Thiết kế bộ cảm biến kết nối không dây với máy vi tính kiểm chứng định luật II và III Newton

JOURNAL OF SCIENCE OF HNUE<br /> Educational Sci., 2016, Vol. 61, No. 8B, pp. 68-75<br /> This paper is available online at http://stdb.hnue.edu.vn<br /> <br /> DOI: 10.18173/2354-1075.2016-0160<br /> <br /> THIẾT KẾ BỘ CẢM BIẾN KẾT NỐI KHÔNG DÂY VỚI MÁY VI TÍNH KIỂM<br /> CHỨNG ĐỊNH LUẬT II VÀ III NEWTON<br /> Mai Hoàng Phương, Ngô Minh Nhựt<br /> Khoa Vật lí, Trường Đại học Sư phạm Thành phố Hồ Chí Minh<br /> Tóm tắt. Chúng tôi nghiên cứu thiết kế bộ cảm biến không dây (gồm các cảm biến lực và<br /> gia tốc) kết nối với máy vi tính thông qua sóng vô tuyến tần số 2.4 GHz. Bộ cảm biến này<br /> có thể hỗ trợ giáo viên và học sinh tiến hành thực hiện các thí nghiệm đo vận tốc, gia tốc và<br /> lực của một vật chuyển động. Kết quả bước đầu cho thấy cảm biến đo gia tốc cho kết quả<br /> đo khá chính xác trong khi kết quả đo lực có độ chính xác chưa cao, nên cần phải nghiên<br /> cứu chỉnh sửa mạch xử lí tín hiệu từ cảm biến lực hoặc sử dụng cảm biến khác có độ nhạy<br /> cao hơn. Trong bài báo này, chúng tôi trình bày cơ sở lí thuyết của nghiên cứu cảm biến gia<br /> tốc, cảm biến lực và phương pháp tiến hành thí nghiệm đánh giá độ chính xác của bộ cảm<br /> biến đã thiết kế.<br /> Từ khóa: Cảm biến lực, cảm biến gia tốc, thí nghiệm vật lí, thí nghiệm kết nối với máy vi<br /> tính.<br /> <br /> 1.<br /> <br /> Mở đầu<br /> <br /> Trong dạy học phần cơ học, giáo viên và học sinh thường gặp khó khăn trong việc xác định<br /> các đại lượng như vận tốc, gia tốc, và lực tác dụng,. . . Các phương pháp truyền thống được sử dụng<br /> như phương pháp dùng cần rung điện, đồng hồ đo hiện số, lực kế lò xo chỉ đo được giá trị trung<br /> bình của các đại lượng vật lí, nên không thể khảo sát sự thay đổi của các đại lượng vật lí theo thời<br /> gian.<br /> Hiện nay, một số bộ thí nghiệm ghép nối với máy vi tính cùng với các phần mềm xử lí số<br /> liệu thí nghiệm giúp cho việc đo đạc và xử lí số liệu thí nghiệm trở nên nhanh chóng và dễ dàng<br /> như các thiết bị ghép nối và các phần mềm tương ứng của Phywe (Đức), Pasco, Vernier (Mỹ),. . .<br /> Gần đây, một số tác giả trường đại học Tây Nguyên [1] đã nghiên cứu sử dụng nhiều loại cảm biến<br /> để chế tạo các thiết bị thí nghiệm vật lí phổ thông, góp phần nâng cao độ chính xác của các dữ<br /> liệu thu thập cũng như giúp cho việc xử lí số liệu dễ dàng và nhanh chóng hơn. Nhưng, các bộ thí<br /> nghiệm này thường có dây nối từ máy tính đến vật cần khảo sát, do đó việc bố trí thí nghiệm cồng<br /> kềnh, phức tạp, dẫn đến số liệu thu thập được từ cảm biến kém chính xác.<br /> Vì vậy, cần thiết phải thiết kế, chế tạo bộ cảm biến không dây nhằm giúp cho việc bố trí<br /> thí nghiệm thuận tiện hơn, bên cạnh đó việc tích hợp cảm biến đo lực và đo gia tốc trên cùng một<br /> thiết bị giúp khảo sát được mối quan hệ giữa lực tác dụng và gia tốc chuyển động.<br /> Ngày nhận bài: 16/7/2016. Ngày nhận đăng: 15/9/2016.<br /> Liên hệ: Mai Hoàng Phương, e-mail: phuongmh@hcmup.edu.vn<br /> <br /> 68<br /> <br /> Thiết kế bộ cảm biến kết nối không dây với máy vi tính kiểm chứng định luật 2 và 3 Newton<br /> <br /> 2.