ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
NGUYỄN HỮU QUÂN

THIẾT KẾ CHẾ TẠO THIẾT BỊ ĐO MOMEN
DẠNG CẦM TAY
Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí
Mã số: 60.52.01.03
TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
Thái Nguyên - 2015
Công trình được hoàn thành tại:
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS. Ngô Như Khoa
Phản biện 1: PGS.TS Nguyễn Ngọc Quế
Phản biện 2: TS Nguyễn Văn Hùng
Luận văn được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn thạc sĩ Kỹ thuật họp
tại Trường Đại học Kỹ thuật công nghiệp, Đại học Thái Nguyên vào ngày
17 tháng 01 năm 2015
Có thể tìm hiểu luận văn tại :
- Trung tâm học liệu Đại học Thái Nguyên
- Thư viện Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ THIẾT BỊ ĐO MOMEN DẠNG DỤNG CỤ
Trong lĩnh vực kĩ thuật, với những mối ghép kẹp chặt bằng ren thì việc
xác định lực kẹp là rất quan trọng. Khi lực xiết hay vặn ren quá lớn sẽ làm hỏng bề
mặt làm việc của ren, dập ren, cắt chân ren…nhưng khi lực kẹp của ren nhỏ lại
không đảm bảo độ bền của mối ghép cũng như đảm bảo yêu cầu an toàn của những
chi tiết được kẹp chặt. Với yêu cầu xác định lực xiết hay vặn chặt ren, ngày nay có
rất nhiều dạng dụng cụ dùng để đo lực kẹp chặt của ren. Nguyên lí hoạt động chung
của các dụng cụ đo này đều dựa trên việc đo momen xoắn dạng tĩnh.
Hình 1.1. Thiết bị đo momen

. Biến dạng của trục đo được xác định
bằng cách dán thiết bị cảm biến strain gauge lên trục xoắn. Thông qua việc xây
dựng đường đặc tuyến biến dạng và sự thay đổi điện trở của strain gauge sẽ cho
phép xác định được mối tương quan giữa momen – biến dạng của trục đo được
chế tạo.
Tuy nhiên, hiện nay việc mua thiết bị đo momen có sẵn ở Việt Nam là
rất khó. Với điều kiện hạn chế trong nước, vẫn chưa có cơ sở nào sản suất, chế
tạo thiết bị đo momen dạng dụng cụ. Vì vậy, tác giả chọn đề tài “ Thiết kế, chế
tạo thiết bị đo momen dạng cầm tay “ với nguyên lí hoạt động là thiết bị đo
momen dạng nối tiếp.

3
CHƯƠNG 2
CƠ SỞ TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ
Dụng cụ được chế tạo có dạng đo momen dạng nối tiếp. Việc xây dựng
đường đặc tuyến momen – biến dạng có thể thực hiện bằng hai cách. Mối tương
quan momen xoắn – biến dạng xoắn biến dạng có thể được xác định gián tiếp
thông qua việc đo momen xoắn – góc xoắn trên trục mẫu chịu xoắn.
Hình 2.1. Sơ đồ xác định momen xoắn – góc xoắn.
Thông qua việc đo góc xoắn sẽ cho phép xác định được biến dạng góc, từ
đó xây dựng đường đặc tuyến momen – biến dạng. Tuy nhiên, đối với hầu hết
các loại vật liệu, góc xoắn trong miền đàn hồi là rất nhỏ khoảng vài độ. Việc đo
được góc xoắn trong miền đàn hồi của vật liệu là rất khó. Do đó, việc xây dựng
đường đặc tuyến momen – biến dạng sẽ được xác định trực tiếp bằng cách đo
biến dạng dài trên trục chịu xoắn.
Hình 2.2. Biến dạng dài của trục xoắn.
Theo cơ sở lí thuyết sức bền vật liệu trong xoắn thuần túy, biến dạng dài
theo 2 phương 45
0
và 135

gauge được xác định theo công thức :
/ /
(1 2 )
dR R d
ρ ρ
υ
ε ε
= + +
(2.14)
Tỉ số
/d
ρ ρ
ε
đặc trưng mức độ cản trở dòng điện của vật liệu dây dẫn,

là
hằng số đối với mỗi loại thiết bị strain gauge khác nhau.
Đại lượng
1 2
υ
+
đặc trưng cho sự thay đổi điện trở do sự tăng chiều dài
dây và giảm diện tích dây dẫn.
5
Độ cảm biến của vật liệu ( hay sự thay đổi điện trở trên mỗi đơn vị biến
dạng ) được gọi là hệ số cảm biến biến dạng GF :
/ /
=
/
dR R R R

