Phương Pháp Lựa Chọn Cảm Biến Điện Trở Biến Dạng

Kháng cự cảm biến lực (được gọi là cảm biến biến dạng) là các thành phần nhạy chính chuyển đổi biến dạng cơ học của các bộ phận cấu trúc thành sự thay đổi điện trở, được sử dụng rộng rãi trong cảm biến tải , cảm biến lực, giám sát sức khỏe cấu trúc, kiểm tra hàng không vũ trụ và các lĩnh vực khác. Việc lựa chọn chúng trực tiếp quyết định độ chính xác, độ ổn định và tuổi thọ của hệ thống đo lường. Nguyên lý cốt lõi là "phù hợp hai chiều giữa đặc tính biến dạng và môi trường sử dụng"—tránh lãng phí chi phí do dư thừa thông số và ngăn ngừa thất bại trong đo lường do hiệu suất không đủ. Dưới đây là phương pháp lựa chọn toàn diện, kết hợp các thông số kỹ thuật, thích nghi với môi trường và các điểm then chốt thực tiễn để hỗ trợ việc lựa chọn chính xác.

Bước 1: Xác định rõ yêu cầu đo lường cốt lõi và các kịch bản ứng dụng (điều kiện tiên quyết để lựa chọn)

Trước khi lựa chọn, cần xác định rõ "loại biến dạng nào sẽ đo, trong môi trường nào sẽ đo và cách thức lắp đặt như thế nào", đây là cơ sở để chọn các thông số tiếp theo và tránh việc theo đuổi mù quáng các thông số hiệu suất cao.

1. Định nghĩa các yêu cầu đo lường cốt lõi

• Loại và dải biến dạng: Làm rõ đặc tính biến dạng của thành phần cần đo (biến dạng tĩnh như biến dạng do trọng lượng kết cấu, biến dạng động như biến dạng do rung động cơ học) và giá trị biến dạng tối đa, đồng thời dự trữ dải an toàn từ 1,2~1,5 lần. Ví dụ: Nếu biến dạng tối đa thực tế là 1000με, nên chọn cảm biến biến dạng có dải đo từ 1200~1500με; đối với biến dạng động (ví dụ như tải va đập), khuyến nghị dự trữ hệ số an toàn từ 1,5~2 lần để tránh hư hại lưới nhạy cảm do quá tải tức thời.
• Yêu cầu độ chính xác: Đây là giám sát định tính (ví dụ như cảnh báo sớm nứt kết cấu), phân tích định lượng (ví dụ như hiệu chuẩn cảm biến) hay đo lường độ chính xác cao (ví dụ như kiểm tra ứng suất trong phòng thí nghiệm)? Ví dụ: Các cảm biến biến dạng dùng cho đầu dò tải trọng cần đạt sai số độ nhạy ±0,1%, giám sát sức khỏe kết cấu có thể chấp nhận sai số ≤±0,5%, và đo lường độ chính xác trong phòng thí nghiệm yêu cầu ≤±0,05%.
• Hướng lực tác dụng: Chi tiết chịu lực một chiều (ví dụ như uốn dầm công xôn), lực hai chiều (ví dụ như chi tiết cơ khí ở trạng thái ứng suất phẳng) hay lực đa hướng (ví dụ như các nút kết cấu phức tạp)? Chọn cảm biến biến dạng một trục cho lực một chiều, và cảm biến biến dạng hai trục (góc vuông, rosette biến dạng) hoặc nhiều trục cho lực hai chiều/đa hướng.
• Tần số đo: Đối với phép đo động, cần làm rõ dải tần số của tín hiệu biến dạng. Tần số đáp ứng của cảm biến biến dạng phải ≥3 lần tần số tín hiệu đo được (để tránh méo tín hiệu). Ví dụ: Để đo biến dạng rung động 50Hz, nên chọn cảm biến biến dạng có tần số đáp ứng ≥150Hz.

