Đo biến dạng bằng cảm biến strain gauge

Giải thích strain, hệ số gauge, cầu Wheatstone, cấu hình quarter/half/full bridge và các bước thiết lập phép đo biến dạng tin cậy.

Strain gauge là cảm biến điện trở dùng để đo biến dạng rất nhỏ trên bề mặt vật liệu. Khi chi tiết bị kéo, nén, uốn hoặc xoắn, lưới điện trở dán trên bề mặt thay đổi chiều dài và tiết diện, làm điện trở thay đổi.

1. Strain là gì?

Biến dạng dọc được định nghĩa bằng tỷ số giữa độ thay đổi chiều dài và chiều dài ban đầu:

ε = ΔL / L

Strain không có đơn vị. Vì giá trị thường rất nhỏ, kết quả hay được biểu diễn bằng microstrain: 1 µε = 10⁻⁶ strain, hay µε = ε × 10⁶. Giá trị dương thường biểu thị kéo và giá trị âm biểu thị nén theo quy ước trục đo.

Trong trường hợp tải một trục, vật liệu làm việc trong vùng đàn hồi tuyến tính và phương ngang vuông góc phương tải, biến dạng ngang liên hệ với biến dạng dọc qua hệ số Poisson ν = −εngang/εdọc. Với trạng thái ứng suất phức tạp phải dùng quan hệ vật liệu và bố trí gauge phù hợp. Khi chi tiết chịu uốn, hai bề mặt đối diện thường có một phía kéo và một phía nén; khi chịu xoắn, biến dạng cắt xuất hiện theo các phương chéo.

2. Nguyên lý của strain gauge

Độ nhạy của strain gauge được mô tả bằng gauge factor:

GF = (ΔR / R) / ε

Gauge factor của strain gauge kim loại thường xấp xỉ 2, nhưng khi tính chính xác phải dùng giá trị trên datasheet hoặc chứng chỉ của đúng lô cảm biến. Chiều dài gauge, bề rộng lưới, điện trở danh định, hệ số nhiệt và vật liệu nền đều ảnh hưởng việc lựa chọn.

Gauge ngắn phù hợp khi cần đo vùng biến dạng cục bộ; gauge dài cho giá trị trung bình trên vùng rộng hơn. Lưới rộng có thể tản nhiệt tốt hơn trong một số điều kiện, nhưng không thay thế việc tính công suất kích thích và tự nung nóng.

3. Vì sao dùng cầu Wheatstone?

Thay đổi điện trở do strain rất nhỏ. Cầu Wheatstone biến độ mất cân bằng giữa bốn nhánh thành điện áp vi sai, sau đó bộ khuếch đại đo lường và ADC xử lý tín hiệu. Điện áp đầu ra còn phụ thuộc điện áp kích thích, vì vậy nguồn kích ổn định và phép đo chính xác điện áp kích là quan trọng.

Khi bộ kích hoặc DAQ hỗ trợ remote sense, RS+/RS− được lấy tại điểm điện áp kích nối vào cầu. Thiết bị dùng giá trị này để điều chỉnh hoặc tính theo điện áp kích thực tế, qua đó bù sụt áp trên dây cấp nguồn. Remote sense không tự loại bỏ mọi sai số dây tín hiệu hoặc lỗi lắp đặt. Với quarter bridge ba dây, hai dây có điện trở gần bằng nhau trong các nhánh phù hợp giúp giảm ảnh hưởng thay đổi điện trở dây theo nhiệt độ.

4. Quarter bridge, half bridge và full bridge

Quarter bridge

Quarter bridge dùng một strain gauge hoạt động và ba nhánh hoàn thành. Cấu hình đơn giản nhưng độ nhạy thấp hơn, dễ chịu ảnh hưởng của dây dẫn và nhiệt độ hơn các cấu hình nhiều gauge. Một gauge giả đặt gần mẫu nhưng không chịu biến dạng có thể giúp bù nhiệt khi dùng đúng sơ đồ.

Half bridge

Half bridge có hai strain gauge hoạt động. Với đo uốn, đặt một gauge ở mặt kéo và một gauge ở mặt nén để tăng độ nhạy và bù một phần ảnh hưởng nhiệt. Với đo dọc, có thể dùng một gauge dọc và một gauge ngang để khai thác hiệu ứng Poisson; công thức quy đổi phải đúng với cách đấu.

Full bridge

Full bridge dùng bốn strain gauge hoạt động. Cấu hình đo uốn thường bố trí hai gauge chịu kéo và hai gauge chịu nén, cho tín hiệu lớn và khả năng bù nhiệt tốt khi các gauge tương đồng và cùng môi trường. Các biến thể Type II/III thay đổi hướng và vị trí gauge để khai thác biến dạng dọc, ngang và hiệu ứng Poisson; công thức quy đổi phải đúng với sơ đồ cụ thể.

5. Lắp đặt và xử lý tín hiệu

1. Chọn loại gauge, điện trở, gauge factor và self-temperature compensation phù hợp vật liệu.
2. Chuẩn bị bề mặt theo quy trình của hãng: làm phẳng, làm sạch và đánh dấu hướng mà không gây xước sâu.
3. Dán gauge đúng trục, kiểm soát lớp keo, thời gian và áp lực đóng rắn.
4. Hàn dây ngắn, tạo strain relief và che phủ chống ẩm/cơ học theo môi trường.
5. Dùng nguồn kích ổn định, khuếch đại vi sai có CMRR phù hợp, lọc chống alias và ADC đủ dải động.
6. Đo zero sau khi lắp, ghi nhiệt độ và kiểm tra drift trước khi tải.

Không chọn bộ lọc chỉ để làm đồ thị đẹp. Tần số lấy mẫu và băng thông phải phù hợp với hiện tượng cần đo; lọc quá mạnh có thể làm mất tải động hoặc đỉnh biến dạng.

6. Hiệu chuẩn và kiểm tra

Shunt calibration mắc một điện trở shunt chuẩn song song với một điện trở/nhánh cầu để tạo độ mất cân bằng điện đã biết. Phạm vi chuỗi được kiểm tra phụ thuộc vị trí mắc: shunt tại đầu cảm biến có thể bao gồm phần dây hiện trường, còn shunt nội bộ DAQ không mặc nhiên kiểm tra toàn bộ dây. Phép thử này không thay thế hiệu chuẩn cơ học toàn hệ thống bằng tải chuẩn.

• Kiểm tra điện trở gauge và cách điện trước khi cấp kích.
• Ghi zero và shunt ở trạng thái ổn định, thường là không tải; sau đó dùng tải chuẩn để kiểm tra theo cả chiều tăng/giảm.
• Đánh giá tuyến tính, hysteresis, creep, nhiệt độ và độ lặp lại.
• Lưu gauge factor, hệ số cầu, điện áp kích, gain và đơn vị cùng dữ liệu đo.

7. Tài liệu liên quan

Tham khảo hướng dẫn đo strain bằng strain gauge của NI. Với phép đo lực dùng load cell, xem bài HX711, load cell và LCD 1602; với phép đo rung, xem RION PV-90B.