Đo lực và ứng suất Trang
1
SVTH :
HÀ THANH LÂM - PHẠM TRỌNG QUỲNH
LỜI GIỚI THIỆU
Ngày nay việc đo lường và điều khiển được ứng dụng trong sản xuất
công nghiệp cũng như trong phòng thí nghiệm rất hữu dụng. Lợi dụng việc
đo ứng suất biến dạng từ đó mà ta có thể xác đònh được những thông số vật lý
cơ học khác như: độ võng tónh, moment, lực tác dụng, …
Hiện nay đã có những máy đo như loại dùng đồng hồ chỉ thò số P3500
được thực hiện tại phòng thí nghiệm. Khi khoa học công nghệ thông tin đã và
đang phát triển thì máy vi tính bắt đầu thay thế các thiết bò đo lường thông
thường mà cho ta kết quả nhanh và chính xác. Các thiết bò, hệ thống đo
lường và điều khiển ghép nối với máy tính có độ chính xác cao, thời gian thu
thập số liệu ngắn nhưng điều đáng quan tâm hơn là mức độ tự động hóa
trong việc thu thập và xử lý các kết quả đó.
Tuy nhiên để hệ thống đo lường và điều khiển ghép nối với máy tính
hoạt động được thì ngoài phần mạch điện khuếch đại và chuyển đổi AD thì
cần có chương trình được nạp vào máy tính để xử lý kết quả.
Bài luận văn này cũng là một đề tài xử lý tín hiện điện tử bộ cảm biến
cho phép máy tính có thể giao tiếp thông qua cổng máy in.
Đo lực và ứng suất Trang
2
SVTH :
HÀ THANH LÂM - PHẠM TRỌNG QUỲNH
PHẦN A
DẪN NHẬP
Đo lực và ứng suất Trang
3
SVTH :
HÀ THANH LÂM - PHẠM TRỌNG QUỲNH

nhiều hình thức khác nhau (hiển thò chế độ văn bản, ở chế độ đồ thò).
Với thời gian ngắn chỉ có 10 tuần mà có nhiều vấn đề cần giải quyết,
hơn nữa kiến thức về lập trình có giới hạn. Do đó trong khoảng thời gian đó,
nhóm sinh viên thực hiện tập trung vào giải quyết những vấn đề sau:
- Thiết kế phần cứng.
- Viết chương trình xử lý tín hiệu từ bộ cảm biến để hiển thò kết
quả trên màn hình.
III. CÁC PHƯƠNG PHÁP THỰC THI ĐỀ TÀI:
Với những yêu cầu đó ta có thể đưa ra phương pháp để thực thi đề tài
như sau:
• Sử dụng kỹ thuật vi xử lý và vi điều khiển.
• Dùng máy tính để xử lý.
Với kỹ thuật vi xử lý và vi điều khiển nếu dùng led 7 đoạn để hiển thò 1
loạt các thông số: lực, ứng suất, biến dạng thì sẽ trở nên gặp khó khăn và
Đo lực và ứng suất Trang
4
SVTH :
HÀ THANH LÂM - PHẠM TRỌNG QUỲNH
hiển thò dưới đồ thò sẽ không thực hiện được. Do đó ở đây nhóm sinh viên
thực hiện chọn máy tính để xử lý thông qua cổng máy in. Sở dó chọn phương
pháp này có ưu điểm là:
- Có thể hiện thò cùng một lúc các thông số và đồ thò.
- Tính toán và lập trình trên phần mềm Pascal so với xử lý và vi
điều khiển.
Đo lực và ứng suất Trang
5
SVTH :
HÀ THANH LÂM - PHẠM TRỌNG QUỲNH
CHƯƠNG I
CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO BIẾN DẠNG

