M CL C
Ch

ng 1

1

T NG QUAN CHUNG V LƾNH V C NGHIểN C U......................................1
1.1. T ng quan v h

ng nghiên c u ..................................................................1

1.2. T ng k t các k t qu nghiên c u ..................................................................2
1.2.1. Nghiên c u ngoƠi n

c ..........................................................................2

1.2.2. Nghiên c u trong n

c ..........................................................................3

1.2.3. M c đích c a đ tƠi ................................................................................3
1.3. Nhi m v vƠ ph m vi nghiên c u .................................................................4
1.3.1. Nhi m v ................................................................................................4
1.3.2. Ph m vi nghiên c u................................................................................4
1.4. Ph
Ch

ng 2

ng pháp nghiên c u ..............................................................................4

6

C S Lệ THUY T ................................................................................................6
2.1. K t c u c khí c a c m bi n đo l c ậ mô men bằng straingages .................6
2.1.1. M t số tính ch t v t lý c a strain gages .................................................6
2.1.1.1. nh h

ng c a nhi t đ ..................................................................7

2.1.1.2. Bù trừ rưo .........................................................................................7
2.1.1.3. Đáp ng t n số .................................................................................7
2.1.1.4. Đ chính xác lặp l i .........................................................................8
2.1.1.5. Đ phơn gi i ....................................................................................8
2.1.2. Nguyên lý thi t k ch t o c m bi n sử d ng straingages .....................8
2.1.2.1. Đ u đo kim lo i .............................................................................10
ix


2.1.2.2. Đ u đo bán d n : ............................................................................10
2.2. M t số lo i loadcell công nghi p ................................................................11
2.3. Nguyên lỦ đo bi n d ng dùng m ch c u wheatstone..................................12
2.3.1. C m bi n l c ........................................................................................14
2.3.2. C m bi n mô-men ................................................................................15
2.3.3. C m bi n l c ậ mô men 6 tr c .............................................................17
Ch

ng 3

20


THI T K C M BI N VĨ MỌ PH NG THĨNH PH N CH U BI N D NG
C A C M BI N ..................................................................................................20
3.1. V t li u ch t o ...........................................................................................20
3.1.1. C m bi n l c ........................................................................................22
3.1.1.1. Mô hình CAD b thí nghi m đo c m bi n l c ..............................22
3.1.1.2. Đặt các rƠng bu c vƠ t i ................................................................23
3.1.1.3. Chia l

i: Thi t l p mô hình ph n tử h u h n (ph n m m s gi i

trên từng phơn tử nh c a chi ti t vƠ đ a ra k t qu ) .................................24
3.1.1.4. Phơn tích vƠ xu t k t qu ...............................................................25
3.1.2. C m bi n mô men 1 tr c ......................................................................27
3.1.2.1. Mô hình CAD ................................................................................27
3.1.2.2. Đặt các rƠng bu c vƠ t i ................................................................28
3.1.2.3. Chia l

i (M c 3.1.1.3) ................................................................29

3.1.2.4. Phơn tích vƠ xu t k t qu ...............................................................30
3.1.3. C m bi n 6 tr c l c mô men ................................................................32
3.1.3.1. Ki m tra theo mô men theo tr c z .................................................33
3.1.3.2. Ki m tra l c theo tr c z .................................................................36
x


3.1.3.2.1. Đặt các rƠng bu c vƠ t i .........................................................36
3.1.3.2.2. Chia l

i .................................................................................37


3.1.3.2.3. Phơn tích vƠ xu t k t qu ........................................................37
3.1.3.3. Mô hình CAD c a b ki m tra mô men theo tr c x,y ...................38
3.1.3.3.1. Đi u ki n biên .........................................................................39
3.1.3.3.2. T i ...........................................................................................39
3.1.3.3.3. Chia l

i .................................................................................40

3.1.3.3.4. Phơn tích vƠ xu t k t qu ........................................................40
3.1.3.4. Ki m tra l c theo ph

ng x ...........................................................41

3.2. M ch khu ch đ i vƠ xử lỦ tín hi u cho c m bi n l c - mômen .................44
3.2.1. Ph

ng pháp dán vƠ b o v straingages ..............................................44

3.2.2. Nguyên lỦ thi t k m ch khu ch đ i tín hi u straingage .....................45
Ch

ng 4

K T QU TH C NGHI M ....................................................47

4.1. Ki m tra tính tuy n tính c a c m bi n ........................................................48
4.2. K t qu th c nghi m ...................................................................................48
Ch


ng 5

K T LU N VĨ H

NG PHÁT TRI N ................................54

TĨI LI U THAM KH O .........................................................................................55
PH L C I: Các lo i strain gages đo bi n d ng vƠ keo dán ..............................57
PH L C II: Gi y xác nh n bƠi báo ........................................................................65

xi


DANH SÁCH CH

VI T T T

xii


DANH SÁCH HÌNH NH
Hình 1.1 M t số ng d ng c a c m bi n l c ..............................................................1
Hình 1-2. C m bi n l c theo dõi l c tác d ng lên Bulông kẹp đ
Hình 1-3. C m bi n hai tr c l c vƠ momen theo ph
Hình 1-4. C m bi n ba tr c l c theo ba ph
Hình 2-1. Biên d ng chi u dƠi dơy d

ng ray .................1

ng z c a FUTEK ...................2


ng x, y, z c a FUTEK ..........................3

i tác d ng c a ng su t .................................6

Hình 2-2. C u t o c m bi n áp đi n tr kim lo i d ng dán ........................................7
Hình 2-3. Bi u đ

ng su t bi n d ng c a kim lo i ....................................................8

