1

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
NGUY
Ễ
N
ĐỨ
C LUÂN NGHIÊN CỨU, XÂY DỰNG HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG
XỬ LÝ SỐ LIỆU TRÊN MÁY THỬ NGHIỆM
KÉO NÉN VẬT LIỆU
Chuyên ngành : Công nghệ Chế tạo máy
Mã số : 60.52.04
TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Đà Nẵng - 2010


Theo chủ trương chiến lược của Chính phủ về “Phát triển khoa
học và công nghệ Việt Nam ñến năm 2020” trong các lĩnh vực Công
nghệ tự ñộng hóa và cơ ñiện tử ñã nhấn mạnh: “… Thiết kế, xây
dựng phần mềm, lắp ñặt, trang bị các hệ thống thích hợp giám sát,
ñiều khiển, thu thập và xử lí số liệu áp dụng phổ cập trong ñiều hành
hoạt ñộng của các chuyên ngành công nghiệp;….Phát triển và hình
thành các ngành công nghiệp phần cứng và thiết bị thông minh. Phần
cứng là các bộ ñiều khiển, các hệ thống cơ-ñiện tử, các thiết bị thông
minh sẽ là khâu quyết ñịnh hoàn thiện và nâng cấp dây chuyền công
nghệ. Phát triển mạnh về thiết kế, chế tạo, tích hợp phần cứng phục
vụ phần mềm ñiều khiển. Các hệ thống cơ-ñiện tử ñược phát triển ñể
dành chỗ cho sự phối hợp hệ thống trong dây chuyền sản xuất. Như
chế tạo các hệ thống tự ñộng ñiều khiển ñịnh lượng các quá trình sản
xuất liên tục, sản xuất theo dây chuyền, ứng dụng cho các hệ thống tự
ñộng vận chuyển, công nghiệp xi măng, sản xuất vật liệu xây dựng,
cân băng tải, bốc rót vật liệu rời. Chế tạo các thiết bị ño lường phân
tích tự ñộng; hệ thống ñếm và phân loại sản phẩm…”
Việc thử nghiệm kéo nén là những thí nghiệm cơ bản trong
việc thử nghiệm vật liệu. Những thí nghiệm này minh họa cho những
ñặc tính ổn ñịnh quan trọng trong việc ñánh giá các vật liệu. Hiện
nay, trong các nhà trường, học viện, phòng thí nghiệm, các phân viện
nghiên cứu cũng như các nhà máy sản xuất ñang sử dụng một lượng
lớn các thiết bị thử nghiệm kéo nén vật liệu. Các thiết bị này ñã có từ
lâu và phần lớn khâu xử lí số liệu ño lường và ñánh giá kết quả ño
ñều làm thủ công, rất tốn thời gian, hiệu suất và ñộ chính xác không

4

cao. Hiện nay trên thị trường có những loại máy thử nghiệm kéo nén
vật liệu thế hệ mới với sự hỗ trợ của máy tính ñã phần nào giải quyết

nén; Nghiên cứu khả năng lập trình ghép nối máy tính; xử lý dữ liệu;
- Về thực nghiệm: Thiết kế thiết bị giao tiếp với máy tính, thử
nghiệm giao tiếp, trao ñổi dữ liệu với thiết bị; thử nghiệm trên máy
thử nghiệm vạn năng WP 300 tại Trung tâm TC-ĐL-CL3/ Bộ Quốc
phòng.
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
Dựa trên các nguyên lý và các phương pháp thử nghiệm vật
liệu cũng như ñộ chính xác cao của các cảm biến lực, cảm biến chiều
dài và khả năng kết nối máy tính của các thiết bị này ñể tiến hành xây
dựng phần mềm xử lý số liệu trên máy thử nghiệm kéo nén vật liệu.
Thông qua các tín hiệu ñiện từ bộ cảm biến lực và chiều dài có
ñộ chính xác cao, ta có thể thu các kết quả thử nghiệm về và tính toán
một cách chính xác, ñồng thời thể hiện lại một cách trực quan toàn bộ
quá trình biến ñổi của vật liệu thông qua các loại biểu ñồ khác nhau,
ñồng thời lưu lại kết quả, lập báo cáo và kết xuất dữ liệu theo
yêu cầu.
Với phần mềm này, ta có thể theo dõi toàn bộ quá trình phép
thử ngay trong chương trình; các giá trị ñọc ñược từ máy tính có ñộ
chính xác cao. Cho phép chọn và quan sát, phân tích các giai ñoạn
biến dạng của vật liệu trên biểu ñồ, thông qua ñó ñánh giá chất lượng
vật liệu có hệ thống và chi tiết hơn.
Hiện nay trong nền công nghiệp quốc phòng nói riêng và
ngành cơ khí của ñất nước nói chung, các thiết bị thử nghiệm kéo nén
vật liệu ñang ñược sử dụng rất nhiều và chiếm một vai trò to lớn
trong quá trình ñánh giá cơ tính của vật liệu. Đề tài sẽ góp một phần
trong việc thử nghiệm cơ tính vật liệu với ñộ chính xác cao hơn, quá