nhất, chỉ trừ một số trường hợp đạêc biệt phương pháp này không sử dụng
được. Phương pháp này được xem là phổ biến nhất hiện nay dựa trên nguyên
lý do ông Kelvin phát hiện năm 1856.
4. Phương pháp đo biến dạng bằng chất bán dẫn:
Ưu điểm có độ nhạy cao nhưng giá thành lại cao. Phạm vi đo chòu ảnh
hưởng nhiều về yếu tố nhiệt độ. Phương pháp này dùng để đo biến dạng rất
nhỏ vì nó cực nhạy (với điều kiện nhiệt độ ổn đònh) song rất ít sử dụng.
Đo lực và ứng suất Trang
6
SVTH :
HÀ THANH LÂM - PHẠM TRỌNG QUỲNH
5. Phương pháp đo biến dạng bằng phương pháp lưới:
Phương pháp này có từ lâu đời, đặt lưới lên mẫu thử chụp hình trước và
sau khi đạt tải trọng, lưới sẽ bò biến dạng. Phương pháp này có điểm khó
khăn là các biến dạng thường nhỏ do đó hầu hết các trường hợp sự dòch
chuyển các mắt lưới không bảo đảm tính chính xác. Để sử dụng phương pháp
biến dạng đủ lớn (cho chất dẻo cao su) rất hiệu quả.
6. Phương pháp tạo mẫu Hickson (phương pháp lưới):
Đặt tờ giấy nhám lên vật mẫu kéo theo 2 phương để tạo vết trầy. Để
đo biến dạng trên mẫu thử rất khó nên người ta lấy tấm hợp kim mỏng dán
lên chỗ trầy, để in lên tấm phim đó, thay vì đo vật mẫu người ta đo vết trầy
lên tấm phim.
Trong suốt 50 năm qua phương pháp đo biến dạng bằng điện trở đã
được sử dụng rộng rãi vì sự đơn giản cũng như kết quả đáng tin cậy của
chúng.
Do đó trong đề tài này nhóm sinh viên thực hiện đo biến dạng bằng điện trở.
III.

ĐO BIẾN DẠNG BẰNG STRAIN GAGE:
Miếng đo biến dạng (strain - gage) là một cấu kiện điện trở được dùng

toàn mức biến dạng của bộ phận sang miếng đo.
2. Chất keo dán:
a)
Keo cyanoacrylate
: Rất thực dụng cho việc áp dụng bình
thường trong thời gian ngắn, nhiệt độ áp dụng dưới 100
0
C. Sẽ khô cứng
trong vài giây dưới tác dụng của sức ép.
b)
Keo epoxy
: Rất có hiệu quả, ổn đònh trong thời gian lâu với
nhiệt độ đến 300
o
c.
c)
Keo gốm:
Khó áp dụng hơn vì cần thiết bò đặt biệt có vẻ mong
manh yếu ớt, không cho phép dùng với những biến dạng lớn.,sử dụng
được đến 600
o
c.
d)
Hàn:
Đây là cách thức thực tế nhất để dùng ở nhiệt độ cao cho
các miếng đo trong vỏ bọc kim loại rất đặc.
Cần chú ý là bề mặt để dán phải được tẩy sạch dầu mỡ và sau đó được
trung hòa bằng hóa chất. Để tạo ra bề mặt có tính chất lý tưởng đối với loại
keo này, bề mặt phải được làm sạch vết rỉ để tạo ra bề mặt nhẵn nhưng
không quá bóng.

m
:
R: điện trở danh nghóa ban đầu của các điện trở R
1
, R
2
, R
3
& R
4
(thường là
120Ω nhưng là 350Ω cho các bộ biến cảm).
V: điện áp cung cấp cho cầu.
Điện áp cung cấp cho cầu là một nguồn năng lượng cung cấp thật ổn
đònh.
Phần lớn Z
m
lớn hơn R rất nhiều (ví dụ như:Vôn kế, bộ khuếch đại với liên
kết trực tiếp) do đó thì phương trình (1) trở thành:
Từ (2) có nhận xét là: sự thay đổi đơn vò điện trở của 2 điện trở nghòch
nhau. Đặc tính này của cầu Wheatstone thường được dùng để bảo đảm tính
ổn đònh nhiệt của mạch đo và cũng để dùng cho các thiết kế đặc biệt.
trở. điện của vò đơn đổi Biến:
(1)
4
4
3
3
2
2

