I – Giới thiệu
Thiết bị quan trắc ứng suất – biến dạng (Strain gauge) rất đa dạng về các chủng loại và ứng dụng trong quan trắc địa kỹ thuật:
 |
Cảm biến đo ứng suất bê tông
Thiết kế để lắp đặt trực tiếp trong bê tông. Sự biến dạng trong bê tông sẽ làm cho hai đầu cảm biến dịch chuyển tương đối với nhau. Sức căng của dây rung bên trong bị thay đổi cùng với sự thay đổi về tần số cộng hưởng của dây. |
 |
Cảm biến đo biến dạng thép loại hàn (gắn bề mặt)
Thiết kế để quan trắc lâu dài cho các kết cấu thép và bê tông. Cảm biến có thể được gắn vào kết cấu thép bằng các mối hàn, hay gắn bằng keo hoặc vữa trên kết cấu bê tông.
|
 |
Cảm biến đo biến dạng thanh cốt thép
Thiết kế để quan trắc biến dạng của thanh cốt thép bên trong khối bê tông cốt thép. Cảm biến được hàn hoắc gắn chặt vào thanh cốt thép. |
 |
Cảm biến đo biến dạng thép loại mini (spot)
Thiết kế để đo biến dạng bề mặt của kết cấu thép hay các loại vật liệu khác.
|
 |
Cảm biến đo ứng suất neo cáp
Thiết kế để đo ứng suất của neo. Cảm biến được gắn lên dọc theo cáp neo. |
II – Nguyên lý hoạt động
Cảm biến đo ứng suất – biến dạng loại dây rung bao gồm lõi dây rung được neo vào hai mặt bích ở hai bên. Dây rung được bảo vệ ở trông ống bằng thép không gỉ. Một lõi điện từ đọc tín hiệu được đặt trên thân cảm biến gần với trục của dây. Khi tác dụng một điện áp kích từ ngắn sẽ làm cho dây rung dao động và tạo ra tần số cộng hưởng. Dây sẽ tiếp tục dao trông trong khoảng từ cố định và tạo ra dòng điện xoay chiều hình sin. Tần số của dòng ra được thu thập và xử lý bằng máy đo tín hiệu dây rung, hoặc bằng datalogger có tích hợp bộ chuyển đổi tín hiệu dây rung, từ đó chuyển đổi dữ liệu sang đơn vị kỹ thuật. Các lực bên trong và bên ngoài kết cấu làm cho chiều dài của cảm biến bị thanh đổi, dẫn đến sự thay đổi về tần số. Các dữ liệu này được thu thập và chuyển đổi sang giá trị biến dạng.
III - Ứng dụng của cảm biến đo ứng suất - biến dạng trong quan trắc địa kỹ thuật
1. Neo đất, neo đá
Cảm biến đo ứng suất – biến dạng được ứng dụng trong neo đất – đá để quan trắc sự thay đổi về sức căng của sợi neo. Các cảm biến được gắn cố định trên các sợi neo.
2. Tường chắn / Tường vây
Cảm biến đo ứng suất – biến dạng được lắp đặt trong tường chắn / tường vây để quan trắc độ uốn của kết cấu dưới tải trọng.
3. Cầu cảng / tường đất gia cố
Cảm biến đo ứng suất – biến dạng được lắp đặt trong cầu cảng / tường đất gia cố để quan trắc lực của cáp dự ứng lực.
4. Thí nghiệm thử tải cọc
Cảm biến đo ứng suất – biến dạng được ưng dụng cả trong thí nghiệm nén tĩnh và đẩy ngang cọc để xác định độ uốn và sự phân bố lực của cọc.
5. Bê tông bản mặt cầu / đường dẫn đầu cầu
Cảm biến đo ưng suất – biến dạng được lắp đặt để quan trắc lâu dài độ bền của bản mặt cầu / đường dẫn đầu cầu.
IV – Số liệu đo
Tín hiệu từ các cảm biến đo ứng suất - biến dạng loại dây rung được đo bằng máy đọc tín hiệu hiệu dây rung cầm tay hoặc thiết bị thu thập và xử lý dữ liệu tự động Datalogger.
1. Tín hiệu đầu ra
Cảm biến đo ứng suất – biến dạng loại dây rung có tín hiệu đầu ra là tần số. Máy đọc cầm tay hay Datalogger sử dung xung điện để đo tín hiệu hiệu phản hồi từ cảm biến. Tín hiệu thu được dưới dạng tần số:
Tần số - đơn vị là Heztz (Hz)
Linear digit (B)
Tín hiệu đầu ra tần số từ cảm biến đo ứng suất – biến dạng sẽ không tỷ lệ tuyến tính với biến dạng của dây rung. Để khắc phục vấn đề chuyển đổi tuyến tính, thì cần bình phương giá trị tần số sau đó kết xuất nó tuyến tính, nhưng giá trị rất lớn. Để thu nhỏ nó lại cần chia cho 1000 ta có biểu thức như sau Hz2 / 1000 được sử dụng để đáp ứng sự tuyến tính của tín hiệu đầu ra và được định nghĩa là đơn vị B.
Chu kỳ (P) - một số thiết bị đọc sử dụng chức năng bộ đếm được tích hợp sẵn.
Chu kỳ là thời gian cần thiết để dây hoàn thành một dao động toàn phần, tính bằng giây. Do số lượng rất nhỏ nên hầu hết các thiết bị đọc hiện thị số liệu thực tế nhận với 1000 hay 10000000.
Công thức thể hiện sự tương quan giữa chu kỳ và tần số:
P = 1 / frequency
2. Chuyển đổi tín hiệu
Để quy đổi từ dữ liệu thô sang đơn vị kỹ thuật (micro strain) cần hệ số hiệu chuẩn được cung cấp vởi nhà sản xuất. Một số cảm biến sẽ có thêm hệ số lô thiết bị.
Chuyển đổi tín hiệu tần số Hz sang micro strain
µε = (F2 / 1000) x Gauge factor x Batch factor
Với:
µε – micro strain
F - số đọc Hz
Gauge factor – hệ số hiệu chuẩn
Batch factor – hệ số lô (nếu có)
Tính toán sự thay đổi theo micro strain từ số liệu ban đầu và số liệu hiện tại
(∆)µε = µεcurrent - µεinitial
Để xác định là kết cấu bị nén hay bị kéo ta dựa vào dấu của (∆)µε:
+ (∆)µε : dấu dương thể hiện ứng suất kéo
- (∆)µε : dấu âm thể hiện ứng suất nén
Hệ số đo cảm biến
Hệ số đo của cảm biến tương đương với hệ số hiệu chuẩn để chuyển đổi tín hiệu đầu ra của cảm biến sang đơn vị kỹ thuật.
Cảm biến đo biến dạng - ứng suất loại dây rung có hệ số lô được cung cấp bởi nhà sản xuất.
(*) Tag: Embedment strain gauge, Surface mount strain gauge, Sister/Rebar strain gauge, Spot weld strain gauge, Strand anchor strain gauge