2. Lắp đặt và Điều kiện kết cấu

• Đặc tính bề mặt chi tiết: Bề mặt chi tiết là phẳng, cong (bán kính cong là bao nhiêu) hay hình dạng đặc biệt? Cảm biến biến dạng linh hoạt (như loại lá mỏng) phù hợp với các chi tiết cong, và cần dùng cảm biến lưới ngắn khi bán kính cong nhỏ (≤10mm); loại có độ bám dính đế cao phù hợp với bề mặt nhám.
• Không gian lắp đặt: Cần sử dụng cảm biến biến dạng cỡ nhỏ (chiều dài lưới ≤2mm) cho các khu vực hẹp của chi tiết (như các mặt vát của bộ phận chính xác), và có thể chọn cảm biến biến dạng lưới trung bình hoặc dài cho các chi tiết kích thước lớn tùy theo mức độ đồng đều của biến dạng.
• Phương pháp lắp đặt: Là lắp dán ở nhiệt độ phòng, lắp hàn ở nhiệt độ cao hay dán tạm thời? Cần dùng cảm biến biến dạng hàn được trong các tình huống nhiệt độ cao, và có thể sử dụng loại cảm biến hút từ tính để giám sát tạm thời.

3. Điều kiện làm việc môi trường

• Dải nhiệt độ: Làm rõ dải nhiệt độ hoạt động bình thường (-20℃~60℃), trung nhiệt (60℃~200℃), cao nhiệt (200℃~1000℃) hoặc thấp nhiệt (＜-20℃). Dải bù nhiệt của cảm biến biến dạng phải bao phủ đầy đủ nhiệt độ thực tế để tránh ảnh hưởng độ chính xác do trôi nhiệt.
• Môi trường trung bình: Có độ ẩm (như dưới nước, xưởng làm việc ẩm ướt), ăn mòn (như khí axit-bazơ, ô nhiễm dầu trong xưởng hóa chất), bụi hoặc bức xạ mạnh không? Cần sử dụng cảm biến biến dạng chống nước trong môi trường ẩm ướt, cần vật liệu chịu ăn mòn (như lưới hợp kim niken-crom, đế polyimide) trong môi trường ăn mòn, kết hợp với xử lý bịt kín.
• Các yếu tố gây nhiễu: Có hiện tượng nhiễu điện từ mạnh (như gần động cơ, thiết bị điện áp cao) hoặc va đập rung động không? Trong các tình huống có nhiễu mạnh cần dùng cảm biến biến dạng có lớp chắn, trong các tình huống có rung động va đập cần dùng loại có độ dẻo dai tốt của đế và keo dán.

Bước 2: Lựa chọn các thông số kỹ thuật cốt lõi (phù hợp chính xác yêu cầu)

Sau khi làm rõ yêu cầu, hãy tập trung vào các thông số kỹ thuật cốt lõi của cảm biến biến dạng, đây là khâu then chốt trong việc lựa chọn và trực tiếp quyết định hiệu suất đo lường.