<br /> 2.1.<br /> <br /> Nội dung nghiên cứu<br /> Đối tượng nghiên cứu<br /> <br /> Cảm biến đo gia tốc ADXL335<br /> Cảm biến gia tốc ADXL335 [3] (hình 1) được sử<br /> dụng để đo gia tốc của đối tượng cần khảo sát. Cảm biến<br /> này được mua ở trên thị trường Việt Nam, cho phép xác<br /> định một cách độc lập giá trị gia tốc theo các phương trục<br /> tọa độ X, Y và Z với giới hạn đo trong khoảng từ -30 m/s2<br /> đến 30 m/s2 . Tín hiệu ngõ ra là tín hiệu tương tự với điện Hình 1. Cảm biến gia tốc ADXL335<br /> áp ở mỗi trục tỉ lệ tuyến tính với gia tốc theo phương đó.<br /> Điện áp ngõ ra biến đổi từ 0 V đến 3,3 V.<br /> Cảm biến đo lực<br /> Cảm biến lực (hình 3) là loại cảm biến hoạt động dựa vào việc đo độ chênh lệch điện thế<br /> giữa hai điểm trên một mạch cầu khi có lực tác dụng lên cảm biến. Cảm biến này, chúng tôi khai<br /> thác và sử dụng từ cảm biến lực kết nối có dây của hãng Pasco. Mỗi loadcell gồm một vật đàn hồi<br /> đóng vai trò như vật chịu tải (load), trên khối nhôm có dán 4 (hoặc ít hơn tùy loại) tấm strain gauge<br /> (cell) giống nhau đóng vai trò như các điện trở mắc thành mạch cầu Wheastone (hình 2), trong đó<br /> có 2 tấm strain gauge chịu nén và 2 tấm strain gauge chịu dãn.<br /> <br /> Hình 2. Mạch cầu Wheastone<br /> và tấm strain gauge<br /> <br /> Hình 3. Cảm biến lực<br /> <br /> Khi cung cấp điện áp nguồn VEX cho mạch cầu, ngõ ra V0 là điện thế chênh lệch giữa 2<br /> nút a và b [2] được tính bởi công thức:<br /> <br /> <br /> R3<br /> R2<br /> V0 =<br /> −<br /> VEX<br /> (1)<br /> R3 + R4 R1 + R2<br /> Khi không bị tác động lực, điện trở của 4<br /> tấm strain không đổi, nên cầu ở trạng thái cân bằng<br /> (V0 = 0). Khi bị tác động (tác động kéo hoặc nén),<br /> vật bị biến dạng, các tấm cảm biến thay đổi điện<br /> trở làm cầu mất cân bằng nên xuất hiện ở ngõ ra<br /> a, b một điện áp V0 .<br /> Truyền nhận dữ liệu bằng sóng radio tần<br /> số 2.4 GHz<br /> Để truyền và nhận dữ liệu giữa hai bảng<br /> mạch, module nRFL01 cho phép kết nối không<br /> dây truyền và nhận dữ liệu giữa 2 module nhanh<br /> chóng thông qua sóng radio tần số 2,4 GHz.<br /> <br /> Hình 4. Module nRFL01 và sơ đồ các chân<br /> <br /> 69<br /> <br /> Mai Hoàng Phương, Ngô Minh Nhựt<br /> <br /> Ưu điểm của module nRFL01 là có thể lựa chọn 3 mức tốc độ kết nối là 2 Mbit/s, 1Mbit/s và<br /> 250Kbit/s [5, tr.1] với khoảng cách truyền nhận xa nhất trong môi trường không vật cản là 100m.<br /> <br /> 2.2.<br /> <br /> Phương pháp thực hiện<br /> <br /> Xử lí tín hiệu cảm biến lực<br /> Khi có lực tác dụng vào loadcell, điện trở của các tấm strain gauge bị thay đổi làm xuất hiện<br /> hiệu điện thế V0 của mạch cầu. Tuy nhiên, do sự thay đổi này rất nhỏ (cỡ vài mV) nên cần phải<br /> khuếch đại điện áp V0 để có thể thu nhận được tín hiệu đầu ra. IC khuếch đại INA125 được sử<br /> dụng để thiết kế mạch khuếch đại vì có độ ổn định cao, giảm nhiễu, điện áp hoạt động thấp. Điện<br /> áp đầu ra Vout sau khi khuếch đại được xác định theo biểu thức (2) [3]:<br /> <br /> <br /> <br />
