Đo biến dạng bằng cảm biến đo biến dạng - Straingauge

Bài viết này chia sẻ về nguyên lý hoạt động và các ứng dụng của cảm biến đo biến dạng công nghệ lá điện trở hay còn gọi là Strain gauge

Đo Biến Dạng Là Gì?

Trong kiểm tra và đo lường cơ học, cần hiểu cách một vật thể phản ứng với các lực khác nhau. Mức độ biến dạng mà vật liệu trải qua khi chịu một lực tác động được gọi là biến dạng (strain). Biến dạng được định nghĩa là tỉ số giữa sự thay đổi chiều dài của vật liệu và chiều dài ban đầu (chưa bị tác động). Biến dạng có thể là dương (kéo giãn) hoặc âm (nén). Khi vật liệu bị nén theo một hướng, xu hướng giãn nở theo hai hướng vuông góc được gọi là hiệu ứng Poisson. Tỉ số Poisson (v) là tỉ số âm giữa biến dạng theo phương ngang và biến dạng theo phương dọc. Dù không có đơn vị, biến dạng đôi khi được biểu thị dưới dạng in/in hoặc mm/mm. Trong thực tế, độ lớn của biến dạng rất nhỏ, nên thường được biểu diễn dưới dạng microstrain (µε), tức là ε x 10^-6.

Các Loại Biến Dạng

Có bốn loại biến dạng chính: biến dạng dọc (axial), uốn (bending), cắt (shear), và xoắn (torsional). Biến dạng dọc và uốn là phổ biến nhất:

• Axial strain: Đo sự kéo giãn hoặc nén của vật liệu theo hướng tác động của lực.
• Bending strain: Đo sự kéo giãn ở một mặt và sự nén ở mặt đối diện của vật liệu khi chịu lực vuông góc.
• Shear strain: Đo biến dạng khi có lực tác động theo cả phương ngang và dọc.
• Torsional strain: Đo biến dạng gây ra bởi lực xoắn theo cả phương ngang và dọc.

Đo Biến Dạng Bằng Cảm Biến Strain Gage

Strain gage (hoặc strain gauge) đo biến dạng bằng cách đo sự thay đổi điện trở khi thiết bị chịu tác động lực. Strain gage kim loại bao gồm một lưới dây kim loại hoặc lá kim loại rất mỏng sắp xếp theo dạng lưới nhằm tối đa hóa diện tích chịu biến dạng. Lưới này được gắn vào một lớp nền (carrier) và lớp nền được dán vào mẫu thử. Khi mẫu bị biến dạng, strain gage sẽ thay đổi điện trở một cách tuyến tính.

Yếu tố nhạy của strain gage được thể hiện qua hệ số gage (gage factor - GF), được định nghĩa là tỉ số giữa phần trăm thay đổi điện trở và phần trăm thay đổi chiều dài:

GF = (ΔR/R) / ε

Với strain gage kim loại, GF thường khoảng 2. Ví dụ, nếu vật thể chịu biến dạng 500 µε, thì strain gage với GF = 2 sẽ thay đổi điện trở khoảng 0.1%. Với gage 120 Ω, sự thay đổi này là 0.12 Ω.

Cầu Wheatstone

Do sự thay đổi điện trở rất nhỏ, nên cấu hình mạch đo thường sử dụng cầu Wheatstone, bao gồm 4 điện trở tạo thành hai mạch phân áp song song. Khi điện trở trong một nhánh thay đổi, cầu bị mất cân bằng và xuất hiện điện áp đầu ra (Vo) phản ánh độ biến dạng.

Các Loại Cấu Hình Strain Gage

1. Quarter-Bridge:
   • Loại I: Đo biến dạng dọc hoặc uốn, cần điện trở phụ (dummy resistor).

• • Loại II: Sử dụng thêm strain gage giả (không dán vào vật) để bù nhiệt độ.

2. Half-Bridge:
   • Loại I: Cả hai gage đều hoạt động, một đo biến dạng dương, một bù hiệu ứng Poisson.

• • Loại II: Đo uốn, một gage đo biến dạng dương, một đo biến dạng âm.

3. Full-Bridge:
   • Loại I: Đo uốn, hai gage đo biến dạng âm, hai đo dương: Cod độ nhạy cao khi kết cấu chịu Uốn. R1 và R3 là điện trở của hai striangauge do biến dạng nén và ngược lại R2 và R4 là điện trở của 2 straingauge đo biến dạng đo biến dạng kéo

• • Loại II: Tương tự nhưng chỉ cần hai gage để hoàn thành cầu (tức không đóng góp trong việc tạo ra tín hiệu điện tỉ lệ với biến dạng vật liệu).

• • Loại III: Đo biến dạng dọc, bù Poisson và hiệu ứng nhiệt.

Các Thông Số Cần Lưu Ý

• Chiều dài của straingauge (Gauge Length):  Gauge Length cải thiện độ ổn định và tản nhiệt, nhưng cần cẩn trọng nếu có gradient biến dạng lớn.
• Điện trở danh định: Thường là 120, 350 hoặc 1000 Ω. Điện trở lớn giúp giảm sinh nhiệt và ảnh hưởng của dây dẫn.
• Bù nhiệt: Các strain gage hiện đại được xử lý vật liệu để bù cho sự giãn nở nhiệt của mẫu thử.
• Lắp đặt: Cầu quarter-bridge đơn giản nhất (1 gage, 2-3 dây). Các cấu hình khác cần nhiều công đoạn và vị trí lắp đặt.

Điều Kiện Xử Lý Tín Hiệu

Để đảm bảo độ chính xác khi đo biến dạng, cần xử lý tín hiệu tốt:

• Hoàn thiện cầu điện trở cho quarter- và half-bridge.
• Nguồn kích để cấp điện áp cho cầu.
• Cảm biến từ xa để bù suy hao do dây dài.
• Khuếch đại tín hiệu để tăng độ phân giải.
• Lọc nhiễu cao tần.
• Hiệu chuẩn và cân bằng cầu để đảm bảo đầu ra 0V khi không có biến dạng.

Tài liệu tham khảo:

https://www.ni.com/en/shop/data-acquisition/sensor-fundamentals/measuring-strain-with-strain-gages.html