Tải bản đầy đủ
CHƯƠNG 4. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM

CHƯƠNG 4. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM

Tải bản đầy đủ

Thí nghiệm xác định tải trọng trên cầu xe có thể sử dụng phƣơng pháp đo các đại lƣợng
không điện bằng điện với việc ứng dụng chuyển đổi tenzo với tải trọng uốn trên một thanh
dầm bất kỳ. Sơ đồ trên hình 4.2 thể hiện cấu trúc hệ thống đo xác định tải trọng uốn trên
một thanh dầm. Hệ thống đo ao gồm cảm biến và các bộ phận tiếp nhận, khuếch đại,
chuyển đổi, xử lý, hiển thị và lƣu trữ kết quả đo. Tín hiệu điện cƣờng độ dòng hoặc điện
áp) từ các cảm biến đƣợc khuếch đại nhiều lần, rồi qua bộ chuyển đổi A/D thành tín hiệu
số truyền đến phần mềm đã đƣợc cài đặt trong máy tính (PC).
CB

D

KD

PC

A

Hình 4.2. Sơ ồ h thống o xác ịnh t i tr ng uốn trên một thanh dầm
CB-c m bi n; KD- khu ch

i; A/D – bộ chuy n ổi t tín hi u tương tự sang tín hi u số;
PC – máy tính

4.3 Thiết bị thí nghiệm
Để đo đƣợc phản lực mặt đƣờng theo phƣơng thẳng đứng, NCS dùng cầu điện trở. Bốn
điện trở tenzo đƣợc dán song song và đối xứng ở mặt trên và mặt ƣới của cầu nhƣ hình
4.3 ( mặt trên 02 lá, mặt ƣới 02 lá).
Bộ khuếch đại và
chuyển đổi A/D

4

DMC plus

Hình 4.3 Sơ ồ bố trí thí nghi m o mô men uốn trên dầm
1)Dầm; 2) Tenzo i n trở; 3) Bộ khuêch

i và chuy n ổi A/D;

4) Máy tính v i phần mềm xử lý tín hi u.

109

Các thiết bị bố trí trong thí nghiệm gồm:
a. Cầu điện trở tenzo
Sơ đồ án điện trở lên vỏ cầu và cầu đo đƣợc thể hiện trên hình 4.4. Các điện trở tenzo
đƣợc dán trực tiếp lên mặt ngoài của vỏ cầu. Trƣớc khi án điện trở cần gia công lại bề mặt
trục để đạt độ nhám yêu cầu, làm sạch bằng xăng và acetol.
Để đo lực thẳng đứng (Fz22) tác động lên vỏ cầu sau chủ động, 4 lá tenzo điện trở nhƣ nhau
(120Ω) đƣợc dán lên mặt trên và mặt ƣới của vỏ cầu, mặt trên hai lá, mặt ƣới hai lá song
song nhau và đối xứng quanh mặt phẳng nằm ngang đi qua trục cầu chủ động (hình 4.4c).
Để đo lực dọc (Fx22) tác động lên vỏ cầu sau chủ động, 4 lá điện trở tenzo điện trở nhƣ
nhau (120Ω đƣợc dán lên mặt trƣớc và mặt sau của vỏ cầu, mỗi mặt hai lá song song nhau
và đối xứng quanh mặt phẳng thẳng đứng đi qua trục cầu hình 4.4c tƣơng tự nhƣ cầu điện
trở để đo lực thẳng đứng tác động lên vỏ cầu.
Bề mặt vỏ cầu tại vị trí án điện trở tenzo đƣợc gia công đạt độ nhám yêu cầu, đƣợc làm
sạch, các lá điện trở đƣợc dán lên bề mặt cầu bằng keo Z-70 (của CHL Đức . Các điện
trở đƣợc nối với nhau thành mạch cầu nhƣ trên hình 4.4 , gọi là cầu điện trở (còn gọi là
cầu đo , mạch cầu có 4 điểm nút, trong đó 2 nút đƣợc nối với nguồn nuôi (Uo) và 2 nút còn
lại thực hiện chức năng truyền dẫn tín hiệu đo U1).

