Kỹ Thuật Kết Nối Cảm Biến Đo Độ Rung Hiệu Quả - Chính Xác

Tùy thuộc vào loại kết cấu cần giám sát, ứng dụng cụ thể mà bạn có thể sử dụng các dạng kết nối khác nhau như keo dán, bắt vít, nam châm… 

Kết nối 

Kết nối bằng vít có thể sử dụng dễ dàng, nhanh chóng trong nhiều trường hợp. Thông thường, loại kết nối này phù hợp với các loại vật liệu như bê tông cốt thép, thạch cao, và gỗ. Kết nối dạng này có độ bền cao, đặc biệt khi được mạ kẽm 

Kết nối cơ khí bằng vít là lựa chọn tốt trong các tình huống đòi hỏi độ bền kéo hoặc sức chịu tải bên cao. Phù hợp với các ứng dụng mà kết cấu phải chịu rung xóc mạnh 

Việc gắn kết chắc chắn rất quan trọng trong các ứng dụng mà kết cấu phải chịu rung động mạnh hoặc chuyển động đáng kể.

Tuy nhiên, để sử dụng kiểu kết nối này bạn phải đục lỗ có thể làm hư hại đến kết cấu cần đo. Việc làm này có thể gây nên các rủi ro đặc biệt là với các vật liệu mỏng. Việc khoan vào các kết cấu để kiểm tra đôi khi không thể thực hiện trong môi trường thực tế vì có thể làm hỏng đến máy móc cần đo (máy móc của khách hàng) hoặc khó tạo lỗ khoan với các bề mặt cứng, khó tiếp cận

Giải pháp kết nối bằng keo dán

Đối với các trường hợp khó khăn như ở trên, việc sử dụng keo dán cố định trở thành giải pháp được ưu tiên để tránh gây hại cho kết cấu. Tùy vào trường hợp cụ thể, keo dán một thành phần hoặc hai thành phần sẽ được sử dụng để cố định cảm biến vào thiết bị cần đo

Keo Epoxy hai thành phần: đây là loại keo sử dụng 02 thành phần là keo và chất làm đông cứng phối trộn lại để tạo ra quá trình đông cứng (polymer hóa) và bám dính. Tùy vào tỷ lệ phối trộn giữa 02 thành phần mà độ cứng của keo có thể thay đổi. Ngoài ra, điều kiện môi trường có thể ảnh hưởng đến quá trình đông cứng của keo

Keo Epoxy một thành phần: là loại keo được sẵn 02 thành phần epoxy và chất làm đông cứng bên trong một hộp chứa. Phản ứng đông cứng của keo sẽ được kích hoạt bởi nhiệt độ, thường là nhiệt độ cao trên 120°C để có thể đông cứng hoàn toàn. Việc kích hoạt đông cứng bằng nhiệt độ này linh hoạt hơn trong việc quản lý thời gian làm việc. Tuy nhiên, loại keo này có thể kém hiệu quả trong việc truyền rung động do độ lính hoạt lớn hơn sau khi khô

Thời Gian Lắp Đặt Keo Dán

Tuy việc sử dụng keo dán để kết dính mang lại các ưu điểm như gọn gàng, thẩm mỹ, không gây hỏng cấu trúc mẫu như so với phương pháp đục lỗ nhưng nó cũng có một số điểm yếu mà bạn cần lưu ý trước khi sử dụng như

Độ bám dính của keo: phụ thuộc rất nhiều vào chất lượng keo và việc chuẩn bị bề mặt

Thời gian chuẩn bị: do các loại keo epoxy sẽ cần thời gian đông cứng khác nhau, các loại keo càng bám dính tốt thì gian đông cứng càng lâu, dẫn đến thời gian chuẩn bị đo lâu hơn

Trong thực tế, việc sử dụng keo để kết nối là cần thiết trong hầu hết mọi quá trình lắp đặt cảm biến đo rung để đo lường. Đối với các dự án lớn cần kết nối một lượng lớn cảm biến, trung bình để keo 02 thành phần khô lại cần khoảng 10 phút nếu bạn cần lắp đặt cho khoảng 80 cảm biến sẽ tiêu tốn của bạn khoảng 10 giờ cho việc lắp đặt.

