Thiết kế bộ cảm biến kết nối không dây với máy vi tính kiểm chứng định luật II và III Newton

Bài viết trình bày cơ sở lí thuyết của nghiên cứu cảm biến gia tốc, cảm biến lực và phương pháp tiến hành thí nghiệm đánh giá độ chính xác của bộ cảm biến đã thiết kế.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Thiết kế bộ cảm biến kết nối không dây với máy vi tính kiểm chứng định luật II và III NewtonJOURNAL OF SCIENCE OF HNUEEducational Sci., 2016, Vol. 61, No. 8B, pp. 68-75This paper is available online at http://stdb.hnue.edu.vnDOI: 10.18173/2354-1075.2016-0160THIẾT KẾ BỘ CẢM BIẾN KẾT NỐI KHÔNG DÂY VỚI MÁY VI TÍNH KIỂMCHỨNG ĐỊNH LUẬT II VÀ III NEWTONMai Hoàng Phương, Ngô Minh NhựtKhoa Vật lí, Trường Đại học Sư phạm Thành phố Hồ Chí MinhTóm tắt. Chúng tôi nghiên cứu thiết kế bộ cảm biến không dây (gồm các cảm biến lực vàgia tốc) kết nối với máy vi tính thông qua sóng vô tuyến tần số 2.4 GHz. Bộ cảm biến nàycó thể hỗ trợ giáo viên và học sinh tiến hành thực hiện các thí nghiệm đo vận tốc, gia tốc vàlực của một vật chuyển động. Kết quả bước đầu cho thấy cảm biến đo gia tốc cho kết quảđo khá chính xác trong khi kết quả đo lực có độ chính xác chưa cao, nên cần phải nghiêncứu chỉnh sửa mạch xử lí tín hiệu từ cảm biến lực hoặc sử dụng cảm biến khác có độ nhạycao hơn. Trong bài báo này, chúng tôi trình bày cơ sở lí thuyết của nghiên cứu cảm biến giatốc, cảm biến lực và phương pháp tiến hành thí nghiệm đánh giá độ chính xác của bộ cảmbiến đã thiết kế.Từ khóa: Cảm biến lực, cảm biến gia tốc, thí nghiệm vật lí, thí nghiệm kết nối với máy vitính.1.Mở đầuTrong dạy học phần cơ học, giáo viên và học sinh thường gặp khó khăn trong việc xác địnhcác đại lượng như vận tốc, gia tốc, và lực tác dụng,. . . Các phương pháp truyền thống được sử dụngnhư phương pháp dùng cần rung điện, đồng hồ đo hiện số, lực kế lò xo chỉ đo được giá trị trungbình của các đại lượng vật lí, nên không thể khảo sát sự thay đổi của các đại lượng vật lí theo thờigian.Hiện nay, một số bộ thí nghiệm ghép nối với máy vi tính cùng với các phần mềm xử lí sốliệu thí nghiệm giúp cho việc đo đạc và xử lí số liệu thí nghiệm trở nên nhanh chóng và dễ dàngnhư các thiết bị ghép nối và các phần mềm tương ứng của Phywe (Đức), Pasco, Vernier (Mỹ),. . .Gần đây, một số tác giả trường đại học Tây Nguyên [1] đã nghiên cứu sử dụng nhiều loại cảm biếnđể chế tạo các thiết bị thí nghiệm vật lí phổ thông, góp phần nâng cao độ chính xác của các dữliệu thu thập cũng như giúp cho việc xử lí số liệu dễ dàng và nhanh chóng hơn. Nhưng, các bộ thínghiệm này thường có dây nối từ máy tính đến vật cần khảo sát, do đó việc bố trí thí nghiệm cồngkềnh, phức tạp, dẫn đến số liệu thu thập được từ cảm biến kém chính xác.Vì vậy, cần thiết phải thiết kế, chế tạo bộ cảm biến không dây nhằm giúp cho việc bố tríthí nghiệm thuận tiện hơn, bên cạnh đó việc tích hợp cảm biến đo lực và đo gia tốc trên cùng mộtthiết bị giúp khảo sát được mối quan hệ giữa lực tác dụng và gia tốc chuyển động.Ngày nhận bài: 16/7/2016. Ngày nhận đăng: 15/9/2016.Liên hệ: Mai Hoàng Phương, e-mail: phuongmh@hcmup.edu.vn68Thiết kế bộ cảm biến kết nối không dây với máy vi tính kiểm chứng định luật 2 và 3 Newton2.2.1.Nội dung nghiên cứuĐối tượng nghiên cứuCảm biến đo gia tốc ADXL335Cảm biến gia tốc ADXL335 [3] (hình 1) được sửdụng để đo gia tốc của đối tượng cần khảo sát. Cảm biếnnày được mua ở trên thị trường Việt Nam, cho phép xácđịnh một cách độc lập giá trị gia tốc theo các phương trụctọa độ X, Y và Z với giới hạn đo trong khoảng từ -30 m/s2đến 30 m/s2 . Tín hiệu ngõ ra là tín hiệu tương tự với điện Hình 1. Cảm biến gia tốc ADXL335áp ở mỗi trục tỉ lệ tuyến tính với gia tốc theo phương đó.Điện áp ngõ ra biến đổi từ 0 V đến 3,3 V.Cảm biến đo lựcCảm biến lực (hình 3) là loại cảm biến hoạt động dựa vào việc đo độ chênh lệch điện thếgiữa hai điểm trên một mạch cầu khi có lực tác dụng lên cảm biến. Cảm biến này, chúng tôi khaithác và sử dụng từ cảm biến lực kết nối có dây của hãng Pasco. Mỗi loadcell gồm một vật đàn hồiđóng vai trò như vật chịu tải (load), trên khối nhôm có dán 4 (hoặc ít hơn tùy loại) tấm strain gauge(cell) giống nhau đóng vai trò như các điện trở mắc thành mạch cầu Wheastone (hình 2), trong đócó 2 tấm strain gauge chịu nén và 2 tấm strain gauge chịu dãn.Hình 2. Mạch cầu Wheastonevà tấm strain gaugeHình 3. Cảm biến lựcKhi cung cấp điện áp nguồn VEX cho mạch cầu, ngõ ra V0 là điện thế chênh lệch giữa 2nút a và b [2] được tính bởi công thức:R3R2V0 =−VEX(1)R3 + R4 R1 + R2Khi không bị tác động lực, điện trở của 4tấm strain không đổi, nên cầu ở trạng thái cân bằng(V0 = 0). Khi bị tác động (tác động kéo hoặc nén),vật bị biến dạng, các tấm cảm biến thay đổi điệntrở làm cầu mất cân bằng nên xuất hiện ở ngõ raa, b một điện áp V0 .Truyền nhận dữ liệu bằng sóng radio tầnsố 2.4 GHzĐể truyền và nhận dữ liệu giữa hai bảngmạch, module nRFL01 cho phép kết nối khôngdây truyền và nhận dữ liệu giữa 2 module nhanhchóng thông qua sóng radio tần số 2,4 GHz.Hình 4. Module nRFL01 và sơ đồ các chân69Mai Hoàng Phương, Ngô Minh NhựtƯu điểm của module nRFL01 là có thể lựa chọn 3 mức tốc độ kết nối là 2 Mbit/s, 1Mbit/s và250Kbit/s [5, tr.1] với khoảng cách truyền nhận xa nhất trong môi trường khô ...