Hình 2-4. C m bi n l c v i thanh d m ch u uốn ......................................................11
Hình 2-5. C m bi n l c 2 SML 2 thanh d m ............................................................12
Hình 2-6. C m bi n l c d ng ch S ..........................................................................12
Hình 2-7. M ch c u Wheatston .................................................................................13
Hình 2-8: M u thi t k c m bi n l c ........................................................................14
Hình 2-9 : S đ nối chơn straingages c a c m bi n l c ..........................................15
Hình 2-10 : M u thi t k c m bi n mômen ..............................................................16
Hình 2-11: S đ nối chơn straingages c a c m bi n mô-men .................................16
Hình 2-12: M u thi t k c m bi n l c ậ mômen 6 tr c ............................................17
Hình 2-13: S đ v trí dán straingages c a c m bi n l c ậ mômen ........................18
Hình 3. 1: Thông số v t li u sử d ng trong mô ph ng. ............................................20
Hình 3. 2: Quy trình th c hi n gi i bƠi toán trong Ansys 12 ....................................21
Hình 3. 3: B n v chi ti t c m bi n l c d ng thanh d m ..........................................22
Hình 3. 4: Mô hình 3D b thí nghi m đo l c theo tr c z ..........................................23
Hình 3. 5: L c tác đ ng vƠo c m bi n khi lƠm vi c .................................................24
Hình 3. 6: k t qu chia l

i theo kích th

c .............................................................25


Hình 3. 7: Đ bi n d ng l n nh t 0.038239mm ........................................................25
Hình 3. 8: Đ giưn dƠi t

ng đối 0.021% ................................................................26

Hình 3. 9: K t qu phơn tích ng su t. ......................................................................26
Hình 3. 10: Mô hình 3D b thí nghi m đo mô men c a c m bi n mô men 1 tr c ...27
xiii


Hình 3. 11: B n v chi ti t thơn c m bi n mô men 1 tr c .........................................28
Hình 3. 12: Ng u l c tác đ ng lên c m bi n mô men 1 tr c ....................................28
Hình 3. 13: Cố đ nh c m bi n lên t m đ ..................................................................29
Hình 3. 14: Mô men l c tác d ng lên c m bi n theo ph
Hình 3. 15: K t qu chia l

ng quay quanh tr c Z ....29

i ....................................................................................30

Hình 3. 16: K t qu đ bi n d ng .............................................................................30
Hình 3. 17: Đ giưn dƠi t
Hình 3. 18:

ng đối 0.0175% ............................................................31

ng su t tối đa lƠ 123.97Mpa ................................................................31

Hình 3. 19: Mô hình b thí nghi m mô men theo tr c z ...........................................32

Hình 3. 20: Mô hình b thí nghi m l c theo tr c z,vƠ mô men theo tr c x,y ...........32
Hình 3. 21: K t qu chia l

i ....................................................................................33

Hình 3. 22: Đặt t i lƠ mô men l c lên c m bi n 6 tr c 120000 N.mm .....................34
Hình 3. 23:Bi n d ng l n nh t 0.0423mm theo tr c z ..............................................34
Hình 3. 24:

ng su t l n nh t 114.56 Mpa theo tr c z .............................................35

Hình 3. 25: Đ giưn dƠi l n nh t 0.00162 theo tr c z ...............................................35
Hình 3. 26: C m bi n 6 tr c đ
Hình 3. 27: L c kéo 120N h

c gắn cố đ nh vƠo t m đ bằng 4 bulong M6 ........36
ng tr c z vuông góc v i đ ......................................36

Hình 3. 28: Bi n d ng l n nh t 0.083mm c a c m bi n 6 tr c theo tr c z...............37
Hình 3. 29: K t qu đ giưn dƠi t
Hình 3. 30: K t qu

ng đối ................................................................37

ng su t c a c m bi n 6 tr c theo tr c z ..................................38

Hình 3. 31 Mô hình CAD cho b ki m tra mô men theo tr c x,y ............................39
Hình 3. 32: Đặt t i lƠ mô men l c lên c m bi n 6 tr c 120000 N.mm .....................40
Hình 3. 33: Đ giưn dƠi t


ng đối tối đa 0.206% .....................................................40

Hình 3. 34: ng su t tối đa 146.21 Mpa. ...................................................................41
Hình 3. 35: Đặt t i tác d ng l c lên c m bi n theo ph

ng tr c x ...........................42

Hình 3. 36: K t qu phơn tích đ giưn dƠi khi tác đ ng l c theo ph
Hình 3. 37: K t qu phơn tích ng su t khi tác đ ng l c theo ph

ng x .............42
ng x..................43

Hình 3. 38: Cố đ nh straingage trên b mặt c m bi n. ..............................................44
Hình 3. 39: S n phẩm m ch khu ch đ i tín hi u straingage. ....................................45
xiv


