Báo cáo nghiên cứu môn Đo lường công nghiệp - Nguyễn Văn Phú

ung tự nhiên để điều chình giá trị điện dung đưa về chỉ là ∆C. ( gọi là mạch bù điện dung offset). Bằng cách này chúng ta đã tăng đáng kể độ chính xác của hệ thống.
PHẦN 3: MÔ HÌNH HỆ THỐNG WIM.
I. Mô hình hệ thống đo trọng lượng.
	Các vật liệu của bộ cảm biến trong bài báo cáo này hầu như làm bằng cao su nên do đó các tính chất của cảm biến đều chịu ảnh hưởng sâu sắc bởi đặc tính cơ học của cao su. Như tên gọi của nó, các vật liệu này chịu tác động gián tiếp từ các lực bên ngoài thông qua biến đổi hình thể của các lớp chất rắn dẻo và chất lỏng nhớt. Chính nhở vào đặc tính đàn hồi nhớt này nên ta có thể thiết kế 1 mô hình có tính linh hoạt cao như thế này.
	Để có cái nhìn rõ hơn về tính chất đàn hồi nhớt của vật liệu, chúng ta sẽ thiết lập mô hình để có thể mô tả đặc tính biến dạng phức tạp của nó.
	Chúng tôi dùng mô hình lò xo lý tưởng Hookean (hình 4) để miêu tả tính chất đàn hồi nhớt của hệ thống.Và mô hình này là đàn hồi hoàn toàn và bỏ qua tất cả tác động của quán tính. Vì vậy khi có tác động thì nó đáp ứng tức thời bằng sự thay đổi các thông số ε và δ, trong đó ε và δ thể hiện bằng phương trình:
δ=E.ε
	Trong đó E là môdun đàn hồi.
	Mặc khác, đặc tính chính của chất lỏng không phải là tính đàn hồi mà chính là độ nhớt của nó. Newton’s law.
δ=ηdε/dt
	Đây là phương trình chuyển động của hệ thống khi đã đơn giản hoá đặc tính nhớt về tuyến tính, trong đó η là độ nhớt. Phương trình chuyển động trên được mô tả bởi hình 4.b
Hình 4. Lò xo và bộ giảm chấn.
	Lò xo và bộ giảm chấn không biểu diễn 1 cách hoàn hảo đáp ứng cơ học của cả đặc tính nhớt của chất lỏng và độ đàn hồi của vật liệu. Thông thường có 3 mô hình chính : mô hình Maxwell, mô hình Kelvin và mô hình Maxwell-Kelvin. Mô hình Maxwell là 1 tổng hợp 1 loạt các loại lò xo và bộ giảm chấn, và nó thường được sử dụng trong việc xem xét quá trình căng và giãn của chúng. Mô hình Kelvin cũng bao gồm các yếu tố cơ bản như mô hình Maxwell ngoài trừ việc ở đây lò xo và bộ giảm chấn được mắc song song, và mô hình Kelvin thường được dùng để xử lý sự trôi (Creep processing). Các kết quả thu được từ mô hình Maxwell và Kelvin đã đơn giản hơn nhiều so với những gì xảy ra trong quá trình biến dạng thực sự của vật liệu cao su và chất lỏng. Vì vậy những mô hình đơn giản không thể cung cấp kết quả chính xác về tính chất của cao su và chất lỏng. Để khắc phục những thiếu sót, mô hình Maxwell – Kelvin được áp dụng. Mô hình này là sự kết hợp giữa hai mô hình ở trên, nó gồm 1 mô hình Maxwell mắc nối tiếp với mô hình Kelvin, trong đó các lò xo là các lò xo tuyến tính lý tưởng với sự căng dãn của nó tỉ lệ thuận với lực tác động vào, các bộ giảm chấn đại diện cho đặc tính nhớt. Thời gian chuyển động của bộ giảm chấn tỉ lệ thuận với lực căng đặt vào.
Hình 5. Mô hình Maxwell-Kelvin
Trong đó lực nén và độ biến dạng Ԑ là tổng các thành phần riêng lẻ. 
Ta có:
khử ta được :
Thay thế (6), (7) vào phương trình (10), phương trình vật lý của mô hình Maxwell-Kelvin là:
Mô hình này là phải chịu một áp lực tức thời σ. Vì vậy, phương trình (11) trở thành:
Giải phương trình vi phân (12) ta được:
Trong đó : C1,C2 là hằng số.