∆






+
=
()
2
4
4
3
3
2
2
1
1
4






∆
−
∆
+

thể hiện đo đạc và cho phép dùng thiết bò tốt hơn. Hình trên cho thấy một
phương pháp thường dùng để đảm bảo cho việc cân bằng ban đầu. R
a
là điện
trở cố đònh, R
b
là một thế kế nhiều vòng. Trong phần lớn thường sử dụng
R
a
=20kΩ, R
b
=40kΩ đủ thích hợp cho việc cân bằng.
Trong trường hợp của các bộ biến cảm, việc cân bằng có thể thực hiện
trực tiếp lên bộ cảm biến bằng cách thêm những điện trở vào mạch các
miếng đo.
3. Các đặc tính của cầu:
a)
Bù nhiệt:
Phần lớn các miếng đo biến dạng hiện nay đều có khả năng tự động cân
bằng. Thí dụ, một miếng đo được cân bằng cho phép về lý thuyết sẽ không
cho thấy sự thay đổi điện trở nào khi miếng thép mà miếng đo được dán lên
sẽ giãn nở khi nhiệt độ thay đổi. Đặc tính tự cân bằng này có được là nhờ
việc xử lý nhiệt áp dụng cho kim loại dùng để chế tạo ra miếng đo. Cách xử
lý nhiệt này chỉ có hiệu quả trong một tầm nhiệt độ giới hạn nào đó.
Bằng cách dùng cầu Wheatstone ta cũng có thể chế tạo mạch cân bằng
nhiệt độ. Như đã biết, sự thay đổi nhiệt độ của 2 nhánh cầu kề nhau sẽ tự
triệt tiêu nên miếng đo cân bằng D được nối vào mạch cầu Wheatstone với
miếng đo hữu công A.
(xem hình vẽ).
Mach cầu cân bằn

ευεε
εεε
. Và
.
42
21
−==
===
EA
PR3
R4
R2
R1
E
V
D
A
Active
Dumm
R3
R4
R2
R1
V
Đo lực và ứng suất Trang
11
SVTH :

Plotter, modem, mouse và printer có thể được ghép nối với PC qua cổng nối
tiếp COM. Các ghép nối của PC cho trao đổi nối tiếp đều theo tiêu chuẩn
RS232C của EIA hoặc CCITT ở châu u. Về mặt kinh tế việc trao đổi thông
tin qua cổng nối tiếp là ít tốn kém nhưng về mặt kỹ thuật thì khá phức tạp.
Giao tiếp qua khe cắm SLOT cũng phức tạp không kém đòi hỏi việc gia
công thiết bò phải chính xác, hơn nữa việc tháo vỏ máy để gắn SLOT Card
sau mỗi lần đo là vấn đề khó chấp nhận.
Giao tiếp qua cổng song song, dữ liệu truyền song song vì vậy tốc độ
truyền song song thường cao hơn truyền nối tiếp (khoảng từ 40kB/s đến
1MB/s). Hầu hết các máy tính đều trang bò cổng này. Việc trao đổi thông tin
một cách dễ dàng.
I.

KHẢO SÁT CỔNG MÁY IN:
Cổng này để dùng giao tiếp với máy in. Đầu cắm có 25 chân và còn gọi
là DB25. Bên trong có 3 thanh ghi có thể truyền số liệu và điều khiển máy
in, mỗi thanh ghi 8 bit. Ba thanh ghi gồm:
• Thanh ghi dữ liệu (Data register):
Có đòa chỉ bằng đòa chỉ cơ bản của máy in=378H.
D7 D6
D5 D4
D3
D2 D1 D0
D0
D1
D2
D3
D4
D5
D6

Đòa chỉ bằng đòa chỉ cơ bản + 2=37AH.
Việc nối máy in với máy tính được thực hiện qua lỗ cắm DB25 ở phía
sau máy tính. Nhưng đây không chỉ la øchỗ nối với máy in mà khi sử dụng
máy tính vào mục đích đo lường và điều khiển thì việc ghép nối cũng thực
hiện qua ổ cắm này. Qua cổng này dữ liệu được truyền đi song song nên đôi
khi còn được gọi là cổng ghép nối song song và tốc độ truyền dữ liệu cũng
đạt đến mức là đáng kể. Tất cả các đường dẫn của cổng này đều tương thích
TTL, nghóa là chúng đều cung cấp một mức điện áp nằm giữa 0V và 5V.
Bên cạnh 8 bit dữ liệu còn có những đường dẫn tín hiệu khác, tổng cộng
người sử dụng có thể trao đổi 1 cách riêng biệt với 17 đường dẫn, bao gồm
12 đường dẫn ra và 5 đường dẫn vào. Bởi vì 8 đường dẫn dữ liệu. D
0
-D
7
không phải là đường dẫn 2 chiều trong tất cả các loại máy tính, nên sau đây
ta sẽ thấy là D
0
-D
7
chỉ sử dụng như là lối ra, các lối ra khác nữa là STROBE,
D5
ACK
(PIN 11)
(PIN 15)
BUSY
D7
(PIN 12)
D2
D3
D1