U1

U0

a) Sơ ồ bố trí các i n trở tenzo trên dầm

b) M ch cầu tenzo

Tenzo đo lực thẳng đứng

Tenzo đo lực dọc

c) Tenzo dán trên vỏ cầu thí nghi m
Hình 4.4 Cầu i n trở tenzo trên vỏ cầu thí nghi m

110

Hệ số nhạy tƣơng đối K là đặc trƣng cho hiệu ứng tenzo của vật liệu.
(4.1)
Trong đó:



biến đổi tƣơng đối của điện trở tenzo



biến đổi tƣơng đối của chiều dài tenzo

với vật liệu rắn, K= 1+2µ+m
là thay đổi điện trở suất của vật liệu, có quan hệ đến thay đổi tính chất
vật lý của vật liệu.
µ: hệ số poat-sông (0,24 ÷ 0,4)

B ng 4.1 Thông số i n trở tenzo

Kích thƣớc chiều dài

30mm

Kích thƣớc chiều rộng

2mm

Giá trị điện trở

120

Hệ số độ nhạy

2.08±1% (Mức A)

Cầu điện trở tenzo hoạt động theo nguyên lý của mạch cầu Weatstone [50]. Cầu ở trạng
thái cân bằng nếu R1R3 = R2R4, khi đó điện áp đo U1 = 0. Do sử dụng 4 điện trở tenzo
giống hệt nhau (R1 = R2 = R3 = R4 = R0) dán lên vỏ cầu, nên cầu luôn ở trạng thái cân bằng
khi vỏ cầu không chịu tải (cầu tháo rời khỏi xe).
Khi cầu chịu tải, mô men uốn gây biến dạng vỏ cầu làm các tenzo thay đổi điện trở của
chúng. Khi đó giá trị của điện trở đo Ri bất kỳ trong mạch cầu đƣợc tính nhƣ sau:
Ri = R0 + Ri (với i = 1, 2, 3, 4)

(4.2)

Sự thay đổi này dẫn đến mất cân bằng cầu điện trở (R1R3 R2R4) và làm xuất hiện điện áp
đo U1 0. Khi đó, điện áp đo U1 đƣợc tính nhƣ sau [5 :
U1 

Do
U1 

U0
R2  R1  R3  R4

4 R0 1  R2  R1  R3  R4
2 R0

(4.3)

nhỏ hơn rất nhiều so với
U0
 R2  R1  R3  R4 
4 R0

, nên có thể coi:
(4.4)

Với cách án điện trở nhƣ trên hình 4.4, cả 4 điện trở trong cầu đo đều là tenzo biến dạng.
Cách án này làm tăng độ khuếch đại của tín hiệu đo điện áp U1 , đồng thời loại trừ đƣợc
111

ảnh hƣởng của nhiệt độ tới điện áp đo. Giả sử, trong quá trình đo nhiệt độ thay đổi, khi đó
giá trị thay đổi điện trở gồm 2 thành phần: thay đổi do biến dạng và hay đổi do nhiệt độ:
Ri  Ri    Ri T 

(4.5)

Với cách dán này, các tenzo 1 và 3 chịu cùng ứng suất, còn các tenzo 2 và 4 chịu cùng ứng
suất nhƣ các điện trở trên, nhƣng theo chiều ngƣợc lại. Vì vậy, ta có:
R2     R1    R3    R4    R  

(4.6)

Do các điện trở đƣợc dán gần nhau nên chúng có nhiệt độ giống nhau, vì vậy:
R1 T   R2 T   R3 T   R4 T   R0 T 

(4.7)

Thay các biểu thức trên vào công thức 4.3 ta đƣợc công thức tính điện áp U1. Nếu chỉ sử
dụng một điện trở tenzo duy nhất dán lên trục (giả sử là R2 , thì điện áp đo đƣợc tính nhƣ
sau:
U1 

U0
R     R T 
4 R0

(4.8)

Do sử dụng cả 4 điện trở đều là tenzo biến dạng và dán lên trục nhƣ trên hình 4.4, ta có:
U1 

U0
4.R   
4 R0

(4.9)

