Dán strain gauge lên thép và bê tông: chuẩn bị bề mặt, chọn keo, nối dây, kiểm tra và chống ẩm

Cách dán strain gauge lên thép và bê tông: tẩy dầu, đánh nhám, vạch tâm, chọn keo cyanoacrylate hay epoxy, ép, nối dây, kiểm tra điện trở và cách điện, chống ẩm khi đặt ngoài trời.

Strain gauge chỉ đo đúng khi nó biến dạng cùng với vật liệu. Lớp keo là thứ truyền biến dạng từ thép, bê tông sang lưới điện trở; dán kém thì gauge trượt, số đo trôi, ẩm thấm vào làm điểm 0 chạy lung tung. Bài này hướng dẫn dán strain gauge theo trình tự các hãng gauge khuyên dùng: chuẩn bị bề mặt, chọn keo dán strain gauge, dán và ép, nối dây, kiểm tra điện, chống ẩm khi đặt ngoài trời, cùng những điểm khác khi dán lên bê tông.

Cấu tạo và nguyên lý strain gauge có ở bài cảm biến biến dạng (strain gauge): cấu tạo, nguyên lý. Bài này chỉ bàn chuyện dán.

1. Chuẩn bị dụng cụ

• Strain gauge đúng điện trở và chiều dài lưới. Ví dụ strain gauge 120 Ω, 350 Ω hàn sẵn dây có lưới dài 3 mm, hợp với thép, nhôm, thanh chịu lực nhỏ.
• Giấy nhám 220, 320, 400; máy mài cầm tay nếu bề mặt gỉ, sơn.
• Cồn isopropyl hoặc aceton, gạc y tế hoặc khăn giấy không xơ, tăm bông.
• Bút bi hoặc bút chì cứng để vạch dấu, thước.
• Băng keo trong (loại cellophane) để nhấc và căn gauge.
• Keo dán strain gauge (mục 3), vật liệu phủ chống ẩm (mục 7).
• Đồng hồ vạn năng; mạch đọc như module HX711 để xem điểm 0 sau khi dán.
• Găng tay nitrile: vừa giữ mặt dán sạch, vừa tránh keo dán nhanh dính da.

2. Quy trình dán lên thép

1. Tẩy dầu mỡ. Lau vùng dán và rộng ra xung quanh vài cm bằng cồn hoặc aceton. Tẩy dầu trước khi mài, nếu không giấy nhám sẽ ép dầu vào sâu trong bề mặt.
2. Mài, đánh nhám. Thép gỉ, sơn, mạ kẽm thì mài tới kim loại trần. Sau đó đánh nhám bằng giấy 220 rồi 320–400, xoay hướng đánh khoảng 45° giữa các lượt để có vân chéo đều. Mặt quá bóng làm keo bám kém; mặt quá thô làm lớp keo dày.
3. Vạch tâm. Kẻ đường tâm theo phương cần đo bằng bút bi hoặc bút chì cứng, chỉ ấn nhẹ. Không dùng mũi vạch khía vào thép: vết khía là chỗ tập trung ứng suất, có thể thành vết nứt mỏi.
4. Làm sạch lần cuối. Lau bằng gạc thấm cồn theo một chiều, mỗi lượt một miếng gạc mới, tới khi gạc không còn bẩn. Không lau qua lại vì sẽ kéo bẩn trở lại. Bộ hóa chất của hãng gauge có dung dịch làm sạch axit nhẹ và dung dịch trung hòa cho bước này; không có thì lau cồn nhiều lượt. Từ đây không chạm tay vào vùng dán.
5. Dán, ép. Đặt gauge ngửa lên mặt kính sạch, dán băng keo trong lên mặt gauge, nhấc lên, căn vạch trên gauge trùng đường tâm, dán băng keo xuống thép. Lật mép băng keo để hở mặt dưới gauge, nhỏ một giọt keo nhỏ, đặt lại và miết bằng ngón cái qua miếng gạc, giữ đúng thời gian của keo (keo dán nhanh khoảng 1 phút). Ép để lớp keo mỏng và đều, keo thừa trào ra mép.
6. Nối dây. Xem mục 5.
7. Kiểm tra điện. Xem mục 6, làm trước khi phủ.
8. Phủ chống ẩm. Xem mục 7.
9. Cố định dây dọc theo kết cấu, để một vòng dây thả lỏng gần gauge, để dây bị kéo cũng không giật vào gauge.
10. Kiểm tra lại điện trở, cách điện, điểm 0 sau khi phủ.

