Cảm biến đo biến dạng là thiết bị thường được các kỹ sư sử dụng để đo tác dụng của ngoại lực lên vật thể. Chúng đo biến dạng trực tiếp, có thể được sử dụng để xác định gián tiếp ứng suất, mô men xoắn, áp suất, độ võng và nhiều phép đo khác.
Trong bài viết này, chúng tôi sẽ cung cấp cái nhìn tổng quan về máy đo biến dạng là gì và cách chúng hoạt động. Sau đó, chúng tôi sẽ đi sâu hơn một chút vào các loại máy đo biến dạng khác nhau, cung cấp một số ứng dụng ví dụ và sau đó xem xét nghiên cứu điển hình chi tiết về một ứng dụng nơi tôi làm việc.
Phụ lục bài viết
Cảm biến đo biến dạng là gì và chúng hoạt động như thế nào?
Độ biến dạng là một phép đo không thứ nguyên, là tỷ lệ giữa sự thay đổi chiều dài với chiều dài ban đầu của vật thể. Do đó, biến dạng dương là kết quả của việc kéo căng vật liệu và biến dạng âm là kết quả của quá trình nén. Ứng suất là phép đo lực tác dụng chia cho diện tích mặt cắt ngang ban đầu của vật thể hoặc khả năng cản bên trong của vật thể.
 |
 |
Mỗi cảm biến đo biến dạng bao gồm một lá kim loại được cách điện bằng chất nền linh hoạt, như thể hiện trong hình trên. Hai dây dẫn truyền một dòng điện qua máy đo và khi bề mặt của vật được đo giãn ra hoặc co lại, sự thay đổi điện trở sẽ được đo.
Sự thay đổi điện trở này tỷ lệ thuận với sự thay đổi chiều dài trên bề mặt của vật thể đang được thử nghiệm, như thể hiện trong phương trình dưới đây. Máy đo biến dạng hoạt động bằng cách đo sự thay đổi điện trở trên một lá dẫn điện mỏng. Hệ số đo (hoặc “hệ số đo”) là độ nhạy của máy đo biến dạng (thường là 2). Nó chuyển đổi sự thay đổi điện trở thành sự thay đổi chiều dài.
Khi cảm biến đo biến dạng bị uốn, giãn hoặc xoắn, sự thay đổi điện trở trên lá kim loại được đo bằng cầu Wheatstone. Sự thay đổi điện trở đo được tỷ lệ thuận với độ biến dạng của vật thể. Người dùng có thể xác định ứng suất mà một vật phải chịu bằng cách sử dụng định luật Hooke (phương trình hiển thị bên dưới) bằng cách biết mô đun đàn hồi của vật liệu.
Các loại cảm biến đo biến dạng
Mặc dù có nhiều loại cảm biến đo biến dạng dành cho các ứng dụng khác nhau và mức độ tự do cần đo, tất cả chúng đều sử dụng cầu Wheatstone để tính toán sự thay đổi điện trở.
Cảm biến đo biến dạng Quarter Bridge
Nếu bạn đang đo một trục đơn, cảm biến đo biến dạng cầu một phần tư sẽ được sử dụng, như minh họa trong hình bên dưới. Quarter Bridge đề cập đến thực tế là chỉ có một trong bốn điện trở có thể thay đổi (Rx) và ba điện trở còn lại là cố định. Mạch xác định giá trị của biến trở sao cho mạch được cân bằng và không có dòng điện đi qua giữa điểm B và C.
Cảm biến đo biến dạng Rosettes
Một số cảm biến đo biến dạng được gọi là Rosettes đo biến dạng sử dụng các cảm biến bổ sung để cung cấp các phép đo biến dạng theo nhiều hướng. Các Rosettes được sử dụng để xác định trạng thái biến dạng hoàn toàn của một vật thể trên bề mặt.