Hình 3. 40: S đ m ch khu ch đ i tín hi u straingage............................................46
Hình 4. 2: C m bi n l c vƠ c m bi n mô-men đư đ
Hình 4. 3:C m bi n 6 tr c đư đ

c dán straingages ..................47

c dán straingages vƠ phơn m ch ..........................47

Hình 4. 4: Mô hình đo ki m tra c m bi n l c ...........................................................49
Hình 4. 5:Mô hình thí nghi m đo c m bi n mô-men. ...............................................49
Hình 4. 6:Mô hình đo ki m tra c m bi n 6 tr c l c mô men ....................................51
Hình 4. 7 K t qu thí nghi m đo c m bi n l c. ........................................................52

Hình 4. 8 : K t qu thí nghi m đo c m bi n mô-men. ..............................................53

xv


Ch

ng 1

T NG QUAN CHUNG V LĨNH V C NGHIÊN C U
1.1. T ng quan v h

ng nghiên c u

C m bi n có nhi u ng d ng trong th c t H1.1 th hi n m t số ng d ng c a nó.[4]
Kƿ thu t robot

Kƿ thu t giao thông

Thí nghi m, ki m tra

ng d ng

Đi u khi n quá trình

c a
c m bi n

Y sinh h c


Hình 1. 1: Mộỏ s

Thi t b đo

ỉỂ dụỉỂ c a cảm biếỉ

Trong kƿ thu t giao thông, c m bi n l c đ

c sử d ng ch y u đ giám sát kh năng

ch u l c c a các công trình giao thông, giúp cho vi c b o trì sửa ch a đ

c k p th i,

b o đ m an toƠn Hình 1.2

Hình 1.2. Cảm biếỉ ệực ỏểeỊ dõi ệực ỏác dụỉỂ ệỪỉ BỐệôỉỂ Ệẹị đ ờỉỂ ọay
Trong thí nghi m v t li u, c m bi n l c đ

c sử d ng trong các máy ki m tra

b n v t li u nh máy kéo nén, máy ki m tra đ c ng c a lò xo, ki m tra t i tr ng c a
xích,.... K t qu c a các thí nghi m nƠy lƠ bi u đ
su t đ

c đo b i c m bi n l c.
1

ng su t chuy n v . Giá tr c a ng



Trong y sinh h c, c m bi n l c đ
đi đ ng c a ng

i sau tai n n hoặc ng

c dùng đ chẩn đoán kh năng c m nắm,

i giƠ, từ đó đ a ra l i khuyên đ h thu n l i

h n trong sinh ho t hƠng ngƠy.
Đi u khi n quá trình: Các dơy chuy n đóng gói s n phẩm c n có s chính xác
v khối l

ng.

1.2. T ng k t các k t qu nghiên c u
1.2.1. Nghiên c u ngoƠi n

c

Trên th gi i, c m bi n đo l c, mô-men cǜng nh c m bi n l c-mô men 6 tr c
từ lơu đư đ

c phát minh [11] và đ

c th

ng m i hóa r ng rưi.


Do đặc thù c a công ngh v c m bi n đa tr c nói chung, c m bi n 6 tr c l c
mô men nói riêng t t c s n phẩm công ngh nƠy đ u mang tính th

ng m i cao nên

vi c tìm các công bố khoa h c liên quan tác gi gặp nhi u khó khăn trong ti p c n lỦ
thuy t đ lƠm các thí nghi m. Các s n phẩm load-cell c a m t số hưng s n xu t cǜng
đư có trên th tr
số tác g

ng nh Hình 1.3, Hình 1. 4.
trên th gi i t nghiên c u ch t o c m bi n đo l c, mô-men, đặc

bi t lƠ c m bi n đo l c-mô men 6 tr c. đ ph c v cho các nghiên c u c a mình.
Trong nghiên c u nƠy, tác gi trình bƠy các nghiên c u v ph

ng pháp thi t k ch

t o c m bi n đo l c vƠ mô-men xoắn bằng lo i áp đi n tr . Các s n phẩm nƠy trong
t

ng lai g n s đ

c sử d ng trong các s n phẩm robotics k trên nhằm ph c v ch

y u cho các nghiên c u khoa h c trong lƿnh v c robotics t

Hình 1.3. Cảm biếỉ ểai ỏọục ệực ốỢ mỊmeỉ ỏểeỊ ịể

2


ng tác.