Bit dữ liệu D
0
.
3D
1
Bit dữ liệu D
1
4D
2
Bit dữ liệu D
2
.
5D
3
Bit dữ liệu D
3
.
6D
4
Bit dữ liệu D
4
.
7D
5
Bit dữ liệu D
5
.
8D
6
Bit dữ liệu D

phân. Do có một độ chính xác bất đònh ± ½ LSB (Least significant bit).
b. Độ chính xác:
Độ chính xác tuyệt đối là sự sai biệt giữa lý thuyết và trò thực tế của
điện áp tương tự vào cho 1 mã nhò phân ra. Vì một mã số ra tương tứng với 1
CONNECTOR DB25
1
13
14
25
Đo lực và ứng suất Trang
15
SVTH :
HÀ THANH LÂM - PHẠM TRỌNG QUỲNH
khoảng hẹp của điện áp tương tự vào ở đònh nghóa trên được xem như là
điểm giữa khoảng.
Độ chính xác tương đối giống như độ chính xác tuyệt đối như đònh nghóa
trong điều kiện tràn khung đã được lấy chuẩn, vì các điểm rời trên đặc tính
chuyển lý thuyết nằm trên một đường thẳng nên độ chính xác tương đối cũng
là độ phi tuyến.
c.
Thời gian và tốc độ chuyển đổi
:
Thời gian chuyển đổi: Thời gian chuyển đổi cần cho 1 lần chuyển đổi
hoàn toàn. Đối với phần lớn mạch đổi, thời gian này gọi là nghòch đảo của
tốc độ đổi, nếu không có thêm các trì hoãn của hệ thống. Tuy nhiên trong
mạch đổi có tốc độ cao, lần đổi mới được lệch bắt đầu trước khi lần đổi trước
kết thúc nên thời gian đổi và tốc độ đổi khác nhau.
2. Mạch chuyển đổi tương tự sang số (ADC):
a.
Nguyên tắc mạch ADC:

101
110
111
1/2 LSB
Đo lực và ứng suất Trang
16
SVTH :
HÀ THANH LÂM - PHẠM TRỌNG QUỲNH
Chuyển đổi điện áp tương tự liên tục sang mã nhò phân rời rạc:
Sự khác nhau giữa các mạch đổi là cách thức thay đổi điện áp mẫu V
R
để xác đònh hệ số nhò phân a
i
.
Điện áp tương tự chưa biết là V
a
và điện áp chuẩn là V
R
được nối ở hai
ngõ vào của mạch so sánh. Khi V
R
tăng từ 0 đến điện áp tương tự vào với sai
số bằng sai số lượng tử hóa, lúc đó mạch tạo mã số ra có giá trò tương ứng với
điện áp vào chưa biết.
+1/2 LSB
-1/2 LSB
Mạch
tạo mã
số
Mã số ra

b.
Mạch ADC dùng điện áp mẫu V
R
hình nấc thang:
• Dạng mạch cơ bản:
Để tạo điện áp mẫu nấc thang so sánh với điện áp vào dùng mạch ADC
mà số nhò phân vào được lấy từ một mạch đếm lên như hình vẽ.
+
-
DAC n bit
Mạch đếm
n bit
S
R
Q
Q
FF
EOC
CK xung đồng hồ
tần số fc
START
dốc lên
V = V
R DAC
V
a
(+)
Mã
số ra
Tc