Do đặc tính của mô hình và các yếu tố bên ngoài, trong khi t =0 và
từ (13) tìm được Ԑ:
Từ phương trình trên, rõ ràng rằng ε = σ/E1 khi t =0.Cụ thể, chỉ có biến dạng đàn hồi.Với thời gian ngày càng tăng, biến dạng từ biến xảy ra liên tục và tỷ lệ nghịch với thời gian, cuối cùng đường cong có xu hướng tiệm cận, được thể hiện trong hình.6.
Trong bài báo cáo, tín hiệu ngõ ra từ bộ cảm biến được chịu một lực không đổi được thể hiện trong hình.7 (Lưu ý, sự gia tăng theo cấp số nhân).So sánh hình.6 với Hình 7, cụ thể là so sánh lý thuyết với các đường cong biến dạng thực tế,cho thấy rằng lý thuyết là đúng.Do đó, mô hình Maxwell-Kelvin có khả năng mô tả đặc trưng cơ học của các cảm biến khối lượng đươc trình bày trong bài báo.
hình 6. Đường cong biến dạng cho mô hình Maxwell-Kelvin
hình 7. Đáp ứng của cảm biến sau khi chịu 1 lực lượng áp dụng.
Biến dạng này là một hàm của thời gian khi cảm biến chụi 1 lực nén liên tục.Để làm giảm tác động của thời gian, hệ thống chỉ dung lực nén liên tục tức thời, cụ thể là biến dạng đàn hồi ε0 là tải trọng trục xe như điểm A hình. 6 và 7.Áp dụng phương pháp trên, tính chính xác của đo lường được cải thiện bằng cách loại bỏ sai số của hệ thống theo thời gian.
Trong thí nghiệm, các tín hiệu đầu ra từ bộ cảm biến được thể hiện trong hình.9 khi một phương tiện di chuyển qua.Bởi vì diện tích nhỏ, thời gian tức thời (trong vài trăm mili giây) khi xe đi qua ở tốc độ nhất định.Lực đàn hồi tác dụng lên bộ cảm biến và biến mất ngay sau đó.Do đó, hệ thống đo điện áp tại thời điểm giữa hai trục xe, tính toán trọng lượng trục xe è trọng lượng.
II. Biến Dạng Đàn Hồi. 
Biến dạng đàn hồi, tức là biến dạng sẽ mất đi khi không còn lực tác dụng từ bên ngoài lên vật thể.
Tại thời điểm t1, một lực nén -σ là bằng nhau về độ lớn và ngược dấu. Từ phương trình (16) ta có:
Hai biến dạng được chồng lên:
hình 8. Đáp ứng của cảm biến khi lực tác dụng là 1 xung 
Theo nguyên tắc xếp chồng Boltzmann, 2 lực tác dụng cho cao su tại hai thời điểm khác nhau, độc lập với nhau và tổng hợp lực là tuyến tính.Vì vậy, chiếc xe cuối cùng không ảnh hưởng đến đo lường trên chiếc xe tiếp theo do các nguyên tắc vật lý độc lập.
Bộ cảm biến được sử dụng một gia trọng 80kg tại ba giá trị ban đầu khác nhau và đo tương ứng. Các giá trị ban đầu và đọc cảm biến được thể hiện trong Bảng 1
bảng 1. Bảng giá trị
Từ thí nghiệm rằng sự biến thiên của điện dung của bộ cảm biến không thay đổi trên toàn bộ giá trị ban đầu khác nhau.Hiện tượng này đáp ứng nguyên tắc xếp chồng Boltzmann.Vì vậy, không hoàn trả được một phần không ảnh hưởng đến đo lường.