ỉỂ z c a FUTEK


Hình 1. 4. Cảm biếỉ ba ỏọục ệực ỏểeỊ ba ịể

ỉỂ x, y, z c a FUTEK

Hình 1. 5: Cảm biếỉ ệực- mô men 3 ỏểaỉể dầm ốỢ 4 ỏểaỉể dầm [13], [14]
1.2.2. Nghiên c u trong n

c

Qua kh o sát, tác gi nh n th y có m t số công trình nghiên c u v vi c đo
l c và mô-men sử d ng đ u đo đi n tr nh c a PTS Lê Ki u Nhi th c hi n t i s
khoa h c và công ngh TPHCM. Tác gi tìm th y r t ít các công b đăng trên các t p
chí trong n

c v lƿnh v c thi t k ch t o c m bi n đo l c và mô-men xoắn sử d ng

đ u đo đi n tr , đặc bi t là các c m bi n c nh sử d ng cho các lo i robot công
nghi p hoặc trong lƿnh v c y sinh.
1.2.3. M c đích c a đ tài
Hi n nay, giá thƠnh c m bi n l c ậ mô men trên th tr
kh năng đ

ng r t đắt, nên khó có


c sử d ng trong các s n phẩm c đi n tử s n xu t t i Vi t Nam.

Vì v y vi c nghiên c u ch t o thử nghi m c m bi n l c ậ mô men 6 tr c lƠ
c n thi t nhằm h

ng đ n vi c ch t o các s n phẩm ph c v trong công ngh t đ ng

t i Vi t Nam trong t

ng lai.

3


1.3. Nhi m v và ph m vi nghiên c u
1.3.1. Nhi m v
Ch t o thử nghi m c m bi n đo l c, đo mô men, c m bi n đo l c-mô

a.

men đa kênh v i v t li u là h p kim nhôm A5025.
Thi t k và gia công ch t o ph n c khí c a c m bi n. C m bi n đ

b.
thi t k t

ng t nh nguyên lỦ c a load cell, v i m t c u trúc c khí đ

gages. Số l


c

c dán strain

ng strain gages sử d ng c n thi t ph i l n h n 6 đ cho phép xác đ nh

đ y đ 6 thành ph n c a vec-t l c mô men.
c.

L c và khu ch đ i tín hi u, l y m u tín hi u từ các strain gages.

d.

Thi t k ch t o các c c u cho phép truy n từng thành ph n l c và mô

men riêng bi t lên c m bi n. Các công c này s ph c v cho các th c nghi m nhằm
xác đ nh ma tr n chuy n đ i vec-t đi n áp c a các strain gages thành 6 thành ph n
c a vec-t l c ậ mô men.
1.3.2. Ph m vi nghiên c u
a.

Đ tài ch tính toán và ti n hành ch t o, thử nghi m c m thi t b g m:

c m bi n l c, c m bi n mômen và c m bi n đo 6 thƠnh ph n l c ậmô men, bằng v t
li u là h p kim nhôm A5025 và hai b thí nghi m đo l c và mô men.
b.

Đ tƠi không đi gi i quy t bài toán mà ch th c hi n m t số thí nghi m

đo th c nghi m đ đánh giá đ tuy n tính c a k t qu đo đ


c. Đ đánh giá toƠn di n

hi u qu và tìm ra các thông số tối u c a c m bi n 6 tr c l c-mô men, tác gi c n
nhi u th i gian h n n a đ nghiên c u thi t b và trang b thêm d ng c đo ki m thí
nghi m.
1.4. Ph

ng pháp nghiên c u

a.

Ph

ng pháp k thừa: sử d ng k t qu c a các nghiên c u trong quá

b.

Ph

ng pháp mô ph ng số bằng ph n m m Ansys đ ki m tra đ b n

kh .
c a c m bi n, từ đó xác đ nh gi i h n l c l n nh t mà c m bi n có th đo đ

4

c.



c.

Ph

ng pháp th c nghi m, so sánh đ xác đ nh t

đặt và giá tr tr v c a c m bi n.

5

ng quan giá tr l c


Ch
C

S

ng 2
LÍ THUY T

2.1. K t c u c khí c a c m bi n đo l c ậ mô men bằng straingages
2.1.1. M t s tính ch t v t lý c a strain gages
Các k t qu th c nghi m cǜng nh lỦ thuy t v t lỦ đ u ch ng minh đ

c rằng

đi n tr c a m t dơy d n s tăng n u nh dơy b kéo giưn. Hình 2. 1 mô t s bi n
d ng c a m t s i dơy d n (chi u dƠi L1, d
giưn chi u dƠi vƠ đ

dơy. M t dơy d n có đ
vƠ ng

ng kính D1). D

i tác d ng c a l c kéo

ng kính dơy s tr thƠnh L2 và D2 nhằm b o toƠn th tích c a
ng kính cƠng nh s có đ i l

ng đi n tr /chi u dƠi cƠng l n

c l i.

Hình 2. 1. BiỪỉ d ỉỂ cểi Ố dỢi dợy d ới ỏác dụỉỂ c a ỉỂ sỐấỏ
V i tính ch t v t lỦ trên, n u nh chúng ta có th dán chặt m t m nh dơy d n
lên trên m t b mặt m t v t li u có kh năng bi n d ng, ta s có kh năng sử d ng s
bi n thiên c a đi n tr dơy d n đ đo s bi n d ng c a m nh v t li u khi có m t ngo i
l c tác đ ng lên nó. M t ví d thi t k dơy d n đ
dơy có ph

ng theo chi u ngang. Chi u c a l

c th hi n trong Hình 2. 2. L

i dơy đ

c đặt cùng v i h

t i tr ng l n nh t trên b mặt v t li u. Hai đi m cuối c a l


i dơy đ

ngoƠi nhằm nối dơy đ đ a tín hi u đi n áp c a straingage ra bên ngoƠi.

