Tài liệu Thiết kế, chế tạo thiết bị đo momen dạng cầm tay (Luận văn thạc sĩ)

i ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG 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 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS NGÔ NHƢ KHOA THÁI NGUYÊN – NĂM 2015 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ ii LỜI CAM ĐOAN Tôi là: Nguyễn Hữu Quân - Học viên cao học lớp K14 chuyên ngành Kỹ thuật Cơ khí, khóa 2011 - 2013 trƣờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp - Đại học Thái Nguyên. Sau hai năm học tập, rèn luyện và nghiên cứu tại trƣờng, tôi lựa chọn thực hiện đề tài tốt nghiệp “ Thiết kế, chế tạo thiết bị đo momen dạng cầm tay” Đƣợc sự giúp đỡ và hƣớng dẫn tận tình của Thầy giáo PGS.TS. Ngô Nhƣ Khoa và sự nỗ lực của bản thân, đề tài đã đƣợc hoàn thành. Tôi xin cam đoan các số liệu và kết quả nêu trong Luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc ai công bố trong bất kỳ một công trình khác. Thái Nguyên, ngày 27 tháng 12 năm 2014. Học viên Nguyễn Hữu Quân Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ iii LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới PGS.TS. Ngô Nhƣ Khoa Thầy đã tận tình hƣớng dẫn tôi trong suốt quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận văn. Tôi xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu trƣờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp, Phòng quản lý đào tạo sau đại học, Khoa Cơ khí và bộ môn Chế tạo máy đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình học tập, nghiên cứu và thực hiện bản luận văn này. Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới Chú Nguyễn Đức Dũng – Xƣởng cơ khí Dũng Trình và học viên Nguyễn Thu Hƣờng lớp cao học Khóa K15 đã giúp đỡ Tôi trong thời gian Tôi triển khai thực hiện đê tài. Cuối cùng Tôi muốn bày tỏ lòng cảm ơn đối với gia đình tôi, bạn bè đã ủng hộ và động viên Tôi trong suốt quá trình làm luận văn này. Xin trân trọng cảm ơn! Tác giả Nguyễn Hữu Quân Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ iv MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................................ i LỜI CẢM ƠN ................................................................................................................ iii MỤC LỤC ..................................................................................................................... iv DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ................................................... vi DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH.................................................................................. viii DANH MỤC BẢNG BIỂU .............................................................................................x CHƢƠNG 1 .....................................................................................................................1 TỔNG QUAN VỀ THIẾT BỊ ĐO MOMEN DẠNG DỤNG CỤ ...................................1 1.1. Thiết bị đo momen xoắn dạng phản lực. ..................................................................2 1.2. Thiết bị đo momen xoắn dạng nối tiếp. ....................................................................3 CHƢƠNG 2 .....................................................................................................................5 CƠ SỞ TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ .............................................................................5 2.1. Thiết bị cảm biến strain gauge và phƣơng pháp đo biến dạng. ................................6 2.2. Mạch cầu đo biến dạng. .........................................................................................10 Mạch cầu Wheatston’s Bridge.......................................................................................11 a. Mạch cầu một nhánh. ................................................................................................13 b. Mạch cầu hai nhánh. ..................................................................................................14 c. Mạch cầu đầyđủ. ........................................................................................................16 