<br /> 60kΩ<br /> +<br /> −<br /> (2)<br /> Vout = 2, 5 + Vin − Vin 4 +<br /> RG<br /> <br /> Xử lí tín hiệu cảm biến gia tốc<br /> Khi cung cấp điện áp hoạt động là 3.3 V thì tín hiệu theo lí thuyết ở mỗi trục sẽ thay đổi từ<br /> 0 V đến 3,3 V tương ứng với giá trị gia tốc đo được từ −3g đến 3g. Như vậy, khi gia tốc trên mỗi<br /> trục bằng 0 (giá trị zero g) thì điện áp ngõ ra theo lí thuyết là 1,65 V. Tiến hành chuẩn cảm biến<br /> để xác định giá trị zero-g và độ nhạy (sensitivity) bằng cách đo hình chiếu gia tốc trọng trường lên<br /> một trục khi thay đổi góc nghiêng của cảm biếnđể xác định giá trị điện áp 0 g - zero g và độ nhạy<br /> (sensitivity) thực tế trên mỗi trục.<br /> Khi đặt cảm biến nằm ngang trên mặt phẳng được cân chỉnh bằng thước, trục Ox của cảm<br /> biến vuông góc với phương của trọng lực tác dụng lên cảm biến. Tiến hành nghiêng mặt phẳng<br /> theo trục Ox một góc α, lúc này hình chiếu gia tốc trọng trường lên trục Ox là gsinα. Như vậy khi<br /> nghiêng mặt phẳng từ −90◦ đến 90◦ thì hình chiếu gia tốc lên trục Ox sẽ thay đổi từ −1 g đến +1<br /> g. Đo giá trị điện thế tín hiệu ngõ ra trục Ox của cảm biến khi thay đổi góc α, ta tìm được mối<br /> quan hệ tuyến tính giữa điện thế ngõ ra và gia tốc trên trục Ox. Mối liên hệ giữa điện áp ngõ ra<br /> trục X và giá trị gia tốc có biểu thức<br /> VX = 1, 555 + 0, 0318aX<br /> <br /> (3)<br /> <br /> Giá trị điện thế offset trục X: 1,555 V. Độ nhạy sensitivity trục x 31,8 mV/m/s2 . Ta được<br /> hàm biễu diễn mối quan hệ giữa gia tốc và điện thế ngõ ra trên trục X là<br /> Voutx − 1, 555<br /> (m/s2 )<br /> (4)<br /> ax =<br /> 0, 0318<br /> Tiến hành chuẩn cảm biến với trục Y và Z tương tự như trên.<br /> Sơ đồ bộ thí nghiệm<br /> <br /> Hình 5. Sơ đồ bộ thí nghiệm kết nối máy tính thông qua sóng radio<br /> 70<br /> <br /> Thiết kế bộ cảm biến kết nối không dây với máy vi tính kiểm chứng định luật 2 và 3 Newton<br /> <br /> 2.3.<br /> <br /> Kết quả<br /> Phần cứng<br /> Phần cứng gồm có 2 phần: bộ cảm biến đo lực, đo gia tốc và mạch thu nhận tín hiệu.<br /> <br /> Hình 6. Bộ cảm biến đo lực, đo gia tốc và bộ thu tín hiệu<br /> Bộ cảm biến đã thiết kế đạt được một số thông số sau:<br /> Gia công khối nhựa mica có kích thước 5 cm x 8 cm x 5 cm để lắp các cảm biến thành bộ<br /> cảm biến, khối lượng bộ cảm biến 230 g; giới hạn đo gia tốc trong khoảng từ −30m/s2 − 30m/s2<br /> với sai số ±0, 06m/s2 ; Cảm biến lực đo được theo 2 chiều nén và kéo với sai số 0,05N, giới hạn<br /> đo của lực nén là 0 – 15N, của lực kéo là 0 – 7N. Tốc độ lấy mẫu tối đa là 50 mẫu/ giây; Khoảng<br /> cách tối đa mà máy tính có thể nhận được dữ liệu từ bộ cảm biến: 10 m trong môi trường có vật<br /> cản, 20m trong môi trường không vật cản.<br /> Phần mềm<br /> <br /> Hình 7. Giao diện dạy học của chương trình<br /> Giao diện dạy học của chương trình được thiết kế như hình 7. Phần mềm hỗ trợ giáo viên<br /> trong quá trình giảng dạy như: ghi số liệu, vẽ đồ thị, lưu trữ và các chức năng xử lí số liệu như tính<br /> trung bình, tìm Max – Min, kiểm tra dạng toán học của đồ thị,. . .