Công thức 4.9 cho thấy cách án điện trở mà luận án đã thực hiện có những đặc điểm sau:
- Việc sử dụng cả 4 vị trí trên cầu đo đều là tenzo giúp cho điện áp đo tăng lên 4 lần so với
trƣờng hợp chỉ có một điện trở tenzo (công thức 4.8).
- Sự thay đổi nhiệt độ của các điện trở trong quá trình đo không ảnh hƣởng đến điện áp đo.
- Với các tenzo làm từ vật liệu kim loại, điện áp đo U1 gần nhƣ tỷ lệ thuận với biến dạng
của dầm, còn biến dạng này lại tỷ lệ thuận với các lực tác động Fi (lực thẳng đứng, lực
dọc), nên thiết bị đo có thể coi là tuyến tính [74]: U1 k.Fi. Hệ số k đƣợc xác định bằng
cách lấy chu n.
Nhƣ vậy, với cách dán nhƣ thể hiện trên hình 4.4, các điện trở 1 và 3 chịu biến dạng cùng
chiều và cùng độ lớn, còn các điện trở 2 và 4 chịu biến dạng theo chiều ngƣợc lại. Chẳng
hạn, nếu R1 và R3 chịu kéo thì R2 và R4 chịu nén. Các bố trí điện trở nhƣ trên cho ph p tăng
tối đa điện áp đo U1, đồng thời loại trừ đƣợc ảnh hƣởng của sự thay đổi nhiệt độ trong quá
trình đo.
Các cầu đo đƣợc hàn với dây bọc chống nhi u 6 lõi rồi hàn với jắc cắm 15 chân để có thể
cắm vào các mô đun khuếch đại của thiết bị thu khuếch đại và chuyển đổi A/D DMC Plus.
Các cầu điện trở đƣợc nuôi bằng điện áp U0 (5V). Khi cầu chƣa chịu uốn điện áp trên
đƣờng ch o đo của cầu U1 bằng 0. Khi cầu chịu uốn (hoặc xoắn các lá điện trở biến dạng,
xuất hiện trên đƣờng ch o đo của cầu U1 ≠ tỷ lệ với tải trọng (lực thẳng đứng, lực dọc)
tác dụng lên vỏ cầu.
112

Hiện nay với các thiết bị đo kỹ thuật số hiện đại, U1 từ cảm biến đƣợc khuếch đại lên nhiều
lần, chuyển sang tín hiệu số rồi đến máy tính đã cài phần mềm điều khiển đo lƣờng và xử
lý số liệu. Để thu thập, khuếch đại và chuyển đổi thông tin đo lƣờng sang tín hiệu số chúng
tôi dùng thiết bị DMC Plus o hãng H M CHL Đức chế tạo (hình 4.5) hiện có ở Trung
tâm Thí nghiệm Khoa Cơ điện và Công trình trƣờng ĐHLN.

Hình 4.5. Thi t bị DMC Plus nối ghép máy tính

Thiết bị DMC Plus dùng nguồn điện một chiều từ ác quy 12V và đƣợc nối ghép với máy
tính. Việc điều khiển đo lƣờng và xử lý số liệu đƣợc thực hiện nhờ phần mềm DMC
Labplus (hình 4.6).

Hình 4.6. Giao di n phần mềm DMC Labplus

Hiệu chuẩn giá trị đo lực
Hiệu chu n giá trị đo lực tác động lên vỏ cầu nhằm xác định quan hệ giữa tín hiệu điện áp
đo đƣợc ở cầu điện trở và lực tác dụng lên vỏ cầu, từ đó xác định đƣợc đúng giá trị lực tác
dụng lên theo đơn vị đo N. Các cầu đo tenzo đƣợc hiệu chu n trên giá lắp cầu sau chuyên
dùng do NCS tự thiết kế chế tạo (hình 4.7) cùng với thiết bị DMC Plus và cảm biến lực Z4
của CHL Đức (hình 4.8 . Để tạo lực thẳng đứng và nằm ngang từ khung xe tác dụng lên
cầu NCS dùng kích thủy lực kết hợp với cảm biến lực tiêu chu n Z4 tác dụng lên cầu theo
phƣơng thẳng đứng và nằm ngang. Cảm biến Z4 đã đƣợc chu n hóa từ nhà sản xuất với
thông số theo bảng 4.2.

113

B ng 4.2 Thông số của c m bi n Z4

Lực ép [kN]

0

10

25

50

Điện áp ra [mV]

0

2

5

10

Cảm iến Z4

Khung
giá lắp
cầu

Khung
truyền lực

Kích
thủy lực
Điểm
dán
tenzo

Cầu thí
nghiệm

a) Sơ ồ gá

t cầu xe hi u chỉnh lực th ng ứng

Cảm iến Z4
Kích
thủy lực

Điểm
dán
tenzo

Cầu thí
nghiệm

Khung
truyền
lực

Khung
giá lắp
cầu

b) Sơ ồ gá

t cầu xe hi u chỉnh lực d c

Hình 4.7 Sơ ồ hi u chu n thi t bị o lực th ng ứng và lực d c cầu xe

114

Hình 4.8 C m bi n lực Z4 dùng cho hi u chu n các cầu o.

