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


II. GIỚI HẠN ĐỀ TÀI:
Đo lực và ứng suất bằng máy tính. Nhờ sự trợ giúp của máy tính cộng
với phần mềm Pascal cho phép người lập trình có thể hiển thò kết quả dưới
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
Đo lực và ứng suất Trang 4
SVTH :HÀ THANH LÂM - PHẠM TRỌNG QUỲNH
và 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

3. Phương pháp biến dạng bằng điện trở:
Phương pháp đo biến dạng bằng điện trở này được xem là hoàn hảo
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.

Với R: là điện trở ban đầu của cấu kiện.

L: chiều dài ban đầu của cấu kiện.
F : hệ số miếng đo.
Một miếng đo lý tưởng phải có một điện trở rất lớn, một hệ số đo
cực đại và một mức giới hạn đàn hồi cao, đồng thời lại không bò ảnh hưởng
nhiệt độ cao tác động. Thêm vào đó, hệ số miếng đo luôn luôn bất biến cho
dù mức biến dạng có lớn đến đâu đi chăng nữa.
Để miếng đo có thể hoạt động một cách thích hợp theo sức căng
cũng như sức nén, sợi điện trở phải càng mỏng để cho lớp keo có thể truyền
hoàn 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.


Tín hiệu đầu ra E
m
qua thiết bò đo với trở kháng Z
m
:

R: điện trở danh nghóa ban đầu của các điện trở R
1
, R
2
, R
3
& R
4
(thường là
120 nhưng là 350 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.

Zm
R
V
Em






















 
2
4
4

m
E
Zm
m
Hình 1: Mạch cầu Wheatstone
R1
R2
R4
R3
V
Đo lực và ứng suất Trang 9
SVTH :HÀ THANH LÂM - PHẠM TRỌNG QUỲNH
2. Cân bằng ban đầu:

Trước khi bắt đầu việc thử nghiệm, điều quan trọng là nên nhớ đem tất
cả các số ghi trên thiết bò trở lại số không. Điều này sẽ làm đơn giản cho
việc 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

R1
R2
R3
R4
V
Ra
Rb
Đo lực và ứng suất Trang 10
SVTH :HÀ THANH LÂM - PHẠM TRỌNG QUỲNH Mạch cân bằng nhiệt độ.
Miếng đo D cũng có cùng tính chất như miếng đo A và cũng được dán
lên khối vật liệu; trong khi dán các miếng đo, khối vật liệu thử nghiệm này
không bò chòu một lực tác động nào. Ngoài ra 2 miếng đo A&D nên được đặt
gần với nhau càng tốt; tất cả sự thay đổi nhiệt độ chung cả hai miếng đo này
sẽ được triệt tiêu và nó sẽ tự cân bằng nhiệt độ.

b) Sự kết hợp các miếng đo:
R1
E
V
D
A
Active
Dumm
R3
R4
R2
R1
V
Đo lực và ứng suất Trang 11
SVTH :HÀ THANH LÂM - PHẠM TRỌNG QUỲNH
Bốn miếng đo như vậy tạo thành cầu Wheatstone nên điện áp ở đầu ra sẽ
là: Độ uốn của thanh mẫu sẽ được cầu Wheatstone cảm nhận vì các
miếng đo 1 và 3 ( cũng như 2&4) sẽ cộng các biến dạng có dấu nghòch với
nhau và như thế sẽ tự triệt tiêu theo nhiệt độ. Đây là nguyên lý được dùng
thường xuyên trong việc thiết kế các bộ cảm biến.
 
 
.12

 KEmE
2)&1 thức biểucác lại(xem
4
VF

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):

D7 D6
D5 D4
D3
D2 D1 D0
D0
D1
D2
D3
D4
D5
D6
D7
(PIN 2)
(PIN 3)
(PIN 4)
(PIN 5)
(PIN 6)


D
5
,D
6
,D
7
: không sử dụng(thường để ở mức [ 1]).
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


STROBE (PIN 1)
AF (PIN 4)
INIT (PIN 16)
SLCTIN (PIN 17)
IRQ
Đo lực và ứng suất Trang 14
SVTH :HÀ THANH LÂM - PHẠM TRỌNG QUỲNH
STROBE, AUTOFEED (AF), INIT và SELECTIN (SLCTIN). Khi trao đổi
thông tin với máy in các đường này đều có chức năng xác đònh.
 Các tín hiệu của đầu cắm DB25:

Chân Tín hiệu Môtả
1 STR Mức tín hiệu thấp truyền dữ liệu tới máy in.
2 D
0
Bit dữ liệu D
0
.
3 D
1
Bit dữ liệu D
1
4 D
2
Bit dữ liệu D
2
.