6

i

ng c a

c đ h bên


a. Thơn ch u l c

c. Đ u nối

b. ThƠnh ph n đi n tr

d. Chi u dƠi l

i lƠm vi c

Hình 2. 2: CấỐ ỏ Ị cảm biếỉ áị đi ỉ ỏọở Ệim ệỊ i d ỉỂ dán
L

i dơy đ

bi n theo ph


c ch t o trên m t t m phim Mylar m ng vƠ dán lên b mặt c m

ng thích h p đ đo l c tác d ng. Straingage nƠy có m t số đặc tính

nh sau:
2.1.1.1.

nh h

ng c a nhi t đ

Do straingage đ
m ng, nó ch u nh h
đáp ng th

ng t

c gắn tr c ti p lên b mặt c m bi n b i m t l p keo epoxy
ng b i s thay đ i nhi t đ c a v t li u c m bi n, v i th i gian

ng đối nhanh. Các dơy d n trên strain gage có th đ

c thi t k

đ bù trừ s bi n thiên c a mô-đun đƠn h i c a v t li u theo nhi t đ .
2.1.1.2. Bù trừ rão
Rưo lƠ s gia tăng bi n d ng, x y ra khi m t v t li u đ

c gi liên t c


ng su t không đ i. Trong th c t , nhƠ s n xu t có th thi t k l
đ rưo t

m t

i strain gage v i

ng ng v i đ rưo c a v t li u c m bi n nhằm bù trừ hi u ng rưo. Các c m

bi n l c công nghi p có thông số đ rưo vƠo kho ng d

i ±0.025 % c a t i tác d ng

liên t c trong 20 phút.
2.1.1.3. Đáp ng t n s
Do khối l

ng c a strain gage r t nh , g n bằng zê-rô, nên đáp ng t n số c a

m t c m bi n l c sử d ng straingage s ch ph thu c vƠo đáp ng c a k t c u c m
bi n, c c u k t nối cǜng nh băng t n c a m ch khu ch đ i đi n áp.

7


2.1.1.4. Đ chính xác lặp l i
Theo lỦ thuy t, c m bi n l c sử d ng strain gage luôn có đ chính xác lặp l i
tốt vì khi straingage đ


c dán chặt vƠo b mặt c m bi n s t o nên m t c u trúc

nguyên khối. Nguyên nhơn chính t o nên tính không lặp l i c a c m bi n đ n ch y u
từ các k t c u c h c bên ngoƠi đ

c liên k t v i c m bi n.

2.1.1.5. Đ phân gi i
u đi m l n nh t c a straingage khi đ

c dùng đ đo đ bi n d ng lƠ nó có

đ phơn gi i vô cùng, vì b t kì s thay đ i nh nƠo v đ bi n d ng đ u s t o nên
m t s thay đ i c a giá tr đi n tr straingage. Đ phơn gi i c a c m bi n do đó ch
ph thu c vƠo h thống bo m ch đi n tử (đ phơn gi i c a h thống l y m u) đ

c sử

d ng đ l y giá tr đi n áp c a c u straingage.
2.1.2. Nguyên lý thi t k ch t o c m bi n s d ng straingages
Nguyên lỦ thi t k m t c m bi n l c, mô men đ

c d a trên đ bi n d ng đƠn

h i c a v t li u c khí nh H2.3

Hình 2. 3: Bi Ố đồ ỉỂ sỐấỏ biếỉ d ỉỂ c a Ệim ệỊ i
S đ bi n d ng c a kim lo i: Do đ

ng đ th


ng su t ậ bi n d ng c a kim

lo i luôn g n nh tuy n tính khi ng su t nh h n gi i h n đƠn h i, s thay đ i c a
giá tr đi n tr c a các strain gages dán chặt trên b mặt v t li u kim lo i c n đo theo
8


l c tác đ ng từ bên ngoƠi lên c m bi n cǜng g n nh tuy n tính. Bằng cách đánh giá
s thay đ i giá tr đi n tr c a các strain gages trên c m bi n, ta có th tính g n đúng
vec-t l c hay mômen tác d ng lên c m bi n(thi t b c n ki m tra) vƠ lƠm bi n d ng
các strain gages.
Ph m vi bi n d ng có th đo đ

c c a các strain gages v i đ chính xác ~

0.1% lƠ kho ng từ ±10-5 đ n ±2.10-1. Gi i h n b h n ch b i nhi u c a c m bi n vƠ
c a m ch đi n. Trong tr

ng h p t ng quát, đ u đo lƠ m t l

i lƠm bằng dơy d n có

đi n tr su t ρ, ti t di n s vƠ chi u dƠi nℓ (ℓ lƠ chi u dƠi c a m t đo n dơy, n lƠ số
đo n dơy). Th

ng thì n = 10 ÷ 20 đối v i đ u đo kim lo i vƠ n = 1 đối v i đ u đo

bán d n.
C m bi n đ

đ thì đ

c cố đ nh trên đ cách đi n (lƠm bằng gi y hoặc ch t dẻo), còn

c gắn vƠo c u trúc nghiên c u. K t qu lƠ c m bi n cǜng ch u bi n d ng

nh bi n d ng c a c u trúc. Đi n tr c a c m bi n đ

R
Trong đó:

c bi u di n b i bi u th c:

l
S

(2-1)