R
sẽ tự dao động xung quanh V
a
với 2 trò số khác nhau 1 LSB.
Khi V
a
thay đổi chậm, V
R
theo kòp V
a
khi đó số đếm của mạch là mã nhò
phân tương ứng với trò tức thời của điện áp vào. Nhưng nếu V
a
biến đổi
nhanh, V
R
sẽ không theo kòp V
a
thì số đếm của mạch đếm không phải là mã
nhò phân mong muốn.
c.
Mạch ADC lấy gần đúng kế tiếp SAR
:
Các mạch đếm ở trên đều không được dùng trong thực tế. Ở đây xét
mạch đổi lấy gần đúng kế tiếp dùng cách đổi điện áp mẫu một cách hiệu quả
hơn khiến số lần chuyển đổi ra mã số n bit chỉ mất n chu kỳ xung CK. Mạch
đổi gồm mạch so sánh, mạch ghi chuyển đặc biệt và mạch ADC.
+
-
DAC n bit

R
>V
a
(điện áp tương tự vào) ngã ra V
c
của mạch so sánh mức [0]
khiến SAR bỏ đi MSB (làm cho nó bằng 0).
Nếu V
R
<V
a
thì V
c
ở mức cao khiến SAR giữ lại bit

MSB (làm cho nó
vẫn bằng 1). Tiếp theo, SAR đưa bit có nghóa kế tiếp

lên 1 và được quyết
đònh bởi cách thức như bit MSB ở trên. Tiếp tục như vậy cho đến bit cuối
cùng của SAR, lúc đó V
a
gần V
R
nhất.
d. Mạch ADC dùng tín hiệu dốc đơn. (Single ramp converter) :
Tín hiệu chuẩn từng nấc được tạo bởi mạch ADC có thể được thay thế
bởi điện áp chuẩn dốc liên tục do mạch tạo tín hiệu dốc lên liên tục tạo ra.
CK
R DAC

Va (t)
V
R
2
1
CK
Đo lực và ứng suất Trang
20
SVTH :
HÀ THANH LÂM - PHẠM TRỌNG QUỲNH
Ban đầu:
Mạch so sánh SS
1
có V
(-)
=V
a
>V
(+)
=V
offset
Ỵ ngã ra của SS
1
là V
C1
=[0].
Mạch so sánh SS
1
có V
(+)

Mạch SS
1
: V
(+)
=V
R
< V
(-)
=V
a
Ỵ V
C1
=[0].
Tại FF S=0 Q=0
Ỵ
R=START =1 Q=1.
Tại cổng AND
Q =1
Ỵ Đưa xung CK vào bộ đếm.
V
C2
high
high
t
t
t
t
t
t
EOC

1
: V
R
=V
(+)
> V
(-)
=V
a
Ỵ V
C1
=[1].
Tại FF: S=V
C1
=[1]. Q=1=EOC
R= hết xung START =[0] Q=0ỈĐóng cổng AND lại không
cho xung CK vào mạch đếm, tạo tín hiệu EOC.
Tín hiệu dốc lên thường được tạo bởi mạch tích phân nối đến điện áp mẫu V
R
(hình b).
e. Mạch ADC dùng tín hiệu dốc đôi:
Mạch đổi này dùng cách lấy tích phân để giải quyết khuyết điểm của
mạch đổi dùng tín hiệu dốc đơn. Mạch này gồm mạch lấy tích phân, mạch so
sánh, mạch logic điều khiển và mạch đếm n bit.
-
EOC
+
Mạch
đếm n bit
+

, đóng S
1
và
mở S
2
. Khi chuyển mạch S
1
đóng đưa tín hiệu V
a
(giả sử âm) vào mạch tích
phân để lấy tích phân theo V
a
. Khi đó ngã ra mạch tích phân sẽ là:
Ỵ V
I
(t) =V
(-)SS
>0. Vì thế ngã ra của mạch so sánh có V
C
=1.
Do đó mở cổng AND cho xung CK vào mạch đếm.
Khi mạch đếm tràn (hết cỡ rồi tự động quay về 0).
Mạch logic điều khiển mở S
1
, đóng S
2
. Chuyển mạch S
2
đóng đưa V
R

RC
a
V
t
I
a
Vt
a
t
dtt
a
V
RC
t
I
V
∫∫
+
−=−
121
00
.

