác dụng lực ngoài. Mô hình này kết hợp với miếng cảm biến tạo thành mạch cảm biến phục vụ cho việc đo biến dạng. Các mô hình thường được sử dụng là: + Vòng chịu kéo nén. + Dầm chịu uốn ngang phẳng. + Dầm uốn và xoắn đồng thời. Tuy nhiên mô hình đơn giản và trực quan nhất vẫn là mô hình dầm chịu uốn ngang phẳng....

Chủ đề:
Lưu

Nội dung Text: Đo lực và ứng suất, chương 6

  1. CHÖÔNG 6 THIEÁT KEÁ PHAÀN CÖÙNG I. SÔ ÑOÀ KHOÁI HEÄ THOÁNG ÑO: MOÂ HÌNH MAÏCH MAÏCH MAÏCH MAÏCH GIAO HÌNH CAÛM CAÀU CHÆNH TIEÁP MAÙY HOÏC BIEÁN WHEASTONE OFFSET TÍNH NGUOÀN NGUOÀN KÍCH DC DC CHO CAÀU II. SÔ LÖÔÏC CHÖÙC NAÊNG CAÙC KHOÁI: 1. Moâ hình hình hoïc: Moâ hình hình hoïc laø nhöõng moâ hình cô khí seõ chòu bieán daïng döôùi taùc duïng löïc ngoaøi. Moâ hình naøy keát hôïp vôùi mieáng caûm bieán taïo thaønh maïch caûm bieán phuïc vuï cho vieäc ño bieán daïng. Caùc moâ hình thöôøng ñöôïc söû duïng laø: + Voøng chòu keùo neùn. + Daàm chòu uoán ngang phaúng. + Daàm uoán vaø xoaén ñoàng thôøi. Tuy nhieân moâ hình ñôn giaûn vaø tröïc quan nhaát vaãn laø moâ hình daàm chòu uoán ngang phaúng. 2. Maïch caûm bieán: Caûm bieán thöôøng söû duïng laø Strain – Gage. Strain – Gage laø caûm bieán ñieän trôû nghóa laø seõ thay ñoåi giaù trò ñieän trôû khi bò bieán daïng.
  2. 3. Maïch caàu Wheatstone: Caàu Wheatstone coù caáu taïo goàm 3 ñieän trôû coá ñònh vaø moät ñieän trôû thay ñoåi (Strain – gage) noái nhau taïo thaønh maïch caàu. Bình thöôøng khi mieáng Strain – gage chöa bò bieán daïng thì hai nhaùnh ñieän trôû caân baèng vôùi nhau. Luùc naøy neáu ta coù 1 nguoàn kích vaøo 2 ñieåm ñoái xöùng cuûa caàu thì giöõa 2 ñieåm ñoái xöùng coøn laïi aùp ra seõ baèng khoâng töùc caàøu caân baèng. Khi coù taùc duïng löïc seõ laøm thay ñoåi ñieän trôû strain-gage, luùc naøy caàu maát caân baèng vaø seõ xuaát hieän ñieän aùp ôû ngoõ ra. Vôùi söï thay ñoåi ñieän trôû Strain – gage keùo theo söï thay ñoåi ñieän aùp ngoõ ra. Ñoù laø nguyeân lyù cô baûn cuûa caàu Wheatstone. 4. Nguoàn kích DC: Ñeå caàu Wheatstone hoaït ñoäng thì ta phaûi cung caáp 1 nguoàn DC oån ñònh. Giaù trò ñieän aùp kích naøy thay ñoåi tuøy theo töøng boä caûm bieán. 5. Maïch chænh Offset: Bình thöôøng, neáu trong ñieàu kieän lyù töôûng khi caàu ôû traïng thaùi caân baèng thì ñieän aùp ngoõ ra baèng 0V. Tuy nhieân trong thöïc teá raát khoù coù theå chænh caàu veà traïng thaùi caân baèng neân vaãn coù ñieän aùp leäch ôû ngoõ ra. Maïch offset coù taùc duïng chænh cho ñieän aùp ngoõ ra baèng 0V luùc caàu caân baèng. 6. Maïch giao tieáp maùy tính: Phaàn maïch giao tieáp maùy tính bao goàm: Maïch khueách ñaïi, maïch chuyeån ñoåi AD vaø phaàn meàm xöû lyù döõ lieäu. Maïch khueách ñaïi: vì ñieän aùp xuaát hieän ôû ngoõ ra cuûa caàu Wheatstone coù giaù trò raát beù neân tröôùc khi ñöa vaøo ngoõ vaøo cuûa maïch chuyeån ñoåi AD thì tín hieäu ñieän aùp naøy phaûi ñöôïc khuyeách ñaïi ñuû lôùn ñeå ñaùp öùng ngoõ vaøo cuûa maïch AD. Maïch khuyeách ñaïi
