1. Những nguyên lý cơ bản của cảm biến đo biến dạng Strain Gages
Cảm biến đo biến dạng Strain Gages tận dụng một đặc tính chung của vật tư thép là điện trở của chúng sẽ biến hóa khi vật tư bị biến dạng. Giá trị của điện trở tỷ suất nghịch với diện tích quy hoạnh mặt phẳng cắt và tỷ suất thuận với chiều dài của vật tư thép. Khi một đoạn dây thép bị kéo, diện tích quy hoạnh mặt phẳng cắt sẽ nhỏ đi và chiều dài dây thép sẽ tăng lên, và như vậy giá trị điện trở sẽ tăng lên. trái lại, khi dây thép chịu ứng suất nén, giá trị điện trở sẽ nhỏ đi. Tùy theo loại vật tư thép mà biến dạng phát sinh trong nó sẽ tỷ suất với sự đổi khác của giá trị điện trở với một hằng số nhất định. Nếu dây thép ( Strain Gages ) được gắn chặt vào cấu trúc, nó sẽ biến dạng cùng với cấu trúc, và như vậy nếu đo được sự biến hóa của giá trị điện trở của dây thép tất cả chúng ta sẽ xác lập được biến dạng của cấu trúc .
Hình 1. Nguyên lý cơ bản của cảm biến đo biến dạng
Sau khi xác định được biến dạng có thể tính toán ứng suất phát sinh trong kết cấu thông qua mô đun đàn hồi. Để đảm bảo xác định được chính xác biến dạng của kết cấu thông thường người ta dùng một loại keo chuyên dụng để gắn chặt cảm biến đo biến dạng vào kết cấu. Để có thể đo được một cách chính xác sự biến đổi của giá trị điện trở của cảm biến đo biến dạng người ta dùng mạch cầu (Bridge circuit) để chuyển sự biến đổi của giá trị điện trở sang sự biến đổi của điện áp. Vì điện áp thay đổi rất nhỏ (thường chỉ ở mức µV) nên người ta sẽ khuếch đại tín hiệu lên 5,000 đến 10,000 lần để có thể đọc được bằng các thiết bị hiển thị.
Hình 2. Mạch cầu (Bridge circuit)
Cảm biến đo biến dạng hoàn toàn có thể dùng cả trong trường hợp đo tĩnh và đo động. Trong ngành công nghiệp xe hơi người ta vẫn dùng cảm biến đo biến dạng này trong những thí nghiệm để xác lập ứng suất gây ra bởi lực xung kích ( với tần số lên tới vài trăm kHz ) gây ra khi xe bị va chạm. Để hoàn toàn có thể nhận tín hiệu ra từ cảm biến đo biến dạng cần lựa chọn và sắp xếp những thiết bị thu tài liệu một cách thích hợp. Thông thường hoàn toàn có thể sử dụng một trong hai sơ đồ sắp xếp thiết bị thu tài liệu như ở Hình 3 .
Hình 3. Bố trí thiết bị thu dữ liệu
Để hiểu đúng những giá trị đo và sử dụng đúng cảm biến đo biến dạng trong những phép đo tất cả chúng ta cần nắm được mối quan hệ giữa giá trị biến dạng ( đại lượng muốn đo ) và tín hiệu điện áp đầu ra ( Hình 4 ). Thông thường cảm biến đo biến dạng sẽ được gắn vào một mạch điện được gọi là Wheastone Bridge, nhờ đó mà hoàn toàn có thể phát hiện được tín hiệu ngay cả khi có một sự đổi khác rất nhỏ trong giá trị điện trở của cảm biến. Giả sử giá trị bắt đầu của điện trở của cảm biến là R ( Ω ) và sự biến hóa của giá trị điện trở là ∆ R ( Ω ). Biến dạng ε hoàn toàn có thể được tính theo công thức sau :
(1)
Trong đó K được gọi là thông số cảm biến ( gage factor ). Hệ số K biểu thị độ nhạy của cảm biến đo biến dạng. Tùy theo loại cảm biến và những hãng sản xuất mà thông số K hoàn toàn có thể có những gí trị khác nhau .
