Strain Gage là gì?

Strain gage hay strain gauge là cảm biến dùng để đo biến dạng cơ học của vật thể. Từ nhiều thế kỷ trước, Lord Kelvin đã phát hiện rằng điện trở của dây dẫn sẽ thay đổi khi dây bị kéo căng hoặc nén lại. Từ nguyên lý đó, strain gage hiện đại được phát triển như một phần tử dẫn điện rất mảnh, thường được bố trí theo dạng zíc zắc và gắn trên một lớp nền mỏng, dẻo.

Khi strain gage được dán trực tiếp lên bề mặt đối tượng thử nghiệm, mọi biến dạng của vật thể sẽ làm điện trở của cảm biến thay đổi theo tỷ lệ tương ứng. Sự thay đổi này cho phép kỹ sư xác định ứng suất, biến dạng hoặc tải trọng tác động lên kết cấu. Mỗi strain gage thường nhạy theo một hướng nhất định, vì vậy trong nhiều ứng dụng, nhiều cảm biến sẽ được bố trí theo các hướng khác nhau để ghi nhận đầy đủ trạng thái biến dạng của vật thể.

Nguyên lý hoạt động của Strain Gage

Tín hiệu đầu ra từ strain gage là tín hiệu điện rất nhỏ, vì vậy nó cần được đưa qua bộ điều hòa tín hiệu chuyên dụng trước khi ghi đo. Bộ điều hòa tín hiệu có nhiệm vụ cân bằng cảm biến trước mỗi phép thử, khuếch đại tín hiệu điện áp đầu ra và chuyển nó về mức phù hợp cho quá trình số hóa.

Sau khi được điều hòa, tín hiệu sẽ được đưa vào hệ thống DAQ để số hóa, hiển thị và lưu trữ. Trong các hệ thống đo biến dạng chuyên dụng, số lượng kênh có thể bắt đầu từ 8 kênh và mở rộng đến hàng trăm kênh trong các ứng dụng thử nghiệm quy mô lớn, nơi cần theo dõi đồng thời nhiều điểm đo trên cùng một kết cấu hoặc hệ thống.

Ứng dụng Strain Gage trong công nghiệp

Nhờ khả năng đo ứng suất, tải trọng, lực, mô-men và biến dạng với độ nhạy cao, strain gage được ứng dụng rộng rãi trong rất nhiều ngành công nghiệp khác nhau. Từ hệ thống cân, kiểm tra chi tiết quay, thử nghiệm tuabin gió cho đến kiểm tra kết cấu trọng yếu, strain gage là một trong những công nghệ nền tảng của các hệ thống test and measurement hiện đại.

Hệ thống cân

• Hệ thống cân xe tải trên đường cao tốc.
• Hệ thống cân trong môi trường sản xuất.
• Máy nghiền sử dụng cảm biến đo biến dạng để phát hiện ứng suất tăng đột ngột và dừng máy khi xảy ra kẹt trước khi gây hư hỏng nghiêm trọng.
• Các mặt hàng có khối lượng đồng đều như đinh vít, đinh tán và các chi tiết nhỏ khác thường được định lượng bằng cách cân tổng khối lượng rồi tính ra số lượng từng đơn vị.

Kiểm tra các bộ phận quay

• Đo mô-men xoắn và công suất trên các loại trục truyền động trong nhà máy điện, nhà máy lọc dầu, hệ thống quạt, tua-bin và nhiều thiết bị quay khác.

Thử nghiệm tuabin gió

• Đo ứng suất trên cánh tuabin gió, vỏ động cơ và thân tháp.
• Thử nghiệm mô-men xoắn trên trục và các thiết bị quay khác.

Kiểm tra các thành phần quan trọng

• Sử dụng strain gage siêu nhỏ để đo ứng suất trên bảng mạch in.
• Kiểm tra ứng suất dư trên các chi tiết đúc và chi tiết hàn.
• Đo tải trọng và ứng suất trên các van quan trọng trong nhà máy điện hạt nhân.

