Nghiên cứu chế tạo cảm biến đo và hệ thống đo lực ba chiều

- NGUYỄN HOÀI NAM NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO CẢM BIẾN ĐO VÀ HỆ THỐNG ĐO LỰC BA CHIỀU Chuyên ngành: Đo lƣờng và các hệ thống điều khiển LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC ĐO LƢỜNG VÀ CÁC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: TS NGUYỄN THỊ LAN HƢƠNG Hà nội – Năm 2013 Nghiên cứu chế tạo cảm biến đo và hệ thống đo lực ba chiều 2013 I LỜI CẢM ƠN Sau thời gian học tập, nghiên cứu tại trƣờng Đại học Bách Khoa Hà Nội và phòng Thí nghiệm Đo lƣờng Động học Bay, Viện Tên lửa, tác giả đã hoàn thành luận văn thạc sĩ, đồng thời đƣợc trang bị những kiến thức về chuyên ngành sâu, rộng và cả phƣơng pháp học tập, nghiên cứu.
- Tôi xin cảm ơn tập thể lớp cao học Đo lƣờng và các hệ thống điều khiển hệ khoa học khóa 2011B, cùng với gia đình, bạn bè tôi, những ngƣời thƣờng xuyên động viên, đóng góp trao đổi ý kiến và kiến thức trong suốt thời gian học tập và hoàn thành luận văn.
- Học viên thực hiện Nguyễn Hoài Nam Nghiên cứu chế tạo cảm biến đo và hệ thống đo lực ba chiều 2013 II LỜI CAM ĐOAN Tôi là Nguyễn Hoài Nam, học viên cao học lớp 11B-ĐLĐK.KH khóa 2011B 2013.
- Tôi xin cam đoan toàn bộ nội dung đƣợc trình bày trong bản luận văn “Nghiên cứu chế tạo cảm biến đo và hệ thống đo lực ba chiều” là công trình nghiên cứu của tôi, dƣới sự hƣớng dẫn trực tiếp của TS Nguyễn Thị Lan Hƣơng – Viện Điện, trƣờng Đại học Bách Khoa Hà Nội.
- Học viên thực hiện Nguyễn Hoài Nam Nghiên cứu chế tạo cảm biến đo và hệ thống đo lực ba chiều 2013 III MỤC LỤC MỞ ĐẦU.
- 2 Chƣơng 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC HỆ THỐNG ĐO ĐỘNG LỰC.
- 4 1.1 Khái niệm chung về hệ thống đo động lực.
- Đặc tính động học của hệ thống đo các tham số động lực, hàm truyền.
- Sai số động trong các hệ thống đo các tham số động lực.
- Bù trừ nhiệt độ cho cảm biến.
- 16 Chƣơng 2: THIẾT KẾ CHẾ TẠO CẢM BIẾN ĐO LỰC BA CHIỀU.
- Nghiên cứu chế tạo cảm biến đo lực ba chiều.
- 52 Nghiên cứu chế tạo cảm biến đo và hệ thống đo lực ba chiều 2013 IV Chƣơng 3: NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO THIẾT BỊ THU THẬP, GIA CÔNG TÍN HIỆU VÀ HỆ THỐNG ĐO.
- Thiết kế chế tạo mạch đo thí nghiệm sử dụng cảm biến điện trở lực căng (Loadcell) SIWAREX R BB.
- Cảm biến (Loadcell) SIWAREX R BB.
- Mạch đo thí nghiệm sử dụng cảm biến điện trở lực căng (loadcell.
- Thiết kế chế tạo hệ thống đo cho cảm biến đo lực ba chiều.
- Các loại nhiễu chính ảnh hƣởng đến hệ thống và biện pháp khắc phục.
- Thí nghiệm với hệ thống đo lực ba chiều.
- Kiểm tra, xác định độ nhạy thực thế của cảm biến đo lực ba chiều.
- Kiểm tra, xác định sự ổn định, tuyến tính của cả hệ thống đo lực 3 chiều.
- 83 Nghiên cứu chế tạo cảm biến đo và hệ thống đo lực ba chiều 2013 V DANH MỤC VIẾT TẮT Nghiên cứu chế tạo cảm biến đo và hệ thống đo lực ba chiều 2013 VI DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1.
