Thiết kế, chế tạo thiết bị đo momen dạng cầm tay
- 10 trang
- file .pdf
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
STT Kí hiệu 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
19 Biến dạng cắt
20 Jp Momen quán tính
21 Wp Momen chống xoắn
22 MZ Momen xoắn
23 υ hệ số poisson
24 Góc xoắn tỉ đối
25 n 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/
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
STT Kí hiệu 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
19 Biến dạng cắt
20 Jp Momen quán tính
21 Wp Momen chống xoắn
22 MZ Momen xoắn
23 υ hệ số poisson
24 Góc xoắn tỉ đối
25 n 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/