CHƢƠNG 3 ...................................................................................................................19 THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO TRỤC ĐO ..........................................................................19 3.1. Hệ thức liên quan tới trục tròn rỗng chịu xoắn. .....................................................19 Hình 3.1. Sự phân bố ứng suất trên mặt cắt ngang trục tròn chịu xoắn ........................19 3.2. Tính toán, thiết kế trục đo.......................................................................................20 3.2.1. Tính toán kích thƣớc trục đo. ..............................................................................20 3.2.2. Bản vẽ chế tạo trục mẫu. .....................................................................................22 3.3. Chọn thiết bị cảm biến strain gauge. ......................................................................25 3.4. Chọn loại keo dán strain gauge. .............................................................................28 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ v 3.5. Thiết kế mạch hiển thị ............................................................................................31 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ĐỂ XÁC ĐỊNH ĐẶC TÍNH CỦA TRỤC ĐO ......34 4.1. Thí nghiệm. .............................................................................................................34 4.2. Kết quả thí nghiệm. ................................................................................................36 TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................................43 PHỤ LỤC ......................................................................................................................44 1. Bảng kết quả đo giá trị điện áp momen và giá trị điện áp biến dạng trên trục đo. ....44 2. Chƣơng trình chạy mạch hiển thị giá trị điện áp biến dạng. .....................................45 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ vi DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Kí hiệu STT Diễn giải nội dung đầy đủ 1 R Điện trở 2 ρ Điện trở suất 3 L Chiều dài dây dẫn 4 A Diện tích dây dẫn 5 GF Hệ số cảm biến biến dạng 6 υ hệ số poisson 7 e, Vout Điện áp đầu ra 8 Vin Điện áp đầu vào 9 S Độ cảm biến 10  Biến dạng dài 11 T Biến dạng dài do nhiệt 12  Ứng suất cắt 13  Ứng suất pháp 14 G Modun đàn hồi cắt 15 E Modun đàn hồi 16 r Bán kính trục chịu xoắn 17 d Đƣờng kính trục chịu xoắn 18 t Chiều dày trục rỗng Biến dạng cắt 19  20 Jp Momen quán tính 21 Wp Momen chống xoắn 22 MZ Momen xoắn 23 υ hệ số poisson 24  n Góc xoắn tỉ đối 25 hệ số an toàn Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ vii 26 TT Biến dạng tính toán 27 D Biến dạng đo 28 Vout QĐ Điện áp đầu ra quy đổi theo điện áp biến dạng trục đo 29 Vout Mz Điện áp momen Mz 30 KB Hệ số khuếch đại trên thiết bị 3B18 31 ∆% Sai số Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ viii DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH Số hiệu Nội dung Trang Hình 1.1. Thiết bị đo momen dạng dụng cụ cầm tay. 1 Hình 1.2. Thiết bị đo momen dạng phản lực 2 Hình 1.3 Cấu tạo dụng cụ đo momen dạng phản lực. 2 Hình 1.4. Thiết bị đo momen dạng phản lực. 3 Hình 1.5. Thiết bị đo momen dạng nối tiếp. 3 Hình1.6. Trục mẫu dán strain gauge. 3 Hình 2.1. Sơ đồ xác định momen xoắn – góc xoắn. 5 Hình 2.2. Biến dạng dài của trục xoắn. 5 Hình 2.3. Cấu tạo cảm biến strain gauge. 6 Hình 2.4. Các dạng cảm biến strain gauge. 6 Hình 2.5. Biến dạng dây điện trở strain gauge. 7 Hình 2.6 Nguyên lí ánh xạ dòng điện 9 Hình 2.7. Mạch cầu Wheatston’s Bridge 4 nhánh. 11 Hình 2.8. Mạch cầu Wheatston’s Bridge 2 nhánh. 12 Hình 2.9. Mạch cầu Wheatston’s Bridge 1 nhánh. 13 Hình 2.10. Trục mẫu chịu xoắn dán strain gauge. 14 Hình 2.11. Sơ đồ nguyên lí chế tạo trục đo momen xoắn. 15 Hình 3.1. Sự phân bố ứng suất trên trục tròn chịu xoắn. 16 Hình 3.2. Vòng tròn Morh ứng suất khi xoắn thuần túy. 16 Hình 3.3. Bản vẽ chế tạo trục đo. 20 Hình 3.4. Strain gauge đo biến dạng dài thông thƣờng. 