Việc kéo dài thời gian chuẩn bị làm tăng chi phí nhân công, máy móc, đôi khi cũng gây ảnh hưởng đến giao thông nếu đo lường các công trình công cộng… Do đó, cần phải cân đối lượng nhân công và sắp xếp công việc kỹ càng

Tối Ưu Hóa Quy Trình Lắp Đặt

Để tối ưu hóa quy trình lắp đặt, cần phân tích kỹ lưỡng các loại keo. Keo một thành phần, với phản ứng kích hoạt nhiệt, cung cấp thời gian lắp đặt nhanh hơn nhưng kém hiệu quả trong việc truyền rung động do tính linh hoạt lớn hơn sau khi khô.

Chuẩn bị cho thử nghiệm

Trong bài bài viết này, ta sẽ sử dung các nhóm thiết bị như bên dưới để cài đặt thí nghiệm

Bộ thu thập dữ liệu và cảm biến đo rung: thiết bị thu thập dữ liệu tích hợp với cảm biến MEMs 3 trục độ nhiễu thấp chuyển đổi tương tự sang số (ADC) và giao diện EtherCAT, được thiết kế để giám sát tình trạng kết cấu của các công trình lớn như cầu, công trình xây dựng

Phền mềm giám sát độ rung: hiển thị tín hiệu, ghi tín hiệu, đo tín hiệu, trực quan hóa dữ liệu

Phần mềm phân tích mô hình OMA: phần mềm chuyên dụng để thực hiện phương pháp phân tích phương thức vận hành (OMA), Phân tích phương thức thử nghiệm (EMA), Hình dạng độ lệch vận hành (ODS) và phân tích theo dõi tình trạng cấu trúc

Thử nghiệm đầu tiên: neo cơ học và neo hóa học

Việc chọn được phương pháp cố định cảm biến đo rung phù hợp và tối ưu hiệu quả quy trình lắp đặt, sẽ giúp bạn đo lường đạt kết quả tốt nhất, tiết kiệm chi phí nhân công, tạo sự tin cậy cao với đối tác và hạn chế ảnh hưởng tối đa cho kết cấu

Thử nghiệm 1:

Để so sánh sự khác biệt về tín hiệu thu lại giữa cảm biến cố định bằng vít và cố định bằng keo dán. Ta lần lượt cố định 02 cảm biến, 01 cảm biến bằng vít và 01 cảm biến bằng keo lên cánh của kim loại công nghiệp

Để so sánh các tín hiệu độ rung thu nhận từ hai cảm biến một cách khách quan nhất, ta cần bố trí 02 cảm biến nằm gần nhau để cùng nhận một tín hiệu rung động trong cùng thời gian và không gian

Lỗi thời gian gần như bằng không khi bạn sử dụng các mô-đun được thiết kế có thể thu thập dữ liệu phân tán đồng bộ (độ chính xác đồng bộ hóa lớn hơn 1µS)

Lỗi không gian có thể xem là không có khi đặt hai cảm biến cách nhau vài centimet trên của công nghiệp 3m chịu cùng một dao động

Chúng ta sẽ tập trung vào ảnh hưởng của keo dán đối với các rung động thu được. Bất kỳ vật liệu nào đặt giữa cảm biến và đối tượng phân tích đều hoạt động như một bộ lọc cơ học, ảnh hưởng đến biên độ và pha của tín hiệu. Các câu hỏi chính được đặt ra là: Những ảnh hưởng này là gì và chúng biểu hiện đến mức nào?