6

trình xử lí số liệu dễ dàng hơn, tiết kiệm thời gian, kinh phí nâng cấp

Các chỉ tiêu về ñộ bền
a. Giới hạn ñàn hồi (σ
ñh
):
0
S
F
ñh
ñh
=
σ
MN/m
2

c. Giới hạn chảy qui ước (σ
0,2
):
0
2,0
2,0
S
F
=
σ
MN/m
2d. Giới hạn bền (σ
b


8

thể xác ñịnh một số các ñặc trưng cơ học của một loại vật liệu Hình 1.4. Đường cong ñặc tính của vật liệu
1.2.2. Thí nghiệm nén vật liệu
1.2.3. Một số yếu tố ảnh hưởng ñến các ñặc trưng cơ học của vật
liệu
1.3. Nguyên lý hoạt ñộng của máy kéo nén

Hình 1.13. Sơ ñồ nguyên lý
hoạt ñộng của máy thí nghiệm
kéo nén

∆
−
=

2.2. Sai số ngẫu nhiên - phương pháp tính thông số ñặc trưng
2.2.1. Tính toán các thông số ñặc trưng khi ño không cùng ñiều
kiện ño
2.2.2. Tính toán các tham số ñặc trưng trong trường hợp phân bố
của các ñại lượng thuần dương
2.3. Sai số hệ thống - phương pháp khử sai số hệ thống
Sai số hệ thống là loạt sai số mà có thể dự ñoán trước ñược
nguyên nhân gây ra sai số, nắm trước ñược luật biến thiên, có trị số
và dấu xác ñịnh trong mỗi ñiều kiện ño cụ thể. Do ñặc ñiểm này, sai
số hệ thống có thể dùng các biện pháp khác nhau ñể làm giảm ñến
mức tối thiểu hoặc khử hoàn toàn khỏi kết quả ño và vì vậy, trong
các phép ño thông thường ở kết quả ño chỉ có ghi trị số giới hạn của
sai số ngẫu nhiên mà không ghi thành phần sai số hệ thống.
2.3.1. Phương pháp hiệu chỉnh
2.3.2. Phương pháp so sánh với mẫu
Phương pháp này ñược dùng khi ño so sánh: ñại lượng ño ñược
ñem so sánh với ñại lượng mẫu có cùng kích thước nhưng có ñộ
chính xác cao hơn. Kết quả ño cho ta sai lệch tuyệt ñối giữa kích
thước ño và kích thước mẫu. Với phương pháp này các sai số do vị trí
cơ cấu, do ñiều kiện ño… sẽ ñược khử hết.
2.3.3. Phương pháp bù (phương pháp bồi thường)

10

2.4. Sai số thô - các chỉ tiêu loại sai số thô
2.4.1. Chỉ tiêu 3

i
là sai số của chúng, ñược ño qua ñộ ño
σ
x
. Độ lớn của ∆X
i
phụ thuộc vào ñộ chính xác khi ño cũng như số
lần ño. Vấn ñề cần giải quyết là mối quan hệ giữa X
i
; ∆X
i
và các
tham số phân bố của ñại lượng ño gián tiếp Y và σ
y
.
2.5.1. Bài toán thuận
Nội dung của bài toán thuận: với kết quả ño trực tiếp, ta có X
1
,
X
2
, …, X
m
và ñộ chính xác tương ứng ño σ
x1
, σ
x2
, …, σ
xm
. Hãy xác

i
i
i
m
m
m
x
x
f
x
x
f
x
x
f
x
x
f
xxxfy
1
2
2
1
1
21
, ,,

Muốn tính giá trị trung bình của giá trị ño gián tiếp ta chỉ việc
thay giá trị trung bình của các ñại lượng ño trực tiếp vào phương
trình quan hệ giữa chúng với nhau.