1. Các Thông Số Chính Của Mạng Nhạy Cảm (Xác Định Hiệu Suất Đo Cơ Bản)

• Giá trị điện trở: Giá trị điện trở thông thường của cảm biến biến dạng là 120Ω (tương thích với hầu hết các loại cảm biến biến dạng, có tính đa dụng cao nhất), ngoài ra còn có các thông số khác như 350Ω và 1000Ω. Cảm biến biến dạng có điện trở cao phù hợp với các hệ thống tiêu thụ điện năng thấp, trong khi cảm biến 120Ω có hiệu quả về chi phí cao nhất trong các ứng dụng công nghiệp. Khi lựa chọn, cần đảm bảo giá trị điện trở của cảm biến biến dạng phù hợp với điện trở đầu vào của thiết bị đo (sai lệch ≤±5%) để tránh suy giảm tín hiệu.
• Hệ số đo: Chỉ mối quan hệ tỷ lệ giữa biến dạng và sự thay đổi điện trở (giá trị thông thường 2,0±0,02), đây là thông số quan trọng để tính toán giá trị biến dạng. Khi lựa chọn, cần ưu tiên các cảm biến biến dạng có độ nhất quán tốt về hệ số đo (độ lệch lô ≤±1%), đặc biệt khi sử dụng nhiều cảm biến trong một mạch cầu (ví dụ như mạch cầu toàn phần của cảm biến tải), độ nhất quán kém sẽ dẫn đến sai số đo tăng lên.
• Chiều dài lưới và chiều rộng lưới: Chiều dài lưới xác định "phạm vi đo trung bình" của cảm biến biến dạng. Chiều dài lưới nhỏ (0,2~2mm) phù hợp để đo biến dạng cục bộ (ví dụ như đầu vết nứt), chiều dài lưới trung bình (3~10mm) phù hợp với các chi tiết thông thường, và chiều dài lưới lớn (10~100mm) phù hợp với các chi tiết cỡ lớn có độ dốc biến dạng nhỏ. Chiều rộng lưới phải phù hợp với hướng lực tác dụng lên chi tiết: chiều rộng lưới hẹp dùng cho lực một chiều, và chiều rộng lưới rộng hoặc cấu trúc rosette biến dạng dùng cho lực hai chiều.
• Vật liệu lưới nhạy cảm:
  • Hợp kim đồng-niken (Constantan): Được ưu tiên sử dụng trong các tình huống nhiệt độ bình thường (-20℃~150℃), có hệ số nhiệt nhỏ và độ ổn định tốt, phù hợp với cảm biến lực và giám sát cấu trúc;
  • Hợp kim niken-crom (Karma): Dùng cho các tình huống nhiệt độ trung bình và cao (-50℃~400℃), độ nhạy cao, phù hợp với việc giám sát động cơ và đường ống nhiệt độ cao;
  • Hợp kim bạch kim-iriđi: Dùng cho các tình huống nhiệt độ cao (400℃~1000℃), có khả năng chống ăn mòn mạnh, phù hợp với thiết bị hàng không vũ trụ và luyện kim;
  • Vật liệu bán dẫn: Độ nhạy cực kỳ cao (gấp 50~100 lần kim loại), nhưng độ ổn định nhiệt kém, phù hợp với đo lường chính xác trong phòng thí nghiệm.

2. Các thông số của đế và keo dán (Xác định khả năng thích nghi với môi trường)

• Vật liệu đế:
  • Đế giấy: Chi phí thấp, dễ dán, phù hợp với môi trường nhiệt độ bình thường và khô ráo (≤60℃), ví dụ như giám sát tạm thời các thiết bị dân dụng;
  • Chất nền nhựa phenolic: Chịu nhiệt độ 120℃, có khả năng chống dầu tốt, phù hợp với các tình huống máy móc công nghiệp thông thường;
  • Chất nền polyimide: Chịu nhiệt độ 250℃, có khả năng chống ăn mòn và chịu ẩm, phù hợp với các tình huống hóa chất, môi trường ẩm và nhiệt độ trung bình đến cao;
  • Chất nền gốm: Chịu nhiệt độ trên 1000℃, phù hợp với các môi trường khắc nghiệt như lò nung nhiệt độ cao và động cơ hàng không.
• Loại keo dán: Phải phù hợp với vật liệu chất nền và nhiệt độ làm việc. Keo gốc cyanoacrylate (khô nhanh) được chọn cho các tình huống nhiệt độ bình thường, keo gốc epoxy (chịu nhiệt 150℃) cho tình huống nhiệt độ trung bình, và keo vô cơ (chịu nhiệt trên 500℃) cho tình huống nhiệt độ cao. Độ bền cắt của keo phải ≥2MPa để tránh hiện tượng tách rời cảm biến biến dạng.