21 Hình 3.5. strain gauge đo biến dạng theo 2 phƣơng vuông góc. 22 Hình 3.6. Strain gauge rosete hình chữ nhật 23 Hình 3.7. strain gauge đo biến dạng cắt. 23 Hình 3.8. Keo dán extra 4000. 25 Hình 3.9. Silicon chống nhiễu cho strain gauge. 25 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ ix Hình 3.11. Trục đo dán strain gauge. 27 Hình 3.12. Sơ đồ mạch khuếch đại thiết bị analog 3B18. 28 Hình 3.13. Thiết bị analog 3B18. 28 Hình 3.14. sơ đồ đấu nguồn cho bộ khuếch đại 3B18. 28 Hình 3.15 sơ đồ mạch hiển thị giá trị momen cho dụng cụ đo. 29 Hình 4.1. Thí nghiệm xác định biến dạng của trục đo. 36 Hình 4.2. Đồ thị mối tƣơng quan giữa momen – biến dạng. 39 Bảng 4.2. Bảng tính toán sai số kết quả đo 41 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ x DANH MỤC BẢNG BIỂU Số hiệu Nội dung Trang Bảng 3.1 Bảng thành phần hóa học của thép 18Mn2Si. 18 Bảng 3.2 Bảng cơ tính thép 18Mn2Si. 18 Bảng 3.3 Bảng ứng suất cắt cho phép. 18 Bảng 3.4 Bảng đƣờng kính trục đo. 18 Bảng 3.5 Bảng vật liệu chế tạo cảm biến strain gauge. 21 Bảng 3.6 Bảng hệ số strain gauge. 24 Bảng 3.7 Bảng các loại keo dán strain gauge. 24 Bảng 3.8 Bảng thông số thiết bị analog 3B18. 27 Bảng tính toán giá trị momen – biến dạng – giá trị điện Bảng 4.1 áp. 38 Bảng 4.2 Bảng tính toán sai số kết quả đo 41 Bảng tính toán giá trị momen – điệp áp đầu ra trên thiết Bảng 4.3 bị 3B18 43 Bảng 1 Bảng giá trị điện áp momen và giá trị điện áp biến dạng 48 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 1 CHƢƠNG 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…nhƣng khi lực kẹp của ren nhỏ lại không đảm bảo độ bền của mối ghép cũng nhƣ đảm bảo yêu cầu an toàn của những chi tiết đƣợc 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 dạng dụng cụ cầm tay. Momen xoắn dạng tĩnh là momen có sự dịch chuyển nhỏ trong phép đo. Ứng dụng của thiết bị đo momen xoắn dạng tĩnh dùng để xác định lực vặn hay xiết chặt của bulong đai ốc…Thiết bị đo momen xoắn dạng tĩnh đƣợc chia thành 2 dạng dựa vào phƣơng pháp đo : - Thiết bị đo momen xoắn dạng phản lực - Thiết bi đo momen dạng nối tiếp. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 2 1.1. Thiết bị đo momen xoắn dạng phản lực. Hình 1.2. Thiết bị đo momen dạng phản lực Nguyên lí đo của các thiết bị đo momen dạng phản lực dựa trên việc đo lực xoắn thông qua biến dạng của lò xo trong dụng cụ. Đầu kẹp Lò xo chịu kéo Hình 1.3. Cấu tạo dụng cụ đo momen dạng phản lực. Lực xoắn của lò xo đƣợc hiển thị bằng đồng hồ cơ học hoặc đồng hồ điện tử nhờ một bộ phận cảm biến lực trong dụng cụ : Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 3 Hình 1.4. Thiết bị đo momen dạng phản lực. 1.2. Thiết bị đo momen xoắn dạng nối tiếp. Hình 1.5. Thiết bị đo momen dạng nối tiếp. Nguyên lí hoạt động của thiết bị đo momen dạng nối tiếp dựa trên việc đo biến dạng của trục chịu xoắn bằng thiết bị cảm biến strain gauge. Strain gauge chịu kéo Strain gauge chịu nén MZ Trục chịu xoắn Momen xoắn Hình1.6. Trục mẫu dán strain gauge. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 4 Công đoạn quan trọng trong chế tạo dụng cụ đo momen nối tiếp là việc xây dựng đƣờng đặc tuyến momen – biến dạng. Dƣới tác dụng của momen xoắn ngoại lực, biến dạng của trục chịu xoắn trên 2 phƣơng 450 và 1350 là lớn nhất. Do đó, đƣờng đặc tuyến momen – biến đƣợc xây dựng bằng việc đo biến dạng của trục xoắn trên 2 phƣơng 450 và 1350. Biến dạng của trục đo đƣợc xác định bằng cách dán thiết bị cảm biến strain gauge lên trục xoắn. Thông qua việc xây dựng đƣờng đặc tuyến biến dạng và sự thay đổi điện trở của strain gauge sẽ cho phép xác định đƣợc mối tƣơng quan giữa momen – biến dạng của trục đo đƣợc 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 nƣớc, vẫn chƣa 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. