Thiết kế & lắp đặt được hệ thống module đo lường trên mô hình thí nghiệm

sao để duy trì được hay làm chủ được mức độ an toàn của loại phương tiện mình đang sử dụng? Hiện nay, xe máy là loại phương tiện tham gia giao thông chiếm tỉ lệ cao nhất trong các loại xe tham gia giao thông vì nó phù hợp với mạng lưới giao thông của chúng ta hiện nay, cũng như nhu cầu đi lại và mức thu nhập của người Việt Nam. Lợi ích khi sử dụng loại phương tiện này để tham gia giao thông là điều không thể phủ nhận, tuy nhiên để cho quá trình tham gia giao thông được an toàn cho mọi người và tài sản thì đòi hỏi không chỉ ở việc chấp hành luật giao thông một cách nghiêm túc mà người tham gia giao thông phải nắm rõ được những tính năng kĩ thuật và tình trạng của loại phương tiện mình đang sử dụng. Vậy làm sao để giải quyết được vấn đề này? Tổ chức nào chịu trách nhiệm trong việc đó và phải sử dụng những thiết bị như thế nào để có thể đánh giá được chất lượng, mức độ an toàn của các loại xe? Vấn đề này hết sức quan trọng chính vì vậy trong quá trình lựa chọn đề tài tốt nghiệp chúng em đã quyết định đi vào lĩnh vực này Đối với xe máy các yêu cầu kĩ thuật như khối lượng xe, tốc độ xe, lực phanh hay độ sáng của đèn là những thông số kỹ thuật quan trọng của xe máy.. Các hệ thống thiết bị để kiểm tra đo lường của chúng ta hiện nay chủ yếu là nhập từ nước ngoài vào, có thể là toàn bộ cả dây chuyền thiết bị hoặc một số bộ phận. Qua quá trình sử dụng, một số bộ phận bị hư hỏng (đặc biệt là bộ phận điều khiển) hoặc không còn cho giá trị chính xác khi sử dụng. Các bộ phận về cơ khí vẫn còn đảm bảo được yêu cầu nhưng về bộ phận điều khiển thì dễ gặp trục trặc khi sử dụng. Tuy nhiên để giải quyết vấn đề này thì hiện nay chúng ta chưa thể đáp ứng được đầy đủ. Chính vì vậy, việc đi sâu vào nghiên cứu lĩnh vực này là hết sức quan trọng và có thể phần nào giải quyết được những vấn đề vừa nêu ở trên. Tuy nhiên, với kiến thức về lĩnh vực còn khá mới mẻ này còn hạn chế và việc chuẩn bị trang thiết bị còn gặp nhiều khó khăn nên chúng em chưa thể đi sâu vào để thiết kế đầy đủ toàn bộ hệ thống này mà chỉ đi cụ thể vào một số bộ phận quan trọng nhất của hệ thống, đặc biệt là hệ thống điều khiển và một số cơ cấu cơ khí dùng trong hệ thống. Với sự giúp đỡ tận tình của Thạc sỹ Đào Bá Phong cùng các thầy trong bộ môn chúng em đã cố gắng hoàn thành về cơ bản những yêu cầu của hệ thống thiết bị và nếu được đầu tư đúng mức thì việc đưa vào thực tế để sử dụng là điều hoàn toàn có thể thực hiện được. Chúng em xin chân thành cảm ơn ! Hà Nội ngày 4/6/2005. Chương 1: Tổng quan về toàn bộ hệ thống thiết bị 1.1-Giới thiệu chung. Hệ thống cần thiết kế là hệ thống dùng để đo các thông số của xe máy để kiểm tra xem xe còn đảm bảo được các tính năng kĩ thuật hay đảm bảo được độ an toàn hay không sau một thời gian sử dụng. Hệ thống này còn được dùng rất phổ biến để kiểm tra chất lượng của xe khi xuất xưởng trong các nhà máy, xí nghiệp sản xuất và lắp ráp xe máy ở Việt Nam hiện nay. Hệ thống có ba phần chính là hệ thống điều khiển, bộ hiển thị và hệ thống cơ khí. Cơ chế hoạt động của hệ thống thiết bị có thể được mô tả như sau: Ta cần đo 4 thông số của xe, tương ứng ta sẽ có 4 loại thiết bị để đo được các thông số đó bao gồm: + Loadcell cho ta thông số về khối lượng xe và lực phanh xe. +Encoder cho ta thông số về tốc độ xe. +Cảm biến quang cho ta thông số về độ sáng của đèn. Các thiết bị này có nhiệm vụ lấy các thông số và gửi về PLC, phần lập trình trên PLC có nhiệm vụ tính toán để ra được các thông số cần thiết và hiển thị lên thiết bị hiển thị TD 200. Chương trình PLC cho phép ta có thể hiển thị tự động hoặc hiển thị bằng tay các thông số tuỳ theo ý muốn của người vận hành hệ thống bằng cách dùng các phím bấm trên thiết bị hiển thị TD200. 