4
out in in
GF
V
ε ε ε ε ε
= − + −
Dễ thấy, biến dạng do nhiệt bị triệt tiêu trên toàn mạch cầu, và chúng
cũng bi triệt tiêu trên hai nhánh liền kề ( ví dụ: nhánh 1 và 2 hoặc nhánh nhánh 1
và 4). Tương tự, khi sử dụng 4 strain gauge trên mạch cầu thì ảnh hưởng do
nhiệt tới biến dạng trên mỗi strain gauge cũng bị loại bỏ trên mạch đo.
Từ mạch cầu với giá trị điện trở R không đổi.
6
a. Mạch cầu một nhánh.
hình 2.8. Mạch cầu 1 nhánh.
Khi Strain gauge biến dạng thì
điện trở sẽ thay đổi giống điện trở biến thiên nên ta có mối quan hệ giữa và
Đối với mạch cầu một nhánh, việc sử dụng 1 strain gauge trên một nhánh
mạch cầu không loại bỏ được ảnh hưởng do nhiệt tới sai số biến dạng, trừ khi hệ
số giãn nở nhiệt của điện trở strain gauge có hệ số giãn nở nhiệt bằng không.
Điện áp trên mạch cầu một nhánh được xác định theo công thức:
3 3
( )V + ( )V
4 4
T
out in in
GF GF
V
ε ε
=
Vì vậy, mạch cầu một nhánh sử dụng strain gauge đo biến dạng chỉ được

(2.26)
c. Mạch cầu đầyđủ.
Hình 2.10. Mạch cầu đầy đủ
Mối quan hệ giữa và
8
Từ những mạch cầu trên để có giá trị lớn và với mục đích chế tạo thiết
bị đo momen xoắn cầm tay có thể hiển thị giá trị mô men theo hai phương cùng
chiều và ngược chiều kim đồng hồ là giống nhau nên tác giả lựa chọn mạch cầu
đầy đủ ( full) với các Strain gauge có giá trị điện trở R1 = R2 = R3 = R4 = R.
Hình 2.10. Trục mẫu chịu xoắn dán strain gauge.
Điện áp đầu ra được tính cho 2 nhánh mạch cầu được xác định như sau:
1 3 2 4
1 4
1 2 4 3 1 2 4 3

( )( )
out in in
R R R RR R
V V V
R R R R R R R R
   
−
= − =
   
+ + + +
   
1 3
,R R
: chịu kéo theo phương 45
0

 
out
in
V
R
V R
∆
↔ =
Theo ( 2.15)
.
out
in
V
R
GF
V R
ε
∆
= =
(2.25)
9
Kết luận: Từ những nội dung đã trình bầy trên đây về cảm biến đo biến
dạng strain gauge ta có thể thiết kế bộ đo mô men xoắn dựa trên nguyên lý dùng
strain gauge dán trên bề mặt của một trục mẫu chịu xoắn, đo biến dạng của trục
theo các phương ± 45
o
so với tâm trục, từ sự thay đổi điện trở strain gauge để
tính toán giá trị momen xoắn. Sơ đồ nguyên lý của phép đo M
Z
có thể mô tả như

chịu xoắn và tính toán trong miền đàn hồi của vật liệu. Các hệ thức tính toán
tuân theo định luật Hooke, vòng tròn Mo ứng suất và thuyết bền ứng suất tiếp
cực đại.
3.1. Hệ thức liên quan tới trục tròn rỗng chịu xoắn.
Hình 3.1. Sự phân bố ứng suất trên mặt cắt ngang trục tròn chịu xoắn
Hình 3.2. Vòng tròn Morh ứng suất khi xoắn thuần túy.
Theo thuyết bền ứng suất tiếp cực đại :
[ ]
[ ]
[ ]
max
ax
( MPa )
2
m
σ
τ τ
≤ =
(3.1)
11
3.2. Tính toán, thiết kế trục đo.
3.2.1. Tính toán kích thước trục đo.
Dự kiến thiết kế dụng cụ đo momen xoắn trong khoảng : M
Z
= 0 – 200
(N.m). Việc xác định loại vật liệu để chế tạo được tiến hành thí nghiệm trên máy
phân tích quang phổ thành phần hóa học của vật liệu. Từ bảng thành phần hóa
học của vật liệu được thí nghiệm. Tra sổ tay mác thép thê giới, xác định được
vật liệu dùng để thiết kế trục là thép 18Mn2Si. Bảng thành phần hóa học và
bảng cơ tính thép 18Mn2Si như sau:

Trục đo được tính toán, thiết kế theo điều kiện cứng tránh hiện tượng
uốn cong cục bộ trục khi tiến hành thí nghiệm xoắn trục để xây dựng đường đặc
tuyến momen – biến dạng.
Từ hệ thức :
[ ]

θ θ
≤
(3.12)
Từ (3.3) – (3.9) có :
ax 1 2 2
2 = =
( )
2(1 )
Z Z
m
P
P
M M
r r
E
GJ
W
γ ε θ
υ
= =
+
1
(1 )