- Sơ đồ khối của một hệ thống đo động lực.
- Hệ thống đo với những đặc tính động học của nhiều phần tử hợp thành.
- Nguyên lý cấu tạo và hoạt động của cảm biến đo lực.
- 40 Nghiên cứu chế tạo cảm biến đo và hệ thống đo lực ba chiều 2013 VII Hình 2.14.
- Kết cấu tổ hợp phần tử biến dạng đàn hồi của cảm biến đo lực 3 chiều.
- Mạch cầu cảm biến đo lực Fz.
- Cảm biến đo lực 3 chiều và phần tử biến dạng.
- Cảm biến đo lực SIWAREX R BB.
- Cấu trúc phần tử biến dạng và mạch cầu của cảm biến đo lực SIWAREX R BB.
- Sơ đồ khối thiết bị gia công tín hiệu cảm biến.
- Ảnh chụp mạch đo thí nghiệm sử dụng cảm biến điện trở lực căng và cảm biến đo lực SIWAREX R BB.
- Hệ thống đo và cảm biến đo lực ba chiều.
- 70 Nghiên cứu chế tạo cảm biến đo và hệ thống đo lực ba chiều 2013 VIII Hình 3.14.
- Hệ thống đo lực cắt ba chiều khi phay.
- Thí nghiệm kiểm tra sự ổn định, tuyến tính của hệ thống đo lực 3 chiều đã chế tạo.
- 29 Nghiên cứu chế tạo cảm biến đo và hệ thống đo lực ba chiều 2013 1 MỞ ĐẦU a.
- Với các máy công cụ hiện đại thì thƣờng đƣợc tích hợp hệ thống đo lực và hệ thống điều khiển đồng bộ.
- Bên cạnh đó, trong nƣớc ta hiện nay còn sử dụng rất nhiều thiết bị, máy móc cũ mà chƣa đƣợc tích hợp hệ thống đo và điều khiển.
- Để khắc phục những nhƣợc điểm này, có thể cải tiến các máy công cụ cũ này bằng cách thêm vào hệ thống đo lực nhiều chiều và hệ thống điều khiển.
- Hiện tại, giá thành của các hệ thống đo lực nhiều chiều đƣợc các hãng nƣớc ngoài cung cấp là rất đắt và khi hỏng hóc thì phải gọi chuyên gia của hãng và các phụ kiện cũng nhƣ chi phí sửa chữa là rất cao.
- Chính vì thế nghiên cứu chế tạo hệ thống đo lực cắt sử dụng trong các máy công cụ bằng công nghệ trong nƣớc, phù hợp với điều kiện kinh tế trong nƣớc là một yêu cầu cấp bách.
- Yêu cầu của một hệ thống đo lƣờng là phải đạt đủ yêu cầu về độ ổn định, tuyến tính, có độ chính xác cao và có độ nhạy đủ lớn để có thể đo đƣợc các tham số biến đổi phức tạp của đối tƣợng đo.
- Muốn vậy trƣớc hết phải thiết kế, chế tạo từng bộ phận của hệ thống sao cho chúng đạt các yêu cầu tiêu chuẩn chất lƣợng đề ra.
- Mỗi bộ phận hợp thành đƣợc đảm bảo ổn định và tuyến tính trong giới hạn đo sẽ là cơ sở cho việc tổ hợp thành một hệ thống đo tuyến tính và ổn định.
- Nhƣ vậy, để có đƣợc một hệ thống đo đủ độ nhạy, tin cậy, chính xác cao thì trƣớc hết phải có giải pháp hợp lý chế tạo các phần tử hệ ổn định và tuyến tính.
- Luận văn “Nghiên cứu chế tạo cảm biến đo và hệ thống đo lực ba chiều” nghiên cứu những kiến thức cơ bản về một hệ thống đo động học nói chung và một hệ thống đo sử dụng cảm biến điện trở lực căng nói riêng.
