Bộ thiết bị đo sử dụng cho nghiên cứu bao gồm những thành phần sau đây: Cảm biến gia tốc sơn áp điện, mạch điện khếch đại điện áp đầu ra của cảm biến, bộ phận lƣu trữ dữ liệu, máy tính[r]
(1)TẠP CHÍ KHOA HỌC, TRƢỜNG ĐẠI HỌC HỒNG ĐỨC - SỐ 21 2014
27
ĐO LƢỜNG VÀ ĐÁNH GIÁ RUNG ĐỘNG CỦA MỘT SỐ CÂY CẦU TRÊN ĐỊA BÀN TỈNH THANH HÓA
BẰNG CẢM BIẾN SƠN ÁP ĐIỆN
Hà Xuân Giáp1, Nguyễn Thị Mùi, Nguyễn Thị Thắm, Hà Văn Sơn1 TĨM TẮT
Để đảm bảo tính an tồn, cơng trình thiết bị có rung động cần thường xuyên đo đạc đánh giá Cảm biến sơn áp điện để đo rung động mà nhóm nghiên cứu sử dụng có cấu tạo tương đối đơn giản, bao gồm lớp sơn áp điện nằm giữa hai cực Lớp sơn đóng vai trị chuyển hóa rung động thành tín điện Khi ứng suất gây rung động thay đổi, tín hiệu điện áp cảm biến thay đổi theo, do rung động phát ghi nhận Qua việc sử dụng cảm biến để đo rung động số cầu địa phận tỉnh Thanh Hóa, kết cho thấy tính ổn định tin cậy cảm biến sơn áp điện chế tạo suốt trình làm việc, mở ra khả ứng dụng loại cảm biến thực tiễn
Từ khóa:Rung động, cảm biến, áp điện, PZT, biên độ gia tốc
1 ĐẶT VẤN ĐỀ
Tại Việt Nam nói chung khu vực tỉnh Thanh Hóa nói riêng, nhiều cơng trình máy móc chƣa đƣợc quan tâm mức việc đánh giá rung động Những rung động không gây nguy hiểm lập tức, nhƣng chúng gây vết nứt phát triển khơng ngừng từ vị trí ban đầu, sau phá hủy cơng trình máy móc, gây nên thiệt hại đáng kể
Trên thực tế, an tồn cơng trình máy móc thiết bị đƣợc coi yếu tố cần quan tâm hàng đầu Mức độ an tồn bị suy yếu hai ngun nhân chính: (i) Sử dụng cơng trình, trang thiết bị q tải trọng cơng suất thiết kế (ii) Sự xuống cấp theo thời gian trình sử dụng lâu dài tác động thời tiết, nhiệt độ, hóa chất Hệ tất yếu cơng trình máy móc xuống cấp nhanh bị phá hủy rung động đƣợc gây chúng [1]
Việc tìm phƣơng pháp hiệu quả, đơn giản giúp theo dõi tình trạng rung động, biến dạng cơng trình máy móc cần thiết, giai đoạn cơng nghiệp hóa nƣớc ta nhƣ nay, số lƣợng cơng trình máy móc chịu rung động tăng lên nhanh chóng, tiềm ẩn nhiều rủi ro cho ngƣời sử dụng không đƣợc theo dõi bảo dƣỡng thƣờng xuyên Tuy nhiên, nay, phƣơng pháp phát đo rung động cơng trình máy móc thƣờng dựa vào thiết bị đại, đắt tiền, thuật toán phức tạp đòi hỏi nhiều thời gian [2]
Nghiên cứu đƣợc thực với mục tiêu sau đây:
i)Chế tạo thiết bị cảm biến sơn áp điện đơn giản, chi phí thấp để đo gia tốc rung động cơng trình máy móc
(2)
TẠP CHÍ KHOA HỌC, TRƢỜNG ĐẠI HỌC HỒNG ĐỨC - SỐ 21 2014
28
ii) Sử dụng cảm biến sơn áp điện đo gia tốc rung động chế tạo đƣợc thiết bị hỗ trợ để đánh giá rung động cầu địa bàn tỉnh Thanh Hóa
Kết đo đạc rung động đƣợc sử dụng để phân tích, đánh giá tình trạng chịu tải mức độ nguy hiểm cầu nhằm phục vụ cho việc cải tiến thiết kế, chế tạo dự báo khoảng thời gian làm việc an tồn cơng trình thiết bị