| (2) |
Giả sử độ kích điện áp của mạch cầu có giá trị là E. Điện áp đầu ra e ( V ) hoàn toàn có thể được thống kê giám sát theo công thức sau
Hình 4. Cảm biến đo biến dạng và điện áp đầu ra Gần đây, những cảm biến tự bù nhiệt ( self-temperature-compensation gages ) đang được dùng ngày càng phổ cập. Khi cảm biến được gắn chặt vào cấu trúc, ngoài những biến dạng phát sinh do tải trọng tính năng lên cấu trúc ( những biến dạng mà tất cả chúng ta muốn đo ) còn phát sinh cả những biến dạng do sự đổi khác của nhiệt độ ( những biến dạng không mong ước ). Khi nhiệt độ thiên nhiên và môi trường đổi khác, giá trị điện trở của cảm biến sẽ đổi khác. Ngoài ra còn một nguyên do nữa cũng dẫn đến sự biến hóa của giá trị điện trở của cảm biến là do sự khác nhau trong thông số co và giãn nhiệt giữa vật tư của cấu trúc và vật tư làm cảm biến. Tuy nhiên bằng việc lựa chọn cấu trúc và vật tư làm cảm biến một cách thích hợp hoàn toàn có thể giảm thiểu tối đa ảnh hưởng tác động của nhiệt độ. Những cảm biến như vậy được gọi là cảm biến tự bù nhiệt. Hình 5 diễn đạt đặc tính tự bù nhiệt của cảm biến của hãng KYOWA, Nhật Bản. Với việc sử dụng cảm biến tự bù nhiệt, biến dạng do ảnh hưởng tác động của nhiệt độ được giảm xuống dưới ± 1.8 µm / m ºC. Trong khoanh vùng phạm vi nhiệt độ thường thì của cấu trúc ( từ 20 ºC đến 40 ºC ), giá trị này thậm chí còn còn được giảm xuống dưới ± 1.0 µm / m ºC .
Hình 5. Đặc tính tự bù nhiệt của cảm biến của hãng KYOWA, Nhật Bản Việc dùng cảm biến tự bù nhiệt sẽ giúp tránh được ảnh hưởng tác động của nhiệt độ tại đầu ra của cảm biến. Tuy nhiên, trong một số ít trường hợp dây nối giữa cảm biến ( strain gage ) và mạch cầu ( bridge circuit ) cũng sẽ chịu ảnh hưởng tác động của sự đổi khác nhiệt độ. Với loại cảm biến hai dây ( 1 – gage 2 – wire system ) như trong Hình 6, điện trở của những dây nối ( r1 và r2 ) sẽ được cộng dồn vào điện trở của cảm biến. Khi dây nối ngắn, điện trở của chúng sẽ không gây ra những yếu tố tương quan đến nhiệt độ. Tuy nhiên khi dây nối dài chúng sẽ gây tác động ảnh hưởng bất lợi đến hiệu quả đo. Ví dụ, với dây nối có diện tích quy hoạnh mặt cắt ngang là 0.3 mm2 và điện trở là 0.062 Ω / m, chiều dài dây là 10 m ( tổng chiều dài của hai đoạn r1 và r2 là 20 m ), khi nhiệt độ tăng lên 1 ºC sẽ làm phát sinh trong tác dụng đo một giá trị biến dạng là 20 × 10-6 .
Hình 6. Cảm biến hai dây (1-gage 2-wire system)
Hình 7. Cảm biến ba dây ( 1 – gage 3 – wire system ) Loại cảm biến 3 dây ( Hình 7 ) đã được tăng trưởng để triệt tiêu những ảnh hưởng tác động nhiệt độ không mong ước của dây dẫn. Loại cảm biến này sẽ có 3 dây nối từ cảm biến tới mạch cầu. Trong cảm biến 3 dây, điện trở của dây dẫn r1 sẽ được tính vào với điện trở của cảm biến Rg, còn điện trở của dây dẫn r2 sẽ được tính vào với điện trở R2. Điều đó có nghĩa là r1 và r2 được sắp xếp tại hai phía kề sát nhau của mạch cầu, và như vậy tác động ảnh hưởng của những giá trị điện trở r1 và r2 sẽ triệt tiêu lẫn nhau. Điện trở của dây dẫn r3 được nối ra phía ngoài của mạch cầu. Nó phần đông sẽ không gây ra ảnh hưởng tác động đáng kể nào đến hiệu quả đo .