  3. thöôøng chia laøm 3 taàng trong ñoù coù 1 taàng coù taùc duïng loïc nhieãu nguoàn. Maïch chuyeån ñoåi AD: ñeå giao tieáp vôùi maùy tính thì tín hieäu töông töï (analog) phaûi ñöôïc chuyeån sang tín hieäu soá (digital) baèng maïch ADC. Tín hieäu soá naøy seõ ñöôïc ñöa vaøo maùy tính qua coång maùy in. Phaàn meàm xöû lyù döõ lieäu: phaàn meàm ñöôïc vieát baèng ngoân ngöõ PASCAL vôùi chöùc naêng xöû lyù ñeå cho ra keát quaû döôùi caùc daïng khaùc nhau III. THIEÁT KEÁ PHAÀN CÖÙNG: 1. Moâ hình daàm chòu uoán ngang phaúng: Moâ hình daàm chòu uoán ngang phaúng laø moät thanh thaúng coù maët caét ngang hình chöõ nhaät B.H (B=50mm, H=5mm). Moät ñaàu ñöôïc keïp vaøo ngaøm, ñaàu kia töï do ñeå treo caân. Taïi C coù daùn moät mieáng Strain –Gage coù phöông truøng vôùi phöông chính. max P H max B C b a l Hình moâ hình kieåm nghieäm daàm chòu uoán
  4. Muïc ñích: xaùc ñònh öùng suaát bieán daïng taïi vò trí C treân daàm chòu uoán ngang phaúng. Töø ñoù döïa vaøo quan heä cô hoïc ñeå tìm caùc ñaïi löôïng: ñoä voõng, löïc, moment... p .a B .H 2 ÖÙng suaát :   Vôùi W  W 6 a B.H 3 Bieán daïng : ε  .p J W.E 6 l3 Chuyeån vò : δ  .p 3.E.J Trong ñoù : W : moment choáng uoán. E : modun ñaøn hoài cuûa vaät lieäu laøm thanh. J : Moment quaùn tính. Sô ñoà boá trí Strain Gauge Maïch buø Khueách R U ñaïi boå Maïch AD Maùy tính sung R U
  5. 2. Choïn caûm bieán Strain – Gage vaø choïn heä soá maïch khueách ñaïi: Choïn caûm bieán coù caùc thoâng soá sau: Chòu löïc max : 20000N. Tyû leä aùp ra treân aùp kích laø 2mV/V. Aùp kích toái ña 15V. Thöïc teá vieäc tìm caûm bieán raát khoù vaø giaù thaønh raát ñaét. Tuy nhieân ñeå minh hoïa yù töôûng thieát keá nhoùm sinh vieân thöïc hieän coù lieân heä möôïn ñöôïc strain – gage coù caùc thoâng soá sau: Chòu löïc max : 2kg. Tyû leä aùp ra treân aùp kích laø 1mV/V. Ñieän trôû strain - gage 120. Choïn aùp kích cho strain gage laø 5V.  aùp ra toái ña cuûa caûm bieán laø : 5V.1mV/V = 5mV. Choïn heä soá maïch khueách ñaïi : ADC maéác theo taàm ño löôõûng cöïc +/-5V öùng vôùi 4096 möùc löôïng töû töø 000H – FFFH. 2000 gram  5mV(caàu)  5V(ADC).  heä soá maïch khueách ñaïi laø :5V/ 5mV = 1000. 3. Tính toaùn vaø thieát keá maïch khuyeách ñaïi DC: Caùc yeâu caàu cuûa maïch khuyeách ñaïi: - Khueách ñaïi tuyeán tính: do tín hieäu ñaàu vaøo caàn khueách ñaïi laø ñieän aùp DC raát nhoû, do ñoù söï thay ñoåi naøy laø raát chaäm. - Coù khaû naêng khueách ñaïi ñieän aùp sai bieät cuûa 2 ngoõ vaøo. - Coù khaû naêng choáng nhieãu taàn soá coâng nghieäp. - Töø nhöõng yeâu caàu treân ta coù daïng maïch khueách ñaïi nhö sau: R3 Va C1 R1 + Vb V1 R5 R6 V2 + C2 + R2 R9 R4
  6. - Choïn Op.Amp laø TL 082. - Ñieän aùp 2 ngoõ vaøo Va vaø Vb ñöôïc laáy töø caàu Wheatstone.
  7. a. Taàng thöù nhaát: R3 R3 Va R1 Va R1 v- V1 V1 Vb Vb v+ + R2 R2 R4 R4 Vieát ñònh luaât Kirchhoff cho V(  ) . v b  v  v(  ) v .R   v(  )  b 4 R2 R4 R2  R4 Ñònh luaät Kirchhoff cho V(-) . va  v v1  v  0 R1 R3 v .R  v .R  v(  )  a 3 1 1 R3  R2 Theo tính chaát cuûa Op.amp ta coù V(  )  V(  ) v b . R4 R .v  R` .v1  3 a R2  R 4 R3  R1 Ñeå ñôn giaûn ta choïn R 1  R2 ; R3  R4 . Khi ñoù : R 3 .Va  R1 .V1  Vb .R4 R  V1  3 .(Vb  Va ). R1 (Vb  Va ) ñieän aùp sai leäch töø caàu Wheatsto ne. R Do ñoù heä soá khueách ñaïi taàng thöù 1 laø A 1  3 R1
  8. Taàng thöù 2: C1 V1 R5 R6 V2 C2 + R7 R8 Ñaây laø maïch loïc taàng thaáp baäc 2 hoài tieáp döông. Haøm truyeàn cuûa maïch ñöôïc vieát nhö sau : A2 A( p)  1   C .C 2 .( R 5  R 6 )  (1  A 2 ) R 5 .C 1 . p   C . R 5 . R 6 .C 1 .C 2 . p 2 2 R Trong ñoù A 2  1  7 R8 Ñeå ñôn giaûn coâng thöùc tính toaùn baèng caùch cho caùc giaù trò. R 5  R 6  R vaø C 1  C 2  C .Haøm truyeàn luùc naøy seõ laø A2 A( p)  1   C .C . R ( 3  A 2 ). p   ( C . R .C ) 2 . p 2 So saùnh haøm truyeàn toång quaùt cuûa taàng thaáp baäc 2 A0 A( p)  1  a 1 . p  b1 . p 2 Ta thaáy a 1   C . R .C .( 3  A 2 ) b 1   C . R 2 .C 2 2 Tra baûng giaù trò a1,b1 naøy ôû baûng 2 loaïi boä loïc Butterworth (*). (Trang 26 – tính toaùn vaø öùng duïng maïch loïc tích cöïc – KS. Ngoâ Anh Ba).
  9. Ta ñöôïc a 1  2 , b1  1 .  C . R .C (3  A 2 )  2   2 2 2  A 2  3  2  1,586  C . R .C  1  R R Suy ra 1  7  1,586  7  0 ,58 . R8 R8 Choïn R 8  10 k  ; R 7  5,8 k  ; Choïn R 7  5 ,6 k  10 .5,6 Choïn 2R  (R 7 // R 8 )   3,58 k   3 .6 k  10  5,6 Ta ñöôïc R  1,8k  . Ñeå haïn cheá nhieãu ôû taàn soá 50Hz choïn f C  10 Hz . 1 1  C    8 ,9  F . 2 . . f . R 2 . .50 .1,8 .10 3 Choïn C  10  F ta tính laïi f C  8,8 Hz.
  10. b. Taàng thöù 3: Taàng 3 duøng ñeå chænh ñieän aùp leäch, ñoàng thôøi maïch duøng ñeå chia ñoä lôïi ñeå ñaûm baûo heä soá khueách ñaïi cuûa moãi taàng laø khoâng quaù lôùn. Heä soá khueách ñaïi taàng thöù 3: R 10 A3  1  R 11 Choïn R10  47K ; R11  10K  A3= 5.7 Heä soá khueách ñaïi toaøn maïch laø : A=A1.A2.A3 =R3/R1. .1,586 . 5,7 =1000 Choïn R1=1K  R3 =110,6K choïn R3=100K. 4. Ñieàu khieån ADC ICL7109 vaø ñoïc vaøo coång maùy in: Choïn ICL 7109 coù ñoä phaân giaûi 12 bit, reû, deã tìm treân thò tröôøng , thích hôïp cho caùc maïch ño coù ñoä chính xaùc cao. Caùc BYTE CONTROL INPUT bao goàm : LBEN : ( low byte enable) :ñöôïc noái ñeán bit D 0 cuûa thanh ghi döõ lieäu coù ñòa chæ $378. H.BEN : ( High byte enable) : ñöôïc noái ñeán bit D1 cuûa thanh ghi döõ lieäu. CE/LOAD : Cho ôû möùc [0] ñeå ICL 7109 ôû traïng thaùi saün saøng bieán ñoåi. RUN/ HOLD ñöôïc noái ñeán bit D cuûa thanh ghi döõ lieä u coù address : $378 Thanh ghi döõ lieäu : D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 HBEN LBEN RUN/HOLD
