Trong quá trình sử dụng strain gauge để phân tích ứng suất hoặc chế tạo loadcell, nhiệt độ và hiện tượng creep là hai trong những yếu tố có thể gây sai số đáng kể.
Ngay cả khi không có lực tác động bên ngoài, sự thay đổi nhiệt độ môi trường vẫn có thể làm điện trở của strain gauge thay đổi. Tương tự, khi một tải trọng không đổi được duy trì trong thời gian dài, đầu ra của cảm biến có thể tiếp tục thay đổi do đặc tính đàn hồi và vật liệu của phần tử cảm biến.
Để hạn chế những sai số này, strain gauge được thiết kế với các đặc tính tự bù nhiệt (self-temperature compensation) và tự bù creep (self-creep compensation).
Đây là những yếu tố đặc biệt quan trọng trong quá trình lựa chọn strain gauge cho loadcell và cảm biến lực độ chính xác cao.
Nội dung trang
1. TẠI SAO STRAIN GAUGE CẦN ĐƯỢC BÙ NHIỆT?
Strain gauge thường được dán trực tiếp lên bề mặt của vật thể cần đo. Khi không có lực bên ngoài tác động, sự thay đổi nhiệt độ vẫn có thể làm xuất hiện thay đổi điện trở của strain gauge.
Hiện tượng này được gọi là thermal output – đầu ra nhiệt của strain gauge.
Thermal output là kết quả của sự tác động đồng thời giữa:
- Hệ số nhiệt điện trở của vật liệu lưới đo.
- Hệ số giãn nở nhiệt của vật liệu strain gauge.
- Hệ số giãn nở nhiệt của vật liệu cần đo.
- Gauge factor của strain gauge.
- Sự thay đổi nhiệt độ của hệ thống.
Về lý thuyết, ảnh hưởng này có thể được biểu diễn bằng công thức:
εₜ = [(αg/K) + (βs − βg)] × ΔT
Trong đó:
- εₜ: biến dạng nhiệt tương đương.
- αg: hệ số nhiệt điện trở của vật liệu lưới đo.
- βg: hệ số giãn nở nhiệt của strain gauge.
- βs: hệ số giãn nở nhiệt của vật liệu cần đo.
- K: gauge factor.
- ΔT: độ thay đổi nhiệt độ tương đối.
Nếu strain gauge không được bù nhiệt phù hợp, sự thay đổi nhiệt độ có thể tạo ra tín hiệu giống như tín hiệu do biến dạng cơ học gây ra.
Điều này đặc biệt nghiêm trọng đối với phép đo biến dạng tĩnh và các cảm biến yêu cầu độ chính xác cao.
2. TỰ BÙ NHIỆT CHO STRAIN GAUGE LÀ GÌ?
Self-temperature compensation là công nghệ thiết kế strain gauge nhằm làm cho ảnh hưởng của nhiệt độ đến tín hiệu đầu ra được giảm xuống mức rất thấp.
Đối với cảm biến đo biến dạng ZEMIC, quy tắc như sau: sự khác biệt về độ rão giữa hai mã liền kề là 0,01-0,015%FS/30 phút.
N9 > N7 > N5 > N3 > N1 > N0 > N8 > N6 > N4 > N2 > T0 > T2 > T4 > T6 > T8 > T1 > T3 > T5
Lý tưởng nhất, khi nhiệt độ thay đổi nhưng không có lực tác động, thermal output của strain gauge gần bằng 0.
Để đạt được điều này, ZEMIC điều chỉnh thành phần hợp kim của vật liệu lưới đo, kết hợp với các công đoạn cán nguội và xử lý nhiệt phù hợp.
Quá trình này làm thay đổi cấu trúc tinh thể bên trong vật liệu lưới đo, giúp đặc tính nhiệt của strain gauge có thể bù trừ với sự thay đổi kích thước của vật liệu cần đo khi nhiệt độ thay đổi.
Nhờ đó, thermal output có thể được duy trì ở mức rất thấp, đáp ứng yêu cầu của các ứng dụng đo biến dạng và cảm biến độ chính xác cao.
Tuy nhiên, cần lưu ý rằng khả năng tự bù nhiệt của strain gauge được thiết kế cho một khoảng nhiệt độ nhất định, không phải toàn bộ dải nhiệt độ.
Theo tài liệu ZEMIC, phạm vi bù nhiệt điển hình được đề cập khoảng +20°C đến +250°C.
