Đo lực và ứng suất Trang 1
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.
SVTH :HÀ THANH LÂM - PHẠM TRỌNG QUỲNH
Đo lực và ứng suất Trang 2
PHẦN A
DẪN NHẬP
SVTH :HÀ THANH LÂM - PHẠM TRỌNG QUỲNH
Đo lực và ứng suất Trang 3
I. ĐẶT VẤN ĐỀ:
Để hiểu được và làm chủ được các hiện tượng vật lý hóa học, y, sinh
học...trong đời sống chúng ta, đòi hỏi chúng ta phải có phương pháp đo và
thiết bò đo lường sẽ giúp chúng ta đạt được mục đích này.
Cùng với sự tiến bộ vượt bậc của công nghệ điện tử và công nghệ
thông tin chúng ta có thêm các thiết bò đo lường điện tử ngày càng chính xác
hơn, sử dụng thuận lợi hơn, hoạt động ở chế độ tự động hóa hoàn toàn. Để

1 loạt các thông số: lực, ứng suất, biến dạng... thì sẽ trở nên gặp khó khăn
SVTH :HÀ THANH LÂM - PHẠM TRỌNG QUỲNH
Đo lực và ứng suất Trang 4
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.
SVTH :HÀ THANH LÂM - PHẠM TRỌNG QUỲNH
Đo lực và ứng suất Trang 5
CHƯƠNG I
CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO BIẾN DẠNG
I. KHÁI NIỆM VỀ BIẾN DẠNG:
Khi đặt một lực vào vật thể, vật thể bò thay đổi hình dạng. Trong
trường hợp tổng quát, sự thay đổi này gọi là biến dạng. Ở đây chúng ta hiểu
biến dạng như là sự thay đổi hình dạng trên 1 đơn vò dài hay là độ thay đổi
chiều dài tương đối.
II. CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO BIẾN DẠNG:
Cùng với sự phát triển của kỹ thuật điện tử, kỹ thuật đầu dò, đặc biệt
từ những năm 1970, người ta đã chế tạo ra rất nhiều dụng cụ đo biến dạng
dựa trên các nguyên lý cơ khí, quang, điện âm thanh và nguyên lý khí nén...
Tuy nhiên không có một nguyên lý nào có thể thỏa mãn mọi yêu cầu kỹ
thuật đặt ra. Do đó có rất nhiều hệ thống đo khác nhau để đáp ứng mọi yêu
cầu đo trong phạm vi giải quyết những vấn đề khác nhau, sau đây là các
phương pháp đo:
1. Phương pháp cơ khí:
Phương pháp cơ khí đo biến dạng ngày nay ít được sử dụng, bởi vì đo
biến dạng bằng điện trở chính xác hơn và dễ sử dụng. Tuy nhiên, dụng cụ
đo cơ khí được gọi là Extensometer vẫn còn được sử dụng rộng rãi trong hệ

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
để dán lên một bộ phận biến dạng. Mức biến dạng của bộ phận thông qua
lớp keo được truyền sang miếng đo. Miếng đo như vậy phải chòu một sự
biến động tỷ lệ với điện trở của nó.
Strain Gage (SG-miếng đo biến dạng) là một trong những công cụ
quan trọng của kỹ thuật đo lường điện tử được áp dụng đo các đại lượng cơ
học. Đúng như tên gọi, nó được sử dụng để đo biến dạng. Biến dạng của
một vật thể được gây ra bởi tác nhân bên ngoài hoặc bên trong, làm sinh ra
ứng suất. Do vậy trong phân tích ứng suất thực nghiệm người ta sử dụng
rộng rãi phương pháp xác đònh biến dạng.
Các thiết bò biến dạng cho đến nay đã được nhiều hãng chế tạo như:
Hottinger Baldwin, Messttechnik, Micromesures Vishay...
Strain Gage được tạo ra với 2 kết cấu là lưới phẳng và dạng ống trụ.
a. Dạng lưới phẳng b. Dạng ống trụ
SVTH :HÀ THANH LÂM - PHẠM TRỌNG QUỲNH
W i n d i n g C o r d
Đo lực và ứng suất Trang 7
1. Hệ số miếng đo (Gage factor):
Sự thay đổi điện trở của một cấu kiện có điện trở biến đổi được tùy
thuộc vào quan hệ sau:
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