2. Ứng dụng của cảm biến đo biến dạng trong quan trắc công trình xây dựng
Trên cơ sở cảm biến đo biến dạng đã được ra mắt ở phần 1, người ta người ta đã ứng dụng và tăng trưởng nó thành nhiều những thiết bị cảm biến khác nhau ( cảm biến đo tải trọng, chuyển vị, tần suất, độ nghiêng, độ lan rộng ra vết nứt, đo áp lực đè nén đất, áp lực đè nén nước lỗ rỗng … ). Trong phần 2 sẽ trình làng một số ít những ứng dụng của những thiết bị cảm biến này trong quan trắc khu công trình thiết kế xây dựng .
2.1. Quan trắc khi thi công hố đào và hệ văng chống
Trong quy trình thiết kế hố đào và hệ văng chống hoàn toàn có thể thực thi quan trắc một cách tổng hợp những nội dung sau :
- Quan trắc quản lý an toàn của hệ tường chắn
- Quan trắc trạng thái của tường chắn (đo độ nghiêng, áp lực đất, áp lực nước lỗ rỗng, ứng suất trong cốt thép)
- Quan trắc hiện tượng bùng nền (đo độ lún theo từng lớp đất)
- Quan trắc phản lực trong các thanh chống (đo biến dạng, đo tải trọng)
- Quan trắc lực căng trong các neo đất
- Quan trắc sự dịch chuyển của các kết cấu xung quanh
- Quan trắc độ lún của các công trình xung quanh.
- Quan trắc sự dịch chuyển của kết cấu (quan trắc độ nghiêng)
Hình 9. Ví dụ về quan trắc khi kiến thiết hố đào và hệ văng chống
2.2. Quan trắc kết cấu nền đất đắp
Để quan trắc sự di dời của nền đất hoàn toàn có thể thực thi đo những nội dung sau :
- Độ lún của nền hiện tại hoặc độ lún của từng lớp đất
- Sự thay đổi của áp lực nước lỗ rỗng
- Sự thay đổi của mực nước ngầm
- Sự dịch chuyển của nền đất (bằng các thiết bị đo độ nghiêng được chôn hoặc gắn vào nền đất)
Sự biến hóa của áp lực đè nén đất
Hình 10. Ví dụ về quan trắc kết cấu nền đất đắp
2.3. Quan trắc hầm và công trình ngầm
- Hầm khiên đào (Shield Tunnel): Kết cấu hầm này thích hợp với những nơi có địa chất yếu và có mực nước ngầm cao, thường được áp dụng để thi công hầm trong thành phố. Để đảm bảo tính an toàn trong thi công cần quan trắc động thái của bản thân kết cấu hầm cũng như của các công trình xung quanh.
- Quan trắc biến dạng, chuyển vị
- Quan trắc các đốt hầm
- Hầm NATM (NATM Tunnel): quan trắc đối với dạng kết cấu hầm này để đảm bảo những mục đích sau:
- Nắm được ứng xử của nền đất xung quanh
- Xác nhận được hiệu quả của hệ thanh chống
- Xác nhận tính an toàn của kết cấu
Công trình ngầm : một ví dụ về quan trắc khu công trình ngầm được bộc lộ trong Hình 11 .