R ậ lƠ đi n tr (Ω)
ρ ậ đi n tr su t (Ω.m)
l ậ chi u dài thành ph n đi n tr (m)
s ậ ti t di n thành ph n đi n tr (m2)

Do ch u nh h
l

ng c a bi n d ng nên đi n tr c a c m bi n thay đ i đi m t

ng ∆R, nghƿa lƠ:


R l S 
 


R
l
S
Bi n d ng d c c a dơy kéo theo s thay đ i kích th

(2-2)
c theo chi u ngang a, b

(n u mặt cắt c a dơy hình ch nh t) hoặc d (n u dơy có ti t di n tròn). V i m t h số
t l v, quan h gi a bi n d ng ngang vƠ bi n d ng d c theo đ nh lu t:
a b d
l


 v
l
a
b
d

9

(2-3)


Trong đó v lƠ h số Poisson. Trong vùng bi n d ng đƠn h i v


0,3. Vì ti t

di n c a dơy S = ab hoặc S = d2/4 nên:
S
l
 v
l
S

(2-4)

Hi n nay chúng ta sử d ng ph bi n hai lo i đ u đo: đ u đo kim lo i vƠ đ u
đo bán d n. Hai lo i nƠy khác nhau


.


tỷ số

2.1.2.1. Đ u đo kim lo i
Đối v i đ u đo kim lo i, mối quan h Bridman d n đ n h th c đi n tr su t
vƠ s thay đ i th tích nh sau:


V
C

V


(2-5)

Trong đó C lƠ hằng số Bridman. V lƠ th tích dơy. Vì V = Sn nên :
V
l
 (1  2v)
l
V

(2-6)

Suy ra:





 C (1  2v)

l
l

(2-7)

Do đó ta có:
R
l
l
 {(1  2v)  C (1  2v)}  K

l
l
R

V i K lƠ h số đ u đo vƠ đ

(2-8)

c vi t b i bi u th c:
K  (1  2v)  C (1  2v)

Vì v

0,3 và C

1 nên đ u đo kim lo i th

ng có K

(2-9)
2.

2.1.2.2. Đ u đo bán d n :
Đối v i đ u đo bán d n, s ph thu c c a đi n tr su t vƠo ng l c
bi u di n b i bi u th c:


l
   E


l
10

(2-10)

đ

c


Trong đó E lƠ môđun Young. S thay đ i đi n tr c a c m bi n bán d n có d ng:
R
l
 {(1  2v)  E}
l
R

Trong đó ta đặt:

(2-11)

K  (1  2v)  E .

Trong đi u ki n sử d ng thông th

, d u c a K ph thu c vƠo

ng, K

lo i bán d n sử d ng.

Đ u đo bán d n thích h p v i nh ng tr
Chúng đ

ng h p đo nh ng bi n d ng nh .

c sử d ng trong các thi t b đo l c, áp su t vƠ gia tốc. Tuy nhiên, so v i

đ u đo kim lo i chúng có đ tuy n tính th p h n vƠ đ nh y nhi t cao h n. Đi n tr
c a đ u đo (kim lo i hoặc bán d n) có các giá tr chuẩn v i đ chính xác ±0,2 đ n
±10% vƠ nằm trong kho ng từ 100Ω đ n 5000kΩ .
2.2. M t s lo i loadcell công nghi p
Hình 2. 4, Hình 2. 5, Hình 2. 6, th hi n m t số lo i loadcell th
công nghi p. Hình 2. 4 lƠ load cell đ
straingages có th đ

ng gặp trong

c thi t k theo ki u thanh d m ch u uốn. Các

c dán ngay trên rưnh hình tròn hoặc phía bên trong rưnh, t i v

trí có bi n d ng l n nh t khi có l c tác d ng vƠo 2 đ u c m bi n.

Hình 2. 4: Cảm biếỉ ệực ốới ỏểaỉể dầm cể Ố Ố ỉ
Hình 2. 5 th hi n c m bi n l c SML 2 thanh d m. Đơy lƠ m t bi n th c a
c m bi n thanh d m ch u uốn, cho phép l c tác d ng đi qua tr c đối x ng c a c m
bi n. Ph
ph

ng án nƠy cho phép thi t k nh ng c m bi n l c nh , g n h n so v i


ng án thanh d m ch u uốn.

11


Hình 2. 5: Cảm biếỉ ệực 2 SML 2 ỏểaỉể dầm
C m bi n l c d ng ch S lƠ d ng c m bi n l c đ

c sử d ng khá r ng rưi trong

công nghi p đ đo l c kéo hoặc l c nén. Nguyên lỦ ho t đ ng c a lo i loadcell nƠy
h i khác v i 2 lo i trên do 2 thanh dẩm bi n d ng đ ng th i vƠ ng

c chi u nhau khi

có l c tác d ng lên c m bi n.