- Từ đó thiết kế, chế tạo cảm biến đo lực ba chiều sử dụng công nghệ điện trở lực căng và hệ thống đo đi Nghiên cứu chế tạo cảm biến đo và hệ thống đo lực ba chiều 2013 2 kèm, làm việc ổn định, tuyến tính trong miền giới hạn đo, có độ chính xác cao và có độ nhạy đủ lớn để có thể đo đƣợc các tham số biến đổi phức tạp của đối tƣợng đo là lực cắt trong các máy công cụ.
- Bên cạnh đó hệ thống đo cũng phải đáp ứng đƣợc các yêu cầu khắc nghiệt của điều kiện làm việc nhƣ độ cứng vững, quá trình tăng nhiệt độ hay việc sử dụng dung dịch tƣới nguội trong quá trình gia công của máy công cụ.
- Yêu cầu đặt ra với cảm biến và hệ thống đo là phải hoạt động ổn định, chịu đƣợc môi trƣờng làm việc khắc nghiệt nhƣ chịu rung động, chịu tác động của dung dịch tƣới nguội.
- Vì vậy, hệ thống đo sử dụng cảm biến tem điện trở lực căng luôn đƣợc sử dụng rộng rãi trong việc đo thí nghiệm tham số động lực (lực, mô men, áp suất.
- Hệ thống đo sử dụng tem điện trở lực căng rất phổ biến trong nhiều lĩnh vực của nhiều quốc gia trên thế giới.
- Tuy nhiên, các hệ thống đo này thƣờng do một số công ty thuộc các nƣớc có trình độ công nghệ phát triển cao chế tạo và sản xuất.
- Chính vì vậy, nghiên cứu chế tạo các hệ thống đo phù hợp với điều kiện công nghệ trong nƣớc,phục vụ cho công tác đào tạo, nghiên cứu khoa học và sản xuất là nhu cầu thiết yếu hiện nay.
- Nội dung thực hiện và đóng góp của đề tài - Nghiên cứu cơ sở ly thuyết về hệ thống đo động lực và hiệu ứng áp trở.
- Nghiên cứu chế tạo cảm biến đo và hệ thống đo lực ba chiều 2013 3 - Thiết kế, chế tạo cảm biến đo lực cắt ba chiều dựa trên hiệu ứng áp trở, tem điện trở lực căng.
- Chế tạo hệ thống đo lực 3 chiều hoàn chỉnh và thử nghiệm các đặc tính của cảm biến và hệ thống đo đã chế tạo.
- Chương 1: Tổng quan về các hệ thống đo động lực 2013 4 Chƣơng 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC HỆ THỐNG ĐO ĐỘNG LỰC 1.1 Khái niệm chung về hệ thống đo động lực Hệ thống đo động lực là một hệ thống đo các tham số động lực của đối tƣợng đo.
- Một hệ thống đo các tham số vật lý nói chung bao gồm ba bộ phận chính là cảm biến, bộ phận gia công xử lý tín hiệu và bộ phận hiển thị.
- Cùng với sự phát triển của khoa học công nghệ, cấu tạo, chất lƣợng, kích thƣớc của hệ thống đƣợc thay đổi rất nhiều song kỹ thuật và nguyên lý cấu tạo không thay đổi.
- Hình 1.1 thể hiện sơ đồ khối tổng quát của một hệ thống đo các tham số động lực.
- HỆ THỐNG ĐO CÁC THAM SỐ ĐỘNG LỰC Hình 1.1.
- Sơ đồ khối của một hệ thống đo động lực Cảm biến có vai trò biến đổi đại lƣợng cần đo sang dạng tín hiệu có thể xử lý đƣợc.
- Trong nhiều trƣờng hợp, một hệ thống đo có nhiều cảm biến và cảm biến có thể có mặt ở hầu hết các bộ phận của hệ thống.
- Trong một hệ thống đo lƣờng, điều GIA CÔNG XỬ LÝ Cảm biến Đầu vào Đầu ra Hiển thị số liệu Gia công tín hiệu Xử lý số Giá trị cần đo Giá trị đã đo đƣợc Chương 1: Tổng quan về các hệ thống đo động lực 2013 5 khiển hay một hệ thống vật lý nói chung, cảm biến đƣợc nối trực tiếp đến bộ phận gia công xử lý thƣờng đƣợc gọi là cảm biến sơ cấp, những cảm biến khác đƣợc gọi là cảm biến thứ cấp.