1
1

Cuối cùng ta có:
∑
=








∂
∂
=








∂
∂
++



2.6. Độ chính xác và ñộ tin cậy của kết quả ño
2.6.1. Khi ño trực tiếp các ñại lượng trong cùng ñiều kiện ño
2.6.2. Khi ño trực tiếp các ñại lượng không cùng ñiều kiện ño
2.6.3. Xác ñịnh số lần ño cần thiết theo ñộ chính xác và ñộ tin cậy
yêu cầu
2.7. Phương pháp xác ñịnh mối quan hệ thực nghiệm
Việc xác ñịnh mối quan hệ thực nghiệm từ số liệu ño cần qua
các bước:1. Vẽ sơ bộ quan hệ theo số liệu thực nghiệm; 2. Chọn công
thức biểu diễn hàm quan hệ; 3. Xác ñịnh hàm thực nghiệm: xác ñịnh các
hằng số trong công thức ñã chọn; 4. Kiểm nghiệm sự phù hợp thực tế của
công thức vừa xác ñịnh.
2.7.1. Xác ñịnh quan hệ hàm số giữa các ñại lượng
2.7.1.1. Chọn công thức thực nghiệm
2.7.1.2. Xác ñịnh công thức thực nghiệm
2.7.2. Xác ñịnh quan hệ tương quan giữa các ñại lượng
2.7.3. Áp dụng lý thuyết hàm ngẫu nhiên trong nghiên cứu quan
hệ thực nghiệm

12

CHƯƠNG 3
LỰA CHỌN THIẾT BỊ ĐO VÀ TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ
THIẾT BỊ GHÉP NỐI MÁY TÍNH
3.1. Cảm biến dịch chuyển
- Ký hiệu : PY2 C 25
- Hành trình dịch chuyển của ñầu ño : 25 mm
- Điện áp nguồi nuôi lớn nhất : 24 V
- Độ phi tuyến : ± 0,2 %
Hình 3.1. Cảm biến ño dịch chuyển PY2 C 25
3.1.1. Nguyên lý ño vị trí và dịch chuyển


14

3.3.2. Sơ ñồ nguyên lý
3.3.2.1. Sơ ñồ nguyên lý khối nguồn cung cấp
3.3.2.2. Sơ ñồ nguyên lý cảm biến, bộ chuyển ñổi và bộ khuếch ñại ño
dịch chuyển
3.3.2.3. Sơ ñồ nguyên lý cảm biến, bộ chuyển ñổi và bộ khuếch ñại ño
lực
3.3.2.4. Sơ ñồ nguyên lý bộ biến ñổi ADC 16 bít ño dịch chuyển

3.3.2.5 Sơ ñồ nguyên lý bộ biến ñổi ADC 16 bít ño lực
3.3.2.6. Sơ ñồ nguyên lý mạch tạo xung clock 120kHz
VR1
100K
D2
5V/DC
0
AD4
C24 0.47MF
5V/DC
0
D1
C21
0.1MF
U8
ICL7135
1
2
3

BUFF OUT
REF CAP-
REF CAP+
IN LO
IN HI
V+
D5(MSB)
B1(LSB)
B2
B4
B8(MSB)
D4
D3
D2
D1(LSD)
BUSY
CLOCK IN
POL
DIGI GND
R/H
STROBE
OVERRANGE
UNDERRANGE
AD3
0
D5
D0
C22
1MF
IN0(ADC)

4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
V-
REF
ANA COM
INT OUT
AZ IN

D5
AD4
IN0(ADC)
D1
C24 0.47MF
0
AD3
C21
0.1MF
D0
1.6V/DC
5V/DC
R9 100K
5V/DC
0
C22
1MF
AD2
0
VR1
100K

15

3.3.2.7. Sơ ñồ nguyên lý mạch vi ñiều khiển
3.3.2.8. Sơ ñồ nguyên lý mạch giao tiếp máy tính
AD2
0
+
P2(AD00 AD04)

0
C11
104
5V/DC
P2(AD0 AD4)
AD3
R5
8.2K
C12
30P
U10
AT89C51
9
18
19
20
29
30
31
40
1
2
3
4
5
6
7
8
21
22

P1.0
P1.1
P1.2
P1.3
P1.4
P1.5
P1.6
P1.7
P2.0/A8
P2.1/A9
P2.2/A10
P2.3/A11
P2.4/A12
P2.5/A13
P2.6/A14
P2.7/A15
P3.0/RXD
P3.1/TXD
P3.2/INT0
P3.3/INT1
P3.4/T0
P3.5/T1
P3.6/WR
P3.7/RD
P0.0/AD0
P0.1/AD1
P0.2/AD2
P0.3/AD3
P0.4/AD4
P0.5/AD5