L
F
R
R
=
∆
=
∆
trở điện đổi biếnđộ:
R
R
∆
Đo lực và ứng suất Trang 8
IV. MẠCH CẦU WHEATSTONE:
Cầu Wheatstone là mạch cầu được chọn nhiều nhất trong việc đo
những biến dạng điện trở nhỏ (tối đa 10%) như trong việc dùng các miếng
đo biến dạng.
1. Nguyên lý:
Đối cầu Wheatstone của hình 1:
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
R
R
R
R
R
Zm
R
V
Em
∆






∆
−
∆
+
∆
−
∆







R
R
R
R
RV
Em
m
E
Z m
m
H ì n h 1 : M a ïc h c a àu W h e a t s t o n e
R 1
R 2
R 4
R 3
V
Đo lực và ứng suất Trang 9
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
a
là
điện trở cố đònh, R
b
là một thế kế nhiều vòng. Trong phần lớn thường sử
dụng R
a
=20kΩ, R


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:
Cầu Wheatstone cho phép kết hợp nhiều miếng đo hữu công. Hình trên
cho thấy bốn miếng đo được dán lên thanh mẫu. Khi thanh mẫu bò kéo ra
khỏi bởi lực P, những biến dạng tương tự sẽ là:
ν: hệ số Poisson.
A: tiết diện ngang.
E: Modun đàn hồi.
SVTH :HÀ THANH LÂM - PHẠM TRỌNG QUỲNH
ευεε
εεε
. Và
.
42
21
−==
===
EA
PR 3
R 4
R 2

=
Đo lực và ứng suất Trang 12
CHƯƠNG II
KHẢO SÁT CỔNG MÁY IN
BỘ ADC 12 BIT & VÀ CÁC LINH KIỆN CÓ LIÊN QUAN
Giao tiếp với máy tính là việc trao đổi dữ liệu giữa máy tính với một
hay nhiều thiết bò ngoại vi. Hai thiết bò ngoại vi quen thuộc của máy tính là
bàn phím và màn hình. Ngoài ra máy tính còn được bố trí thêm các đường
giao tiếp đa năng khác nhau: giao tiếp nối tiếp (thông qua cổng COM), giao
tiếp song song (cổng LPT) giao tiếp qua khe cắm (SLOT).
Ghép nối nối tiếp cho phép trao đổi thông tin giữa các thiết bò với nhau
theo từng bit một. Số liệu thường được gởi theo từng nhóm bit SDU (Serial
Data Unit) mà nó tạo thành một byte hay một từ... Các thiết bò ngoại vi như
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):

: không sử dụng (thường để ở mức [ 1])
Có đòa chỉ bằng đòa chỉ cơ bản +1=379H.
• Thanh ghi điều khiển :
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
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,

Đo lực và ứng suất Trang 14
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
.
5 D
3
Bit dữ liệu D
3
.
6 D
4
Bit dữ liệu D
4
.

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
SVTH :HÀ THANH LÂM - PHẠM TRỌNG QUỲNH
C O N N E C T O R D B 2 5
1
1 3
1 4
2 5
Đo lực và ứng suất Trang 15
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):

0 1 1
1 0 0
1 0 1
1 1 0
1 1 1
1 / 2 L S B
Đo lực và ứng suất Trang 16
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.
SVTH :HÀ THANH LÂM - PHẠM TRỌNG QUỲNH
+ 1 / 2 L S B
- 1 / 2 L S B
M a ïc h
t a ïo m a õ
s o á

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.
SVTH :HÀ THANH LÂM - PHẠM TRỌNG QUỲNH
+
-
D A C n b i t
M a ïc h đ e ám
n b i t
S
R
Q
Q
F F
E O C
C K x u n g đ o àn g h o à
t a àn s o á f c
S T A R T
d o ác l e ân
V = V
R D A C
V
a
( + )
M a õ
s o á r a
T c
T h ơ øi g i a n c h u y e ån đ o åi
K e át t h u ùc