- Đối với các hệ thống đo lƣợng khác nhau, các thành phần của hệ thống có thể thay đổi để phù hợp với yêu cầu của hệ thống, ví dụ nhƣ một số hệ thống đo đơn giản, biến đổi trực tiếp thì không có bộ phận xử lý số, tín hiệu thu đƣợc từ cảm biến sẽ qua khâu chuyển đổi tƣơng tự rồi đƣợc hiển thị (cân cơ học, thƣớc đo.
- Đặc tính động học của hệ thống đo các tham số động lực, hàm truyền Trong một hệ thống đo động lực, khi đối tƣợng đo chuyển từ trạng thái tĩnh sang trạng thái hoạt động, tín hiệu đầu vào x biến đổi đột ngột từ một giá trị này đến một giá trị khác, khi đó, tín hiệu ra y cũng sẽ biến đổi đến một giá trị mới của nó và ời có sự tham gia của can nhiễu.
- Sự biến đổi của tín hiệu đầu ra là không đồng thời Chương 1: Tổng quan về các hệ thống đo động lực 2013 6 với sự thay đổi của tín hiệu đầu vào vì đặc tính trễ của phần tử hệ cũng nhƣ của toàn bộ hệ thống đo.
- Những hệ thống đo các tham số của động lực là những hệ thống bao gồm chủ yếu những phần tử bậc không, bậc nhất và bậc hai.
- Các phần tử bậc 2 Phần tử hệ bậc hai là những phần tử không thể thiếu trong các hệ thống đo lực, áp suất, mô men, rung.
- kx = F Chương 1: Tổng quan về các hệ thống đo động lực 2013 7 Đặt F và x là độ lệch của lực F và dịch chuyển x tính từ trạng thái bền vững ban đầu (điều kiện đầu), ta có: F = F – F(0.
- (1.8) Chương 1: Tổng quan về các hệ thống đo động lực 2013 8 Để xác định hàm truyền cho phần tử, cần phải biến đổi Laplace phƣơng trình (1.8).
- Mạch thay thế của phần tử bậc hai với mạch dao động L-C-R mắc nối tiếp i L R U C Chương 1: Tổng quan về các hệ thống đo động lực 2013 9 Trong công thức (1.2) và (1.12) ta thấy: q tƣơng tự với x.
- Sai số động trong các hệ thống đo các tham số động lực Trong một hệ thống đo các tham số động lực nói chung luôn phải chịu nhiều tác động của nhiễu môi trƣờng, của đối tƣợng cần đo và của chính hoạt động của hệ gây ra.
- Vì vậy sai số trong các hệ thống đo động bị chi phối bởi rất nhiều yếu tố.
- phân tích các nguồn gây sai số nhằm tìm ra các nguồn nhiễu ảnh hƣởng đến độ chính xác của hệ thống đo.
- Một hệ thống đo, cho dù rất đơn giản cũng có thể phân tích thành nhiều phần tử hệ nối ghép với nhau.
- Ví dụ, trên hình 1.3 thể hiện một hệ thống đo có thể chứa đựng n phần tử.
- (1.15) Chương 1: Tổng quan về các hệ thống đo động lực 2013 10 Hình 1.3.
- Hệ thống đo với những đặc tính động học của nhiều phần tử hợp thành Về nguyên lý, có thể sử dụng phƣơng trình (1.15) để tìm biến đổi tín hiệu ra Y(t) tƣơng ứng với biến đổi tín hiệu vào theo thời gian X(t) của hệ.
- Sai số động học S(t) của hệ thống đo chính là độ chênh lệch giữa tín hiệu đo được và tín hiệu thực tế, nghĩa là hiệu giữa tín hiệu ra và tín hiệu vào: S(t.
