Strain gauge là một trong những linh kiện quan trọng nhất trong quá trình chế tạo loadcell và cảm biến lực. Đây là phần tử có khả năng phát hiện sự biến dạng rất nhỏ của vật liệu và chuyển đổi biến dạng cơ học thành sự thay đổi tín hiệu điện.
Việc lựa chọn đúng strain gauge không chỉ ảnh hưởng đến độ nhạy mà còn tác động trực tiếp đến độ chính xác, độ ổn định, khả năng bù nhiệt, độ bền và tuổi thọ của cảm biến.
ZEMIC cung cấp nhiều loại strain gauge với các thông số và cấu trúc khác nhau, đáp ứng từ các ứng dụng đo biến dạng thông thường đến chế tạo loadcell và cảm biến chuyên dụng.
Nội dung trang
1. STRAIN GAUGE LÀ GÌ?
Strain gauge, hay điện trở đo biến dạng, là một linh kiện dùng để đo sự biến dạng của vật thể khi vật thể chịu tác động của lực, tải trọng hoặc ứng suất.
Khi vật liệu bị kéo hoặc nén, kích thước của nó thay đổi rất nhỏ. Lưới điện trở bên trong strain gauge cũng biến dạng theo. Sự biến dạng này làm thay đổi điện trở của strain gauge.
Thông qua mạch đo, sự thay đổi điện trở được chuyển đổi thành tín hiệu điện tương ứng với mức biến dạng.
Trong loadcell, nhiều strain gauge thường được dán lên các vị trí được tính toán trên phần tử đàn hồi (elastic element) và kết nối thành mạch cầu Wheatstone. Khi loadcell chịu tải, sự biến dạng của phần tử đàn hồi tạo ra thay đổi điện trở trong các strain gauge, từ đó tạo ra tín hiệu đầu ra của cảm biến.
Vì vậy, chất lượng và đặc tính của strain gauge có ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất của loadcell.
2. ĐIỆN TRỞ LƯỚI ĐO STRAIN GAUGE
Một trong những thông số quan trọng đầu tiên khi lựa chọn strain gauge là Sensitive Grid Resistance – điện trở lưới đo.
Đây là điện trở được đo giữa hai đầu hàn của strain gauge.
ZEMIC cung cấp strain gauge với nhiều mức điện trở thường được sử dụng như:
60 Ω, 120 Ω, 350 Ω, 500 Ω, 600 Ω, 650 Ω, 750 Ω, 1.000 Ω, 1.100 Ω, 2.000 Ω…
Trong chế tạo cảm biến, các loại 350 Ω và 1.000 Ω thường được lựa chọn.
Điện trở strain gauge ảnh hưởng như thế nào?
Việc lựa chọn điện trở cần cân nhắc đồng thời nhiều yếu tố như:
- Khả năng tản nhiệt của strain gauge.
- Ảnh hưởng của điện trở dây dẫn.
- Tỷ số tín hiệu trên nhiễu.
- Công suất tiêu thụ.
- Diện tích lắp đặt.
- Yêu cầu về độ ổn định và độ bền.
Strain gauge có điện trở lớn hơn có thể giúp giảm ảnh hưởng của điện trở dây dẫn đến độ nhạy của mạch và cải thiện tỷ số tín hiệu trên nhiễu.
Tuy nhiên, điện trở càng lớn không có nghĩa là luôn tốt hơn.
Trong trường hợp diện tích strain gauge bị giới hạn, điện trở quá cao có thể khiến các đường lưới trở nên rất mảnh. Khi đó, strain gauge có thể nhạy cảm hơn với các khuyết tật như vết xước, lỗ kim hoặc khe hở. Khả năng bám dính với lớp nền cũng có thể bị ảnh hưởng, gây khó khăn trong quá trình sản xuất và làm giảm độ ổn định của cảm biến.
Do đó, điện trở strain gauge cần được lựa chọn phù hợp với thiết kế và mục đích sử dụng thay vì chỉ lựa chọn giá trị lớn.
3. CHIỀU DÀI LƯỚI ĐO CỦA STRAIN GAUGE
Sensitive Grid Length – chiều dài lưới đo là một thông số quan trọng khác.
Lưới đo là phần thực hiện quá trình chuyển đổi từ biến dạng cơ học thành tín hiệu điện.
Một đặc điểm quan trọng cần lưu ý là strain gauge đo giá trị biến dạng trung bình trên toàn bộ vùng mà lưới đo bao phủ.