Làm ở nơi khô, nhiệt độ phòng. Bề mặt thép lạnh hơn không khí dễ đọng hơi nước, keo khô chậm và bám kém; sáng sớm ngoài công trường nên lau khô và chờ thép ấm lên.

3. Chọn keo dán strain gauge

• Cyanoacrylate chuyên dụng (keo dán nhanh do hãng gauge bán, thường kèm chất xúc tác bôi lên mặt gauge): dán nhanh, dễ làm, hợp cho đo ngắn hạn trong phòng. Lớp keo này hút ẩm dần và yếu đi theo thời gian, nên phải phủ chống ẩm ngay nếu để lâu.
• Epoxy hai thành phần khô ở nhiệt độ phòng: lâu khô, cần kẹp ép trong lúc khô (miếng cao su silicone, tấm kim loại, kẹp hoặc nam châm), bù lại bền, ít rão, chịu ẩm tốt hơn. Đây là lựa chọn cho đo lâu dài trên công trình.
• Epoxy khô bằng nhiệt: phải nung trong lò, dùng khi chế tạo load cell, cảm biến lực cần ổn định cao.
• Keo 502 cùng gốc cyanoacrylate nên dán được, nhưng chất lượng mỗi lọ khác nhau và không có số liệu cho việc đo. Dùng để tập dán trên miếng thép thử, không dùng cho số liệu cần tin cậy.

Khoảng nhiệt độ trong bảng là giá trị hay gặp; thời gian khô và nhiệt độ làm việc của từng loại keo đọc trong hướng dẫn đi kèm. Ở nhiệt độ cao hơn giới hạn, keo mềm ra và gauge bắt đầu trượt, gọi là rão: tải giữ nguyên mà số đo cứ giảm dần. Ảnh hưởng của rão lên phép đo lực phân tích ở bài các nguồn sai số khi đo lực bằng load cell.

4. Dán lên bê tông: khác gì so với thép

Chiều dài lưới. Bê tông là hỗn hợp đá và vữa có độ cứng khác nhau. Gauge ngắn đặt trên một viên đá chỉ đo biến dạng của viên đá đó. Lưới gauge phải dài ít nhất 3 lần, thường 4–5 lần cỡ hạt cốt liệu lớn nhất; gauge cho bê tông thường dài 30, 60, 120 mm. Gauge 3 mm như loại nói ở mục 1 không dùng cho bê tông; nó hợp cho thép, kể cả cốt thép (dán trên đoạn cốt thép đã mài phẳng một mặt).

Chuẩn bị bề mặt.

1. Mài bỏ lớp vữa yếu ngoài cùng tới lớp bê tông chắc, mặt phẳng.
2. Thổi, hút sạch bụi; lau bằng cồn, để khô hẳn. Bê tông mới đổ còn nhiều hơi ẩm: chờ bề mặt khô, hoặc dùng loại epoxy hãng ghi là dán được lên bề mặt ẩm.
3. Quét một lớp epoxy mỏng để trám lỗ rỗ, chờ khô, đánh nhám lại cho phẳng.
4. Dán gauge lên lớp epoxy này bằng epoxy, kẹp ép nhẹ trong lúc khô.

Đo bên trong khối bê tông thì không dán sau khi đổ mà dùng gauge chôn sẵn (lưới bọc trong thân vữa hoặc nhựa) hay cảm biến dây rung, buộc vào cốt thép trước khi đổ. Cách bố trí điểm đo cho kết cấu có ở bài đo biến dạng bằng cảm biến strain gauge.