Sơ đồ gá lắp cầu xe cùng với thiết bị đo đƣợc mô tả trên hình 4.7. Vỏ cầu đƣợc k p tại 2
đầu moay ơ trên một giá đỡ chuyên dụng. Lực thẳng đứng từ kích thủy lực sẽ đƣợc chia
đều cho 2 bên tại vị trí bắt nhíp của cầu xe bằng một khung truyền. Lực tác dụng do kích
thủy lực sinh ra đƣợc đo bằng cảm biến lực Z4. Nhƣ vậy lực thẳng đứng tác động lên 2 bề
mặt moay ơ cầu bằng 1/2 lực do kích thủy lực sinh ra.
Đối với lực dọc, thay đổi phƣơng tác dụng của kích thủy lực theo phƣơng dọc và sử dụng
02 cảm biến Z4 để đo tại 02 vị trí lực ngang tác động. Nhƣ vậy giá trị lực tác dụng lên cầu
xe có thể chu n hóa đƣợc thông qua giá trị của cảm biến Z4.
Để hiệu chu n thiết bị đo lực, tiến hành tăng dần tải trọng do kích thủy lực, so sánh kết quả
đo lực của cảm biến Z4 với điện áp ra của cầu điển trở tenzo. Kết quả đo đƣợc thể hiện
trong bảng 4.3, bảng 4.4 và đồ thị hiệu chu n thiết bị đo nhƣ trên hình 4.9 và hình 4.10.
50
45
40
35
30
25
20
15
10
5
0
0

10

20

30

40

50

60

Giá trị lực p thẳng đứng [kN
Hình 4.9 ồ thị chu n t i xác ịnh quan h giữa tín hi u i n áp o ược ở cầu i n trở và lực
th ng ứng trên vỏ cầu

115

B ng 4.3 K t qu l y chu n thi t bị o lực th ng ứng

Lực ép [kN]

0

10

20

30

40

50

Điện áp ra [mV]

0

9,6

18,5

27,15

35,8

44,45

B ng 4.4 K t qu l y chu n thi t bị o lực d c

Lực ép [kN]

0

2

4

6

8

10

Điện áp ra [mV]

0

2,02

3,89

5,72

7,54

9,31

10

Giá trị tín hiệu đo mV

9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
0

2

4

6

8

10

Lực p ọc kN
Hình 4.10 ồ thị chu n t i xác ịnh quan h giữa tín hi u i n áp o ược ở cầu i n trở và lực
d c trên vỏ cầu

b. Thiết bị thu thập, khuếch đại, xử lý, hiển thị thông tin đo lường DMC Plus
Để tiếp nhận và khuếch đại tín hiệu thu đƣợc từ thiết bị đo lực trên vỏ cầu, NCS đã sử
dụng thiết bị DMC Plus (hình 4.11) của Phòng thí nghiệm Đo lƣờng kỹ thuật Trƣờng Đại
học Lâm nghiệp.Đây là thiết bị khuếch đại tín hiệu và chuyển đổi A/D kết nối với máy tính
o hãng H M CHL Đức) sản xuất.

116

Hình 4.11 Bộ khu ch

i tín hi u DMC Plus k t nối v i máy tính

Thiết bị có cấp chính xác cao, có 6 mô đun khuếch đại và chuyển đổi A/D theo kiểu kênh
đúp, có thể đo đồng thời 12 kênh. Các mô đun khuếch đại và chuyển đổi A/D gồm: DV01,
DV1 , DV3 , DV35, DV55, DZ65 để có thể đo đồng thời hầu hết các loại các loại cảm
biến thông dụng loại cầu điện trở, điện cảm, xung, cặp nhiệt và các cảm biến tín hiệu dòng
và tín hiệu điện áp khác.
Khi đo, DMC Plus đƣợc nối ghép với máy tính bằng cổng RS 232 (hình 4.11 và đƣợc điều
khiển bằng các phần mềm chuyên dụng.
Để điều khiển đo lƣờng bằng DMC Plus và xử lý số liệu, trong luận án sử dụng phần mềm
DMC Labplus là phần mềm chuyên dụng đi k m với thiết bị.