Thử nghiệm hệ thống nhà máy

• Giám sát hệ thống băng tải và đường ray băng tải.
• Kiểm soát lực căng trong nhà máy giấy để duy trì chất lượng sản xuất và giảm thời gian dừng máy.
• Máy in công nghiệp sử dụng hệ thống đo lực căng để bảo đảm căn chỉnh giấy chính xác.

Ứng dụng trong hàng không vũ trụ

Máy bay phải được thiết kế và kiểm tra ở mức độ nghiêm ngặt để bảo đảm an toàn trong quá trình phát triển, chứng nhận và vận hành. Ngoài động cơ, còn có rất nhiều bộ phận quan trọng khác cần hoạt động ổn định trong thời gian dài, bao gồm các bề mặt điều khiển, cơ cấu truyền động và toàn bộ kết cấu chịu lực của máy bay.

Strain gage được sử dụng để đo ứng suất và biến dạng trên các kết cấu chịu tải quan trọng, bao gồm:

• Cánh máy bay: cánh được thiết kế để có độ uốn nhất định dưới tải trọng khí động học. Thử nghiệm strain giúp xác nhận độ uốn này nằm trong giới hạn thiết kế cho phép.
• Thân máy bay: theo dõi ứng suất và biến dạng do tải cơ học cũng như chênh lệch áp suất giữa bên trong và bên ngoài thân.
• Kết cấu trọng yếu: các bộ phận như giá đỡ động cơ được kiểm tra để giảm nguy cơ hư hỏng nghiêm trọng.
• Bộ phận quay: đo mô-men xoắn và công suất trên quạt, tua-bin và các cụm quay khác.
• Cơ cấu truyền động: thử nghiệm các cơ cấu điều khiển như cánh tà, càng đáp và các thiết bị truyền động liên quan.

Ứng dụng trong lĩnh vực ô tô

Mọi loại phương tiện như ô tô, xe tải, xe buýt hay xe máy đều phải trải qua quá trình thử nghiệm rộng rãi trong giai đoạn phát triển. Trong các phép thử này, strain gage giúp kỹ sư đánh giá chính xác trạng thái tải và độ bền của kết cấu trong điều kiện vận hành thực tế.

• Các tấm kết cấu ở đầu xe thường được gắn nhiều strain gage để theo dõi ứng suất trong các điều kiện môi trường, tốc độ và mặt đường khác nhau.
• Hệ thống treo chịu tải động và tải tĩnh liên tục trong suốt quá trình vận hành, vì vậy cần được kiểm tra để xác nhận khả năng làm việc theo đúng tiêu chí thiết kế.
• Trong thử nghiệm va chạm, strain gage được dùng để theo dõi vùng hấp thụ xung lực và các khu vực xung quanh, bên cạnh cảm biến gia tốc và camera tốc độ cao.
• Đo mô-men xoắn và công suất trên trục truyền động.
• Strain gage cũng được tích hợp vào ghế hành khách để xác định có người ngồi hay không, từ đó hỗ trợ quyết định kích hoạt túi khí và điều chỉnh chế độ bung túi khí phù hợp, đặc biệt khi có trẻ em ngồi trên ghế.

Ứng dụng trong đường sắt

Giám sát đường sắt

Không chỉ đoàn tàu cần được kiểm tra mà bản thân đường ray cũng phải được giám sát chặt chẽ, vì chúng liên tục chịu tải trọng lớn khi tàu chạy qua ở tốc độ cao. Ngoài tải trọng động, tình trạng địa chất khu vực và các biến động môi trường cũng có thể ảnh hưởng đến trạng thái của đường ray.

Hậu quả của việc một đoàn tàu chở khách chạy qua đoạn ray hư hỏng hoặc lệch chuẩn có thể rất nghiêm trọng. Đường ray thường được lắp ghép theo từng đoạn với các khe co giãn để thích nghi với thay đổi nhiệt độ môi trường. Các cảm biến nhiệt độ và strain gage thường được lắp tại các vị trí này và kết nối với hệ thống cảnh báo nhằm phát hiện sớm điều kiện bất thường, từ đó nâng cao an toàn vận hành.