PHẦN 4: KẾT QUẢ THỬ NGHIỆM VÀ THẢO LUẬN
Các thí nghiệm trên xe được thay đổi tải.Mô hình thí nghiệm của các hệ thống trọng lượng trong chuyển động đã được sử dụng cho các thí nghiệm. Xe tải có trọng lượng là 1650kg chuyển động. Các thiết lập thử nghiệm được thể hiện trong hình. 9.Đầu tiên, mỗi trục của xe tải được cân tĩnh. Sau đó, chiếc xe vượt qua nền của cảm biến tốc độ khác nhau: tốc độ thấp, tốc độ bình thường, tốc độ cao. Các tín hiệu từ cảm biến được lấy mẫu và được lưu trữ trong máy tính. Dữ liệu thực nghiệm thu được với phân loại tải từ từ 0kg đến 420kg tại ba tốc độ khác nhau được tóm tắt trong Bảng 2
hình 9. Thử nghiệm
Hình10 (a) là tải trọng trục xe tạo ra các tín hiệu từ các cảm biến trọng lượng khi một chiếc xe hai trục đi qua. Khi xe đi ngang qua cảm biến, điện dung của cảm biến tăng, và sự biến đổi của điện dung được chuyển đổi để biến đổi của điện áp,sau đó lấy mẫu,lưu lại dưới dạng file kỹ thuật số bằng cách sử dụng kỹ thuật A / D và mạch đo mạch. Từ hình. 10 (a) nó có thể được nhìn thấy tín hiệu ban đầu bị ảnh hưởng bởi nhiễu và rất khó để xử lý. Vì vậy, điều quan trọng là tín hiệu chính vẫn có đặc tính của tín hiệu ban đầu. Gần đây, biến đổi wavelet đã trở thành công cụ rất phổ biến trong xử lý tín hiệu. Biến đổi này là dùng Short Time Fourier Transform được áp dụng để phát hiện, nén và de-noising của tín hiệu. Ý tưởng cơ bản đằng sau xử lý tín hiệu wavelets, như trong phân tích Fourier, một tín hiệu có thể được chia thành các yếu tố thành phần của nó thông qua việc sử dụng các hàm cơ sở. Trong trường hợp của Fourier, các hàmg cơ sở là các sóng sin và cô sin.. Trong bài báo, tín hiệu được đưa đến cấp 8 thông qua phân hủy wavelet. Xây dựng lại tín hiệu dựa trên hai thành phần xấp xỉ ban đầu và các thành phần chi tiết được sửa đổi bởi các hoạt động gia công..Kết quả được thể hiện trong hình10 (b) chứng minh tính khả thi và áp dụng phương pháp de-noising.Hệ thống đo điện áp tại điểm cao của đường cong de-noising của hai trục xe là sự lực đàn hồi, tính toán trọng lượng trục xe và tổng kết để có được tổng trọng lượng.
Bảng 2. Đo lường kết quả và độ chính xác dữ liệu của WIM
Các kết quả thử nghiệm và so sánh giá trị đo với WIM, các lỗi tối đa trọng lượng tổng của xe là ± 7,72% và lỗi trung bình là ±1,715%, có độ chính xác vượt qua lỗi của tổng trọng lượng là ±10% khi độ chính xác là 95%.vì vậy cảm biến điện dung trọng lượng có thể được sử dụng trong hệ thống cân.và các kết quả thu được là thành công và thỏa mãn.
hình 10. đáp ứng của cảm biến khi một chiếc xe đi qua:
 (a) các tín hiệu ban đầu, (b) các tín hiệu de-noised.
PHẦN 5: TÍNH ỔN ĐỊNH CỦA CẢM BIẾN
Một thử nghiệm tổng quát được sử dụng cho các ứng dụng của máy thủy lực.Ba kết quả thử nghiệm trong cùng điều kiện tải được so sánh trong hình.11 chứng minh rằng các cảm biến lặp lại tốt.
hinh 11. Hình minh hoạ tính ổn định của cảm biến.
PHẦN 6: KẾT LUẬN
Weigh-in-motion là một phương pháp cân trọng lượng có thể được áp dụng trong tất cả các tình huống mà nhiều nhiễu xảy ra.Nhiều bộ cảm biến trọng lượng đã bị hạn chế do số lượng lớn, cài đặt phức tạp, chi phí cao và gặp khó khăn khi thực hiện.
Các điện cực của các tụ điện được làm bằng cao su dẫn điện và các vật liệu có khoảng cách tiếp xúc giữa các điện cực cao su với khuếch tán phân tử thấp. Các lợi thế chính của cảm biến là dễ dàng để thực hiện, mà có thể cuộn lại do đặc tính linh hoạt của nó. Đóng góp chính của bài báo này là các đặc tính đàn hồi của cảm biến và đề xuất các phương pháp để đối phó với những tình huống khác. Lý thuyết phân tích và kết quả thực nghiệm được trình bày. Các kết quả xác minh rằng việc sử dụng các cảm biến để cân trong chuyển động là khả thi. Trong bài báo, chỉ có các thí nghiệm theo các điều kiện tốc độ chậm đã được thực hiện và tính chính xác của WIM khi đo trọng lượng chiếc xe đã không bị ảnh hưởng bởi tốc độ. Vì vậy, trong tương lai, các thí nghiệm theo các điều kiện tốc độ cao có thể được thực hiện và hiệu quả của tốc độ phải được nghiên cứu. Các công trình khác chẳng hạn như đặc tính nhiệt độ của cảm biến, các vấn đề cài đặt và ảnh hưởng của kích thước phải được nghiên cứu thêm. Hơn nữa, kết quả đo được và hiển thị bằng cách sử dụng công nghệ truyền dẫn không dây. Các cảm biến nên được tiếp tục cải thiện về vật liệu, đo mạch và như vậy để đạt được độ chính xác cao hơn.