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 5 CHƢƠNG 2 CƠ SỞ TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ Dụng cụ đƣợc chế tạo có dạng đo momen dạng nối tiếp. Việc xây dựng đƣờng đặc tuyến momen – biến dạng có thể thực hiện bằng hai cách. Mối tƣơng quan momen xoắn – biến dạng xoắn biến dạng có thể đƣợc 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 đƣợc biến dạng góc, từ đó xây dựng đƣờng 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 đƣợc góc xoắn trong miền đàn hồi của vật liệu là rất khó. Do đó, việc xây dựng đƣờng đặc tuyến momen – biến dạng sẽ đƣợc xác định trực tiếp bằng cách đo biến dạng dài trên trục chịu xoắn. ε450 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 phƣơng 450 và 1350 là lớn nhất. Do đó, Biến dạng dài ε đƣợc đo bằng cách dán thiết bị cảm biến strain gauge lên trục mẫu chịu xoắn. Mối tƣơng quan giữa momen – biến Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 6 dạng đƣợc xác định bằng việc xây dựng đƣờng đặc tuyến momen – sự thay đổi điện trở trên cầu biến dạng. 2.1. Thiết bị cảm biến strain gauge và phƣơng pháp đo biến dạng. Strain gauge là thiết bị cảm biến dùng để xác định biến dạng của vật liệu. Biến dạng của vật liệu đƣợc xác định thông qua việc đo sự thay đổi điện trở trên strain gauge. Cấu tạo của strain gauge gồm lá kim loại mỏng đƣợc khắc thành dạng lƣới lên trên một tấm nhựa mỏng. Lƣới lá kim loại đƣợc nối cả hai đầu với hai miếng kim loại đƣợc phủ 1 lớp đồng để hàn dây dẫn ra mạch khuếch đại tín hiệu đo. Lƣới lá kim loại mỏng Miếng kim loại đƣợc phủ lớp đồng Vị trí hàn dây dẫn Tấm nhựa Hình 2.3. Cấu tạo cảm biến strain gauge. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 7 Hình 2.4. Các dạng cảm biến strain gauge. Mối quan hệ giữa biến dạng và sự thay đổi điện trở của thiết bị cảm biến strain gauge liên hệ theo các hệ thức sau. R L () A (2.1) Hình 2.5. Biến dạng dây điện trở strain gauge. Khi có sự thay đổi điện trở : R   L L  L  (    ) ( ) A A  A (2.2) Sự thay đổi của điện trở suất, chiều dài dây dẫn và diện tích dây dẫn là vô cùng nhỏ, do đó có thể lấy R  d ( R ) . Từ (2.1) có : R  d ( R )  d (  Logarit 2 vế (2.1) có : L ) A (2.3) LnR  LnL  Ln - LnA (2.4) Có : d ( Ln( x))  dx x Số hóa bởi Trung tâm Học liệu (2.5) http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 8 Từ (2.3), (2.4),(2.5) có : dR dL dρ dA = + R L  A (2.6) A  a.b (mm2 ) (2.7) dL L (2.8) Diện tích qua dây dẫn : Biến dạng dài của dây dẫn :  Biến dạng theo diện tích dây dẫn : A  dA a.db  b.da db da    A a.b b a (2.9) Vật liệu dây dẫn đồng chất và đẳng hƣớng nên ta có hệ thức : db dL     b L (2.10) da dL     a L (2.11)  A  2 (2.12) Từ (2.8) – (2.11) có : Thay (2.12) vào (2.6) có : dR d    (1  2  ) R  (2.13) Mối quan hệ giữa biến dạng và sự thay đổi điện trở R / R của strain gauge đƣợc xác định theo công thức : Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 9 dR / R  Tỉ số d /    d /    (1  2 ) (2.14) đặc trƣng 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 lƣợng 1  2 đặc trƣng cho sự thay đổi điện trở do sự tăng chiều dài dây và giảm diện tích dây dẫn. Độ cảm biến của vật liệu ( hay sự thay đổi điện trở trên mỗi đơn vị biến dạng ) đƣợc gọi là hệ số cảm biến biến dạng GF : GF  dR / R R / R = dL / L  (2.15) Hệ số GF thể hiện mối quan hệ tuyến tính giữa biến dạng và sự thay đổi điện trở, thông thƣờng thông thƣờng GF = 1,9 ÷2,1 đối với hầu hết các loại cảm biến strain gauge.. Biến dạng của vật liệu rất nhỏ, khoảng từ 2.10-6 – 0,01, vì vậy dẫn đến yêu cầu đo đƣợc sự thay đổi điện trở không lớn hơn 1%. Việc xác định sự thay đổi của điện trở strain gauge dựa trên nguyên lí cơ bản của mạch phân áp điện trở nhƣ sau: Hình 2.6. Nguyên lí ánh xạ dòng điện Điện áp đầu ra : Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 10 Vout  e  Rg Rg  Rb Vin (V ) Biến dạng của strain gauge vô cùng nhỏ, có thể lấy xấp xỉ R  d ( R ) , do đó sự thay đổi điện áp đƣợc xác định nhƣ sau :  dRg Rg .dRg  Rb RgVin dRg de    V    in 2 ( Rg  Rb ) 2 Rg  Rg  Rb ( Rg  Rb )  (2.16) Thay (2.15) vào (2.16) , sự thay đổi điện áp đầu ra đƣợc xác định: de  Rb RgVin ( Rg  Rb )2  GF . (2.17) Độ cảm biến lớn nhất của strain gauge chính là mức độ biến dạng lớn nhất của strain gauge. Nó đƣợc thể hiện bằng giá trị điện áp đầu ra lớn nhất cho mạch đo. Độ cảm biến của strain gauge đƣợc xác định theo công thức : S de   Rb RgVin ( Rg  Rb )2  GF (2.18) Độ cảm biến lớn nhất khi : dS ( Rg  Rb ) RgVin   GF  0 dRb ( Rg  Rb )3 (2.19) (2.19) xảy ra khi : Rg  Rb Khi đó, sự thay đổi điện áp đầu ra : de  GF  .Vin 4 (2.20) 2.2. Mạch cầu đo biến dạng. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/