CHƯƠNG 2: THIẾT BỊ QUAN TRẮC
2.2 HỆ THỐNG CÁC CẢM BIẾN (SENSORS)
Thiết bị đo lực có thể được sử dụng để đo lực kéo, nén và lực cắt, với nguyên lý chuyển các tác động của lực và tải trọng thành tín hiệu điện. Thiết bị này được sử dụng trong việc theo dõi và kiểm soát lực căng trong dây văng ở cả giai đoạn thi công và khai thác.
Nhược điểm của thiết bị đo lực là phải gắn trực tiếp với các tao hay cả bó cáp, việc bố trí Loadcell cả bó cáp và việc lắp đặt Loadcell trong giai đoạn khai thác sẽ rất khó khăn và gần như không thực hiện được.
Hình 2.2. Thiết bị Loadcell và bố trí Loadcell đo lực trên cáp dây văng 2.2.2 Gia tốc kế (Accelerometer)
Gia tốc kế (Accelerometer) là các cảm biến và thiết bị dùng để đo, hiển thị và phân tích gia tốc, dao động. Gia tốc kế có thể đo được gia tốc theo 1D, 2D và 3D, dùng để đo dao động của dây văng và dầm cầu.
Hình 2.3. Một số cảm biến đo dao động
Các thiết bị này hoạt động theo nhiều nguyên lý như là: điện áp, điện dung, biến dạng, cộng hưởng, trở áp và cảm ứng.
2.2.3 Thiết bị đo địa chấn (Seismometer)
Thiết bị đo chấn động địa chấn dùng để đo và quan sát chuyển động của đất nền có tần số thấp gây ra bởi các hoạt động địa chấn. Nó đo các sóng chấn động và độ lớn của chuyển động đất nền bằng các phương pháp cơ học, điện tử, điện từ, hoặc quang-cơ... rồi chuyển thành tín hiệu điện.
Cảm biến đo chấn động địa chấn dùng trong hệ thống SHM phải là loại đầu đo gia tốc 3D, có khả năng chịu va đập tốt (tới 6000g), chịu được các điều kiện khắc nghiệt khi đo ngoài trời.
Hình 2.4. Cảm biến đo chấn động địa chấn MS2002+ của hãng SYSCOM 2.2.4 Thiết bị đo lực căng dây (Tension force sensor)
Thiết bị đo lực căng dây quan sát những thay đổi theo thời gian bằng việc đo đạc lực căng của dây cáp. Nguyên lý hoạt động: dưới tác dụng của lực căng trong dây văng các đặc trưng từ tính (độ nhiễm từ của thép) của vật liệu dây văng sẽ thay đổi. Bằng việc đo độ nhiễm từ của dây văng khi không có lực và khi có lực căng, độ chênh lệch từ tính của dây văng giữa hai thời điểm được xác định và sẽ xác định được lực căng trong dây văng bằng công thức quan hệ giữa lực căng và độ nhiễm từ của vật liệu.
Hình 2.5. Cấu tạo thiết bị đo lực căng dây 2.2.5 Thiết bị đo chuyển vị (Displacement Sensor)
Thiết bị đo chuyển vị được đặt tại điểm cuối của dầm tại vị trí khe co giãn, nhằm đánh giá được sự chuyển vị của cầu khi có hoạt tải và do tác động của nhiệt độ.
Hình 2.6. Bố trí cảm biến đo chuyển vị khe co giãn (cầu Ting Kau) 2.2.6 Thiết bị đo nghiêng (Inclinometer)
Thiết bị đo độ nghiêng tạo ra một đường giả định và đo góc nghiêng so với đường đó. Tiêu chuẩn quan trọng xem xét khi lựa chọn cảm biến đo độ nghiêng là phạm vi đo (độ) và số trục đo. Các cảm biến đo độ nghiêng thường sử dụng nguyên lý đo gia tốc, điện dung, điện phân, con lắc…
Thiết bị đo độ nghiêng có thể có nhiều dạng khác nhau: phần tử cảm biến (sensor element) hoặc chip, cảm biến (sensor) hoặc bộ chuyển đổi (transducer), thiết bị (instrument) hoặc bộ đo (meter), đầu đo (gauge) hoặc bộ chỉ thị (indicator), và bộ ghi (recorder).
Hình 2.7. Đầu dò máy đo độ nghiêng di động bên trong đường ống [3]
2.2.7 Thiết bị đo nhiệt độ (Thermometer)
Thiết bị đo nhiệt độ sử dụng 2 phương pháp cơ bản để đo nhiệt độ là phương pháp tiếp xúc và không tiếp xúc. Thường người ta hay lựa chọn cảm biến đo tiếp xúc với 6 loại: nhiệt ngẫu (thermocouples), trở nhiệt RTD, tia hồng ngoại, thiết bị lưỡng kim, thiết bị dãn nở bằng chất lỏng, thiết bị thay đổi trạng thái. Thiết bị đo nhiệt không tiếp xúc điển hình là đo bằng hồng ngoại.
