CẢM BIẾN ĐO BIẾN DẠNG – STRAIN GAUGE

Bài viết này chia sẻ về nguyên lý hoạt động và các ứng dụng của cảm biến đo biến dạng công nghệ lá điện trở hay còn gọi là Straingauge

1. Straingauge – Cảm biến đo biến dạng là gì?

Trong cơ học, chúng ta cần hiểu cơ chế của vật liệu (vật thể) dưới tác động của lực (forces). Sự thay đổi chiều dài (hoặc thể tích) của vật liệu dưới tác động của lực được gọi là biến dạng (strain). Biến dạng (Strain) được định nghĩa là tỉ số của sự thay đổi chiều dài so với chiều dài ban đầu (chiều dài khi chưa biến dạng). Hình bên dưới minh họa công thữ định nghĩa biến dạng (Strain = delta_L / L) .Khi xảy ra sự giãn dài theo phương tác dụng của lực (giả sử phương dọc trục theo cạnh dài) thì phương còn lại sẽ bị co lại. Tỉ lệ của độ co lại so với độ giãn ra được gọi là hệ số Poisson (Poisson’s ratio -v).Mặc dù biến dạng là đại lượng không có đơn vị nhưng trong thực tế người ta thường dùng đơn vị in./in. hay mm/mm cho biến dạng. Vì biến dạng thường có giá trị tuyệt đối rất bé do đó người ta còn dùng đơn vị (micro epsilon ue) hay e*10^-6.

Hình 1. Biến dạng là tỉ số của sự thay đổi chiều dài của vật liệu so với chiều dài ban đầu

Trong cơ học ngời ta thường nhắc đến 4 loại biến dạng: biến dạng dọc trục (axial), biến dạng uốn (bending), biến dạng cắt (shear) và biến dạng xoắn (torsional). Biến dạng dọc trục và biến dạng uốn là hai loại phổ biến nhất (xem ở Hình 2). Biến dạng dọc trục đo lường đại lượng giãn dài theo phương dọc trục khi vật liệu bị kéo trực tiếp ở hai đầu. Biến dạng uốn kể đến đại lượng giãn dài ở một phía (phía còn lại bị co ngắn) khi vật thể bị kéo và bị kiềm giữ ở đầu còn lại theo phương vuông góc với trục của vật thể

Hình 2. Biến dạng dọc trục khi vật liệu bị kéo trục tiếp ở hai đầu, biến dạng uốn khi vật liệu bị kéo theo hướng vuông góc với trục dọc

2. Đo biến dạng – Measuring Strain

Có một số phương pháp để đo được biến dạng. Phương pháp phổ biến nhất là dùng Cảm biến đo biến dạng loại lá điện trở – Straingauge. Một Cảm biến đo biến dạng – Straingauge là một lá điện trở có đặc tính tỉ lệ giữa điện trở và giãn dài là hằng số hoặc là hàm số có thể biết trước được. Loại cảm biến đo biến dạng (strain gauge) phổ biến nhất là các lá điện trở được chế tạo từ các thành phần kim loại (metallic strain gauge) và được lắp đặt bằng cách dán lên bề mặt vật thể cần được đo. Metallic Strain Gauge bao gồm rất nhiều sợi kim loại rât bé – vi sợi (fine wire), các vi sợi này được sắp xếp song song với phương đo biến dạng và được liên kết chắc chắn với một màng vật liệu mỏng (the carier). Trong quá trình sử dụng strain gauge sẽ được dán vào bề mặt vật thể cần đo, khi vật thể biến dạng thì các vi sợi (fine wire) cũng bị biến dạng theo với giá trị tương đương. Khi các vi sợi bị biến dạng thì điện trở của chúng sẽ thay đổi một cách tỉ lệ với biến dạng, các thiết bị đo biến dạng được thiết kế để xác định được sự thay đổi điện trở (thường tính toán thông qua sự thay đổi điện áp) và sử dụng các thông số của cảm biến đo biến dạng (strain gauge) sẽ định lượng được giá trị của biến dạng.

Hình 3. Lá điện trở loại Metallic, điện trở thay đổi tỉ lệ với biến dạng

Thông số căn bản nhất của Cảm biến đo biến dạng – Strain gauge là Độ nhạy (Sensitivity), thường ký hiệu là GF – Gauge Factor. GF là tỉ lệ của sự thay đổi điện trở so với sự thay đổi cảu biến dạng. Đối với cảm biến đo biến dạng loại Metallic thì GF xấp xỉ bằng 2.0, bạn có thể tìm thấy chính xác thông số này trên Data sheet của Straingauge mà bạn mua (vỏ gói đựng strain gauge).

Trên thực tế, giá trị của biến dạng rất bé vào khoảng vài phần nghì (e*10^-3). Do đó để đo được biến dạng, thiết bị đo cần có độ nhạy rất lớn, tức là thiết bị đo biến dạng cần phân biệt được sự thay đổi rất bé của điện trở. Ví dụ, vật thể biến dạng ở mức 0.005e (0.5mm/m) với GF =2 thì điện trở của cảm biến đo biến dạng thay đổi vào khoảng 2*0.5*10^-3 = 0.001 = 0.1%. Giả sử điện trở danh nghĩa của Cảm biến đo biến dạng – Straingauge là 120 Ohm thì giá trị điện trở thay đổi là 0.12 Ohm

Để đo được các giá trị điển trở rất bé như kể trên, người ta thường đấu nối straingauge ở sơ đồ mạch Cầu Wheatstone. Mạch cầu Wheatstone được minh họa ở Hình 4, đây là một mạch gồm 4 điện trở và được cấp nguồn Vex vào hai nút, hai nút còn lại sẽ được đo tín hiệu điện áp.

Hình 4. Mạch cầu Wheatstone sử dụng để đo (phát hiện) sự thay đổi rất bé về điện trở.

Mạch cầu Wheatstone về sơ đồ mạch điện tương đương hai điện trở mắc song song. R1 và R2 là một chánh chia điện áp và tương tự R3 và R4 cũng là nhánh chia điên áp thứ hai. Điện áp output Vo của mạch cầu là đại lượng được đo giữ hai nút ở giữa.

Theo phương trình của Vo, nếu R1/R2 = R4/R3 thì điện áp đầu ra Vo sẽ là Zero (Vo=0). Vì điều này, mạch cầu được gọi là cân bằng. Bất kỳ sự thay đổi nào về điện trở sẽ gây ra sự “mất cân bằng” và Vo khi đó sẽ khác Zero. Do đó để đo biến dạng bằng cảm biến đo biến dạng – strain gauge thì ta sẽ thay R4 bằng một cảm biến đo biến dạng, bất kỳ sự thay đổi nào về biến dạng sẽ làm thay đổi R4 và sẽ tác động đến mạch cầu làm giá trị Vo Thay đổi.

3. Lựa chọn đúng loại cảm biến đo biến dạng – Strain gauge (Công nghệ lá điện trở)

Thực tế các loại cảm biến đo biến dạng (công nghệ lá điện trở) được chia thành 3 loại:Cảm biến đo biến dạng loại 1/4 cầu – Quater-Bridge StraingaugeCảm biến đo biến dạng loại 1/2 cầu – Half-Bridge StraingaugeCảm biến đo biến dạng loại cầu đủ – Full-Bridge Straingauge