- X(t) (1.18) Trong hệ thống đo các tham số động lực nói chung, tín hiệu vào thƣờng đã đƣợc tính toán sơ bộ, mọi hành vi ngẫu nhiên và can nhiễu đều phải đƣợc loại trừ để đảm bảo cho tín hiệu có tính xác định, thể hiện đúng bản chất của tham số đối tƣợng cần đo.
- Để xác định sai số động học của một hệ thống nói chung với hàm truyền G(s) dƣới tác động của tín hiệu kích thích hình sin (tín hiệu vào) X(t.
- fra (s)/fV(s), ta sẽ xác định đƣợc: K1G1(s) K2G2(s) KiGi(s) KnGn(s) Tín hiệu ra Tín hiệu vào X(s) =X1(s) Y1(s) =X2(s) Y2(s) Xi(s) Yi(s) Xn(s) Yn(s) Chương 1: Tổng quan về các hệ thống đo động lực 2013 11 Y(t.
- Trong thực tế tín hiệu vào một hệ thống đo thƣờng là một tín hiệu chu kỳ phức tạp chứ không phải là một sóng sin giản đơn.
- Tính Chương 1: Tổng quan về các hệ thống đo động lực 2013 12 chất đã đƣợc làm đơn giản hoá này sẽ không gây ảnh hƣởng gì đến những kết luận chung trong phần tiếp theo.
- Nhƣ vậy, tín hiệu vào hệ thống đo chỉ còn lại là: n1n1ntnsinX)t(X (1.22) trong dó, Xn = bn là biên độ của hài bậc thứ n tại tần số n1.
- trong đó n = arg G(jn1) Đến đây, cần phải sử dụng đến nguyên lý xếp chồng, một tính chất cơ bản của các hệ thống tuyến tính.
- Bản chất của nguyên lý này đƣợc biểu hiện nhƣ sau: Khi một hệ thống đã đƣợc bảo đảm là tuyến tính thì nếu một tín hiệu vào X1(t) tạo nên một tín hiệu ra Y1(t) và một tín hiệu vào X2(t) tạo nên một tín hiệu ra Y2(t) thì một tín hiệu vào X1(t.
- Có thể nói phƣơng pháp bù trừ là một công cụ không thể thiếu trong việc xây dựng hệ thống đo lƣờng nói chung.
- Không một hệ thống đo lƣờng động học nào lại có thể vắng bóng phép bù trừ trong đó.
- Với phép bù trừ, ta có thể chủ động loại trừ đƣợc những can nhiễu của môi trƣờng hoặc của chính thiết bị tạo Chương 1: Tổng quan về các hệ thống đo động lực 2013 13 nên hệ thống đo.
- Tham số bù trừ có tính phong phú đa dạng và phƣơng pháp bù trừ cụ thể có những đòi hỏi nghiêm ngặt cho nên chúng ta không có tham vọng nắm bắt hết đối tƣợng và giải pháp bù trừ mà chỉ làm quen với một số phƣơng pháp kinh điển nhất và cũng thƣờng đƣợc sử dụng nhiều nhất trong các hệ thống đo lƣờng các tham số động lực.
- Chương 1: Tổng quan về các hệ thống đo động lực 2013 14 Hình 1.4.
- Độ rộng băng của một phần tử hoặc là một hệ thống chính là giới hạn của những tần số mà ở chúng giá trị G(j.
- đến 30% tại tần số B, cho nên độ rộng băng không phải là một tiêu chuẩn hữu dụng đặc thù cho những hệ thống đo phức tạp.
- max B  max (tần số tín hiệu cao nhất) Chương 1: Tổng quan về các hệ thống đo động lực 2013 15 sẽ giảm đến giá trị 2, nhƣ vậy G(j.
- Bù trừ động học vòng kín Một giải pháp khác nữa là sát nhập phần tử đã đƣợc bù trừ vào một hệ thống kín có hệ số khuếch đại phản hồi âm lớn.
- Bù trừ nhiệt độ cho cảm biến Cảm biến đo là phần tử quan trọng nhất, chịu nhiều rủi ro nhất và do đó cần phải thay thế nhiều nhất trong hệ thống đo lƣờng các tham số động lực

Xem thử không khả dụng, vui lòng xem tại trang nguồn
hoặc xem Tóm tắt