1.2-Chương trình điều khiển. Chương trình điều khiển được thiết kế dựa trên bộ điều khiển PLC. Bộ PLC sử dụng trong hệ thống này là bộ CPU224. Quá trình thu thập dữ liệu và xử lý dữ liệu diễn ra ở đây trong quá trình hệ thống được vận hành. PLC lấy các thông tin từ các cảm biến đo các thông số của xe và lưu giữ trong bộ nhớ của nó. Chương trình tính toán sẽ thực hiện việc tính toán và đưa ra các thông số cần thiết của xe sau đó sẽ hiển thị lên TD200. Các thông số cần hiển thị bao gồm: tốc độ của xe, khối lượng xe, lực phanh khi phanh xe và độ sáng của đèn chiếu. Khối lượng của xe và lực phanh xe được đo bằng các Loadcell. Giá trị đo được lưu trong bộ nhớ của PLC và sẽ được hiển thị nhờ TD200. Tốc độ của xe được đo bằng Encorder, Encoder được gắn vào một đầu của trục, trục này được truyền động bởi bánh xe. Encoder sẽ thực hiện đếm xung trong một khoảng thời gian. Giá trị xung đếm được sẽ được lưu vào bộ nhớ của PLC sau đó sẽ được tính toán để được vận tốc thực tế của xe (Km/h). Độ sáng của đèn được đo bằng cảm biến quang, và cũng được gửi về PLC để hiển thị lên TD200. 1.3-D 200. TD 200 là một thiết bị hiện thị của hãng Siemen có nhiệm vụ hiện thị các thông số đo đạc và tính toán được. Thiết bị này được kết nối với PLC. Việc thực hiện hiển thị các thông tin có thể được hiển thị nhờ các thao tác bằng tay hoặc được thực hiện hoàn toàn tự động để phù hợp với từng tình huống cụ thể của hệ thống trong quá trình hoạt động. Quá trình hiển thị bằng tay hay tự động là do người vận hành quyết định và được thực hiện bởi chương trình PLC. 1.4-Hệ thống cơ khí. Hệ thống cơ khí bao gồm các cơ cấu nhằm đảm bảo quá trình đo các số và lấy các thông số đó một cách chính xác. Hệ thống cơ khí có thể chia làm 4 bộ phận tương ứng với 4 thông số cần đo đạc. Trong đó, cơ cấu để đo được tốc độ xe là khá phức tạp vì Encoder không thể gắn trực tiếp lên trục của bánh xe mà phải thông qua một trục trung gian (hệ thống này được nghiên cứu cụ thể trong phần sau). Ngoài cơ cấu ấy ra còn có thêm một số cơ cấu khác để thực hiện lấy lực phanh, độ sáng của đèn và khối lượng của xe. Vì thời gian cũng như khả năng về chuyên môn thực tế còn có nhiều hạn chế nên chúng em chưa thể đi sâu nghiên cứu kĩ và thiết kế các bộ phận này. Tuỳ kết cấu của từng thiết bị sử dụng để lấy thông số mà cơ cấu cơ khí phải đảm bảo được các thông số thu được là chính xác. Chương 2: Các thiết bị sử dụng trong hệ thống 2.1-Giới thiệu về TD 200. TD 200 (Text Display 200) cho phép hiển thị Massage từ S7-200CPU. Các thông số về TD200 chỉ được lưu trữ trong các địa chỉ của TD 200, địa chỉ CPU, Baud Rate, ví trí các khối dữ liệu. Toàn bộ thông tin của TD200 được lưu trữ trong 1 khối các thông số. Thông số TD200 có vị trí trong bộ nhớ V của CPU. Các thông số điều khiển của TD200, như là ngôn ngữ, cập nhật tốc độ, Massage và các Bit cho phép được lưu trữ trong khối thông số TD200 trong CPU. TD200 đọc tất cả các thông số hợp lệ từ CPU. Nếu tất cả các thông số đó đều được chấp nhận, TD 200 sẽ bắt đầu thu nhận các Bit về Message để quyết định các Message nào sẻ được hiển thị, đọc các message đó từ CPU và sau đó là hiển thị chúng lên màn hình TD200. Phần mềm để thực hiện chương trình này là Step7-Mirco/win phiên bản 3.1. Các phiên bản trước phiên bản này cũng có thể sử dụng được và có thêm một số điều chỉnh nữa. 2.1.1-Mục đích. Simatic TD 200 Operator Interface user Manual là một công cụ để kết nối và được thao tác bằng tay và thực hiện được bởi quá trình hoạt động của Mođul TD 200 Operation Interface với chương trình điều khiển logic S7-200. Hệ thống này được thiết kế bởi các kỷ sư, lập trình viên và những nhà bảo dưỡng, những người có hiểu biết tổng thể và sâu rộng về chương trình logic điều khiển (Logic control) và giao diện làm việc giữa người và hệ thống. 