D3
LED1
0
TXD
0
P1
RS232
5
9
4
8
3
7
2
6
1
C19
104
0
-
D4
LED2
U12
MAX232
16
14
13
1
3
4

3.3.3.1.Tần số dao ñộng cung cấp cho ADC ILC7135
+ f
(clock)
= 120(kHz)
+ Theo mạch dao ñộng LM 555 trên.
Ta có: T ≈ 0.69×2×R
14
×C
15
Chọn C
15
= 0.01µF; suy ra: R
14
= 600Ω
3.3.3.2. Hệ số khuếch ñại Ap ño chiều dài
Ap = Ap1 × (1+
4
3
R
R
) ; Ap1 = 1 (Mạch khuếch ñại ñệm)
Ap = ( 1+
4
3
R
R
) = (1 +
100000
10
) = 1.0001

R
+
×R04 = 5(V)
Ap = Vout =
07
08
02
R
R
V
+
×R08×(
)
05
0605
R
RR
+
-
05
06
R
R
×V01
Chọn: R08 = R06 = 10KΩ;
suy ra Ap = Vout =
05
06
R
R

P
P
P
=
σ
; kG/cm
2
Giới hạn chảy σ
c
:
0
F
P
C
c
=
σ
; kG/cm
2

Giới hạn bền σ
b
:
0
F
P
Max
P
=
σ


19

Bảng 4.1. Bảng kết quả thử nghiệm mẫu ñồng B6x30 DIN 50125
THỬ NGHIỆM:
Mẫu thử kéo B6x30 DIN 50125 ñược chế tạo từ ñồng

Độ giãn ∆l,
1/100 mm
Lực thử nghiệm
P, kN
Độ giãn ∆l,
1/100 mm
Lực thử nghiệm
P, kN
10 0,8 140 10,3
20 2,4 160 10,1
30 4,9 180 9,8
40 7,6 200 9,6
50 10,0 220 9,4
60 11,0 240 9,1
70 11,0 260 8,7
80 10,9 280 8,35
90 10,8 300 7,9
100 10,7 320 7,25
Sau khi có bảng kết quả trên, ta tiến hành vẽ biển ñồ Tải-Độ
giãn ñối với mẫu thử ñồng B6x30 DIN 50125.

Hình 4.4. Biểu ñồ Lực-Biến dạng của mẫu ñồng B6x30 DIN 50125
Lực thử nghiệm P, kN

21

4.2.2. Chức năng của chương trình
- Giao diện chính
Giao diện chính của chương
trình ñược hiển thị sau khi ta
chọn chạy chương trình, là nơi
ñể bắt ñầu các bước thực hiện
việc thí nghiệm.

Hình 4.7. Giao diện chính của chương trình
- Hệ thống: Tạo dữ liệu mới
Hệ thống: Tạo dữ liệu mới cho phép xóa bỏ các ñặc tuyến khỏi màn
hình và bộ nhớ, chương trình ñược ñặt lại về trạng thái ban ñầu.
- Hệ thống: Xem dữ liệu cũ
Hệ thống: Xem dữ liệu cũ nhằm mở lại các dữ liệu cũ ñã thử nghiệm.
- Hệ thống: Lưu dữ liệu cũ
Hệ thống: Lưu dữ liệu cũ cho phép
lưu các dữ liệu và ñặc tuyến
- Nhập các thông số cho phép thử
nghiệm kéo giãn
Khi chọn Tiến hành thử nghiệm:
thử nghiệm kéo giãn, xuất hiện
một cửa sổ Thiết lập trước các
thông số cho phép thử kéo giãn
nhằm nhập các thông số ñầu vào
cho mẫu thử nghiệm.
Hình 4.11. Bảng thiết lập các thông số
cho phép thư kéo