<br /> Thí nghiệm đánh giá độ chính xác của bộ cảm biến<br /> Thí nghiệm 1 – Khảo sát dao động điều hòa của con lắc lò xo để kiểm chứng lại định luật<br /> II Newton.<br /> Trong dao động điều hòa của con lắc lò xo, gia tốc biến thiên điều hòa theo thời gian và tỉ lệ<br /> với lực kéo về F = ma = −kx. Như vậy tại ví trí cân bằng, li độ bằng không nên lực kéo về có độ<br /> 71<br /> <br /> Mai Hoàng Phương, Ngô Minh Nhựt<br /> <br /> lớn bằng không. Mục đích của việc khảo sát dao động điều hòa của con lắc lò xo là khảo sát mối<br /> quan hệ giữa gia tốc tức thời và lực kéo về tức thời nhằm nghiệm lại định luật II Newton. Trong<br /> trường hợp con lắc lò xo dao động theo phương thẳng đứng, tại vị trí cân bằng, lực kéo về bằng<br /> không và lực đàn hồi khác không và có độ lớn bằng trọng lượng của con lắc. Trong thí nghiệm<br /> này, ta sẽ đo lực kéo về thông qua lực đàn hồi của lò xo tác dụng vào bộ cảm biến. Tại vị trí cân<br /> bằng, lực đàn hồi có độ lớn bằng trọng lượng của bộ cảm biến. Trong quá trình dao động, giá trị<br /> lực đàn hồi mà bộ cảm biến đo được là hợp lực của trong lực và lực kéo về tác dụng vào cảm biến<br /> Fđh = Fkv + P. Như vậy để đo được lực kéo về ta đo lực đàn hồi trong quá trình dao động và trừ đi<br /> trọng lượng của bộ cảm biến Fkv =Fđh – P (5).<br /> Tiến hành thí nghiệm:<br /> Bố trí thí nghiệm như hình 8, dùng lò xo móc vào cảm biến lực, đầu còn lại treo vào giá đỡ.<br /> Khi bộ cảm biến ở vị trí cân bằng, nhấp chuột vào nút Zero trên dao diện dạy học, lúc này chương<br /> trình sẽ tự động lưu giá trị lực đàn hồi tại vị trí cân bằng. Kéo nhẹ bộ cảm biến để nó dao động,<br /> ta tiến hành ghi nhận giá trị lực đàn của lò xo tác dụng vào cảm biến và gia tốc tức thời theo thời<br /> gian. Chương trình sẽ tự tính giá trị của lực kéo về tác dụng vào lò xo theo công thức 5 và hiển thị<br /> lên đồ thị.<br /> <br /> Hình 8. Bố trí thí nghiệm dao<br /> dộng điều hòa của con lắc lò xo<br /> <br /> Hình 9. Đồ thị lực kéo về - thời gian (Fkv – t)<br /> trong dao động điều hòa<br /> <br /> Hình 9 biểu diễn đồ thị lực kéo về tác dụng vào cảm biến theo thời gian (Fkv – t) có dạng<br /> −→<br /> hình sin của dao động điều hòa. Hình 10 biểu diễn hai đại lượng gia tốc a và lực kéo về Fkv trên<br /> −→<br /> →<br /> cùng một đồ thị, ta nhận thấy giữa gia tốc −<br /> a và lực Fkv có mối quan hệ và có dạng gần đúng với<br /> đường thẳng tuyến tính đi qua góc tọa độ phù hợp với định luật II Newton .<br /> −→<br /> →<br /> F = m−<br /> a<br /> (6)<br /> kv<br /> <br /> Trên đồ thị (Fkv – a), ta thấy ứng với một giá trị lực có nhiều giá trị gia tốc tương ứng. Sử<br /> dụng chức năng tìm hàm tuyến tính, ta tìm được đường thẳng tuyến tính biểu thị mối quan hệ giữa<br /> lực kéo về Fkv và gia tốc a: Fkv = 0,2a + 0,038 N. Hệ số góc của đường thẳng là 0,2, theo công<br /> thức (6), hệ số góc này là khối lượng của con lắc lò xo (tức là khối lượng của bộ cảm biến 0,23kg).<br /> Tuy nhiên ta thấy hệ số góc nhỏ hơn 0,23; nguyên nhân có thể do phương tác dụng của lực đàn hồi<br /> không đi qua trọng tâm bộ cảm biến. Do đó lực mà cảm biến ghi nhận được nhỏ giá trị thực tế.<br /> 72<br /> <br />