Trạng thái biến dạng hoàn chỉnh bao gồm các biến dạng thông thường, biến dạng cắt và biến dạng chính. Một hoa thị hai trục sử dụng hai cảm biến và các cảm biến đo biến dạng được gắn vuông góc với nhau. Đối với Rosettes ba trục, cần đo ba độ. Các đồng hồ đo này được gắn ở góc 0°-45°-90° hoặc 0°-60°-120° so với nhau, tùy thuộc vào các phép đo được yêu cầu. Dưới đây là một số cấu hình phổ biến cho các Rosettes đo biến dạng
Ví dụ về Rosettes của cảm biến đo biến dạng (nguồn hình ảnh: bản quyền DEWESoft). |
Piezoresistor
Khi đo biến dạng ở quy mô nhỏ, áp điện trở thường là công cụ đo tốt hơn. Các phép đo này thường nhỏ đến mức chúng được biểu thị dưới dạng biến dạng vi mô (µε hoặc ε x 10-6). Khi sử dụng những cảm biến này, độ nhạy sẽ thay đổi nên hệ số đo thường cao hơn máy đo biến dạng lá thông thường. Mặc dù các cảm biến này ghi lại những thay đổi nhỏ hơn về chiều dài nhưng chúng cũng dễ bị thay đổi nhiệt độ hơn và dễ bị gãy hơn so với đồng hồ đo lá.
Ứng dụng của cảm biến đo biến dạng
Các lĩnh vực kỹ thuật dân dụng và giám sát địa kỹ thuật thường xuyên sử dụng máy đo biến dạng để phát hiện các hư hỏng trong các công trình như cầu, tòa nhà, v.v. Những cấu trúc này cần được theo dõi liên tục vì bất kỳ biến dạng đáng kể nào cũng có thể dẫn đến thương tích hoặc tử vong.
Những càm biến đo biến dạng này thường được sử dụng vì chúng có độ chính xác cao, hoạt động tốt ở khoảng cách xa đối tượng thử nghiệm và cần ít nỗ lực để thiết lập và bảo trì trong thời gian dài.
Thử nghiệm tại hiện trường thường khá khác so với thử nghiệm trong phòng thí nghiệm trong điều kiện lý tưởng. Một trong những lý do khiến máy đo biến dạng được đánh giá cao là do chúng có thể được sử dụng trong môi trường khắc nghiệt, mang lại kết quả lặp lại với độ chính xác cao.
Khi một kỹ sư kiểm tra các vật thể có hình dạng bất thường trong môi trường khắc nghiệt với cấu hình khó tiếp cận, thường cần đến một thiết bị chuyên dụng như máy đo biến dạng.
Ví dụ: các ứng dụng hàng không vũ trụ sử dụng hàng triệu máy đo biến dạng để xác minh kết quả từ mô phỏng CAD (Thiết kế hỗ trợ máy tính) và FEA (Phân tích phần tử hữu hạn). Các thử nghiệm này thường được tiến hành trong điều kiện động để hiển thị chính xác cách các lực khác nhau ảnh hưởng đến máy bay.
 |
 |
Cảm biến đo biến dạng cũng thường được sử dụng để kiểm tra tĩnh. Một số cây cầu được thiết lập để sử dụng phương pháp đo từ xa không dây, giúp truyền kết quả kiểm tra qua Ethernet. Nhưng những cây cầu khác chủ yếu được kiểm tra bằng mắt hoặc thử nghiệm thẩm thấu để phát hiện các khuyết tật bề mặt. Mặc dù tiết kiệm chi phí nhưng các phương pháp này không được kiểm tra liên tục, điều này có thể dẫn đến những hư hỏng nghiêm trọng như với cầu giàn thép I-35 Minneapolis.
Bắt đầu từ năm 1990, cây cầu đã bị chính phủ liên bang gắn cờ là “thiếu sót về mặt cấu trúc”, điều đó có nghĩa là nó phải được kiểm tra hàng năm. Tuy nhiên, do không có sự giám sát liên tục từ các máy đo biến dạng, không được sửa chữa hoặc thay thế đáng kể, cây cầu chắc chắn đã bị sập vào năm 2007, khiến 13 người thiệt mạng. Cây cầu này chỉ là một trong khoảng 80.000 cây cầu trên khắp nước Mỹ được phát hiện vào năm 2007 là “thiếu sót về mặt cấu trúc”.