4.4. Các phƣơng n thí nghiệm
4.4.1 Mô tả thí nghiệm
Thí nghiệm đƣợc tiến hành trên đƣờng tốt, bằng phẳng, các mấp mô đƣợc lựa chọn là các
gờ giảm tốc trên đƣờng bộ. Khi tiến hành thí nghiệm, ngƣời lái giữ àn đạp ga để duy trì
vận tốc ổn định ở giá trị định trƣớc và đi vào mấp mô tiêu chu n trên đƣờng. Nhằm đánh
giá mô hình với các trạng thái ảnh hƣởng kích động khác nhau, NCS đã lựa chọn thay đổi
vận tốc và điều kiện đƣờng xá, thông số tải trọng và giữ nguyên. Các thông số và chế độ
vận hành khi thí nghiệm đƣợc mô tả chi tiết ƣới đây.
- V n tốc ô tô: Các thí nghiệm đƣợc thực hiện với 3 chế độ vận tốc của ô tô: 30, 40, 50
km/h.
- T i tr ng: 100% tải.
- iều ki n ư ng xá:
Các thí nghiệm đƣợc thực hiện trên đƣờng nhựa tốt, bằng phẳng, khô ráo. Địa điểm thí
nghiệm là khuôn viên Trƣờng Đại học Công nghiệp Hà Nội - Cơ sở 3. Các mấp mô đƣợc
lựa chọn là các gờ giảm tốc trên đƣờng bộ có độ cao cực đại 0,04m và chiều dài 0,5 m.. Vị
trí đặt các mấp mô theo 3 phƣơng án sau:
+ Mấp mô 1 bên bánh xe
117

+ Mấp mô đều 2 bên bánh xe
+ Mấp mô 2 bên lệch nhau bằng chiều ài cơ sở của ô tô.
4.4.2 C c phƣơng n thí nghiệm
Thí nghiệm 1: Ô tô chở 100% tải, mấp mô 1 bên bánh xe
Thực hiện ở 03 vận tốc khác nhau: 30, 40, 50 km/h.
Thí nghiệm 2: Ô tô chở 100% tải, mấp mô đều 2 bên bánh xe
Thực hiện ở 03 vận tốc khác nhau: 30, 40, 50 km/h.
Thí nghiệm 3: Ô tô chở 100% tải, mấp mô 2 bên lệch nhau bằng chiều dài cơ sở của ô
tô.
Thực hiện ở 03 vận tốc khác nhau: 30, 40, 50 km/h.
Các thí nghiệm và điều kiện thực hiện đƣợc cho trong bảng 4.5
B ng 4.5 Các phương án thí nghi m
Tên thí nghiệm
TT

Thông số

1

Mấp mô

2

Vận tốc (km/h)

30

Thí nghiệm 1

Thí nghiệm 2

Thí nghiệm 3

Mấp mô đơn

2 mấp mô đều

2 mấp mô lệch

40

50

a) Ô tô chở 100% t i, m p mô ều 2 bên
bánh xe

30

40

50

30

40

50

b) Ô tô chở 100% t i, m p mô 1 bên bánh
xe

c) Ô tô chở 100% t i, m p mô 2 bên l ch nhau bằng chiều dài cơ sở của ô tô
Hình 4.12 Hình nh về các phương án thí nghi m

118

4.5 Kết quả thí nghiệm
4.5.1 Kết quả đo
Kết quả thí nghiệm đo đƣợc là giá trị lực tác động lên moay ơ trên vỏ cầu theo phƣơng ọc
và phƣơng thẳng đứng.
Thí nghiệm 1: Ô tô chở 100% tải , mấp mô 1 bên bánh xe, vận tốc: 30, 40, 50 km/h.
4000

Fx [N]

2000
0
V=30km/h
V=40km/h
V=50km/h

-2000
-4000
0

Fz [N]

4

0.5

x 10

1

1.5

2

2.5

1.5

2

2.5

4

V=30km/h
V=40km/h
V=50km/h

3
2
1
0

0.5

1
time [s]

Hình 4.13 Lực d c và th ng ứng khi va vào m p mô ơn ở v n tốc 30, 40 và 50 km/h

Thí nghiệm 2: Ô tô chở 100% tải, mấp mô 2 bên bánh xe, vận tốc: 30, 40, 50 km/h.
4000

Fx [N]

2000
0
V=30km/h
V=40km/h
V=50km/h

-2000
-4000
0

Fz [N]

4

x 10

0.5

1

1.5

2

2.5

1.5

2

2.5

4

V=30km/h
V=40km/h
V=50km/h

3
2
1
0

0.5

1
time [s]

Hình 4.14 Lực d c và th ng ứng khi va vào m p mô ều ở v n tốc 30, 40 và 50 km/h

119