Nghiên cứu chế tạo đầu đo áp lực trong môi trường đất

KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 65 (6/2019) 11 
BÀI BÁO KHOA HỌC 
NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO ĐẦU ĐO ÁP LỰC 
TRONG MÔI TRƯỜNG ĐẤT 
Nguyễn Công Thắng1, Nguyễn Thái Hoàng1 
Tóm tắt: Việc đo đạc ứng suất trong môi trường đất đóng vai trò quan trọng trong nghiên cứu thiết 
kế, cũng như đánh giá an toàn công trình. Hiện nay ứng suất trong môi trường đất được xác định 
nhờ các đầu đo áp lực. Trên thế giới có rất nhiều hãng sản xuất đầu đo áp lực trong môi trường 
đất, tuy nhiên giá thành tương đối cao, ngoài ra phần lớn các thiết bị này chỉ đo được ứng suất 
tổng mà và không xác định được thành phần ứng suất hiệu quả. Bài báo trình bày quá trình nghiên 
cứu chế tạo và hiệu chuẩn đầu đo áp lực trong môi trường đất dạng cảm biến điện trở có thể dùng 
để xác định giá trị ứng suất tổng và ứng suất hiệu quả. 
Từ khóa: đầu đo áp lực, cảm biến điện trở, mô hình số, hiệu chuẩn thiết bị, độ nhạy, giới hạn đo 
1. ĐẶT VẦN ĐỀ* 
Thực tế xây dựng các công trình đất cho 
thấy, một số công trình như đập đá đổ lõi giữa, 
tường hào bentonite xuất hiện hiện tượng treo 
ứng suất. Do vậy, việc đo đạc ứng suất trong 
môi trường đất đóng vai trò quan trọng trong 
nghiên cứu thiết kế, cũng như đánh giá an toàn 
công trình. Hiện nay ứng suất trong môi trường 
đất được xác định nhờ các đầu đo áp lực. 
Đầu đo áp lực trong môi trường đất là thiết bị 
chuyển tín hiệu từ dạng năng lượng này sang 
dạng năng lượng khác. Năng lượng có thể có 
các dạng khác nhau: năng lượng điện, năng 
lượng cơ học, năng lượng điện từ trường, năng 
lượng hóa học, năng lượng sóng và nhiệt năng. 
Các cảm biến áp lực được sử dụng hiện nay tiếp 
nhận áp lực (dạng năng lượng cơ học) và 
chuyển thành tín hiệu điện sau đó được hiển thị 
trên máy đọc từ xa (Agarwal, 2005). Các đầu đo 
áp lực trong môi trường đất tạo ra tín hiệu điện 
có cường độ tỷ lệ thuận với giá trị áp lực cần 
được xác định. 
Hiện nay, có rất nhiều loại đầu đo áp lực 
trong môi trường đất được sử dụng: các loại đầu 
đo áp lực sử dụng cảm biến điện trở (strain 
gauge load cell), đầu đo kiểu áp điện 
(piezoelectric load cell), đầu đo kiểu thủy lực 
1 Bộ môn Sức bền - Kết cấu, Trường Đại học Thủy lợi 
(hydraulic load cell), đầu đo dạng khí nén 
(pneumatic load cell) và đầu đo dạng dây rung 
(vibrating wire load cell). 
Đầu đo áp lực trong môi trường đất dạng cảm 
biến điện trở thường có một tấm màng mỏng, 
một bên tiếp nhận áp lực cần đo một bên gắn 
tấm cảm biến điện trở. Cấu tạo của tấm cảm 
biến điện trở (strain gauge) gồm lớp vỏ bằng 
giấy cách điện hoặc bằng polyester, một dây 
điện trở được dán chặt vào giữa hai lớp vỏ và 
được hàn vào hai dây dẫn điện. Dưới tác dụng 
của áp lực làm biến dạng tấm màng qua đó làm 
biến dạng tấm điện trở dẫn đến thay đổi giá trị 
điện trở của dây dẫn. Sự thay đổi tương đối của 
điện trở tỉ lệ bậc nhất với sự thay đổi tương đối 
của chiều dài dây dẫn, tức là tỉ lệ bậc nhất với 
biến dạng dài tương đối. Như vậy nếu đo được 
sự thay đổi này thì sẽ xác định được biến dạng 
dài tương đối qua đó xác định được áp lực. 
Đầu đo áp lực trong môi trường đất kiểu áp 
điện (piezoelectric) hoạt động dựa trên nguyên 
lý áp điện: Tinh thể áp điện (thạch anh) bình 
thường không sinh ra điện áp nhưng khi chịu tác 
dụng của áp lực thì sinh ra điện áp. Đầu đo này 
thường được sử dụng để đo các tải trọng động 
(Engineering I.a., 2011). 
Đầu đo áp lực trong môi trường đất kiểu thủy 
lực thường có một piston và một xi lanh. Đầu đo 
được bơm đầy dầu hoặc một loại chất lỏng khác. 
 KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 65 (6/2019) 12 
Dưới tác dụng của áp lực, piston và màng mỏng 
chuyển động làm gia tăng áp suất của dầu, sự 
thay đổi áp suất này tạo ra sự thay đổi áp suất 
trong ống Bourdon được nối trực tiếp với đầu 
đo (Geokon T.W, 2013). 
Đầu đo áp lực trong môi trường đất kiểu khí 
nén được thiết kế để tự động điều chỉnh sự cân 
bằng áp suất. Áp lực của khí nén tác dụng vào 
một bên của màng ngăn và thoát ra qua vòi phun 
ở dưới đáy của đầu đo. Để xác định áp suất bên 
trong đầu đo, một đồng hồ đo áp suất được gắn 
với đầu đo. Độ lệch của màng ngăn ảnh hưởng 
đến dòng không khí qua vòi phun cũng như áp 
suất bên trong đầu đo (Harris, et al 1994). 
Đầu đo áp lực trong môi trường đất kiểu dây 
rung sử dụng một dây dao động ở tần số cao, áp 
lực tác dụng làm thay đổi lực căng của dây, dẫn 
đến sự thay đổi của tần số dao động. Xác định 
được sự thay đổi tần số này có thể đo được áp 
lực tác dụng lên đầu đo. 
Hiện nay trên thế giới có rất nhiều hãng sản 
xuất đầu đo áp lực trong môi trường đất, tuy 
nhiên giá thành tương đối cao. Ngoài ra phần 
lớn các thiết bị này chỉ đo được giá trị ứng suất 
tổng và không xác định được thành phần ứng 
suất hiệu quả. Để xác định được ứng suất hiệu 
quả các thiết bị đo này cần phải kết hợp với các 
thiết bị đo áp lực nước lỗ rỗng (piezometer). 
Theo (Jaroslaw Pytka, 2009), điểm hạn chế 
của các đầu đo dạng dây rung là mối liên hệ phi 
tuyến giữa tần số dao động và áp lực tác dụng, 
ngoài ra nó không phù hợp trong các trường hợp 
có tải trọng động tác dụng do hiện tượng “trễ”. 
Điểm hạn chế của các đầu đo dạng thủy lực 
cũng theo (Jaroslaw Pytka, 2009) có liên quan 
đến khả năng chịu áp lực của tấm màng mỏng 
ngăn cách chất lỏng với đất và việc ngăn cản 
không khí lọt vào hệ thống thủy lực. 
Các đầu đo dạng cảm biến điện trở tuy cũng 
có một số hạn chế liên quan đến độ bền của tấm 
cảm biến nhưng vẫn vượt trội so với các dạng 
khác về độ chính xác cũng như phạm vi sử dụng 
(phù hợp với cả các trường hợp chịu tác dụng 
của tải trọng tĩnh cũng như tải trọng động). 
Trong khuôn khổ bài báo nhóm tác giả sẽ 
trình bày quá trình nghiên cứu thiết kế để chế 
tạo đầu đo áp lực dạng cảm biến điện trở trong 
môi trường đất. 
2. NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VÀ HIỆU 
CHUẨN ĐẦU ĐO ÁP LỰC TRONG MÔI 
TRƯỜNG ĐẤT 
2.1. Lựa chọn vật liệu chế tạo đầu đo áp 
lực trong môi trường đất 
Đầu đo áp lực trong môi trường đất dạng cảm 
biến điện trở thường có một tấm màng mỏng, 
một bên tiếp nhận áp lực cần đo một bên gắn 
tấm cảm biến điện trở. Theo (Jaroslaw Pytka, 
2009) vật liệu chế tạo tấm màng này nên có mô 
đun biến dạng lớn hơn mười lần so với mô đun 
biến dạng của đất. Hiện nay có ba loại vật liệu 
được sử dụng phổ biến để chế tạo tấm màng của 
đầu đo áp lực dạng cảm biến điện trở là: thép, 
nhôm và titanium. Các loại vật liệu này phù hợp 
bởi ngoài các tính chất về cơ học còn có khả 
năng kết dính tốt với tấm cảm biến điện trở. 
Trong ba loại vật liệu này, thép là vật liệu dễ 
gia công nhất, tuy nhiên mô đun đàn hồi của 
thép lớn hơn ba lần so với mô đun đàn hổi của 
nhôm vì thế nếu sử dụng vật liệu thép sẽ có hạn 
chế về giới hạn đo so với nhôm. Titanium rất 
phù hợp với các trường hợp chịu tác dụng của 
tải trọng động nhờ có giới hạn bền cao, tuy 
nhiên nhược điểm của titanium là khó gia công. 
Bảng 2.1. Các đặc trưng cơ bản của 
 cả 3 loại vật liệu trên 
 Thép Titanium 
Nhôm 
6061 
Mô đun đàn 
hồi (GPa) 
207 118 70 
Hệ số 
Poisson 
0.285 0.34 0.34 
Nhóm tác giả lựa chọn nhôm 6061 để chế tạo 
đầu đo trong nghiên cứu của mình. 
2.2. Sử dụng mô hình số xác định các kích 
thước cơ bản của đầu đo áp lực 
Để có thể xác định thành phần ứng suất hiệu 
quả, đầu đo được chế tạo dạng hình trụ tròn có hai 
đáy được dát mỏng là nơi gắn các tấm cảm biến 
điện trở, một đầu sẽ dùng để đo ứng suất tổng, đầu 
còn lại dùng để xác định áp lực nước lỗ rỗng. Các 
KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 65 (6/2019) 13 
tấm cảm biến điện trở được gắn bên trong đầu đo 
tại vị trí có biến dạng lớn nhất của hai đáy, vị trí 
này sẽ được xác định nhờ mô hình số. Kích thước 
đầu đo được chế tạo càng nhỏ càng tốt, tuy nhiên 
vẫn phải đảm bảo có thể gia công gắn các tấm 
cảm biến điện trở vào bên trong. 
Hình 2.1. Hình chiếu cạnh của đầu đo 
Độ dày t của hai đáy có ảnh hưởng rất lớn 
đến độ nhạy cũng như giới hạn đo. Để xác định 
độ dày này nhóm tác giả tiến hành nghiên cứu 
trạng thái ứng suất biến dạng của đầu đo trên 
mô hình số bằng phương pháp phần tử hữu hạn. 
Do tính chất đối xứng về mặt hình học nghiên 
cứu được tiến hành cho sơ đồ một nửa với ba 
giá trị độ dày t: 0,3mm; 0,5mm; 1mm. Lưới 
phần tử của bài toán được thể hiện ở hình 2.2: 
Hình 2.2. Lưới phần tử và hệ trục tọa độ 
Ứng với các giá trị tải trọng khác nhau, bằng 
mô hình số tìm ra giá trị ứng suất lớn nhất và 
giá trị biến dạng lớn nhất. 
a) Trường hợp t = 1mm; tính toán với các 
trường hợp tải trọng phân bố đều q = 0,1Mpa; 
0,3Mpa; 0,5Mpa; 1Mpa. 
Hình 2.3 và 2.4 thể hiện kết quả tính toán cho 
trường hợp q = 0,3Mpa. 
Hình 2.3. Biến dạng tương đối theo phương 
X, εx trường hợp q=0,3Mpa 
Hình 2.4. Ứng suất lớn nhất theo Von-mises, 
trường hợp q=0,3Mpa 
Bảng 2.2. Bảng tổng hợp kết quả cho trường hợp t = 1mm 
q (Mpa) 0.1 0.2 0.5 1 
εx 2,656E-04 7,968E-04 13,279E-04 26,559E-04 
σeq (Mpa) 20,492 61,477 102,46 204,92 
b) Trường hợp t = 0,5mm; tính toán với các 
trường hợp tải trọng phân bố đều q = 0,01Mpa; 
0,05Mpa; 0,1Mpa; 0,2Mpa. 
Hình 2.5 và 2.6 thể hiện kết quả tính toán cho 
trường hợp q = 0,1Mpa. 
 KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 65 (6/2019) 14 
Hình 2.5. Biến dạng tương đối theo phương X, 
εx trường hợp q=0,1Mpa 
Hình 2.6. Ứng suất lớn nhất theo Von-mises, 
trường hợp q=0,1Mpa
Bảng 2.3. Bảng tổng hợp kết quả cho trường hợp t = 0,5mm 
q (Mpa) 0,01 0,05 0,1 0,2 
εx 0,886E-05 4,429E-04 8,857E-04 1,771E-03 
σeq (Mpa) 7,786 38,928 77,856 155,71 
c) Trường hợp t = 0,3mm; tính toán với các 
trường hợp tải trọng phân bố đều q = 0,01Mpa; 
0,03Mpa; 0,05Mpa; 0,1Mpa. 
Hình 2.7 và 2.8 thể hiện kết quả tính toán cho 
trường hợp q = 0,05Mpa. 
Hình 2.7. Biến dạng tương đối theo phương 
X, εx trường hợp q=0,05Mpa 
Hình 2.8. Ứng suất lớn nhất theo Von-mises, 
trường hợp q=0,05Mpa 
Như vậy với các mục đích đo khác nhau, phụ 
thuộc vào giới hạn đo cũng như độ nhạy cần 
thiết có thể lựa chọn độ dày thích hợp cho đầu 
đo áp lực. 
Bảng 2.4. Bảng tổng hợp kết quả cho trường hợp t = 0,3mm 
q (Mpa) 0,01 0,03 0,05 0,1 
εx 0,186E-03 0,559E-03 0,931E-03 1,863E-03 
σeq (Mpa) 19,597 58,79 97,984 195,97 
2.3. Chế tạo đầu đo áp lực trong môi 
trường đất 
Dựa vào kết quả tính toán trên mô hình số ta 
xác định được điểm có biến dạng dài tương đối 
lớn nhất là tâm của đáy, biến dạng này tỷ lệ 
thuận với áp lực tác dụng. Ứng với các chiều 
dày khác nhau của tấm màng đầu đo áp lực 
chúng ta sẽ thiết lập được đồ thị biểu diễn mối 
quan hệ này. Như vậy chỉ cần đo được biến 
dạng tại vị trí tâm của đáy đầu đo áp lực, chúng 
ta sẽ xác định được áp lực cần đo. 
Sử dụng nhôm 6061 chế tạo vỏ đầu đo áp lực 
trong môi trường đất với đáy được dát mỏng, 
chiều dày hai đáy t=0,5mm. Các tấm cảm biến 
KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 65 (6/2019) 15 
điện trở được gắn vào tâm của hai đáy, với mỗi 
tấm điện trở gắn thêm một điện trở bù nhiệt để 
loại bỏ ảnh hưởng của thay đổi nhiệt độ đến kết 
quả đo biến dạng. 
Hình 2.9. Đầu đo áp lực trong môi trường đất 
2.4. Hiệu chỉnh đầu đo áp lực trong môi 
trường đất 
Để có thể áp dụng vào thực tế cần xây dựng 
trước đường quan hệ giữa biến dạng tại vị trí 
tâm của hai đáy và áp lực tác dụng. Tiến hành 
thí nghiệm với đầu đo vừa chế tạo, kết quả được 
thể hiện ở bảng 2.5: 
Bảng 2.5. Mối liên hệ giữa kết quả đo biến 
dạng và áp lực từ thực nghiệm 
Biến dạng thực nghiệm 
(ε.10-6) 
Áp lực 
(kG/cm2) 
Đáy Nắp 
0 0 0 
0.5 10 26 
1 35 58 
1.5 63 89 
2 91 120 
2.5 119 151 
3 147 184 
3.5 175 215 
4 204 246 
Kết quả thu được từ bảng trên có thể biểu 
diễn dưới dạng đồ thị, thích hợp cho việc xác 
định nhanh giá trị áp lực từ kết quả đo biến 
dạng. Trên đồ thị hình 2.10, đường nét liền thể 
hiện các giá trị đo từ thực nghiệm, mối quan 
hệ giữa biến dạng và áp lực từ thực nghiệm 
này có thể xem gần đúng là quan hệ tuyến tính 
với sai số rất nhỏ được thể hiện bằng đường 
nét đứt thuận tiện cho việc áp dụng trực tiếp 
tại hiện trường. 
y = 53.033x - 12.289
R² = 0.9941
y = 62.167x - 3.3333
R² = 0.9997
0
50
100
150
200
250
300
0 1 2 3 4 5
B
iế
n
 d
ạn
g,
 ε
.1
0
-6
Áp lực, (kG/cm2)
Đáy Nắp Linear (Đáy ) Linear (Nắp)
Hình 2.10. Đồ thị biểu diễn mối liên hệ giữa 
kết quả đo biến dạng và áp lực 
3. KẾT LUẬN 
Bài báo đã trình bày quá trình nghiên cứu chế 
tạo và hiệu chỉnh đầu đo áp lực trong môi 
trường đất dạng cảm biến điện trở. 
 Loại đầu đo áp lực được chế tạo có hai 
đầu, một đầu có thể dùng để xác định ứng 
suất tổng đầu còn lại có thể dùng để xác định 
áp lực nước lỗ rỗng qua đó xác định được giá 
trị ứng suất hiệu quả. Ngoài ra kết quả đo 
không bị ảnh hưởng bởi sự thay đổi nhiệt độ 
môi trường. 
Giới hạn đo và độ nhạy yêu cầu có thể dễ 
dàng đáp ứng bằng việc thay đổi độ dày của tấm 
màng. Kết quả tính toán được xác định bằng mô 
hình số sau đó được hiệu chỉnh bằng thực 
nghiệm nên đảm bảo độ chính xác cao. 
 KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 65 (6/2019) 16 
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
Agarwal A. (2005), “Foundations of Analog and Digital Electronic Circuits”, Solutions to Exercises 
and Problems, 2005, pp. 43-50. 
Engineering I. a. (2011), “Load cell and Load cell types”, Retrieved January 2015, pp.26, from 
Geokon T.W. (2013), “Instruction Manual, Model 3500, 3510, 3515, 3600, Earth Pressure Cells”, 
Lebanon, USA: Goekon. 
Harris H.D, Bakker D.M. (1994), “A soil stress transducer for measuring in situ soil stresses”, Soil 
& Tillage Research 29, pp. 35-48. 
Jaroslaw Pytka. (2009), “Design considerations and calibration of stress transducers for soil”, 
Journal of Terramechanics 46, pp 241-249. 
Abstract: 
RESEARCH AND MANUFACTURING OF SOIL STRESS TRANDUCERS 
Stress measurement in the soil environment plays an important role in construction design as well 
as its safety assessment. Currently, stresses in the soil environment are measured by soil stress 
tranducers. Although there are numerous manufacturers of soil stress tranducer in the world, the 
price is relatively high. In addition, most of these devices can only measure the total stress but can 
not determine effective stress. This paper aims at presenting the processes of researching, 
manufacturing as well as calibrating the stress tranducers in the soil environment, which use strain 
gauges to determine the values of effective and total stresses. 
Keywords: stress tranducer, strain gauge, numerical model, device calibration, sensitivity, 
measurement limit. 
Ngày nhận bài: 20/3/2019 
Ngày chấp nhận đăng: 17/4/2019