3. Thông số bù trừ nhiệt độ (Xác định độ ổn định đo lường)

• Phương pháp bù trừ nhiệt độ:
  • Cảm biến biến dạng tự bù: Bằng cách chọn các vật liệu lưới nhạy, sự thay đổi điện trở do nhiệt độ sẽ được bù lại bởi sự giãn nở nhiệt của bộ phận, phù hợp với các bộ phận làm từ một loại vật liệu (như thép, nhôm), dễ lắp đặt và được ưu tiên sử dụng trong các ứng dụng công nghiệp;
  • Bù bằng cảm biến phụ: Dán thêm các cảm biến biến dạng cùng loại với cảm biến làm việc lên các bộ phận giống hệt nhưng không chịu lực, và các sai số do nhiệt độ được bù thông qua mạch điện, phù hợp với các trường nhiệt độ phức tạp hoặc các bộ phận nhiều vật liệu.
• Dải bù nhiệt độ: Phải bao phủ toàn bộ dải nhiệt độ làm việc thực tế. Ví dụ: Trong môi trường xưởng từ -10℃ đến 80℃, nên chọn cảm biến biến dạng có dải bù từ -20℃ đến 100℃ để dự trữ dư lượng nhiệt độ.

4. Cấu trúc và thông số dây dẫn (Xác định việc lắp đặt và truyền tín hiệu)

• Cấu trúc cảm biến biến dạng:
  • Cảm biến biến dạng một trục: Dành cho các tình huống lực đơn hướng (như dầm công xôn, thanh kéo), cấu trúc đơn giản và chi phí thấp;
  • Cảm biến biến dạng hai trục (cảm biến góc vuông): Dành cho các tình huống lực hai hướng (như các chi tiết chịu ứng suất phẳng), có thể đo đồng thời biến dạng theo hai hướng vuông góc;
  • Bộ rosette biến dạng (45°, 60°): Dành cho các tình huống lực đa hướng (như các nút kết cấu, chi tiết phức tạp), có thể tính toán biến dạng chính và hướng ứng suất chính, phù hợp cho phân tích ứng suất.
• Đặc điểm kỹ thuật dây dẫn: Vật liệu dây dẫn thường là dây đồng tráng bạc. Dây cách điện PVC được chọn cho các tình huống nhiệt độ bình thường, và dây cách điện PTFE cho các tình huống nhiệt độ cao. Chiều dài dây dẫn phải phù hợp với khoảng cách đo. Đối với truyền dẫn khoảng cách xa (10m), cần sử dụng dây dẫn có lớp chắn để tránh nhiễu điện từ.

Bước 3: Thích nghi theo tình huống và tránh những sai lầm khi lựa chọn

Chọn cảm biến biến dạng theo đặc tính của các ứng dụng tình huống khác nhau, và tránh những lỗi lựa chọn phổ biến để đảm bảo độ ổn định và độ tin cậy của hệ thống đo lường.