3. LỰA CHỌN MÃ BÙ NHIỆT STRAIN GAUGE ZEMIC
Một trong những điểm quan trọng khi lựa chọn strain gauge là phải đảm bảo mã bù nhiệt của strain gauge phù hợp với vật liệu của phần tử cần đo.
ZEMIC cung cấp nhiều nhóm strain gauge tự bù nhiệt tương ứng với hệ số giãn nở nhiệt của các loại vật liệu khác nhau.
| Mã bù nhiệt | Vật liệu bề mặt cần đo | Hệ số giãn nở điển hình |
|---|---|---|
| 9 | Titanium | 8,8 × 10⁻⁶/°C |
| 11 | Thép martensitic, thép không gỉ hóa bền và thép hợp kim | 11,3 × 10⁻⁶/°C |
| 16 | Vật liệu nền đồng và thép không gỉ austenitic | 16 × 10⁻⁶/°C |
| 23 | Hợp kim nhôm | 23,2 × 10⁻⁶/°C |
| 27 | Hợp kim magie | 26,1 × 10⁻⁶/°C |
Nguyên tắc lựa chọn tương đối đơn giản:
Mã bù nhiệt của strain gauge cần phù hợp với hệ số giãn nở nhiệt của vật liệu cần đo.
Khi hai đặc tính này phù hợp, thermal output của hệ thống có thể được bù trong phạm vi nhiệt độ thiết kế, giúp hạn chế việc phải thực hiện thêm các điều chỉnh đối với sai số nhiệt.
4. ĐIỀU GÌ XẢY RA KHI STRAIN GAUGE VÀ VẬT LIỆU KHÔNG HOÀN TOÀN PHÙ HỢP?
Trong thực tế, có thể xảy ra trường hợp thành phần vật liệu của bề mặt cần đo có sự khác biệt nhất định hoặc mã bù nhiệt của strain gauge không hoàn toàn khớp với hệ số giãn nở nhiệt của vật liệu.
Khi đó, thermal output vẫn có thể xuất hiện.
Một phương pháp thường được sử dụng là mạch cầu bán phần hoặc cầu đầy đủ (half bridge/full bridge) để bù ảnh hưởng nhiệt.
Đối với phép đo ứng suất có độ chính xác cao sử dụng quarter bridge, có thể sử dụng thêm một strain gauge bù nhiệt.
Strain gauge bù nhiệt này được dán lên một vật liệu bù có cùng vật liệu với bề mặt cần đo.
Để đạt hiệu quả tốt, strain gauge đo và strain gauge bù nên:
- Sử dụng cùng một loại.
- Được lấy từ cùng một lot sản xuất.
- Chịu cùng điều kiện nhiệt độ.
- Chịu cùng điều kiện môi trường.
- Được đặt gần nhau trong mạch cầu Wheatstone.
Cách bố trí này giúp hai strain gauge chịu ảnh hưởng nhiệt tương tự nhau và hỗ trợ quá trình bù thermal output.
5. CREEP CỦA STRAIN GAUGE LÀ GÌ?
Bên cạnh ảnh hưởng của nhiệt độ, creep cũng là một nguồn sai số quan trọng trong cảm biến lực và loadcell.
Creep có thể hiểu là sự thay đổi đầu ra của cảm biến theo thời gian khi tải trọng được duy trì ở mức không đổi.
Hiện tượng này liên quan đến đặc tính đàn hồi của phần tử lò xo hoặc phần tử đàn hồi trong cảm biến.
Khi một tải trọng không đổi được tác động, đầu ra của transducer có thể tiếp tục tăng hoặc giảm theo thời gian.
Đây là đặc tính phụ thuộc vào nhiều yếu tố như:
- Vật liệu phần tử đàn hồi.
- Kết cấu của phần tử đàn hồi.
- Phân bố biến dạng.
- Dải đo.
- Quá trình xử lý nhiệt.
- Nhiệt độ làm việc.
- Loại strain gauge.
- Vật liệu nền.
- Keo dán.
- Phương pháp bảo vệ và sealing.
Vì vậy, creep của một loadcell không chỉ phụ thuộc vào riêng strain gauge mà là kết quả của toàn bộ hệ thống cảm biến.
6. TẠI SAO STRAIN GAUGE CÓ THỂ BÙ CREEP?
Các thành phần của strain gauge có thể tạo ra những ảnh hưởng khác nhau theo thời gian.
Vật liệu nền và keo dán có tính chất viscoelastic, có xu hướng làm giảm tín hiệu đầu ra theo thời gian.