1

1
ttt
Ra
dtV
RC

b
.Độ chính xác
:
Độ chính xác tuyệt đối là sự sai biệt giữa lý thuyết và trò thực tế của
điện áp tương tự vào cho một mã nhò phân ra. Vì 1 mã số ra tương ứng với
một khoảng hẹp của điện áp tương tự vào nên điện áp tương tự vào ở đònh
nghóa trên được xem như là điểm giữa khoảng.
Sai số tuyệt đối gồm :sai số về độ lợi, về không, độ phi tuyến và do
nhiễu.
Độ chính xác tương đối giống như độ chính xác tuyêt đối như đònh nghóa
trong điều kiện trò tràn khung đã được lấy chuẩn vì các điểm rời trên đặc tính
chuyển lý thuyết nằm trên một đường thẳng nên độ chính xác tương đối cũng
chính xác là độ phi tuyến.
c. Chỉnh không và chỉnh độ lợi:
Điểm không của mạch đổi ADC được chỉnh sao cho sự chuyển tiếp từ
các bit đầu bằng 0 lên LSB xảy ra ở ½.2
-n
trò tràn khung danh đònh.
Độ lợi được chỉnh cho chuyển tiếp cuối cùng lên các bit đều bằng 1 xảy
ra tràn khung (1-3/2.2
-n
).
Điểm 0 của mạch chuyển đổi ADC lưỡng cực được chỉnh sao cho
chuyển tiếp đầu trên xảy ra ở toàn khung (1-2
-n
) và chuyển tiếp cuối xảy ra
0
_+

tràn khung (1-3.2

t
t
V
V
tVtV
==
==>==
=
Đo lực và ứng suất Trang
24
SVTH :
HÀ THANH LÂM - PHẠM TRỌNG QUỲNH
B.
Khảo sát ADC ICL 7109:
Sơ đồ chân:
Các thông số về nhiệt độ:
Họ IC TẦM NHIỆT ĐỘ HOẠT ĐỘNG
ICL 7109MDL -55
0
C Ỉ +125
0
C
ICL 7109 IDL -25
0
C Ỉ +85
0
C
ICL 7109CPL 0 Ỉ+70
0
C

37
36
33
3
ICL
7109
8
B9
40
35
39
34
COMMON
REF IN -
REF CAP -
16
9
24
23
22
25
26
27
29
30
31
17
10
11
12

OSC SEL
OSC OUT
OSC IN
MOD E
ICL 7109
(PDIP)
TOP VIEW
PIN OUTS
Đo lực và ứng suất Trang
25
SVTH :
HÀ THANH LÂM - PHẠM TRỌNG QUỲNH
Đặc điểm
:
+ ADC 12 bit nhò phân (cộng với bit cực tính và bit tràn) hoạt động theo
phương pháp tích phân hai độ dốc.
+Ngõ ra 3 trạng thái tương thích TTL và với kiểu giao tiếp UART thì
phù hợp với giao tiếp song song hoặc giao tiếp với hệ thống vi xử lý.
+Ngõ vào Run/Hold và Status được dùng để theo dõi và kiểm tra sự
chuyển đổi .Mức nhiễu thấp khoảng 15 µV
p-p
.
+ Dòng ngõ vào khoảng 1pA.
+Hoạt động có thể lêâøn đến 30 lần biến đổi trong 1 giây.
+Vi mạch bên trong sử dụng dao động thạch anh 3,58MHz sẽ cho 7,5
lần chuyển đổi trong 1 giây. Ngoài ra nó có thể sử dụng dao động RC hoặc
bất cứ tần số xung đồng hồ khác để tạo dao động.
MÔ TẢ:
ICL 7109 thuộc họ CMOS, chuyển đổi nhanh, nguồn nuôi thấp và được
thiết kế dễ dàng giao tiếp với vi xử lý.

Bit 12 Bit có trọng số lớn nhất
Bit 11
Bit 10
Bit 9
Bit 8
Bit 7
Bit dữ liệu ngõ ra 3 trạng thái
Bit dữ liệu ngõ ra 3 trạng thái
Bit dữ liệu ngõ ra 3 trạng thái
Bit dữ liệu ngõ ra 3 trạng thái
Bit dữ liệu ngõ ra 3 trạng thái
Bit dữ liệu ngõ ra 3 trạng thái