Ứng dụng Strain Gage trong hàng hải

Từ thuyền nhỏ đến tàu cỡ lớn, mọi phương tiện hàng hải đều cần được thử nghiệm để đánh giá độ bền và độ an toàn kết cấu. Trong môi trường biển, các kết cấu phải chịu tải trọng cơ học lớn, tải va đập do sóng và trong một số trường hợp là áp suất rất cao.

Strain gage được dùng để đo ứng suất và biến dạng trên thân tàu, vỏ tàu, kết cấu chịu tải cũng như trong toàn bộ hệ thống đẩy. Đối với tàu ngầm, việc theo dõi ứng suất trên thân tàu đặc biệt quan trọng vì áp lực tăng mạnh theo độ sâu vận hành.

• Kiểm tra vỏ tàu và các kết cấu chịu tải để bảo đảm độ cứng và khả năng chịu ứng suất theo yêu cầu thiết kế.
• Đo mô-men xoắn và công suất trên trục truyền động, cánh quạt và các bộ phận quay khác trong hệ thống đẩy.

Ứng dụng trong lĩnh vực xây dựng

Nhiều công trình dân dụng được thiết kế với tuổi thọ lên tới hàng chục năm hoặc hơn 100 năm, vì vậy việc giám sát kết cấu trong suốt vòng đời khai thác là rất cần thiết. Ngày nay, strain gage và các cảm biến liên quan thường được tích hợp ngay từ đầu vào các công trình để phục vụ theo dõi dài hạn.

Strain gage có thể được gắn trên bề mặt tường, móng bê tông hoặc nhúng trực tiếp vào trong kết cấu. Khi đó, tín hiệu có thể được đưa ra ngoài thông qua hệ thống dây dẫn chuyên dụng và kết nối với hệ thống DAQ để theo dõi theo thời gian thực.

Các phép đo biến dạng, ứng suất, tải trọng và lực thường được thực hiện trên các kết cấu chịu tải trọng quan trọng như:

• Các tòa nhà, đặc biệt là công trình công cộng, bệnh viện và nhà cao tầng.
• Đường bộ và các tuyến giao thông có mật độ cao.
• Cầu, bao gồm dầm thép, móng bê tông, cáp và khung chịu lực; cả thử tải động lẫn kiểm tra các phần tử chuyển động như cầu nâng.
• Cầu vượt và lối đi bộ.
• Đập thủy lợi, nơi kết cấu phải chịu áp lực rất lớn trong thời gian dài.
• Các giàn khoan dầu ngoài khơi.
• Hệ thống lưới thép chống đá rơi dọc đường núi để kiểm tra khả năng chịu tải.
• Kiểm tra ứng suất dư trên kết cấu và vật liệu.

Ứng dụng trong y tế

Strain gage cũng có nhiều ứng dụng quan trọng trong lĩnh vực y tế và chăm sóc sức khỏe nhờ khả năng đo lực và tải trọng chính xác ở kích thước nhỏ.

• Sử dụng trong các thiết bị y tế như máy lọc thận và bơm tiêm để theo dõi lưu lượng chất lỏng.
• Tích hợp trong hệ thống cân và nâng bệnh nhân.
• Ứng dụng trong các thiết bị không dây như máy quét CT và máy chụp nhũ ảnh.
• Dùng trong hệ thống định vị bệnh nhân trong quá trình xạ trị.
• Trong vật lý trị liệu, cảm biến lực dựa trên strain gage được dùng để đo lực tác động lên các khớp như vai, hông và đầu gối.

Tổng kết

Strain gage là một trong những công nghệ đo lường nền tảng trong lĩnh vực test and measurement. Từ việc đo biến dạng rất nhỏ trên bảng mạch điện tử đến giám sát tải trọng trên cầu, thân máy bay, trục truyền động hay kết cấu bê tông, strain gage mang lại khả năng theo dõi ứng suất và biến dạng với độ chính xác cao.

Khi được kết hợp với bộ điều hòa tín hiệu phù hợp và hệ thống DAQ hiện đại, strain gage trở thành giải pháp mạnh mẽ cho các ứng dụng nghiên cứu, phát triển sản phẩm, thử nghiệm độ bền và giám sát kết cấu trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau.