Đo lường và đánh giá rung động của một số cây cầu trên địa bàn tỉnh Thanh Hóa bằng cảm biến sơn áp điện

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 Giáp
1, Nguyễn Thị Mùi, Nguyễn Thị Thắm, Hà Văn Sơn1 
TÓM TẮT 
Để đảm bảo tính an toàn, các công trình và thiết bị có rung động cần thường 
xuyên được đo đạc và 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 một lớp sơn áp điện nằm 
giữa hai bản cực. Lớp sơn đóng vai trò chuyển hóa rung động thành tín hiện điện. Khi 
ứng suất gây rung động thay đổi, tín hiệu điện áp ra của cảm biến cũng thay đổi theo, 
do đó các rung động sẽ được phát hiện và ghi nhận. Qua việc sử dụng cảm biến để đo 
rung động của một số cây cầu trên địa phận tỉnh Thanh Hóa, kết quả cho thấy tính ổn 
định và tin cậy của cảm biến sơn áp điện đã chế tạo trong suốt quá trình làm việc, mở 
ra khả năng ứng dụng của loại cảm biến này trong thực tiễn. 
Từ khóa: Rung động, cảm biến, áp điện, PZT, biên độ gia tốc 
1. ĐẶT VẤN ĐỀ 
Tại Việt Nam nói chung và khu vực tỉnh Thanh Hóa nói riêng, nhiều công trình và máy 
móc chƣa đƣợc quan tâm đúng mức trong việc đánh giá rung động. Những rung động tuy không 
gây ra nguy hiểm ngay lập tức, nhƣng chúng sẽ gây ra các vết nứt phát triển không ngừng từ 
những vị trí ban đầu, sau đó phá hủy công trình và máy móc, gây nên những thiệt hại đáng kể. 
Trên thực tế, sự an toàn của các công trình và máy móc thiết bị luôn đƣợc coi là yếu tố cần 
quan tâm hàng đầu. Mức độ an toàn có thể bị suy yếu đi do hai nguyên nhân chính: (i) Sử dụng công 
trình, trang thiết bị quá tải trọng hoặc công suất thiết kế. (ii) Sự xuống cấp theo thời gian do quá trình 
sử dụng lâu dài và tác động của thời tiết, nhiệt độ, hóa chất. Hệ quả tất yếu là khi công trình và máy 
móc càng xuống cấp thì càng nhanh bị phá hủy bởi các rung động đƣợc gây ra trên chúng [1]. 
Việc tìm ra một phƣơng pháp hiệu quả, đơn giản giúp theo dõi tình trạng rung động, biến 
dạng của các công trình và máy móc là hết sức cần thiết, nhất là trong giai đoạn công nghiệp hóa của 
nƣớc ta nhƣ hiện nay, số lƣợng các công trình và máy móc chịu rung động tăng lên nhanh chóng, 
tiềm ẩn rất nhiều rủi ro cho ngƣời sử dụng nếu không đƣợc theo dõi và bảo dƣỡng thƣờng xuyên. 
Tuy nhiên, hiện nay, các phƣơng pháp phát hiện và đo rung động trên các công trình và máy móc 
thƣờng dựa vào các thiết bị hiện đại, đắt tiền, thuật toán phức tạp đòi hỏi nhiều thời gian [2]. 
Nghiên cứu sẽ đƣợc thực hiện với những 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 của 
các công trình và máy móc. 
1
 ThS. Khoa Kỹ thuật - Công nghệ, trường Đại học Hồng Đức 
1
 CN. Khoa Kỹ thuật - Công nghệ, trường Đại học Hồng Đức 
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 đã chế tạo đƣợc và các thiết bị hỗ 
trợ để đánh giá rung động của các cây cầu trên địa bàn tỉnh Thanh Hóa. 
Kết quả đo đạc rung động có thể đƣợc sử dụng để phân tích, đánh giá tình trạng chịu tải 
và mức độ nguy hiểm của các cây cầu nhằm phục vụ cho việc cải tiến thiết kế, chế tạo và dự báo 
khoảng thời gian làm việc an toàn của công trình và thiết bị. 
2. THIẾT BỊ VÀ PHƢƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM 
2.1. Cảm biến sơn áp điện 
Trong nghiên cứu này, tất cả các phép đo đạc sẽ đƣợc thực hiện với với cảm biến sơn áp 
điện. Khi công trình hay thiết bị chịu rung động, tín hiệu điện đầu ra của cảm biến cũng thay đổi 
theo. Do đó các rung động sẽ đƣợc phát hiện và ghi lại. 
Hình 1: Sơ đồ của một cảm biến áp điện 
Về cơ bản, một cảm biến gia tốc sơn áp điện bao gồm một lớp phim của sơn áp điện kẹp 
giữa hai điện cực dẫn điện. Điện cực đầu tiên (bằng thép carbon) cũng là nền của bộ cảm biến. 
Điện cực thứ hai là một lớp phim của một sơn dẫn điện (khác với sơn áp điện không dẫn điện). 
Tiêu chí để lựa chọn độ dày của sơn áp điện là sự tạo ra dễ dàng và chính xác dữ liệu. Phim quá 
mỏng có thể có lỗ pin trong nó, và sơn dẫn điện có thể liên hệ với bề mặt nền thông qua những 
lỗ pin này gây ra ngắn mạch. Phim quá dày sẽ tăng cƣờng bề mặt nền, làm cho ứng suất trong 
các lớp phim khác với ứng suất trên bề mặt nền, và điều này là không mong muốn. Độ dày tối 
ƣu của màng sơn nên nằm giữa 50 - 100 μm [3]. 
Cảm biến sơn áp điện đƣợc tạo ra bằng cách phun sơn áp điện lên trên bề mặt dẫn điện với 
một khẩu súng phun. Những lớp phim dày sẽ đông kết trong không khí ở nhiệt độ phòng trong 24 
giờ và sau đó đƣợc phủ điện cực ở mặt trên, kết nối với dây tín hiệu, cuối cùng phân cực với một 
điện áp cao (ít nhất là 5kV/mm) để kích hoạt tính chất áp điện [4]. 
2.2. Phƣơng pháp nghiên cứu 
Đối tượng đo rung động: 
Để lấy dữ liệu đo rung động, nhóm tác giả đã lựa chọn những cây cầu tƣơng đối đơn giản: 
ngắn, có một nhịp, chịu tải trọng tác động thƣờng xuyên thay đổi trong ngày, cụ thể là: 
i) Cầu Lai Thành, cầu Bố tại thành phố Thanh Hóa 
ii) Cầu Đo Đạc, cầu Hà Lan tại thị xã Bỉm Sơn. 
 Hình 2: Kết cấu chung cho các cầu Hình 3: Mô hình chịu lực của cầu 
TẠP CHÍ KHOA HỌC, TRƢỜNG ĐẠI HỌC HỒNG ĐỨC - SỐ 21. 2014 
29 
Nhiệm vụ nghiên cứu: 
i) Đo đạc các thông số rung động (biên độ, tần số) của các cây cầu kể trên vào các thời 
điểm khác nhau trong ngày, khi mà tải trọng tác động lên chúng khác nhau. 
ii) Xử lý dữ liệu thu đƣợc bằng phần mềm chuyên dụng CALFEM để xây dựng biểu đồ 
phổ về mối tƣơng quan giữa tần số - biên độ của gia tốc rung, thời gian rung động – độ dịch 
chuyển của cầu. 
Bộ thiết bị đo, gá đặt, thời gian lấy dữ liệu: 
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 với phần mềm xử lý dữ liệu CALFEM dựa trên nền tảng Phƣơng pháp phần tử hữu hạn. 
Vị trí gá đặt thiết bị đo đƣợc chọn sao cho có thể thu đƣợc dữ liệu tốt nhất về rung động 
của cầu. Cảm biến sẽ đƣợc gắn ở thành bên, phần giữa cầu. Vị trí gá đặt đầu tiên sẽ đƣợc đánh 
dấu để giữ nguyên cho tất cả các lần gá đặt tiếp theo. Điều này đảm bảo tính chính xác khi so 
sánh và tổng hợp dữ liệu của các lần đo khác nhau. 
Thời gian lấy dữ liệu kéo dài 10 tháng, nửa tháng một lần, mỗi lần chia làm 3 ca với tổng 
thời gian là 24 tiếng để đảm bảo đánh giá đầy đủ tất cả thời điểm trong ngày. Ngày lấy dữ liệu 
cũng đƣợc chọn là những ngày có thời tiết tốt để hạn chế tối đa sự khác biệt về lƣu lƣợng các 
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 năng làm việc: 
Cảm biến sơn áp điện đo gia tốc của rung động đã thể hiện khả năng làm việc tốt trong 
suốt quá trình tiến hành nghiên cứu. Trong mọi lần đo và vào những thời điểm khác nhau, cảm 
biến luôn cho ra tín hiệu rõ ràng với độ chuẩn xác cao. 
Mức độ ổn định của độ nhạy: 
Trƣớc mỗi lần tiến hành đo đạc thực tế, cảm biến đƣợc tiến hành kiểm tra độ nhạy. Độ 
nhạy càng lớn, cảm biến càng có khả năng phát hiện 
những rung động nhỏ và cho kết quả đo càng chính 
xác. Mức độ ổn định của độ nhạy cũng là một yếu tố 
cơ bản khác cần quan tâm. Trong quá trình nghiên 
cứu kéo dài 12 tháng, độ nhạy của cảm biến đƣợc 
xác định là giảm đi khoảng 15% sau tháng đầu tiên, 
giảm tiếp 5% qua tháng thứ hai nhƣng sau đó đạt đến 
giá trị ổn định và giữ hầu nhƣ không đổi trong suốt 
thời gian còn lại của quá trình thử nghiệm. Điều này 
hoàn toàn phù hợp tính chất chung của sơn áp điện. 
Hình 4: Độ nhạy của cảm biến sơn áp điện qua 12 tháng 
3.1. Dữ liệu đo rung động 
Phần dƣới đây là đồ thị dạng biểu đồ phổ về mối tƣơng quan giữa tần số - biên độ gia tốc 
rung động của cầu. 
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 của cầu: a) Đo Đạc, b) Hà Lan 
Đƣờng nhạt: Đƣờng rung động thực qua mỗi lần đo. 
Đƣờng đậm: Đƣờng rung động trung bình. 
 a) b) 
Hình 6: Biểu đồ tần số - biên độ gia tốc rung của cầu a) Lai Thành, b) Bố 
Đƣờng nhạt: Đƣờng rung động thực qua mỗi lần đo. 
Đƣờng đậm: Đƣờng rung động trung bình. 
Hình 7: Biểu đồ thời gian rung động - chuyển dịch của cầu Đo Đạc, cầu Hà Lan 
Đƣờng cao hơn: Chuyển dịch của cầu phía xe đi đến 
Đƣờng thấp hơn: Chuyển dịch của cầu phía ngƣợc lại. 
Hình 8: Biểu đồ tần số rung động - chuyển dịch của cầu Lai Thành, cầu Bố 
Đƣờng cao hơn: Chuyển dịch của cầu phía xe đi đến 
Đƣờng thấp hơn: Chuyển dịch của cầu phía ngƣợc lại. 
TẠP CHÍ KHOA HỌC, TRƢỜNG ĐẠI HỌC HỒNG ĐỨC - SỐ 21. 2014 
31 
3.2. Đánh giá độ chính xác của kết quả 
Kết quả đo rung động của các cầu thể hiện: 
i) Vào những giờ cao điểm, mật độ phƣơng tiện giao thông cao hơn, các biểu đồ cho thấy 
sự rung động mạnh với nhiều đỉnh biên độ hơn. 
ii) Phần cầu gần với phía xe đi đến chịu rung động mạnh hơn phần còn lại. Dao động 
của cầu tắt dần theo hình đồ thị của hàm e-t. 
iii) Các cầu ở khu vực Tp Thanh Hóa có đƣờng biên độ gia tốc nhìn chung cao hơn các 
cầu ở khu vực Tx Bỉm Sơn do lƣu lƣợng giao thông lớn hơn. Tuy vậy, các cầu ở Bỉm Sơn cũng 
có những đỉnh biên độ lớn do xe chở nguyên vật liệu cho các nhà máy trong khu vực. 
Sai số của các phép đo: 
i) Đối với biên độ gia tốc rung động của cầu, sai lệch chuẩn của các phép đo kể trên nằm 
trong khoảng từ 0.01 đến 0.03 m/s2, tƣơng đƣơng với sai số tƣơng đối 2% – 5%. 
ii) Đối với độ dịch chuyển của cầu, sai lệch chuẩn của các phép đo kể trên nằm trong 
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 trong nghiên cứu để đo các thông số 
rung động đã cho kết quả phản ánh chính xác chế độ làm việc của các cầu qua sự hợp lý giữa 
các biểu đồ và chế độ làm việc thực tế của chúng. 
4. KẾT LUẬN 
Trong suốt quá trình tiến hành nghiên cứu 12 tháng, các cảm biến gia tốc sơn áp điện và 
thiết bị phụ trợ đã chứng tỏ khả năng làm việc tin cậy, ổn định. Sau khi kết thúc thử nghiệm, các 
cảm biến vẫn giữ nguyên độ nhạy của mình và lớp sơn áp điện trên bề mặt không có dấu hiệu bị 
bong tróc, rỉ hay đổi màu. Điều này khẳng định những ƣu điểm của cảm biến đo gia tốc rung 
động làm từ sơn áp điện mặc dù phƣơng pháp chế tạo khá đơn giản và không đắt tiền so với các 
loại cảm biến khác. 
Kết quả đo phản ảnh đầy đủ và chính xác chế độ làm việc thông thƣờng của cầu. Các 
chuyên gia về cầu đƣờng muốn sử dụng cảm biến đã đƣợc chế tạo để thu nhận dữ liệu có độ tin 
cậy cao về rung động của cầu, họ có thể so sánh thêm với dữ liệu thu đƣợc bởi các thiết bị đo 
chuyên dụng khác. Khi đã đƣợc xác nhận tính chính xác, cảm biến sơn áp điện sẽ là một thiết bị 
theo dõi rung động rất hiệu quả nhằm đảm bảo tính an toàn cho các cây cầu cũng nhƣ các công 
trình, thiết bị có rung động. Hạn chế của cảm biến sơn áp điện trong nghiên cứu là chỉ đo đƣợc 
rung động nhƣng không xác định đƣợc lực tác động lên cầu tại mỗi thời điểm cụ thể. 
Tác động tới con người và môi trường: Để chế tạo cảm biến áp điện, cần pha chế sơn áp 
điện từ bột gốm PZT và các chất hóa học khác. Cả PZT và các chất hóa học đều trung tính đối 
với con ngƣời khi làm việc ở điều kiện bình thƣờng. Mặc dù PZT chứa chì oxit nhƣng chì chỉ bị 
giải phóng ra khỏi hợp chất rắn này khi ở nhiệt độ cao hơn 12200C. 
Do những ƣu điểm đã nêu, cảm biến sơn áp điện nên đƣợc xem xét để đƣa vào ứng dụng 
thực tiễn để đo rung động cho các công trình và máy móc thiết bị trong thời gian tới. 
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 của dầm đàn hồi bằng phương pháp đo dao động, 
Luận án tiến sĩ cơ 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. 
Keywords: Vibration, sensor, piezoelectric, PZT, acceleration amplitude