2.1.2-Tầm sử dụng. Tầm sử dụng với phiên bản 2.0 của TD200. Số hiệu của TD200 mới là 6ES7272-OAA20-0YA0. Hệ thống này bao gồm các nét đặc trưng mới và có thêm các thao tác khác. Phần mềm này được chạy trong chương trình PLC Step7-Micro/win phiên bản 3.1. Những phiên bản trước của chương trình này có thể dùng cho TD200 nhưng sẻ khó thực hiện hơn và có thể không đáp ứng được tất cả những chức năng của TD200. Phiên bản 2.0 của TD200 bao gồm các đặc trưng sau đây: + Cung cấp thêm các ký tự Trung Quốc đơn giản và có thêm các menu. + Cung cấp thêm các ký tự Latin 1 và các bộ ký tự Ciryllic. + Dung lượng dự trữ là 187.5 KB. 1.1.3-Đặc trưng của TD 200. TD 200 (The Text Display 200) là một dòng hiển thị trên giao diện với người sử dụng trong hệ thống S7-200 được điều khiển bằng chương trình logic. Nét đặc trưng của TD 200 gồm có: + Hiển thị các Massage được đọc từ CPU S7-200. + Cho phép thay đổi từng phần của chương trình có thể thay đổi. + Có các chức năng đặt ngày giờ cho CPU theo thời gian thực tế. + Có một Menu đầy đủ và hướng dẫn sử dụng bằng 6 ngôn ngữ: Anh, Đức, Pháp, Tây Ban Nha, Italia và Trung Quốc. + Có đầy đủ các bộ kí tự phức tạp với Tiếng Anh, Đông âu, Slavic, và Trung Quốc. TD 200 chỉ có khả năng tiếp nhận thông tin từ S7-200CPU thông qua cáp TD/CPU hoặc từ một bộ điều khiển riêng. Chức năng của TD 200 như một mạng lưới tổng thể khi nó được kết nối với một hoặc nhiều CPU S7-200. TD 200 cũng cho phép điều khiển việc thiết kế với một mạng lưới tổng thể trong một Network. Nhiều TD 200 có thể dùng với một hoặc nhiều S7 200 CPU có kết nối tương tự nhau. Phải có một cấu hình phần cứng điều khiển và một chương trình mẫu, nó đòi hỏi thêm một số thiết bị. Danh sách các thiết bị đi kèm TD 200 được liệt kê dưới đây: + Chương trình logic điều khiển số S7 200. + Thiết bị điều khiển chương trình. + Cáp chương trình thích hợp cho thiết bị điều khiển chương trình. 2.1.4-Đặc trưng của phần cứng. a/ Các thành phần của TD 200. Hình1.1-Bộ hiển thị TD 200 TD 200 có kích thước nhỏ gọn, tập hợp đầy đủ các chức năng cần thiết về giao diện khi kết nối với S7 200 CPU. Hình 1.1 biểu thị các bộ phận cấu thành chủ yếu của TD 200 (Bảng 1 miêu tả từng bộ phận và chức năng cụ thể). . Danh sách các bộ phận Thông số kỹ thuật và chức năng cụ thể 1. Màn hình hiển thị Màn hình hiển thị tinh thể lỏng (LCD) với độ phân giải 33x181 ảnh điểm. Nó cho phép đọc các message được đọc từ S7 200. 2. Miếng đệm Đệm bảo vệ với miếng đệm sẽ giúp TD 200 làm việc tốt trong điều kiện môi trường khắc nghiệt. 3. Cổng liên lạc Cổng này là một cổng gồm có 9 chốt cắm, nó cho phép kết nối TD200 với S7 200 CPU bằng cách dùng cáp mềm TD/CTU 4. Nguồn vào Cho phép kết nối từ các thiết bị ngoài tới TD 200 thông qua vị trí của nguồn vào ở bên phải của TD 200. Cổng này không bắt buộc khi bạn đã sử dụng cáp TD/CTU 5. Cáp TD/CPU Cáp thực hiện quá trình truyền đạt thông tin cho TD 200 gồm có 9 zắc cắm, cáp loại thẳng được sử dụng cho TD 200 6. Phân bố các phím Các phím đầu ra cho phép ta tạo ra và đưa các hàm này vào trong chương trình 7. Các phím khác TD 200 có 9 phím khoá, 5 phím dùng để thay đổi giá trị các biến được giới hạn trước và 4 phím để thực hiện chức năng các hàm Bảng 1.1 b/ Bàn phím của TD 200. TD 200 có toàn bộ 9 phím, được mô tả cụ thể ở bảng 1.2 Phím Mô tả chức năng từng phím ENTER Phím này cho phép đưa dữ liệu mới vào và nhận một Massage mới. ESC Phím này dùng để bật tắt chức năng giữa hiện thị tin nhắn và Menu chính hoặc là để dừng quá trình chỉnh sửa. Up arrow Phím này dùng để tăng giá trị dữ liệu đưa vào và di chuyển con trỏ màn hình tới các Massage ở trên cùng Up down Phím này cho phép giảm giá trị dữ liệu