Hình 2. 6: Cảm biếỉ ệực d ỉỂ cểữ S
2.3. Nguyên lỦ đo bi n d ng dùng m ch c u wheatstone
M ch c u Wheatstone cho phép k t h p nhi u mi ng đo strain-gages nh Hình
2. 7: S đ m ch c u sử d ng bốn mi ng đo strain gages (R1, R2,R3,R4) đ
thanh m u.

12

c dán lên


Hình 2. 7: M cể cầu Wheatston

M ch c u wheatston lƠ m ch đ

c sử d ng th

ng xuyên đ đo đ bi n d ng

c a v t li u v i strain gages.
Nguyên lỦ ho t đ ng c a m ch nh sau:
Đi n áp đo đ

c gi a 2 đ u dơy tín hi u (Vs+ và Vs-) đ

Vs  Vs Vs  E
M ch c u

R2 .R4  R1.R3
(R1  R2 ).(R3  R4 )

c tính theo công th c:
(2-12)

tr ng thái cơn bằng khi Vs  Vs . N u nh ta ch n R1 = R2 = R3

= R4 thì khi ta đặt b t kỳ đi n áp nƠo vƠo m ch trên thì đi n áp đ u ra s lƠ 0. Lúc
nƠy ta g i s đ đang

tr ng thái cơn bằng. Khi có s thay đ i đi n tr c a m t hay

các đi n tr trên so v i giá tr ban đ u thì lúc nƠy m ch m t cơn bằng, lúc nƠy trong
m ch s có m t đi n áp t


ng ng

đ u ra V s+ và Vs-. Đi n áp nƠy có th đ

c tính

nh sau:
Do giá tr c a 4 đi n tr lƠ nh nhau, ta có th đặt: R1  R2  R3  R4  R0 .
D

i tác d ng c a bi n d ng trên b mặt v t li u, giá tr đi n tr c a từng strain gages

s thay đ i.
Khi đó, ta có th đặt các giá tr đi n tr t
sau:
13

ng ng v i từng strain gages nh




Ri  R0  Ri  R0 1



đơy ta có

Ri 

R0 

, i  1..4

(2-13)

Ri
 0 , do đó khi có l c tác d ng lƠm thay đ i các giá tr đi n tr c a
R0

các straingages, ph
ph n b c 2 đư đ

ng trình (2.12 )có th đ

c vi t l i d

i d ng sau (các thƠnh

c đ n gi n hóa):

E  R2 R4 R1 R3  (2.14)



Vs  Vs Vs  .

4  R0

Công th c(2-14) đ


R0

R0

R0 

(2-14)

c sử d ng trong vi c đo đ bi n d ng đƠn h i c a v t li u bằng

cách sử d ng các strain gages
2.3.1. C m bi n l c
Mô hình thi t k c m bi n đo l c thẳng 1 tr c đ
Gi a thơn c m bi n có khoét m t khe l n theo ph
d ng khi có tác đ ng l c bên ngoƠi theo ph

c trình bƠy trong Hình 2. 8

ng ngang, cho phép t o bi n

ng thẳng đ ng. Các straingages đ

c

dán trên 2 mặt ngoƠi c a thơn c m bi n t i v trí có khe h . V trí dán nằm t i các
đi m có đ bi n d ng l n nh t theo mô ph ng (Xem ph n K t qu mô ph ng ậ
ch

ng3). Các straingage đ


c nối v i nhau từng cặp 1 đ t o nên c u Wheatston.

S đ nối chơn các straigages đ

c trình bƠy nh trong Hình 2. 9

Hình 2. 8: MẫỐ ỏểiếỏ Ệế cảm biếỉ ệực

14


Hình 2. 9: S đồ ỉ i cểợỉ sỏọaiỉỂaỂes c a cảm biếỉ ệực
Nguyên lỦ đo nh sau: E+ và E- lƠ 2 đ u c a đi n áp không đ i c p cho
straingage. S+ và S- lƠ các ngõ ra tín hi u. Vs+ và Vs- (đi n áp đo gi a 2 đ u ra S+
và S- và E-) l n l

tđ

c tính theo nguyên lỦ chia áp nh sau:

 R4
Vs   
 R1  R4

 

 (E  E ) ,



 R2  

Vs   
 (E  E )
 R2  R3 

N u nh R1 = R2 = R3 = R4, ta có Vs+ = Vs- khi c m bi n

tr ng thái ngh . Khi có

m t l c F tác đ ng từ trên xuống t o nên bi n d ng cho thơn c m bi n, các straingages
s bi n d ng nh sau: R1, R2 giưn (giá tr đi n tr tăng lên) còn R3, R4 b nén l i (giá
tr đi n tr gi m). Khi đó, Vs+ > Vs-. Tr
ph

ng ng

ng h p l c F tác đ ng từ d

c l i, ta có Vs+ < Vs-. S khác bi t c a 2 giá tr đi n áp nƠy chính lƠ tín

hi u đ u ra c a c m bi n. Tín hi u nƠy s đ
đ

i lên theo

c khu ch đ i lên nhi u l n tr

c khi


c đ a vƠo vi đi u khi n hoặc máy tính.