Hình 11. Quan trắc hầm ngầm của nhà máy phát điện
2.4. Quan trắc sụt trượt Ở Việt Nam cũng như ở nhiều nước khác trên thế giới, sụt trượt là một tại họa thiên nhiên gây ra nhiều tổn thất về người và tài sản của xã hội. Việc quan trắc sụt trượt sẽ giúp giảm thiểu những tai họa thiên nhiên này. Đối với việc quan trắc sụt trượt, thông thường người ta đo lượng mưa, mực nước ngầm, sự dịch chuyển (độ nghiêng) của các lớp đất, áp lực nước lỗ rỗng… Vị trí tiến hành quan trắc sụt trượt thường ở những nơi không thể cung cấp nguồn điện một cách thường xuyên, do vậy người ta đã nghiên cứu những thiết bị, bộ thu và lưu dữ liệu chạy bằng pin hoặc năng lượng mặt trời (Hình 13). Việc truyền dữ liệu cũng có thể được tiến hành thông qua các thiết bị vệ tinh.
Hình 12. Ví dụ về quan trắc sụt trượt
Hình 13. Bộ thu và lưu dữ liệu
2.5. Quan trắc đập
Liên quan đến yếu tố bảo đảm an toàn và kinh tế tài chính khi kiến thiết xây dựng, quản lý và vận hành đập, tất cả chúng ta thường phải đương đầu với những yếu tố sau : Tính chất cơ học không chắc như đinh và tính không đồng đều của vật tư làm đập
- Các vấn đề có nguyên nhân từ xây dựng
- Các vấn đề liên quan đến điều kiện thủy văn
- Ứng xử theo thời gian với động đất …
Việc quan trắc đập sẽ cung ứng những số liệu để hoàn toàn có thể đưa ra những giải pháp xử lý những yếu tố này trên cơ sở xét đến sự hòa giải giữa tính kinh tế tài chính và tính bảo đảm an toàn .
Hình 14. Ví dụ về quan trắc đập Rockfill
2.6. Quan trắc trong đường sắt Do vận chuyển số lượng người lớn nên vấn đề đảm bảo an toàn trong vận hành tàu đường sắt là một nhiệm vụ quan trọng. Một sai lầm nhất thời hoặc một bất thường nào đó có thể cướp đi cuộc sống của rất nhiều người. Trên thế giới có những hệ thống đường sắt (ví dụ như tàu Shinkansen của Nhật Bản) được vận hành rất chính xác và an toàn. Để làm được điều này đòi hỏi phải có sự quan trắc để luôn kiểm tra và giám sát sự hoạt động của hệ thống. Một số ví dụ về quan trắc trong đường sắt được thể hiện ở các Hình 15 và 16.
Hình 15. Cảm biến đo các xung kích khi chạy tàu
Hình 16. Cảm biến đo tải trọng trục và tải trọng ngang
2.7. Quan trắc trong giao thông đường bộ (kiểm soát tải trọng xe) Không chỉ riêng ở Việt Nam mà đối với rất nhiều nước trên thế giới, việc kiểm soát xe quá tải, bảo vệ kết cấu hạ tầng là một nhiệm vụ quan trọng. Đề làm được điều này có thể sử dụng trạm cân lưu động (Hình 17) hoặc hệ thống cân động WIM (Weigh-in-motion). WIM là hệ thống cân tải trọng xe được đặt cố định ở trên mặt đường (Hình 18). Nó cho phép xác được tải trọng một cách tự động khi xe lưu thông qua hệ thống mà không cần phải dừng xe (tốc độ xe chạy có thể từ 0.02 đến 80 km/h). Hệ thống gồm bản thép đặt trên mặt đường, phía dưới bản thép có gắn các cảm biến xác định tải trọng và các thanh cảm (bar sensor) biến để giúp nhận dạng các trục và đánh giá tốc độ xe.
Hình 17. Cân lưu động kiểm soát tải trọng xe
Hình 18. Trạm cân động WIM
2.8. Ứng dụng thiết bị quan trắc trong các phòng nghiên cứu của các trường đại học và viện nghiên cứu Một số ví dụ về ứng dụng thiết bị quan trắc trong các thí nghiệm bàn rung, thí nghiệm giả động (với tường phản lực), thí nghiệm hầm gió được minh họa trong các Hình 19 – Hình 21.
Hình 19. Thí nghiệm bàn rung
Hình 20. Thí nghiệm bàn rung
Hình 21. Thí nghiệm hầm gió
Source: https://bem2.vn
Category: Ứng dụng hay