đưa vào và di chuyển con trỏ tới Massage ở dưới cùng. Shift Phím này cho phép điều chỉnh tất cả các phím còn lại. Bảng 2 Mô tả các 4 phím chức năng. Phím chức năng Mô tả F1 Phím chức năng F1 có địa chỉ bít là Mx.0 Nừu giữ SHIFT và ấn F1 thì địa chỉ bít là Mx.4 F2 Phím chức năng F2 có địa chỉ bít là Mx.1 Nừu giữ SHIFT và ấn F2 thì địa chỉ bít là Mx.5 F3 Phím chức năng F3 có địa chỉ bít là Mx.2 Nừu giữ SHIFT và ấn F1 thì địa chỉ bít là Mx.6 F4 Phím chức năng F4 có địa chỉ bít là Mx.3 Nừu giữ SHIFT và ấn F4 thì địa chỉ bít là Mx.7 Bảng 3 2.1.5-Kết nối cáp truyền thông. TD 200 nhận tín hiệu từ S7 200 CPU thông qua cáp truyền thông TD/CPU. Có thể dùng cáp TD/CPU bằng các cách như sau: + Một cáp nối với 1 S7 200 CPU. + Dùng với nhiều S7-200 CPU. a/ Nối 1 TD 200 với 1 S7-200 CPU. Dùng mạng kết nối kiểu này khi ta có 1 TD 200 nối với 1 S7 200 CPU. Dạng đấu này gồm có 1 TD 200 ,1 S7-200 CPU, và một cáp TD/CPU. Hình 1.2-Kết nối TD200 với CPU S7-200 b/ Dùng một mạng lưới gồm nhiều CPU. Dùng cách này khi có vài S7-200 CPU kết nối với 1 hoặc nhiều TD 200. Cách này cho phép truyền đạt được nhiều tín hiệu truyền thông. TD 200 ngẫu nhiên có địa chỉ là 1 và tín hiệu đến CPU là địa chỉ 2. Nếu dùng địa chỉ khác người sử dụng có thể thay đổi được địa chỉ này Hình1.3-Mạng CPU-TD200 2.1.6-Khởi động Step7-Micro/Win TD200 với Winzard. Step7-Micro/Win TD200 có “Winzard” để dể định dạng các khối thông số và các massage trong vùng nhớ dữ liệu của S7-200 CPU. TD200 Configulation Winzard tự động chuyển các khối thông số và các dòng Masage tới một khối dữ liệu riêng trước khi người sử dụng hoàn thành việc lựa chọn các mục và khởi tạo các Massage. Dữ liệu này có thể được Dowload từ CPU sau đó. Để mở Winzard, lựa chọn Menu: “Tool/TD200 winzard”, để tiếp tục ta kích vào “Next” Hình1.4-Khởi động Step7- Micro/Win TD200 a/ Lựa chọn ngôn ngữ và kiểu kí tự. Hộp thoại trong TD200 Configulation Winzard cho phép người sử dụng lựa chọn kiểu ngôn ngữ và kí tự. Việc lựa chọn này không làm ảnh hưởng đến các Masage mà người dùng muốn hiển thị nó lên TD 200. Khi sử dụng những phiên bản Step7-micro/win trước phiên bản 3.1 sẻ không xác định được các bộ kí tự liên tiếp từ TD200 trong TD200 Winzard. Trong mục này ta lựa chọn ngôn ngữ “English” và bộ kí tự kiểu “Latin 1” Hình1.5-Lựa chọn ngôn ngữ và kiểu kí tự b/ Cập nhập Ngày-Giờ, Hàm đặc biệt, và Password. Hộp thoại xuất hiện như hình vẽ cho phép người sử dụng có thể thay đổi các lựa chọn và nhập Password bảo vệ. Hình 1.6-Cập nhập ngày giờ, hàm đặc biệt và password Khi lựa chọn Time-of-Day thì ngày và giờ được cập nhật và có thể hiển thị ở TD200. Khi lựa chọn Password bảo vệ thì người sử dụng phải đưa vào 4 kí tự là số từ 0000-9999. c/ Các bit nhớ đặc biệt cho các hàm chức năng và tốc độ cập nhật. Người sử dụng phải dự trữ 8 Bit của bộ nhớ trong (M bit) cho TD200 để sử dụng khi 1 phím được ấn. Chương trình đang chạy có thể kiểm tra các Bit này và tác động tức thời khi một phím trên TD200 được ấn. Tốc độ cập nhật thể hiện qua việc thu nhận các Message thường xuyên của TD200 từ S7-200 CPU để hiển thị. Thời gian cập nhật thực tế có thể lâu hơn thời gian lựa chọn bởi vì dung lượng của các Masage, quá trình giải mã hoặc dạng truyền. Hình1.7-Bít nhớ đặc biệt và tốc độ cập nhật Trong mục này ta lựa chọn 8 bit dự trữ từ bit có địa chỉ là M0, và tốc độ cập nhật là As fast as possible (Hình1.7). d/ Lựa chọn kiểu Message và số lượng Message. Hộp thoại xuất hiện ( Hình1.8) cho phép lựa chọn kiểu Message và số lượng Message. Vì ta cần hiển thị 4 thông số của xe nên ta cần lựa chọn 4 Message và kiểu Message có 40 kí tự (có thể lựa chọn kiểu 20 kí tự). Hình 1.8-Lựa chọn số lượng message và kiểu message e/ Xác định khối thông số. Khối các thông số được