Strain gauge là thiết bị cảm biến có độ chính xác cao. Hiện nay trên thế
giới có các hãng nổi tiếng sản xuất strain gauge : HBM, OMEGA. Vật liệu
thường được sử dụng để chế tạo strain gauge :
Trong thực tế, tùy thuộc vào các trạng thái ứng suất cần xác định mà có
các loại cảm biến strain gauge khác nhau.
3.4. Chọn loại keo dán strain gauge.
13
Trong các thí nghiệm đo biến dạng vật liệu, một yêu cầu đối với bề mặt
của strain gauge và bề mặt vật liệu được đo phải gắn chặt để đảm bảo sự phân
bố đồng đều ứng suất, đảm bảo độ bền kéo hoặc độ bền cắt lớn trong khi tiến
hành thí nghiệm. Do đó, keo dán được sử dụng để dán strain gauge cần phải đảm
bảo các yêu cầu trên. Hiện nay, trên thị trường có rất nhiều loại keo dán dùng để
dán strain gauge.
Keo dán extra 4000 dùng để dán nhưng kim loại khó dán, đảm bảo các
yêu cầu khi dán strain gauge. Những ưu điểm của keo dán extra 4000: có khả
năng chịu nhiệt và lực tác động lớn; nhanh khô; phạm vi nhiệt độ làm việc :
-40
0
và 120
0
. Thời gian giữ chặt khi dán là 1s, thành phần chính cyanoacrylate,
có xuất sứ từ Nhật bản.
Strain gauge là thiết bị cảm biến có độ nhạy cao, do đó để tránh nhiễu
ảnh hưởng tới kết quả đo, cần phủ 1 lớp silicon lên bề mặt strain gauge
Hình 3.9. Silicon chống nhiễu cho strain gauge.
Bên cạnh đó, để đảm bảo độ bám dính của strain gauge lên bề mặt trục
đo thì yêu cầu bề mặt trục đo phải được làm sạch, do đó quy trình dán thiết bị
cảm biến strain gauge như sau :
Bước 1: Vạch dấu trên trục đo để đảm bảo khi dán strain gauge theo 2
phương 45

mạch khuếch đại hiển thị giá trị momen trên trục đo khi tiến hành đo momen.
Trục đo được thí nghiệm trên thiết bị thí nghiệm xoắn có M
Z
= 1000
N.m. Giá trị momen của thiết bị được đo bằng loadcell và được hiển thị bằng bộ
hiển thị 3570.Hệ thức liên hệ giữa giá trị momen và điện áp hiển thị trên bộ hiển
thị 3570 như sau:
0,0026 ( )
D
out Z
V M mV
=
16
Hệ thống thí nghiệm xây dựng bộ dữ liệu momen xoắn trên trục đo và điện
áp đầu ra của bộ hiển thị mạch khuếch đại strain gauge như sau:
Hình 4.2. Thí nghiệm xác định biến dạng của trục đo.
4.2. Kết quả thí nghiệm.
Hệ số khuếch đại trên thiết bị 3B18 K
B
= 400. Do đó, điện áp tính toán quy
đổi cho biến dạng của trục đo sẽ được tính toán theo công thức:
Q
( )
Đ
out
out
B
V
V mV
K

33,72 4,05704E-05 85,44 0,000102852 157,09 0,00017165
34,10 4,12743E-05 106,13 0,000115655 163,60 0,00018069
43,68 5,08859E-05 113,79 0,000122779 169,35 0,00018576
53,26 6,08495E-05 115,33 0,000134527 177,78 0,00019176
Bảng 4.1. Bảng tính toán giá trị momen – biến dạng – giá trị điện áp.
Từ bảng 4.1 xây dựng phương trình cho kết quả đo được và xác định lại giá
trị modun đàn hồi E cho vật liệu trục đo như sau:
17
Hình 4.3. Đồ thị mối tương quan giữa momen – biến dạng.
Phương trình M
z
= 893919 ε (1) là phương trình đặc trưng cho mối tương
quan giữa momen – biến dạng của vật liệu 18Mn2Si. Do trong quá trình tính
toán, thiết kế trục đo tác giả tra cứu và lấy giá trị modun đàn hồi chung cho các
loại thép E = 200GPa. Tuy nhiên, trong thực tế mỗi một loại vật liệu sẽ có một
giá trị modun đàn hồi riêng. Vì vậy việc tiến hành thí nghiệm xây dựng phương
trình momen – biến dạng của thép 18Mn2Si cho phép xác định lại giá trị modun
đàn hồi thực tế của thép 18Mn2Si.
Hình 4.4. Đồ thị mối tương quan giữa momen – biến dạng.
Phương trình Vout = 2.10
-5
Mz (mV) dùng đê thiết kế mạch khuếch đại
hiển thị giá trị momen tương ứng với mỗi đơn vị biến dạng trên trục đo
4.3. Kết luận.
18
4.3.1. Những kết quả đã đạt được.
- Đã thiết kế và chế tạo thành công thiết bị đo mô men xoắn cầm tay với
khoảng đo từ 0 ÷ 200 Nm. Qua đó:
+ Làm chủ được công nghệ dán, sử dụng Strain gauge trên các trục kim loại.
+ Làm chủ được thiết kế kích thước các trục chịu xoắn ở các giải đo