2.3.2. C m bi n mô-men
Mô hình thi t k c m bi n đo mô men xoắn 1 tr c đ
2. 10. C m bi n đ

c c u t o b i ph n đ cố đ nh hình tròn

di đ ng bên trong. Ph n lõi di đ ng vƠ ph n đ cố đ nh đ

c trình bày trong Hình
vòng ngoƠi vƠ ph n lõi

c nối v i nhau b i 2 thanh

d m. Trên 2 thanh d m có khoét 2 rưnh nhằm t o bi n d ng khi có mô-men xoắn tác
đ ng lên ph n lõi di đ ng. Các straingages đ

c dán trên 2 mặt ngoƠi c a các thanh

d m, ngay t i v trí chính gi a khe h . Các straingage đ

c nối v i nhau từng cặp 1

đ t o nên m ch c u Wheatston. S đ nối chơn các straigages đ
trong hình 2.11.
15

c trình bƠy nh



Hình 2. 10: MẫỐ ỏểiếỏ Ệế cảm biếỉ mô men

Hình 2. 11: S đồ ỉ i cểợỉ sỏọaiỉỂaỂes c a cảm biếỉ mô-men
Nguyên lý đo: Cǜng giống nh tr

ng h p c m bi n l c m t tr c,

đơy ta có

E+ và E- lƠ 2 đ u c a đi n áp không đ i c p cho straingage. S+ vƠ S- là các ngõ ra
tín hi u. Vs+ và Vs- (đi n áp đo gi a 2 đ u ra S+ vƠ S- và E-) l n l

tđ

c tính theo

nguyên lỦ chia áp nh sau:
 R2
Vs   
 R1  R2

 

 (E  E ) ,


 R4
Vs   
 R3  R4


 

 (E  E )


N u nh R1 = R2 = R3 = R4, ta có Vs+ = Vs- khi c m bi n
Khi có m t mô-men M tác đ ng vƠo ph n tâm theo chi u ng
16

tr ng thái ngh .

c chi u kim đ ng h


t o nên bi n d ng cho thơn c m bi n, các straingages s bi n d ng nh sau: R2, R3
giưn (giá tr đi n tr tăng lên) ậ R1, R4 co (giá tr đi n tr gi m). Khi đó, Vs+ > Vs-.
Tr

ng h p mô-men M tác đ ng theo chi u ng

c l i, ta có Vs+ < Vs-. S khác bi t

c a 2 giá tr đi n áp nƠy chính lƠ tín hi u đ u ra c a c m bi n.
2.3.3. C m bi n l c ậ mô men 6 tr c
Mô hình thi t k c m bi n đo l c ậ mô men 6 tr c đ

c trình bày trong

Hình 2. 12


Hình 2. 12: MẫỐ ỏểiếỏ Ệế cảm biếỉ ệực – mô men 6 tọục
C m bi n đ

c c u t o b i ph n đ cố đ nh hình tròn

vòng ngoƠi vƠ ph n lõi di

đ ng bên trong. Ph n đ di đ ng vƠ ph n đ cố đ nh đ

c nối v i nhau b i 4 thanh

d m. Trên 4 thanh d m có khoét 2 rưnh nhằm t o bi n d ng khi có mô-men xoắn tác
đ ng lên ph n lõi di đ ng. Các strain gages đ

c dán trên c 4 mặt ngoƠi c a các

thanh d m, ngay tai v trí chính gi a khe h . Các strain gages đ

c nối v i nhau từng

cặp 1 đ t o nên c u Wheatston. S đ v trí dán strain gages đ

c trình bƠy nh trong

Hình 2. 13

17



Hình 2. 13: S đồ ố ỏọí dáỉ sỏọaiỉ ỂaỂes c a cảm biếỉ ệực – mô men
Có t ng c ng 24 strain gages đ

c dán trên c m bi n, cho phép đo t t 6 thƠnh

ph n c a vec-t l c mô men tác d ng lên ph n lõi di đ ng c a c m bi n. C th h n,
vai trò c a từng strain gage nh sau: S1-S4 đo thƠnh ph n l c Fx, S5-S8 đo thƠnh ph n
l c Fy, S9-S12 đo thƠnh ph n l c Fz, S13-S16 đo thƠnh ph n mô-men Mx, S17-S20 đo
thƠnh ph n mô-men My, S21-S24 đo thƠnh ph n mô-men Mz. Vec-t đi n áp đo b i
các strain gages đ

c chuy n đ i thƠnh vec-t l c-mô men thông qua 1 ma tr n

chuy n đ i.
Nguyên lỦ đo nh sau: G i m = [Fx,Fy,Fz,Mx,My,Mz] T là vec-t các l c ậ
mô men tác đ ng từ bên ngoƠi vƠo c m bi n, v = [v1, v2, ầ, vk-1, vk]T là vec-t
tín hi u đi n áp đo đ

các

c b i các strain gages vƠ C (Calibration matrix) lƠ ma tr n 6×k

liên k t m vƠ V. Ta có:
18