xác định như trong sau. Hình1.9-Xác định khối các thông số - 14 byte đầu tiên là nơi chứa các khối dữ liệu, thường thì nó bắt đầu từ VB0 - Byte bắt đầu của các cờ là 14. - Byte về thông tin các Message bắt đầu từ byte 34. f/ Khởi tạo các message. Ta cần tạo 4 message tương ứng với 4 thông số cần hiển thị bao gồm: Khối lượng, tốc độ, lực phanh, và độ sáng của đèn. Bốn thông số đưa vào để hiển thị ở TD 200 ở các kiểu dữ liệu khác nhau. Message đầu tiên cho biết khối lượng xe, ta phải xác định kiểu dữ liệu để định dạng. Dữ liệu được lấy từ CPU S7200 và đưa vào vùng dữ liệu do đó vùng dữ liệu này phải cùng dạng với dữ liệu tương ứng lấy từ CPU. Dữ liệu về khối lượng xe ở dạng Word, do đó vùng dữ liệu cũng phải ở dạng Word. Hình1.10-Khởi tạo message khối lượng Để định dạng ta vào “ Embeđed Data..” sau đó xác định kiểu dữ liệu. Hình 1.11-Định dạng dữ liệu chứa khối lượng xe - Dữ liệu kiểu Word. - Không dấu ( Unsigned). - Số sau dấu phẩy lấy là 0. - Địa chỉ để đưa dữ liệu vào là VW56. Tiếp tục cho Message thứ 2 ta kích vào “Goto Message” Message tiếp theo hiển thị tốc độ của xe, sau đó xác định kiểu dữ liệu cho vùng dữ liệu để đưa dữ liệu về tốc độ xe vào Message. Hình 1.12-Khởi tạo Message chứa tốc độ xe Hình1.13-Định dạng dữ liệu chứa tốc độ xe - Kiểu dữ liệu là Double Word. - Không có dấu (Unsigned). - Không lấy số sau dấu phẩy. - Địa chỉ là VD96. Tương tự ta khởi tạo 2 message tiếp theo cho lực phanh xe và độ sáng của đèn. * Lực phanh xe. Hình 1.14- Khởi tạo Message chứa lực phanh xe Hình1.15-Định dạng dữ liệu chứa lực phanh xe -Kiểu dữ liệu: Word. - Không dấu ( Unsigned). - Không lấy số sau dấu phẩy. - Địa chỉ VW136. * Độ sáng của đèn xe. Hình 1.16-Khởi tạo Message chứa độ sáng đèn Hình 1.17-Định dạng dữ liệu chứa độ sáng đèn Kiểu dữ liệu: Word. Không dấu ( Unsigned). Không lấy dấu sau dấu phẩy. Địa chỉ VW176. 2.2-Giới thiệu về một số cảm biến sử dụng trong hệ thống. 2.2.1-Cảm biến biến dạng. Xác định ứng lực cơ học tác động lên các cấu trúc trong những điều kiện xác định là vấn đề hàng đầu trong việc đánh giá độ an toàn cho hoạt động của thiết bị. Kết quả của sự tác động này là sự biến dạng của môi trường chịu ứng lực. Quan hệ giữa ứng lực và biến dạng có thể được làm sáng tỏ bằng lý thuyết sức bền vật liệu và dựa vào mối quan hệ đó người ta tính được ứng lực khi đo biến dạng do nó gây nên. Các cảm biến dùng để đo biến dạng cũng chính là các đầu đo biến dạng. Có hai loại đầu đo biến dạng: + Đầu đo điện trở là loại thường được sử dụng. Nó được dán trực tiếp trên cấu trúc chịu biến dạng. Các đầu đo loại này có kích thước nhỏ, từ mm đến cm , cho nên có thể đo theo điểm. + Đầu đo dạng dây rung được dùng trong xây dựng. Đầu đo được làm bằng một sợi dây kim loại căng giữa hai điểm của cấu trúc cần đo biến dạng (khoảng cách giữa hai điểm 10cm). Tần số dao động của dây là hàm của sức căng cơ học, tần số này thay đổi khi điểm tựa của hai đầu dây bị biến dạng. ứng dụng của cảm biến dạng không chỉ giới hạn ở việc đo ứng lực cơ học. Trên thực tế, tất cả các đại lượng vật lý, đặc biệt là các đại lượng cơ học đều có thể đo được bằng đầu đo biến dạng nếu tác động của chúng lên một vật trung gian làm cho vật này bị biến dạng. Thí dụ, các đại lượng như áp suất, lực, gia tốc đều có thể đo được bằng đầu đo biến dạng. Trong phần này, sau khi trình bày nguyên lý chung của cảm biến biến dạng sẽ đề cập đến các cảm biến thường dùng trong công nghiệp như đầu đo điện trở kim loại, đầu đo điện trở bán dẫn- áp điện trở, ứng suất kế dây rung và các đầu đo dùng trong chế độ động. a/ Các định nghĩa và nguyên lý chung. * Định nghĩa một số đại lượng cơ học. Biến dạng: e là tỷ số giữa độ biến dạng kích thước Δl và kích thước ban đầu l: . Biến dạng đàn hồi: là biến dạng mà bản