1. Ví dụ lựa chọn theo tình huống điển hình

2. Những lỗi chọn lựa phổ biến và phương pháp tránh

• Lỗi 1: Chỉ tập trung vào hệ số cảm biến mà bỏ qua tính nhất quán – khi sử dụng nhiều cảm biến trong một cầu đo, ngay cả khi hệ số cảm biến của từng cảm biến đạt tiêu chuẩn, nhưng sai lệch lớn giữa các lô sản xuất (±1%) sẽ gây mất cân bằng cầu đo và làm tăng mạnh sai số đo. Cách khắc phục: Yêu cầu nhà cung cấp cung cấp báo cáo kiểm tra hệ số cảm biến cho các cảm biến biến dạng cùng lô, và kiểm soát sai lệch trong phạm vi ±0,5%.
• Lỗi 2: Sai lệch giữa chiều dài lưới và gradient biến dạng—việc chọn các cảm biến biến dạng có chiều dài lưới lớn tại các khu vực tập trung biến dạng cục bộ như đầu vết nứt sẽ dẫn đến hiện tượng "lấy trung bình" các giá trị đo được và không phản ánh đúng biến dạng thực tế. Cách khắc phục: Chọn chiều dài lưới ≤2mm tại các khu vực có gradient biến dạng lớn, và 5~10mm tại các khu vực có biến dạng đồng đều.
• Lỗi 3: Bỏ qua sự phù hợp giữa bù nhiệt và vật liệu cấu thành—sử dụng cảm biến biến dạng được bù cho thép trên các chi tiết bằng nhôm sẽ gây ra sai số nhiệt nghiêm trọng do sự khác biệt về hệ số giãn nở nhiệt. Cách khắc phục: Chọn cảm biến biến dạng tự bù với loại bù phù hợp theo từng loại vật liệu cấu thành (thép, nhôm, đồng, v.v.).
• Lỗi 4: "Chấp nhận tạm dùng" các thông số thích nghi với môi trường—việc chọn cảm biến biến dạng dùng vật liệu giấy thông thường trong môi trường ẩm mà không xử lý bịt kín sẽ dẫn đến hỏng lớp nền do thấm ẩm trong thời gian ngắn. Cách khắc phục: Chọn vật liệu nền phù hợp theo cấp độ môi trường (ẩm/ăn mòn/nhiệt độ cao), và thêm lớp phủ bịt kín chống nước nếu cần thiết.

Bước 4: Ghi chú bổ sung khi lựa chọn thực tế

• Khả năng tương thích cầu đo: Khi nhiều cảm biến tạo thành mạch cầu toàn phần/nửa cầu, cần đảm bảo các thông số điện trở, hệ số cảm biến và đặc tính nhiệt độ của các cảm biến biến dạng phải đồng nhất. Nên chọn cùng một lô sản xuất để giảm sai số cầu đo.
• Yêu cầu hiệu chuẩn: Đối với các cảm biến biến dạng dùng trong thanh toán thương mại (ví dụ như cảm biến lực) hoặc đo lường độ chính xác cao, cần chọn các thương hiệu có thể truy xuất nguồn gốc và đảm bảo sản phẩm đã qua chứng nhận đo lường, thuận tiện cho việc hiệu chuẩn hệ thống sau này.
• Phù hợp với quy trình lắp đặt: Đối với các bộ phận cong, cần xác nhận trước tính năng uốn của cảm biến biến dạng (bán kính cong cho phép ≤ bán kính cong của bộ phận). Đối với cảm biến biến dạng hàn được, cần lựa chọn thiết bị hàn và quy trình hàn tương ứng.
• Hỗ trợ từ nhà cung cấp: Ưu tiên các nhà cung cấp cung cấp hỗ trợ kỹ thuật. Thông báo cho họ về vật liệu bộ phận, điều kiện lực và các thông số môi trường để nhận được khuyến nghị lựa chọn chính xác hơn và tránh việc lựa chọn độc lập một cách mù quáng.

Tóm tắt: Logic cốt lõi trong việc lựa chọn cảm biến biến dạng điện trở

Bản chất của việc lựa chọn cảm biến điện trở biến dạng là một vòng khép kín gồm "phân tích yêu cầu → khớp thông số → kiểm chứng theo tình huống": trước tiên phân tích tách biệt bốn yêu cầu cốt lõi về "phạm vi biến dạng, độ chính xác, môi trường và cách lắp đặt", sau đó lựa chọn phù hợp các thông số chính như lưới cảm biến, đế và bù nhiệt, cuối cùng kiểm chứng tính hợp lý của lựa chọn thông qua các ví dụ tình huống và tránh sai sót.

Nếu bạn vẫn chưa chắc chắn về việc lựa chọn, bạn có thể cung cấp các thông tin sau cho nhà cung cấp: ① Vật liệu chi tiết và loại lực (đơn trục/lưỡng hướng); ② Giá trị biến dạng lớn nhất và yêu cầu độ chính xác; ③ Nhiệt độ làm việc và môi trường chất trung gian; ④ Không gian và phương pháp lắp đặt. Nhà cung cấp có thể nhanh chóng xác định được model phù hợp.