  11. Chaân ERROR (chaân thöù 15 cuûa DB25) ñöôïc noái vôùi chaân STATUS. Khi STATUS xuoáng möùc thaáp baùo hieäu vieäc chuyeån ñoåi ñaõ hoaøn taát. Quaù trình chuyeån ñoåi ñöôïc thöïc hieän nhö sau: maùy tính seõ gôûi döõ lieäu qua coång maùy in ñeå taùc ñoäng caùc chaân RUN/HOLD,H.BEN,L.BEN roài maùy ñoïc vaøo cho ñeán khi STATUS xuoáng thaáp. Do giao tieáp vôùi maùy tính baèng coång maùy in neân ta khoâng theå ñoïc vaøo 1 laàn laø 12 bit, do ñoù ta coù theå ñoïc vaøo maùy tính 1 laàn 4 bit vaø quaù trình ñoïc töø ADC vaøo maùy tính seõ ñöôïc ñoïc 3 laàn seõ heát 12 bit. Quaù trình ñoïc laàn löôït naøy seõ ñöôïc thöïc hieän thoâng qua IC ña hôïp 74257. IC naøy seõ ña hôïp 8 ngoõ vaøo cho 4 ngoõ ra, taát nhieân laø 12 bit thì caàn phaûi coù 2 IC 74257. Caùc ngoõ vaøo ñöôïc choïn nhôø vaøo 2 chaân OE vaø SL. Sô ñoà maïch ña hôïp ñöôïc veõ sau ñaây: 74257 { 1A 1Y SLCT (13) (low) B1..B8 töø 1B PE (12) 2A 2Y ADC 7109 2B 3A ACK(10) 3B 4A 4Y BUSY (11) (high) 4B INIT { SL 7417 OE Ngoõ vaøo choïn SLCTIN - 74257 { 1A 1Y B9..B12 töø 1B 2A 2Y ADC 7109 2B 3A 3B 4A 4Y 4B SL OE -
  12. 2 ngoõ vaøo choïn ñöôïc noái ñeán 2 bit D2 vaø D3 cuûa thanh ghi ñieàu khieån coù ñòa chæ $37AH öùng vôùi chaân 16 vaø 17 cuûa DB25. Töø baûng traïng thaùi cuûa IC 74257 ta coù baûng traïng thaùi sau: SLCTI INIT OE SL Bit ñoïc vaøo N 1 0 0 0 B1—B4. 1 1 0 1 B5—B8. 0 0 1 0 B9—B12. Do ôû thanh ghi ñieàu khieån taïi bit D3 tröôùc khi ñöa ra ñeå noái DB 25 qua coång not. Vì vaäy muoán gôûiø D3=0 ra coång thì phaûi qua theâm 1 coång Not nöõa nhö hình veõ.
  13. -Khi INIT=0 SL=0  Ngoõ vaøo B1..B4 ñöôïc choïn (74257 (1) ñöôïc SLCTIN = 1 OE(1)=0 choïn -Khi INIT=1 SL=1  Ngoõ vaøo B5..B8 ñöôïc choïn (74257 (1) ñöôïc SLCTIN = 1 OE(1)=0 choïn OE(2)=1  74257 (2): Hz -Khi INIT=0 SL=0  74257 (1): Hz SLCTIN = 0 OE(1)=1 OE(2)=0  74257 (2) ñöôïc choïn vaø B9..B12 ñöôïc ñoïc vaøo. 5. Boä nguoàn DC: Nguoàn ôû ñaây söû duïng ôû caáp ñieän aùp  5V ñeå cung caáp cho ICL 7109;  12V cho TL 082. Vôùi 2 caáp ñieän aùp naøy söû duïng IC oån aùp 3 chaân ñoù laø 7812, 7912, 7805, 7905. Trong ñoù 79xx laø hoï IC oån aùp aâm, 78xx laø hoï IC oån aùp döông. Sô ñoà maïch ñöôïc veõ nhö sau:  +12V 4,7uF 15V  +5V - + ~ 220 0,1uF 25V 15V 2200uF  -12V 25V 4,7uF 2200uF  -5V 0,1uF
  14. Bieán aùp söû duïng laø bieán aùp coù ñieåm giöõa.
  15. Nguoàn kích cho caàu Wheatstone: 12V 6 12 11 Regulator Output 10 R1 2 R 5 3 R2 7 4 R3 Trong ñoù R 3  R2 // R1 R2 Vout  Vcc . R1  R2 Sô ñoà keát noái LM 723.
Đồng bộ tài khoản