thân nó sẽ mất đi đồng thời cùng với ứng lực gây ra nó. ứng lực: s được đo bằng lực tác dụng trên một diện tích của tiết diện chịu lực (F/s). Giới hạn đàn hồi: là ứng lực tối đa không gây lên biến dạng cố định có giá trị lớn hơn 0,2%. Độ lớn của giới hạn đàn hồi được đo bằng kglực/mm2. Thí dụ về giới hạn đàn hồi của một số vật liệu như sau: đơn vị (kglực/mm2). - thép: từ 20 đến 80. - đồng: từ 3 đến 12. - chì: từ 0,4 đến 1 Định luật Hooke nói về mối quan hệ giữa ứng lực và biến dạng được phát biểu như sau: Trong vùng giới hạn đàn hồi, ứng lực tỷ lệ với biến dạng do nó gây nên. Mođun young Y: xác định biến dạng theo phương cả ứng lực. Đơn vị đo modul Young là kg lực/mm2. Modul Young của một vật liệu thường có một khoảng giá trị: - Thép: từ 18000 đến 29000. - Đồng: từ 9900 đến 14000. - Chì: từ 500 đến 1800. Hệ số Poisson: xác định biến dạng theo phương vuông góc ứng với lực: Trong vùng đàn hồi: ν ≈ 0,3. * Nguyên lý chung. Trong quá trình đo, các đầu đo biến dạng loại điện trở thường được dán trực tiếp lên bề mặt của cấu trúc cần khảo sát. Vì vậy, sự biến dạng cuả cấu trúc ở chỗ dán cảm biến làm cho cảm biến cũng bị biến dạng theo và dẫn đến sự thay đổi điện trở của nó Phạm vi biến dạng có thể đo được với độ chính xác (0,1% là khoảng từ ±10-5đến ±210-1. Giới hạn dưới bị hạn chế bởi nhiễu của cảm biến và của mạch điện. Giới hạn trên bị hạn chế bởi độ đàn hồi của đầu đo và của chất kết dính dùng để gắn đầu đo với vật biến dạng. c, b, a, dây cấp điện keo dán Dây dẫn mối hàn Lớp bảo vệ cảm biến Bề mặt nghiên cứu l Hình2.1-Đầu đo biến dạng kiểu điện trở a-Đầu đo dùng dây kim loại b-Đầu đo bán dẫn. c-Cách cố định đầu đo trên bề mặt khảo sát. Trong trường hợp tổng quát, đầu đo là một lưới làm bằng dây dẫn có điện trở suất r, tiết diện s và chiều dài n.l (l là chiều dài một đoạn dây, n là số đoạn dây). Thường thì n = 10ữ20 đối với đầu đo kim loại và n = 1 đối với đầu đo bán dẫn Cảm biến được cố định trên đế cách điện (làm bằng giấy hoặc chất dẻo), còn đế thì được gắn vào cấu trúc nghiên cứu. Kết quả là cảm biến cũng chịu một biến dạng như biến dạng của cấu trúc. Điện trở của cảm biến được biểu diễn bởi biểu thức R =p l/S. Do chịu ảnh hưởng của biến dạng nên điện trở của cảm biến thay đổi đi một lượng ΔR, nghĩa là: . Biến dạng dọc của dây kéo theo sự thay đổi kích thước theo chiều ngang a,b (nếu mặt cắt của dây hình chữ nhật) hoặc d (nếu dây có tiết diện tròn). Với một hệ số tỷ lệ n, quan hệ giữa biến dạng dọc tuân theo định luật: Trong đó. n là hệ số poisson. Trong vùng biến dạng đàn hồi ν ≈ 0,3. Vì tiết diện của dây. S = a.b hoặc S = πd2/4 nên: . Đầu đo kim loại và đầu đo bán dẫn khác nhau ở tỷ số Dr/r. - Đầu đo kim loại: Mối quan hệ Bridman dẫn đến hệ thức giữa điện trở suất và sự thay đổi thể tích như sau: Vì V=S.n.l nên và . Và C là hằng số Bridman. Do đó: . Trong đó K là hệ số đầu đo và được viết bởi biểu thức:. Vì n ằ 0,3 và C ằ 1 nên đầu đo kim loại thường có K ằ 2. - Đầu đo bán dẫn: Đối với đầu đo bán dẫn, sự phụ thuộc của điện ttrở suất vào ứng lực s và hệ số áp điện trở π được biểu diễn bởi biểu thức: . Trong đó: Y là môđun Young. Sự thay đổi điện trở của cảm biến bán dẫn có dạng: . Trong đó , Trong điều kiện sử dụng thông thường Kằ100 ữ 200, dấu của K phụ thuộc vào loại dẫn. Đầu đo bán dẫn thích hợp với những trường hợp đo những biến dạng nhỏ. Chúng được sử dụng trong các thiết bị đo lực, áp suất và gia tốc. Tuy nhiên, so với đầu đo kim loại chúng có độ tuyến tính thấp hơn và độ nhậy nhiệt cao hơn. Điện trở của đầu đo (kim loại hoặc bán dẫn) có các giá trị chuẩn với độ chính xác ± 0,2 ữ 10% và nằm trong khoảng từ 100Ω đến 5000kΩ. b/ Đầu đo điện trở kim loại. Điện trở suất r của phần lớn các kim loại giảm khi áp suất tác dụng lên chúng tăng