này ñược tạo ra từ menu Thiết lập
các chế ñộ: Các thông số cho ñồ thị.
Khi chọn, sẽ xuất hiện một cửa sổ
sau:
Hình 4.15. Bảng thiết lập các giá trị cho ñồ thị
4.3. Các ưu ñiểm khi sử dụng chương trình
4.3.1. Kiểm ñịnh máy thử ñộ bền kéo nén
Căn cứ vào Tiêu chuẩn Việt Nam ĐLVN 49: 1999 , sau khi sử
dụng chương trình xử lý số liệu với các cảm biến ñã chọn, cảm biến
CBES 2000 với ñộ phân giải 1/100 so với thiết bị chỉ thị lực cũ, thiết
bị thử nghiệm kéo nén WP 300 ñã ñược kiểm ñịnh tại Trung tâm Kỹ
thuật Tiêu chuẩn Đo lường Chất lượng 2/ Bộ Khoa học và Công nghệ
và ñạt cấp chính xác 0,5.
4.3.2. Xử lý kết quả ño
Tín hiệu sau khi ñược truyền về sẽ ñược tính toàn bởi các công
thức nhằm xác ñịnh ñược ñường ñặc tính của vật liệu. Chỉ tiêu quan
trọng là xác ñịnh ñường ñặc tính ứng suất-biến dạng dài tương ñối.0
F
P
=
σ
; MN/m
2

Các giá trị lực P ño ñược là các kết quả ño trực tiếp, trong khi
ñó, mục ñích của chương trình là xác ñịnh kết quả ño gián tiếp ứng
suất σ. Theo như mục 2.5 xử lý kết quả ño gián tiếp và công thức







∂
∂
=
m
i
Pi
i
Pm
m
P
P
f
P
f
P
f
1
22
2
1
1

λλλλ
σ

dụng dễ dàng quản lí các kết quả ñã thí nghiệm. Khi cần thiết chương
trình sẽ tạo lại báo cáo kết quả hay xuất dữ liệu ra các phần mềm như
Access, Excel, Word.
- Một số các kết quả ñược phần mềm cung cấp bao gồm: giới
hạn bền, lực bền (Tensile strength, tension force), giới hạn chảy, lực
chảy (yield strength, yield force), mô ñun ñàn hồi E-Module(E), biến
dạng tương ñối (elogation) có thể ño trực tiếp bằng dụng cụ từ bên
ngoài hay ñược tự ñộng tính bằng chương trình. Trong suốt quá trình
thí nghiệm hay kiểm tra kết quả, chương trình có thể hiển thị các loại

25

ñồ thị như ứng suất-biến dạng, lực chuyển vị và các bảng giá trị ñi
kèm.
- Khi sử dụng chương trình xử lý số liệu với các cảm biến ñã
chọn thì các loại sai số ảnh hưởng ñến kết quả thử nghiệm ñã ñược
loại bỏ một cách ñáng kể. Cụ thể như: ảnh hưởng của ma sát ñến
ñồng hồ chỉ thị lực và ñộ giãn; ảnh hưởng của quá trình chuyển ñổi
áp suất-lực; ảnh hưởng của quá trình xử lý số liệu bằng tay,
- Sau khi sử dụng chương trình xử lý số liệu với các cảm biến
ñã chọn, thiết bị thử nghiệm kéo nén WP 300 ñã ñược kiểm ñịnh tại
Trung tâm Kỹ thuật Tiêu chuẩn Đo lường Chất lượng 2/ Bộ Khoa
học và Công nghệ và ñạt cấp chính xác 0,5.

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
1. Kết luận
a. Những nội dung chính ñã ñược giải quyết trong luận văn
Nghiên cứu tổng quan về cơ tính, cơ tính của vật liệu ñược biểu
thị bởi các ñặc trưng cơ học. Nêu ñược các phương pháp kiểm tra cơ
tính của vật liệu và nguyên lý hoạt ñộng của máy thử nghiệm kéo nén

nghiệm vật liệu ñể từ ñó có các biện pháp giảm ảnh hưởng của các
yếu tố ñó ñến kết quả thử nghiệm, nâng cao ñộ chính xác và ñộ tin
cậy của kết quả. Nghiên cứu, mở rộng ñể tiến hành phép thử nghiệm
uốn và kiểm tra ñộ cứng của vật liệu.
2. Kiến nghị
Các loại cảm biến ño lường là một thiết bị ño cho ñộ chính cao,
vì vậy cần ñược ứng dụng nhiều ño lường, thử nghiệm và sản xuất cơ
khí. Cần nghiên cứu ñể có những ứng dụng mang tính thực tiễn, áp
dụng trực tiếp vào trong quá trình công tác của các ñơn vị, cơ sở sản
xuất, trong nghiên cứu, giảng dạy, .v.v.