Trong khi đó, vật liệu lưới đo có đặc tính anelastic, có thể tạo ra thay đổi đầu ra theo chiều ngược lại.
Sự kết hợp của những ảnh hưởng này có thể khiến strain gauge tạo ra creep dương hoặc creep âm.
Đây chính là cơ sở để thiết kế strain gauge có đặc tính creep phù hợp với phần tử đàn hồi của cảm biến.
Nếu phần tử đàn hồi có xu hướng tạo ra creep dương, có thể lựa chọn strain gauge có creep theo hướng ngược lại để bù trừ hai ảnh hưởng.
Mục tiêu là đưa creep tổng thể của cảm biến xuống mức thấp nhất có thể.
7. ZEMIC ĐIỀU CHỈNH CREEP STRAIN GAUGE NHƯ THẾ NÀO?
ZEMIC có thể điều chỉnh đặc tính creep của strain gauge thông qua việc thay đổi thiết kế lưới đo, tỷ lệ vật liệu nền và các thông số công nghệ liên quan.
Ví dụ, bằng cách thay đổi kích thước của các phần lưới ở khu vực đầu lưới trong khi giữ các thông số khác không đổi, đặc tính creep của strain gauge có thể được điều chỉnh.
Điều này cho phép lựa chọn strain gauge có đặc tính creep phù hợp với phần tử đàn hồi của loadcell.
Trong hệ thống mã hóa strain gauge của ZEMIC, các mã N* và T* được sử dụng để biểu thị đặc tính creep.
Các mã khác nhau tương ứng với các mức creep khác nhau.
Theo quy tắc được ZEMIC cung cấp, mức chênh lệch creep giữa hai mã liền kề khoảng:
0,01–0,015%FS/30 phút
Thứ tự mã creep được thể hiện:
N9 > N7 > N5 > N3 > N1 > N0 > N8 > N6 > N4 > N2 > T0 > T2 > T4 > T6 > T8 > T1 > T3 > T5
Do đó, khi lựa chọn strain gauge cho loadcell, mã creep là một thông số kỹ thuật quan trọng không nên bỏ qua.
8. CÁCH LỰA CHỌN STRAIN GAUGE THEO CREEP
Đối với những nhà sản xuất lần đầu sử dụng một loại strain gauge mới, ZEMIC khuyến nghị có thể lựa chọn một hoặc hai model có mức creep chênh lệch đáng kể, sau đó dán thử lên phần tử đàn hồi.
Sau khi thực hiện thử nghiệm thực tế, có thể xác định đặc tính creep của phần tử đàn hồi và lựa chọn mã creep phù hợp hơn.
Điều này quan trọng bởi creep thực tế của transducer phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau.
Creep và tải trọng định mức
Đối với các transducer có cùng vật liệu và cấu trúc phần tử đàn hồi, khi tải trọng định mức nhỏ hơn, xu hướng creep dương có thể lớn hơn.
Vì vậy, với transducer có tải trọng định mức thấp hơn, cần cân nhắc lựa chọn strain gauge có mã creep âm lớn hơn để tăng hiệu quả bù.
Creep và vật liệu phần tử đàn hồi
Hai loadcell có cùng tải trọng định mức và kết cấu nhưng sử dụng các vật liệu khác nhau vẫn có thể có đặc tính creep khác nhau.
Ví dụ, loadcell bằng thép và loadcell bằng nhôm có thể cần lựa chọn các mã creep khác nhau.
Do đó, không nên chỉ dựa vào tải trọng định mức để lựa chọn mã creep.
9. CREEP CỦA LOADCell PHỤ THUỘC VÀO NHỮNG YẾU TỐ NÀO?
Trong một loadcell hoàn chỉnh, creep là kết quả tổng hợp của nhiều yếu tố:
Phần tử đàn hồi: vật liệu, hình dạng, kết cấu và quá trình xử lý nhiệt.
Strain gauge: loại strain gauge, cấu trúc lưới và mã creep.
Keo dán: đặc tính của chất kết dính ảnh hưởng đến truyền biến dạng theo thời gian.
Quy trình dán: chất lượng bề mặt, áp lực dán, thời gian và nhiệt độ xử lý đều có thể ảnh hưởng đến kết quả.
Lớp bảo vệ: phương pháp sealing và vật liệu bảo vệ có thể tác động đến đặc tính creep.
Nhiệt độ làm việc: nhiệt độ thay đổi có thể làm thay đổi đặc tính của nhiều thành phần trong cảm biến.