lên. Dưới tác dụng của áp suất, thể tích của kim loại giảm xuống, khoảng cách giữa các phân tử cũng giảm đi, lực liên kết tăng lên. Khi lực liên kết tăng thì dao động của nguyên tử giảm xuống và vì thế xác suất tán xạ cũng giảm theo. Kết quả của những tác động trên đây làm cho điện trở suất của kim loại giảm xuống. * Vật liệu và phương pháp chế tạo. Các kim loại dùng làm điện trở phần lớn thuộc họ hợp kim Ni. Các vật liệu khác nhau ở tính chất nhiệt (hệ số giãn nở, hệ số điện trở) và sự ổn định của chúng ở nhiệt độ cao. Các đầu đo dùng dây dẫn có các thông số như sau: - Đường kính dây dẫn: d ≈ 20μm - Bề dầy giá đỡ: 0,1 mm (giấy), hoặc 0,03 mm (nhựa poyimide, epoxy). Bảng 4. Liệt kê thành phần các hợp kim thường sử dụng và đầu đo tương ứng Hợp kim Thành phần K Constantan Isoelastic Karma Nỉchome V 45%Ni, 55%Cu 52%Fe, 36%Ni, 8%Cr, (MnMo) 74% Ni, 20%Cr, 3%Cu, 3% Fe 80% Ni, 20% Cr 2,1 3,5 2,1 2,5 Bạch kim-Vonfram 92% Pt , 8% W 4,1 b, a, Hình2.2-Các dạng đầu đo dùng dây dẫn kim loại a, Đầu đo dùng dây dẫn b, Đầu đo dùng lưới màng Các đầu đo dùng lưới màng thường chế tạo bằng phương pháp mạch in để giảm kích thước và cho phép đo theo điểm. * Các đặc trưng chủ yếu. - Điện trở suất: Điện trở suất r của vật liệu dùng làm dây dẫn phải đủ lớn để không dùng đến dây quá dài làm tăng kích thước cảm biến, song cũng không nên giảm tiết diện dây dẫn quá nhiều để không làm giảm dòng đo và do đó không làm giảm độ nhạy. - Hệ số đầu đo K: Thông thường Kcó giá trị nằm trong khoảng 2±0.1, ngoại trừ trường hợp Isoelastic K = 3,5 và hợp kim platin-vonfram K = 4,1. - ảnh hưởng của ứng lực đến độ tuyến tính: Trong giới hạn đàn hồi, hệ số đầu đo không đổi do đó mối quan hệ giữa sự thay đổi của điện trở và biến dạng là tuyến tính. Khi dây đẫn bị biến dạng và nằm ngoài vùng giới hạn đàn hồi, [Δl/l]>0,5% ữ 20% tuỳ thuộc vào loại vật liệu, hệ số Poisson bằng 0,5 và hệ số đầu đo đạt giá trị gần bằng 2. Đối với hợp kim isoelastic: K = 3,5 khi [Δl/l] 0,65%, K=2 - ảnh hưởng của nhiệt độ: Nói chung K ít chiệu ảnh hưởng của nhiệt độ, ngoài trừ trường hợp isoelastic. Trong một khoảng nhiệt độ tương đối rộng, -1000 C < T < 3000 C, biểu thức của K có dạng: K(T) = K0 {1 + ak (T – To)}. Trong đó K0 là hệ số đầu đo ở nhiệt độ chuẩn T0 (thông thường T0 = 250 C). Giá trị của ak đối với một số chất như sau: - Nichrome V: R = - 0,14%/0C. - Constantan: k = + 0,01%/0C. Độ nhạy ngang: Ngoài các đoạn nhánh dọc có điện trở RL còn có các đoạn vuông góc với nhánh dọc có độ dài Lt và điện trở Rt, các đoạn này nhạy với biến dạng ngang. Hình 2.3 - Nhánh ngang của đầu đo dạng lưới Điện trở của cảm biến là tổng điện trở của các đoạn dây dọc và ngang, nghĩa là R = RL + Rt, do đó với và . Trên thực tế người ta chế tạo sao cho Rt << RLđể giảm kích thước phần dây ngang. c/ Đầu đo điện trở bán dẫn - áp điện trở. * Hiệu ứng áp trở trong chất bán dẫn. Mô hình thung lũng năng lượng: Mô hình thung lũng năng lượng cho phép giải thích hiệu ứng áp điện trở trong silic pha tạp loại N. Trong tinh thể silic loại N với cấu trúc lập phương gồm 3 trục x, y, z dọc theo mỗi trục đều có một mức năng lượng nhỏ nhất của vùng, gọi là thung lũng năng lượng. Vì lý do đối xứng, ba thung lũng đồng dạng với nhau và có số điện tử dẫn bằng nhau. Hình 2.4- Sự phân chia điện tử theo mô hình thung lũng năng lượng dưới tác dụng của điện trường: a) Không có ứng lực; b) ứng lực song song; c)ứng lực vuông góc. Trong mỗi thung lũng, độ linh động của điện tử (// dọc theo trục tương ứng là nhỏ nhất. Ngược lại, độ linh động của điện tử theo hai hướng vuông góc với trục tương ứng là lớn nhất. Độ dẫn theo bất kỳ một trục nào đó được biểu diễn bởi biểu thức: Trong đó n là mật độ điện tử trong mỗi thung lũng. Số hạng qn (// biểu diễn sự phân