5. Nối dây

• Gauge hàn sẵn dây: không hàn lại sát thân gauge. Dán băng keo giữ đoạn dây mảnh ngay sau gauge, nối sang dây cáp lớn hơn tại một đầu nối trung gian (miếng đệm đồng dán lên kết cấu cạnh gauge).
• Gauge chưa có dây: hàn ở nhiệt độ vừa đủ, thời gian ngắn, thiếc ít; lau sạch nhựa thông sau khi hàn vì cặn nhựa thông hút ẩm, làm giảm cách điện. Chọn nhiệt độ mỏ hàn, loại thiếc theo bài chọn mỏ hàn, thiếc hàn và nhựa thông.
• Dây dài từ gauge về mạch đo: dùng cáp chống nhiễu, nối kiểu ba dây cho cầu 1/4 để bù điện trở dây khi nhiệt độ thay đổi. Cách mắc ba dây, cầu 1/2 bù nhiệt giải thích ở bài cầu Wheatstone cùng cụm chủ đề.

6. Kiểm tra sau khi dán

• Điện trở đo bằng đồng hồ vạn năng phải gần giá trị danh định. Lệch nhiều là lưới đứt, mối hàn hở hoặc gauge bị gập khi dán.
• Cách điện đo giữa một chân gauge và thép. Đồng hồ vạn năng chỉ đo tới vài chục MΩ, nên chỉ thấy được lỗi nặng: phải báo quá thang. Máy đo cách điện loại điện áp thấp (không quá 50 V) đo được tới hàng nghìn MΩ; lắp đặt tốt thường đạt mức đó. Không dùng máy đo cách điện 500 V, 1000 V: điện áp cao có thể đánh thủng lớp keo mỏng.
• Điểm 0: nối vào HX711 hoặc bộ đo, để yên vài phút; số đo phải đứng yên trong mức nhiễu. Cách đọc HX711 bằng ESP32 có ở bài làm cân điện tử với ESP32, HX711 và load cell.
• Nhấn, thả: ấn nhẹ lên kết cấu cạnh gauge (hoặc uốn nhẹ thanh thử); số đo phải đổi rồi về đúng điểm 0.

7. Chống ẩm

Hơi ẩm thấm vào lớp keo làm cách điện giảm và điểm 0 trôi; đây là nguyên nhân hỏng hay gặp nhất của gauge ngoài trời. Mức bảo vệ tùy nơi đặt:

• Trong phòng, đo ngắn ngày: một lớp phủ mỏng (polyurethane, sáp, cao su lỏng chuyên dụng cho gauge) phủ kín gauge, mối hàn và đầu dây.
• Ngoài trời, đo dài ngày: sau lớp phủ, đắp một miếng cao su butyl hoặc mastic, phủ băng nhôm để chắn hơi nước, rồi viền kín mép bằng silicone hoặc epoxy. Mỗi lớp ngoài phủ rộng hơn lớp trong vài mm tới 1 cm, dán lên phần thép đã làm sạch, để nước không len theo mép.
• Chỗ dây ra là chỗ hở hay gặp: vỏ cáp phải nằm trong lớp chống ẩm một đoạn, không chỉ có lõi dây.
• Silicone loại đóng rắn thải axit axetic (mùi giấm) có thể ăn mòn gauge, mối hàn: dùng loại trung tính, hoặc chỉ dùng ở lớp ngoài cùng, không chạm gauge.

8. Lỗi hay gặp

9. Xem thêm

• Cảm biến biến dạng (strain gauge): cấu tạo, nguyên lý, các loại
• Đo biến dạng bằng cảm biến strain gauge
• Cảm biến lực (load cell): cấu tạo, nguyên lý, cách chế tạo
• Các nguồn sai số khi đo lực bằng load cell

Bài cùng cụm chủ đề: cầu Wheatstone và cách mắc strain gauge cầu 1/4, 1/2, toàn cầu.