2 THIẾT BỊ VÀ PHƢƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM
2.1. Cảm biến sơn áp điện
Trong nghiên cứu này, tất phép đo đạc đƣợc thực với với cảm biến sơn áp điện Khi cơng trình hay thiết bị chịu rung động, tín hiệu điện đầu cảm biến thay đổi theo Do rung động đƣợc phát ghi lại
Hình 1: Sơ đồ cảm biến áp điện
Về bản, cảm biến gia tốc sơn áp điện bao gồm lớp phim sơn áp điện kẹp hai điện cực dẫn điện Điện cực (bằng thép carbon) cảm biến Điện cực thứ hai lớp phim sơn dẫn điện (khác với sơn áp điện không dẫn điện) Tiêu chí để lựa chọn độ dày sơn áp điện tạo dễ dàng xác liệu Phim mỏng có lỗ pin nó, sơn dẫn điện liên hệ với bề mặt thông qua lỗ pin gây ngắn mạch Phim dày tăng cƣờng bề mặt nền, làm cho ứng suất lớp phim khác với ứng suất bề mặt nền, điều không mong muốn Độ dày tối ƣu màng sơn nên nằm 50 - 100 μm [3]
Cảm biến sơn áp điện đƣợc tạo cách phun sơn áp điện lên bề mặt dẫn điện với súng phun Những lớp phim dày đơng kết khơng khí nhiệt độ phịng 24 sau đƣợc phủ điện cực mặt trên, kết nối với dây tín hiệu, cuối phân cực với điện áp cao (ít 5kV/mm) để kích hoạt tính chất áp điện [4]
2.2. Phƣơng pháp nghiên cứu
Đối tượng đo rung động:
Để lấy liệu đo rung động, nhóm tác giả lựa chọn cầu tƣơng đối đơn giản: ngắn, có nhịp, chịu tải trọng tác động thƣờng xuyên thay đổi ngày, cụ thể là:
i) Cầu Lai Thành, cầu Bố thành phố Thanh Hóa ii) Cầu Đo Đạc, cầu Hà Lan thị xã Bỉm Sơn
(3)
TẠP CHÍ KHOA HỌC, TRƢỜNG ĐẠI HỌC HỒNG ĐỨC - SỐ 21 2014
29
Nhiệm vụ nghiên cứu:
i)Đo đạc thông số rung động (biên độ, tần số) cầu kể vào thời điểm khác ngày, mà tải trọng tác động lên chúng khác
ii) Xử lý liệu thu đƣợc phần mềm chuyên dụng CALFEM để xây dựng biểu đồ phổ mối tƣơng quan tần số - biên độ gia tốc rung, thời gian rung động – độ dịch chuyển cầu
Bộ thiết bị đo, gá đặt, thời gian lấy liệu:
Bộ thiết bị đo sử dụng cho nghiên cứu bao gồm thành phần sau đây: Cảm biến gia tốc sơn áp điện, mạch điện khếch đại điện áp đầu cảm biến, phận lƣu trữ liệu, máy tính với phần mềm xử lý liệu CALFEM dựa tảng Phƣơng pháp phần tử hữu hạn
Vị trí gá đặt thiết bị đo đƣợc chọn cho thu đƣợc liệu tốt rung động cầu Cảm biến đƣợc gắn thành bên, phần cầu Vị trí gá đặt đƣợc đánh dấu để giữ nguyên cho tất lần gá đặt Điều đảm bảo tính xác so sánh tổng hợp liệu lần đo khác
Thời gian lấy liệu kéo dài 10 tháng, nửa tháng lần, lần chia làm ca với tổng thời gian 24 tiếng để đảm bảo đánh giá đầy đủ tất thời điểm ngày Ngày lấy liệu đƣợc chọn ngày có thời tiết tốt để hạn chế tối đa khác biệt lƣu lƣợng phƣơng tiện giao thông hay thời tiết
3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN
3.1 Tính hiệu quả của cảm biến áp điện
Khả làm việc:
Cảm biến sơn áp điện đo gia tốc rung động thể khả làm việc tốt suốt trình tiến hành nghiên cứu Trong lần đo vào thời điểm khác nhau, cảm biến ln cho tín hiệu rõ ràng với độ chuẩn xác cao
Mức độ ổn định độ nhạy:
Trƣớc lần tiến hành đo đạc thực tế, cảm biến đƣợc tiến hành kiểm tra độ nhạy Độ nhạy lớn, cảm biến có khả phát
những rung động nhỏ cho kết đo xác Mức độ ổn định độ nhạy yếu tố khác cần quan tâm Trong trình nghiên cứu kéo dài 12 tháng, độ nhạy cảm biến đƣợc xác định giảm khoảng 15% sau tháng đầu tiên, giảm tiếp 5% qua tháng thứ hai nhƣng sau đạt đến giá trị ổn định giữ hầu nhƣ khơng đổi suốt thời gian cịn lại q trình thử nghiệm Điều hồn tồn phù hợp tính chất chung sơn áp điện
Hình 4: Độ nhạy cảm biến sơn áp điện qua 12 tháng 3.1. Dữ liệu đo rung động
(4)TẠP CHÍ KHOA HỌC, TRƢỜNG ĐẠI HỌC HỒNG ĐỨC - SỐ 21 2014
30
a) b)
Hình 5: Biểu đồ tần số - biên độ gia tốc rung cầu: a) Đo Đạc, b) Hà Lan
Đƣờng nhạt: Đƣờng rung động thực qua lần đo Đƣờng đậm: Đƣờng rung động trung bình
a) b)
Hình 6: Biểu đồ tần số - biên độ gia tốc rung cầu a) Lai Thành, b) Bố
Đƣờng nhạt: Đƣờng rung động thực qua lần đo Đƣờng đậm: Đƣờng rung động trung bình
Hình 7: Biểu đồ thời gian rung động - chuyển dịch cầu Đo Đạc, cầu Hà Lan
Đƣờng cao hơn: Chuyển dịch cầu phía xe đến Đƣờng thấp hơn: Chuyển dịch cầu phía ngƣợc lại
Hình 8: Biểu đồ tần số rung động - chuyển dịch cầu Lai Thành, cầu Bố
(5)TẠP CHÍ KHOA HỌC, TRƢỜNG ĐẠI HỌC HỒNG ĐỨC - SỐ 21 2014
31
3.2. Đánh giá độ xác kết
Kết đo rung động cầu thể hiện:
i)Vào cao điểm, mật độ phƣơng tiện giao thông cao hơn, biểu đồ cho thấy rung động mạnh với nhiều đỉnh biên độ
ii) Phần cầu gần với phía xe đến chịu rung động mạnh phần lại Dao động cầu tắt dần theo hình đồ thị hàm e-t
iii)Các cầu khu vực Tp Thanh Hóa có đƣờng biên độ gia tốc nhìn chung cao cầu khu vực Tx Bỉm Sơn lƣu lƣợng giao thông lớn Tuy vậy, cầu Bỉm Sơn có đỉnh biên độ lớn xe chở nguyên vật liệu cho nhà máy khu vực
Sai số phép đo:
i) Đối với biên độ gia tốc rung động cầu, sai lệch chuẩn phép đo kể nằm khoảng từ 0.01 đến 0.03 m/s2, tƣơng đƣơng với sai số tƣơng đối 2% – 5%
ii) Đối với độ dịch chuyển cầu, sai lệch chuẩn phép đo kể nằm khoảng từ 0.05 x 10-7
đến 0.02 x 10-6 m, tƣơng đƣơng với sai số tƣơng đối 3% – 7%
Việc sử dụng cảm biến sơn áp điện chế tạo đƣợc nghiên cứu để đo thông số rung động cho kết phản ánh xác chế độ làm việc cầu qua hợp lý biểu đồ chế độ làm việc thực tế chúng
4 KẾT LUẬN