bố điện tử trong thung lũng song song với điện trường, và số hạng qn biểu diễn sự phân bố điện tử trong từng thung lũng vuông góc với điện trường. Khi có ứng lực tác dụng, kích thước ô mạng tinh thể thay đổi kéo theo sự thay đổi của nồng độ điện tử trong thung lũng. Thí dụ lực kéo dọc theo trục OX làm di chuyển một phần diện tử (n của thung lũng x sang thung lũng y và z, điều này dẫn đến sự thay đổi độ dẫn (hiệu ứng góc) được biểu diễn bằng biểu thức: Khi điện trường vuông góc với úng lực E ^ F, sự biến thiên của độ dẫn (hiệu ứng ngang) được viết bởi biểu thức: và Khi bị nén, điện tử di chuyển theo chiều ngược lại, mỗi thung lũng y và z có (n/2 điện tử chuyển sang x. Biểu thức chuyển sang x. Biểu thực viết cho sự thay đổi độ dẫn sẽ là: - Theo hiệu ứng dọc: . - Theo hiệu ứng ngang: . Trong trường hợp silic loại P, hiệu ứng dọc quan sát được theo hướng đường chéo của hình lập phương cũng như hiệu ứng ngang nhưng có dấu ngược lại với trường hợp silic loại N. Mô hình thung lũng năng lượng không giải thích được trường hợp này. Khi biến dạng không đẳng hướng, sự đối xứng của trường tinh thể bị phá vỡ, sự suy biến của mức năng lượng cực đại vùng hoá trị mất đi. Cực đại của hai nhánh năng lượng lỗ trống nặng và lỗ trống nhẹ (trong silic) dịch chuyển ngược chiều nhau dpn = dpl. Sự dịch chuyển này làm thay đổi nồng độ lỗ trống nặng và lỗ trống nhẹ dẫn đến làm thay đổi độ dẫn. * Cấu tạo của đầu đo bán dẫn: Có hai loại đầu đo bán dẫn phụ thuộc vào kiểu chế tạo chúng. Đó là loại cắt và loại khuyếch tán. - Đầu đo loại cắt: Đầu đo loại cắt chỉ gồm một mẩu cắt từ tấm đơn tinh thể silic pha tạp. Sơ đồ cấu tạo biểu diễn như hình vẽ: Hình 2.5-Đầu đo bán dẫn chế tạo từ mẫu cắt của đơn tinh thể silic Mẫu cắt song song với đường chéo tinh thể lập phương đối với silic loại P và song song với cạnh lập phương nếu là silic loại N. Các mẫu cắt này được dán lên một giá đỡ bằng nhựa. Kích thước của mẩu cắt như sau: - Chiều dài: từ 0,1mm đến vài mm; - Chiều dày: ≈10-2 mm Vì chỉ là một mẩu cắt có kích thước nhỏ như vậy nên đầu đo có độ nhạy ngang gần như bằng không. - Đầu đo loại khuếch tán: Hình 2.6- Cấu trúc của đầu đo loại khuếch tán Trong đầu đo loại khuếch tán, điện trở của đầu đo được tạo nên bằng cách khuếch tán tạp chất vào một phần của đế đơn tinh thể silic đã pha tạp. Điện trở loại N nhận được bằng cách khuyếch tán vào đế silic loại P một tạp chất thuộc nhóm V trong bẳng tuần hoàn (như P, Sb). Còn nếu khuếch tán tạp chất thuộc nhóm III (như Ga, In) vào đế silic loại N thì sẽ nhận được điện trở loại P. Chuyển tiếp giữa đế và vùng khuếch tán tạo nên một điot, nó phải luôn luôn ở trạng thái phân cực ngược (vùng P âm hơn vùng N) để cho điện trở của cảm biến cách biệt với đế silic. Toàn bộ cấu trúc được bảo vệ bằng một lớp SiO2 có mở hai cửa sổ để phủ kim loại làm tiếp xúc đẫn điện ra ngoài cho điện trở. Đôi khi người ta dùng phương pháp này để tạo ra 4 điện trở đồng dạng trên cùng một đế rồi nối chúng với nhau bằng kỹ thuật phủ kim loại để tạo thành một cầu Wheatstone hoàn chỉnh. Đế silic đóng vai trò là vật trung gian (thí dụ dạng màng mỏng để đo áp suất). Cách chế tạo nầy tạo nên sự giống nhau về hệ số giãn nở nhiệt giữa đầu đo và đế. * Các đặc trưng chủ yếu của đầu đo bán dẫn. Đối với đầu đo bán dẫn, độ pha tạp là yếu tố quyết định đến các đặc trưng của chúng. Nói chung, khi độ pha tạp tăng, hệ số đầu đo K giảm, độ nhạy nhiệt giảm xuống, nhưng ngược lại, độ tuyến tính tăng lên. Độ nhạy nhiệt giám sẽ cho phép mở rộng dải nhiệt độ làm việc. Độ nhạy với bức xạ cũng giảm xuống khi độ pha tạp tăng lên. Điện trở. Theo mức độ tăng dần của nồng độ pha tạp, mật độ hạt dẫn trong vật liệu tăng lên và do vậy điện trở suất r của nó giảm xuống (Hình 10). Biểu thức thức chun._.