Hình 2.8. Cảm biến đo nhiệt 2.2.8 Thiết bị đo gió (Anemometer)
Thiết bị đo gió có thể đo tốc độ và hướng gió. Có nhiều cách để đo các thông số của gió như: cánh quay kiểu turbin, hiệu ứng điện trở từ trường mạnh hay
nguyên lý siêu âm. Nguyên lý siêu âm có nhiều ưu điểm thường được sử dung gần đây vì nó không có bộ phận chuyển động do vậy độ bền sẽ tốt hơn.
Đầu đo gió kiểu siêu âm gồm 4 đầu siêu âm đặt trên mặt phẳng ngang, đầu đo sẽ đo thời gian truyền sóng siêu âm từ đầu này sang đầu khác trong cả 2 chiều.
Thời gian truyền sóng sẽ phụ thuộc vào tốc độ gió đi qua. Khi tốc độ gió bằng không thì thời gian truyền đi và về là như nhau, khi gió đi qua theo truyền âm thanh thì thời gian truyền đi tăng lên và thời gian truyền chiều ngược lại giảm. Bộ vi điều khiển bên trong sẽ tính ra tốc độ và hướng gió song song cho mỗi cặp đầu siêu âm, bộ xử lý sẽ xác định được tốc độ và hướng gió đi qua.
Hình 2.9. Cảm biến đo gió cánh quạt và siêu âm 2.2.9 Vũ kế (Rain gauge)
Vũ kế dùng để đo lượng mưa trong một thời gian. Các loại máy đo gồm các loại có một ống chia độ, máy đo khối lượng, máy đo nhỏ giọt và một ống gom được gắn vào. Mỗi loại có những ưu điểm và khuyết điểm riêng trong việc nhận thông tin về mưa.
Hình 2.10. Thiết bị đo mưa nhỏ giọt
Các máy đo mưa cũng có những giới hạn của nó. Thí dụ trong trường hợp bão nhiệt đới, thì việc đo mưa hầu như không thể thực hiện hoặc cho kết quả không chính xác (giả sử rằng thiết bị không bị ảnh hưởng do bão) do gió quá mạnh.
2.2.10 Hệ thống giám sát hình ảnh (Network camera)
Hệ thống giám sát hình ảnh được sử dụng để giám sát và theo dõi từ xa, các vị trí mà mắt thường không thể theo dõi được. Một số hệ thống giám sát hình ảnh còn có thể được sử dụng để ghi lại các sự kiện và để bật các chuông cảnh báo.
Hình 2.11. Một số loại camera theo dõi
2.2.11 Hệ thống định vị GPS hoặc GNSS (Global Navigation Satellite System) Hệ thống định vị GPS tương tự như các thiết bị quang học tầm nhìn. Cơ sở của các hệ thống này là thời gian truyền tín hiệu giữa hai hoặc nhiều điểm. GPS phù hợp để quan trắc các yếu tố đặc trưng hình học của cầu, cụ thể là đo chuyển vị theo 3 phương (phương dọc cầu, phương ngang cầu và phương đứng) tại vị trí đỉnh tháp, giữa dầm chủ, 1 phần tư dầm chủ và chân 2 trụ tháp.
Hình 2.12. Thiết bị GPS hãng Trimble
2.2.12 Cảm biến sợi quang (Fiber Optical Sensor)
Sợi quang (Optical fibers) có thể được sử dụng như là các cảm biến để đo biến dạng, nhiệt độ, áp lực/áp suất, và một số tham số khác. Với đặc điểm kích thước nhỏ gọn và không cần nguồn điện, cảm biến sợi quang FOS có ưu điểm hơn so với cảm biến điện (dựa trên nguyên lý thay đổi điện áp) truyền thống trong nhiều ứng dụng thực tế, trong đó có công trình cầu.
a) Cảm biến đo biến dạng b) Cảm biến đo nhiệt độ Hình 2.13. Một số ví dụ về cảm biến sợi quang FOS
Trong lĩnh vực cảm biến sợi quang, cảm biến FBG (Fiber Bragg Grating) đang được quan tâm phát triển trong thời gian gần đây. Nó có nhiều ưu điểm so với cảm biến FOS, nổi bật nhất là đại lượng đo được mã hóa trực tiếp dưới dạng chiều dài sóng, đây là tham số tuyệt đối và không bị nhiễu trên đường đi của ánh sáng.
Hình 2.14. Lắp đặt cảm biến đo biến dạng FBG ở cầu TsingMa Ngoài ra, hệ thống các cảm biến còn có các thiết bị khác như:
Cảm biến tốc độ;
Cảm biến đo lượng mưa cung cấp dữ liệu thông tin về mưa;
cảm biến đo chuyển vị cực đại đo chuyển vị tại gối cầu như góc xoay hay chuyển vị theo phương ngang, v.v...