Trong suốt trình tiến hành nghiên cứu 12 tháng, cảm biến gia tốc sơn áp điện thiết bị phụ trợ chứng tỏ khả làm việc tin cậy, ổn định Sau kết thúc thử nghiệm, cảm biến giữ nguyên độ nhạy lớp sơn áp điện bề mặt khơng có dấu hiệu bị bong tróc, rỉ hay đổi màu Điều khẳng định ƣu điểm cảm biến đo gia tốc rung động làm từ sơn áp điện phƣơng pháp chế tạo đơn giản không đắt tiền so với loại cảm biến khác
Kết đo phản ảnh đầy đủ xác chế độ làm việc thông thƣờng cầu Các chuyên gia cầu đƣờng muốn sử dụng cảm biến đƣợc chế tạo để thu nhận liệu có độ tin cậy cao rung động cầu, họ so sánh thêm với liệu thu đƣợc thiết bị đo chuyên dụng khác Khi đƣợc xác nhận tính xác, cảm biến sơn áp điện thiết bị theo dõi rung động hiệu nhằm đảm bảo tính an tồn cho cầu nhƣ cơng trình, thiết bị có rung động Hạn chế cảm biến sơn áp điện nghiên cứu đo đƣợc rung động nhƣng không xác định đƣợc lực tác động lên cầu thời điểm cụ thể
Tác động tới người môi trường:Để chế tạo cảm biến áp điện, cần pha chế sơn áp điện từ bột gốm PZT chất hóa học khác Cả PZT chất hóa học trung tính ngƣời làm việc điều kiện bình thƣờng Mặc dù PZT chứa chì oxit nhƣng chì bị giải phóng khỏi hợp chất rắn nhiệt độ cao 12200
C
(6)TẠP CHÍ KHOA HỌC, TRƢỜNG ĐẠI HỌC HỒNG ĐỨC - SỐ 21 2014
32
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Trần Thanh Hải, Chuẩn đoán vết nứt dầm đàn hồi phương pháp đo dao động, Luận án tiến sĩ học (2012)
[2] Trần Đức Tân, Nguyễn Thăng Long, Nguyễn Phú Thủy, Mechanical and Electronic Design of Capacitive Accelerometer, ICMT2005, Malaysia (2005)
[3] Đào Việt Dũng, Susumu Sugiyama, Silicon Piezoresistive six-degree of freedom Force-monent Micro sensor, Sensor and materials, Vol.15, No.3, pp 113-115 (2003)
[4] Bùi Thanh Tùng, Đậu Thanh Vân, Three degree of freedom micro accelerometer depended on MEMS Technology Fabriacation and Application, First international workshop on Nanotechnology and application IWNA, Vietnam (2007)
FABRICATION OF PIEZOLECTRIC PAINT SENSOR FOR MEASUREMENT AND EVALUATION OF VIBRATION
Ha Xuan Giap, Nguyen Thi Mui, Nguyen Thi Tham, Ha Van Son
ABSTRACT
To ensure safety, the equipment and constructions with vibration should be regularly measured and evaluated Piezoelectric paint sensors to measure vibrations made by the team of this subject has relatively simple structure, consisting of a piezoelectric paint layer between two plates The paint’s act is to transform dynamic vibrations into electrical signals When stress causes changes in the vibration, the sensor’s output voltage change as well, so the vibrations will be detected and recorded Through the use of sensors to measure vibrations of bridges on the territory of Thanh Hoa province, the results proved the stability and reliability of the piezoelectric paint sensor fabricated during the working process, opening up the possible applicability of this type of sensor in practice