Vì vậy, việc kiểm soát creep cần được thực hiện xuyên suốt quá trình thiết kế, lựa chọn vật liệu, sản xuất và hiệu chuẩn loadcell.
10. SO SÁNH BÙ NHIỆT VÀ BÙ CREEP TRONG STRAIN GAUGE
| Tiêu chí | Bù nhiệt | Bù creep |
|---|---|---|
| Hiện tượng cần kiểm soát | Thermal output | Creep theo thời gian |
| Nguyên nhân chính | Thay đổi nhiệt độ | Đặc tính vật liệu và cơ học theo thời gian |
| Yếu tố quan trọng | Hệ số giãn nở nhiệt | Phần tử đàn hồi, strain gauge, keo dán… |
| Phương pháp | Self-temperature compensation, mạch cầu bù nhiệt | Lựa chọn mã creep phù hợp |
| Mục tiêu | Giảm sai số do nhiệt độ | Giảm thay đổi đầu ra dưới tải không đổi |
| Ứng dụng quan trọng | Đo biến dạng chính xác, loadcell | Loadcell và transducer độ chính xác cao |
Hai cơ chế bù này có mục tiêu khác nhau nhưng đều rất quan trọng đối với độ chính xác và độ ổn định lâu dài của loadcell.
11. VÌ SAO LỰA CHỌN ĐÚNG STRAIN GAUGE QUAN TRỌNG TRONG CHẾ TẠO LOADCell?
Trong một loadcell, strain gauge không hoạt động độc lập. Nó được kết hợp với phần tử đàn hồi, keo dán, mạch Wheatstone và các lớp bảo vệ để tạo thành một hệ thống đo hoàn chỉnh.
Vì vậy, việc lựa chọn strain gauge cần dựa trên nhiều thông số đồng thời:
- Vật liệu phần tử đàn hồi.
- Hệ số giãn nở nhiệt.
- Tải trọng định mức.
- Kết cấu loadcell.
- Dải nhiệt độ làm việc.
- Yêu cầu về creep.
- Yêu cầu về độ chính xác.
- Phương pháp dán và bảo vệ strain gauge.
Một strain gauge có thông số tốt nhưng không phù hợp với vật liệu hoặc thiết kế phần tử đàn hồi vẫn có thể khiến hiệu suất của loadcell không đạt yêu cầu.
Ngược lại, khi strain gauge được lựa chọn đúng về bù nhiệt và creep, kết hợp với quy trình chế tạo được kiểm soát, các sai số của cảm biến có thể được giảm đáng kể.
12. KẾT LUẬN
Bù nhiệt và bù creep là hai yếu tố quan trọng trong thiết kế strain gauge và chế tạo loadcell chính xác cao.
Tự bù nhiệt giúp giảm ảnh hưởng của sự thay đổi nhiệt độ đến tín hiệu đo. Việc lựa chọn đúng mã bù nhiệt cần dựa trên hệ số giãn nở nhiệt của vật liệu cần đo.
Trong khi đó, bù creep giúp kiểm soát sự thay đổi đầu ra của cảm biến theo thời gian khi tải trọng được duy trì không đổi. Việc lựa chọn mã creep N* hoặc T* cần được cân nhắc dựa trên vật liệu, kết cấu và đặc tính thực tế của phần tử đàn hồi.
Đặc biệt, creep của loadcell không chỉ phụ thuộc vào strain gauge mà còn chịu ảnh hưởng của vật liệu phần tử đàn hồi, keo dán, quy trình sản xuất, lớp bảo vệ và điều kiện làm việc.
Với danh mục strain gauge đa dạng về mã bù nhiệt và đặc tính creep, ZEMIC cung cấp các lựa chọn phù hợp cho nhiều yêu cầu trong nghiên cứu biến dạng, chế tạo loadcell và cảm biến lực.
🔵🔵🔵 ZEMIC VIỆT NAM
🌐 Website: www.zemic.vn
📞 Hotline: 0964 38 1800
📧 Email: zemicvn@gmail.com
Lưu ý: Các thông số và phương pháp trong bài viết được biên tập từ tài liệu kỹ thuật “Strain Gauge Compensation Theory and Method” của ZEMIC. Việc lựa chọn strain gauge cụ thể cần căn cứ vào thiết kế phần tử đàn hồi, vật liệu, điều kiện nhiệt độ và yêu cầu kỹ thuật của từng loại cảm biến.