Nghiên cứu điển hình về cảm biến đo biến dạng
Tại Midé, họ sử dụng cảm biến đo biến dạng thường xuyên cho công việc dự án. Gần đây, môt số nhân viên đã thêm một cảm biến đo biến dạng vào thiết lập thử nghiệm của họ để đo mô-men xoắn một cách gián tiếp. Dự án họ đang thực hiện tập trung vào thiết kế bộ đồ lặn biển sâu. Đối với thí nghiệm này, họ đã kiểm tra lượng mô-men xoắn cần thiết để xoay ổ đỡ lực đẩy trong tay của bộ đồ bằng cách tạo áp lực lên ổ đỡ lực đẩy để mô phỏng việc sử dụng nó ở độ sâu lên tới 530 feet.
 |
 |
Đối với thử nghiệm này, cảm biến đo biến dạng được lắp vào bệ ở giữa động cơ và ổ đỡ chặn kín, như thể hiện trên hình trên. Tổ hợp này được đặt bên trong một bể áp suất cao, ngập nước và điều áp. Động cơ được cấp nguồn bằng dòng điện xoay chiều, giúp tạo ra mô-men xoắn ổn định. Các thử nghiệm được tiến hành đã đo lực cản của ổ đỡ đối với chuyển động quay dọc trục theo cả chiều kim đồng hồ và ngược chiều kim đồng hồ.
 |
 |
Trong quá trình thử nghiệm này, họ tăng áp suất từ từ để xác định lực cản của ổ đỡ lực đẩy ở các độ sâu khác nhau. Bắt đầu với áp suất khí quyển làm cơ sở, áp suất được tăng lên 30, 50, 75, 100, 150, 200 và 250 psig (hoặc pound trên inch vuông).
Mỗi lần họ tăng áp suất, động cơ sẽ quay theo cả hai hướng trong 7-8 giây. Ở áp suất cao nhất, mô-men xoắn cực đại được đo bằng máy đo biến dạng ở mức 35 foot- pound theo hướng ngược chiều kim đồng hồ (mô-men xoắn dương), như thể hiện trong biểu đồ bên dưới.
Tổng kết
Cảm biến đo biến dạng là công cụ địa kỹ thuật cực kỳ linh hoạt với các ứng dụng rất rộng giúp đảm bảo an toàn và năng suất. Chúng đặc biệt được đánh giá cao vì độ chính xác, dễ lắp đặt, chi phí thấp, tuổi thọ hoạt động lâu dài và nhu cầu bảo trì rất hạn chế.
Thật thú vị khi xem xét nhiều ứng dụng trong tương lai của cảm biến đo biến dạng trong các lĩnh vực như hàng không vũ trụ, cầu cáp, giám sát đường sắt (đối với hệ thống đường sắt) và đo mô-men xoắn và công suất trong một loạt các thiết bị quay như quạt, máy phát điện, bánh xe và cánh quạt. .
Chúng tôi hy vọng bài đăng này đã giúp bạn hiểu rõ hơn về các loại máy đo biến dạng khác nhau, cách chúng hoạt động và ứng dụng của chúng. Nếu có bất kỳ thắc mắc nào, đừng ngần ngại để lại bình luận hoặc liên hệ với chúng tôi.
Nếu bạn cần mua cảm biến đo biến dạng chính hãng
Lidinco là công ty cung cấp các loại cảm biến đo biến dạng uy tín nhập khẩu trực tiếp với giá cạnh tranh. Các sản phẩm đều được bảo hành theo chính sách hãng, tư vấn kỹ thuật tận tình.
Ngoài ra, Lidinco còn cung cấp các loại thiết bị phân tích, đo lường viễn thông, vật tư nhà máy, công nghiệp, thiết bị giáo dục, thiết bị SMT và các loại thiết bị chuyên dụng khác.
Công Ty TNHH Đầu Tư Phát Triển Cuộc Sống
Địa chỉ: 487 Cộng Hòa, Phường 15, Quận Tân Bình, TPHCM, Việt Nam
Điện thoại: 028 3977 8269 / 028 3601 6797
Di động: 0906 988 447
Email: sales@lidinco.com
Xem thêm: Nguyên nhân gây ra điện áp thấp trong nhà và cách khắc phục