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.
SVTH :HÀ THANH LÂM - PHẠM TRỌNG QUỲNH
+
-
D A C n b i t
C o u n t e r
U p / D o w n
C K
C o n t r o l L i g i c
V = V
R D A C
V
a
( + )

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.
SVTH :HÀ THANH LÂM - PHẠM TRỌNG QUỲNH
C K
R D A C
+
S A R
-
V = V
D A C n b i t
M a õ s o á
r a
V c
V a ( t )
S T A R T
F F

(-)
=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.


R=START =1 Q=1.
Tại cổng AND
Q =1
 Đưa xung CK vào bộ đếm.
V
C2
SVTH :HÀ THANH LÂM - PHẠM TRỌNG QUỲNH
h i g h
h i g h
t
t
t
t
t
t
E O C
C K
V c
V c
V a , V
S T A R T
V o f f s e t
1
2
R
T c
H ì n h a .
-
+

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.
SVTH :HÀ THANH LÂM - PHẠM TRỌNG QUỲNH
-
E O C
+
M a ïc h
đ e ám n b i t
+
-
M a ïc h l o g i c
đ i e àu k h i e ån
Đ e äm n g o õ r a
M a ïc h s o s a ùn h
M a ïc h t í c h
p h a ân
M a õ s o á r a
V a < 0
V
R
S T A R T
V i
C K

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
.
Giả sử R,C không đổi trong suốt thời gian chuyển đổi.
SVTH :HÀ THANH LÂM - PHẠM TRỌNG QUỲNH
)0(V .)(V

1 21
0 0
.
..
1
..
1
t tt
Ra
dtV
RC
dtV
RC
E O C
V c
V m a x
I
t
t
t
t
d o ác l e ân l a áy t í c h p h a ân V a
d o ác x u o án g l a áy t í c h p h a ân V a
t 1
t 2
T c
S T A R T
Đo lực và ứng suất Trang 23
3. Đặc tính kỹ thuật của mạch ADC:
a. Độ chính xác bất đònh do lượng tử hóa:

) và chuyển tiếp cuối xảy ra
0
_+

tràn khung (1-3.2
-n
).
SVTH :HÀ THANH LÂM - PHẠM TRỌNG QUỲNH
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
a
Ra
f
t

0
C
ICL 7109
MDL/883
-55
0
C  +125
0
C
ICL 7109 IPL -25
0
C +85
0
C
SVTH :HÀ THANH LÂM - PHẠM TRỌNG QUỲNH
G N D
S T A T U S
P O L
B 1 2
B 1 1
B 1 0
V +
R E F C A P +
R E F I N +
I N H I
O R
I N L O
1
2
4

1 0
1 1
1 2
1 3
1 4
1 5
2 1
1 8
1 9
2 0
3 2
2 8
3 8
B 8
B 7
B 6
B 5
B 4
B 3
B 2
B 1
T E S T
L . B E N
H . B E N
C E / L O A D
I N T
A Z
B U F
R E F O U T
V -

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 1µV/
o
c, dòng vào tối đa 10pA và
công suất tiêu thụ 20mW… làm cho vi mạch này càng trở nên hấp dẫn.
CHỨC NĂNG CÁC CHÂN:
CHÂN KÝ HIỆU CHỨC NĂNG
1 GND Chân Mass
2 STATUS Ngõ ra lên mức cao trong suốt quá trình biến đổi cho đến khi
dữ liệu được chốt lại. Ngõ ra xuống thấp khi tín hiệu được
chuyển đổi xong
3 POL Báo cực tính – Mức 1 khi tín hiệu tương tự vào dương
4 OR Bit tràn - Mức 1 nếu tràn.
5
6
7
8
9
10
B12
B11
B10
B9
B8
B7
Bit 12 Bit có trọng số lớn nhất