15 ERROR Báo lỗi máy in.
16 INIT Reset máy in.
17 SCLTIN Chọn máy in.
18 18-25 GND Đất.
II. KỸ THUẬT BIẾN ĐỔI ADC – KHẢO SÁT ADC ICL 7109:
A. Kỹ thuật biến đổi ADC:
Biến đổi Analog – Digital là thành phần cần thiết trong việc xử lý
thông tin và các chức năng điểu khiển sử dụng phương pháp số, tín hiệu thực
tế thì ở dạng Analog. Một hệ thống tiếp nhận dữ liệu giao tiếp A/D để
chuyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số để xử lý.
1. Đặc tính kỹ thuật của mạch ADC:
a. Độ chính xác bất đònh do lượng tử hóa:
Điện áp tương tự liên tục được chia thành 2
n
khoảng gián đoạn ở mỗi
mạch đổi n bit. Các giá trò tương tự cùng một khoảng được biểu thò cùng nhò
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

Mạch
tạo mã
số
Mã số ra
Điện áp vào V
R
Điện áp
tương tự vào
V
a
1 2 3
4
5 6 7
Tương tự vào
V
FS
000
001
010
011
100
101
110
111

ứng với điện áp vào chưa biết.

+1/2 LSB
-1/2 LSB
Mạch
tạo mã
số
Mã số ra
Điện áp mẫu V
R
Điện áp
tương tự vào
V
a
so sánh
LSB
n
i
i
i
a
FS
V
a
V
2
1
1
)2 ( 



+
-
DAC n bit
Mạch đếm
n bit
S
R
Q
Q
FF
EOC
CK xung đồng hồ
tần số fc
START

Nếu ngã ra của mạch so sánh cho thấy V
R
<V
a
mạch logic sẽ điều
khiển mạch đếm lên, còn ngược lại sẽ được điều khiển đếm xuống. Nếu
điện áp V
a
không đổi, V
R
sẽ tự dao động xung quanh V
a

R DAC
V
a
(+)
Mã số
ra
R
R
V
Không thây đổi kòp so
với Va(t)
V
Va(t)
Đo lực và ứng suất Trang 19
SVTH :HÀ THANH LÂM - PHẠM TRỌNG QUỲNH
Mạch ghi chuyển đặc biệt được gọi là mạch ghi lấy gần đúng kế tiếp
(Successive Approximation Register: SAR) là mạch có hợp luôn phần điều
khiển logic.

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
+
SAR
-
V = V
DAC n bit
Mã số
ra
Vc
Va(t)
START
FF
Mạch tạo

(-)
=V
a
>V
(+)
=V
offset
 ngã ra của SS
1
là V
C1
=[0].
Mạch so sánh SS
1
có V
(+)
=V
offset
< V
(-)
=0  ngã ra của SS
1
là V
C2
=[0].
 Khi cho xung START đặt vào mạch đếm n bit về 0 và khởi động mạch
tạo tín hiệu dốc lên, V
R
từ giá trò hơi âm tăng đến khi đường dốc cắt trục
0V.

Tại FF S=0 Q=0

R=START =1 Q=1.

Tại cổng AND
Q =1
 Đưa xung CK vào bộ đếm.
V
C2 high

 Khi V
R
>V
a
:
Mạch SS
1
: V
R
=V
(+)
> V
(-)
=V
a
 V
C1
=[1].
Tại FF: S=V
C1
=[1]. Q=1=EOC

R= hết xung START =[0] Q=0Đóng 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:

đếm n bit
+
-
Mạch logic
điều khiển
Đệm ngõ ra
Mạch so sánh
Mạch tích
phân
Mã số ra
Va<0
V
R
START
Vi
CK
Vc
SI
C
R
S1
S2
Đo lực và ứng suất Trang 22
SVTH :HÀ THANH LÂM - PHẠM TRỌNG QUỲNH

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
vào
mạch tính phân để lấy tích phân theo V
R
(V
R
>0). Vì thế ngã ra V
I
giảm từ
V
Imax
về 0.
- Giá trò V
Imax
không đổi trong suốt 2 giai đoạn lấy tích phân t
1
,t
2
.


1 21
0 0
.

1

1
t tt
Ra
dtV
RC
dtV
RC
EOC
Vc
V max
I
t
t
t
t
dốc lên lấy tích phân Va
dốc xuống lấy tích phân Va
t1
t2
Tc
START
Đo lực và ứng suất Trang 23
SVTH :HÀ THANH LÂM - PHẠM TRỌNG QUỲNH

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
-n
).

khung)tràn trò giá đến 0 từđếm hmạc (trong

2
cùng); saếm số là N (với
2
.
2

n
12
1
2
21
cc
n
Ra
n
R
aCác thông số về nhiệt độ:
Họ IC
TẦM NHIỆT ĐỘ HOẠT ĐỘNG
ICL 7109MDL
-55
0
C  +125
0
C
ICL 7109 IDL
-25
0
C  +85
0
C
ICL 7109CPL
0 +70
0
C
ICL 7109
MDL/883
-55
0
C  +125
0
C

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
13
14
15
21
18

(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 V
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.
Ngõ ra dữ liệu(12 bit cộng 1 bit cực tính và 1 bit tràn) sẵn sàng giao
tiếp song song thông qua sự điều khiển của 2 ngõ vào ENABLE và CHIP
SELECT, kiểu giao diện UART sẽ cho phép ICL7109 làm việc với tiêu
chuẩn công nghiệp mà ở đó UART sẽ đóng vai trò truyền dữ liệu.
Vi mạch ICL7109 có những ưu điểm như: độ chính xác cao, nhiễu
không đáng kể và trôi áp thấp đặc biệt rất kinh tế. Ngoài ra nó còn có
những thông số khác như: trôi áp thấp hơn 1V/
o

B10
B9
B8
B7
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