Điều này đặc biệt quan trọng tại những khu vực có tập trung ứng suất.
Nếu sử dụng lưới đo quá dài tại khu vực mà ứng suất cực đại chỉ xuất hiện trong một vùng rất nhỏ, kết quả đo có thể không phản ánh chính xác biến dạng thực tế tại điểm cần đo.
Ngược lại, nếu sử dụng lưới đo quá ngắn, một số đặc tính của strain gauge có thể bị suy giảm, đặc biệt là:
- Độ ổn định khi đo tĩnh.
- Đặc tính creep.
- Giới hạn biến dạng.
- Tuổi thọ mỏi.
Lưới đo dài có ưu điểm gì?
Strain gauge có lưới đo dài thường có một số ưu điểm như:
- Dễ dàng dán lên bề mặt vật liệu.
- Thuận tiện hơn trong việc đi dây.
- Khả năng tản nhiệt tốt hơn.
- Công suất tiêu thụ trên một đơn vị diện tích thấp hơn.
Khả năng tản nhiệt đặc biệt quan trọng khi strain gauge được sử dụng trên nhựa hoặc các vật liệu có khả năng truyền nhiệt kém.
Nếu nhiệt không được giải phóng tốt, nhiệt độ cục bộ tại lưới đo, lớp nền, chất kết dính và bề mặt vật liệu có thể tăng cao, từ đó ảnh hưởng đến hiệu suất và độ chính xác của phép đo.
Đối với những vật liệu không đồng nhất như bê tông, gang và thép đúc, chiều dài lưới đo cũng cần được xem xét để đảm bảo strain gauge phản ánh được giá trị biến dạng trung bình phù hợp với cấu trúc.
Tuy nhiên, lưới đo không phải càng dài càng tốt. Lưới quá dài có thể gây khó khăn trong quá trình dán và kiểm soát chất lượng.
Đối với các ứng dụng đo trên vật liệu kim loại, strain gauge có chiều dài lưới khoảng 3–6 mm thường được lựa chọn.
4. CÁC LOẠI STRAIN GAUGE THEO CẤU TRÚC LƯỚI ĐO
Ngoài điện trở và chiều dài lưới, hình dạng, số lượng và hướng của các lưới đo cũng là những yếu tố quan trọng.
Dựa trên cấu trúc, strain gauge có thể được chia thành các nhóm chính.
4.1. Strain gauge một trục – Uniaxial
Strain gauge một trục có một lưới đo, được sử dụng để đo biến dạng theo một hướng xác định.
Hai cấu trúc tiêu biểu là:
- AA: cấu trúc lưới đo một trục theo phương ngang.
- AB: cấu trúc lưới đo một trục với hướng 45°.
Đây là lựa chọn phù hợp khi hướng biến dạng cần đo đã được xác định trước.
4.2. Strain gauge hai lưới – Dual-grid
Strain gauge hai lưới có hai lưới đo, được bố trí theo các hướng khác nhau.
Các cấu trúc phổ biến gồm BB, HA, GB và FB.
Ví dụ, cấu trúc BB có hai lưới vuông góc với nhau, tạo thành dạng chữ T. Loại này có thể được sử dụng để đo biến dạng theo phương dọc và biến dạng ngang, còn gọi là Poisson strain.
Cấu trúc HA có hai lưới vuông góc, phù hợp với những ứng dụng cần đo các đại lượng liên quan đến ứng suất cắt và mô-men xoắn.
Các cấu trúc GB và FB được sử dụng cho những trường hợp cần so sánh hoặc đo biến dạng theo các hướng tương ứng với thiết kế của đối tượng cần đo.
4.3. Strain gauge đa trục – Strain Rosette
Strain gauge đa trục, hay strain rosette, bao gồm từ hai lưới đo trở lên được bố trí theo các hướng khác nhau trên cùng một lớp nền.
Loại strain gauge này đặc biệt hữu ích khi chưa biết trước hướng của ứng suất chính.
Trong thực tế, strain gauge có thể được bố trí để đo biến dạng theo ba hướng. Dựa trên các giá trị đo được, có thể tính toán độ lớn và hướng của ứng suất chính bằng các công thức tương ứng.
Các góc bố trí thường gặp có thể là 45°, 60° hoặc 120°.
Một số cấu trúc của strain rosette theo phân loại ZEMIC gồm:
BA, CA, CC, CAK, CDK, BC và CB.
Trong đó:
- BA, CA, CC: sử dụng để đo ứng suất phẳng.
- BC, CB: sử dụng để đo ứng suất tại một điểm.
- CAK, CDK: sử dụng trong đo ứng suất dư.
4.4. Strain gauge tổ hợp – Compound Strain Gauge
Compound strain gauge là loại có nhiều lưới đo được bố trí theo hình dạng yêu cầu trên cùng một lớp nền và kết nối thành mạch điện.
Cấu trúc này chủ yếu được sử dụng trong chế tạo cảm biến, đặc biệt đối với những thiết kế có hình dạng đặc biệt.
Một ví dụ là strain gauge dùng cho màng đàn hồi dạng tròn (round diaphragm).
Đây là một trong những cấu trúc có ý nghĩa quan trọng đối với lĩnh vực sản xuất cảm biến lực và loadcell.
5. LỰA CHỌN STRAIN GAUGE CẦN DỰA TRÊN NHỮNG YẾU TỐ NÀO?
Không có một loại strain gauge duy nhất phù hợp cho mọi ứng dụng.
Khi lựa chọn, cần xem xét đồng thời:
Điện trở lưới đo: ảnh hưởng đến dây dẫn, nhiễu và công suất tiêu thụ.
Chiều dài lưới đo: cần phù hợp với kích thước vùng biến dạng và đặc điểm phân bố ứng suất.
Hướng lưới đo: phải phù hợp với hướng biến dạng cần đo.
Vật liệu cần đo: đặc tính cơ học và khả năng tản nhiệt của vật liệu ảnh hưởng đến lựa chọn strain gauge.
Mục đích sử dụng: đo biến dạng một trục, đo ứng suất nhiều hướng hay chế tạo cảm biến.
Điều kiện môi trường: nhiệt độ, độ ẩm, hóa chất và các yếu tố môi trường khác cũng cần được xem xét khi lựa chọn cấu trúc strain gauge và vật liệu nền, chất kết dính phù hợp.
Đối với loadcell, việc lựa chọn strain gauge cần được thực hiện đồng bộ với thiết kế phần tử đàn hồi, mạch cầu đo và yêu cầu kỹ thuật của toàn bộ cảm biến.
6. STRAIN GAUGE ZEMIC – NỀN TẢNG CHO CÔNG NGHỆ CẢM BIẾN LỰC
Strain gauge là một chi tiết có kích thước nhỏ nhưng đóng vai trò quyết định trong quá trình chuyển đổi biến dạng thành tín hiệu điện.
Từ việc lựa chọn điện trở, chiều dài lưới, cấu trúc và hướng lưới đo, strain gauge được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực từ đo biến dạng kết cấu đến chế tạo loadcell, cảm biến lực và các loại cảm biến chuyên dụng.
Với danh mục strain gauge đa dạng, ZEMIC đáp ứng nhiều yêu cầu thiết kế khác nhau trong lĩnh vực cảm biến đo lường.
Đối với các nhà sản xuất và đơn vị kỹ thuật cần lựa chọn strain gauge cho một ứng dụng cụ thể, việc xác định đúng thông số ngay từ đầu sẽ giúp tối ưu độ chính xác, độ ổn định và độ bền của cảm biến.
KẾT LUẬN
Strain gauge không đơn thuần là một điện trở thay đổi theo biến dạng. Đây là một phần tử kỹ thuật đòi hỏi sự lựa chọn chính xác về điện trở, kích thước lưới, hướng đo và cấu trúc để đảm bảo hiệu suất của toàn bộ hệ thống.
Đặc biệt trong chế tạo loadcell, strain gauge phải được lựa chọn phù hợp với thiết kế phần tử đàn hồi và yêu cầu đo lường. Việc hiểu rõ các thông số kỹ thuật của strain gauge là bước quan trọng để xây dựng một cảm biến có độ chính xác và độ ổn định cao.
ZEMIC Việt Nam cung cấp thông tin và giải pháp về strain gauge, loadcell và các sản phẩm cảm biến phục vụ nhu cầu đo lường công nghiệp.
🔵🔵🔵 ZEMIC VIỆT NAM
🌐 Website: www.zemic.vn
📞 Hotline: 0964 38 1800
📧 Email: zemicvn@gmail.com
Lưu ý: Các thông số và phân loại trong bài viết được tổng hợp dựa trên tài liệu kỹ thuật ZEMIC về Strain Gauge. Việc lựa chọn model cụ thể cần căn cứ vào thiết kế và điều kiện ứng dụng thực tế.