Phân tích cho thấy tính đàn hồi của keo, dịch chuyển tín hiệu theo trục Y (vuông góc với cánh cửa). Chức năng tự cân bằng của các mô-đun đo rung có chứng năng tự căn chỉnh các trực tương đối với các trục tuyệt đối. Việc này có nghĩa ta không cần phải cài đặt chứng theo cấp độ nên có thể tăng tốc quá trình lắp ráp

Trong trường hợp này, bạn cũng không cần phải quan tâm đến hướng của các trục được hiển thị trên thân mô-đun vì phần mềm sẽ thực hiện việc căn chỉnh lại thay bạn (xem ảnh 4)

Các tín hiệu trong Hình 6 là kết quả của bộ lọc thông thấp 30 Hz, loại bỏ các rung động có tần số quá cao không liên quan đến phân tích kết cấu. Thử nghiệm đầu tiên kết luận rằng ảnh hưởng đàn hồi của keo áp đặt một sự dịch pha đáng kể trong tín hiệu cảm biến gia tốc. Các thử nghiệm tiếp theo được tiến hành để thu thập thêm thông tin về sự dịch pha này.

Thử Nghiệm Thứ Hai: Ảnh Hưởng Dịch Pha So Với Lượng Keo

Việc thiết lập thử nghiệm thứ hai bao gồm:

Giảm lượng keo khi lắp đặt

Thêm một cảm biến với logic cố định kết hợp (keo + vít).

Phân tích trên kết cấu linh hoạt hơn.

Những thay đổi này nhằm nghiên cứu sự biến đổi pha dưới các điều kiện cố định khác nhau của keo. Kết cấu linh hoạt hơn tạo ra dao động lớn hơn, thuận lợi cho việc so sánh tín hiệu trong miền thời gian.

Do các hạn chế thực tế, không thể lắp đặt các mô-đun tại cùng một điểm đo. Để hạn chế sự đóng góp của dịch pha nguyên nhân do keo gây ra, chúng ta sử dụng bộ lọc thông dải 26,6Hz tương ứng với mức dao động đầu tiên của kết cấu. Tần số cộng hưởng này là tần số đầu tiên và duy nhất thể hiện các dao động cùng pha đối với tất cả các điểm đo dọc theo thanh

Tín hiệu màu xanh lá cây đại diện cho mô-đun cố định bằng vít, tín hiệu màu đỏ là mô-đun được dán keo, và tín hiệu màu xanh lam là mô-đun cố định bằng keo và vít.

Đỉnh tần số ở 26,6 Hz, chung cho cả ba cảm biến (tần số cộng hưởng). Chuyển sang phân tích miền thời gian, các tín hiệu dịch pha được quan sát khi so sánh tín hiệu từ mô-đun cố định bằng vít (xanh lá cây) với các mô-đun dán keo (đỏ và xanh lam).

Thử nghiệm thứ hai xác nhận sự có mặt của độ trễ thời gian trong tín hiệu thu được từ các mô-đun cố định bằng keo.

Thử Nghiệm Thứ Ba: Ảnh Hưởng Của Keo Trong Phân Tích Mô Hình

Mặc dù được thực hiện trong điều kiện không được tối ưu, thử nghiệm này nhằm mục đích thu được hình dạng mô hình đầu tiên của các thanh dưới phân tích. Nó cho thấy rằng có thể thực hiện phân tích mô hình của cấu trúc bằng cách chỉ lắp đặt các cảm biến đo rung bằng keo một thành phần

Trong bài thử nghiệm này, thử thách lớn nhất là về độ nhiễu mật độ tín hiệu quang phổ gây ra do điều kiện không tối ưu vì vật thể cần phân tích đăng liên kết với các thành phần kim loại khác có tần số cộng hưởng nằm trùng với dải đo mà chúng ta quan tâm

Độ nhiễu được hiểu biện dưới dạng một loạt đỉnh và đáy không đều trong phổ tần số. Các đỉnh và đáy không đều trong phổ tần số, làm phức tạp việc xác định các dạng dao động của thâ chính.Nguyên nhân gây ra sự phức tạp này là do vật thể được phân tích đang gắn với các cấu trúc kim loại khác (như được đề cập ở trên)

Khi thân chính rung, các kết cấu được kết nối khác có thể cộng hưởng ở tần số cụ thể, khuếch đại và làm thay đổi các rung động được truyền đi. Hiện tượng này sẽ tạo ra nhiều tần số chồng chéo lên nhau tạo ra một phổ tín hiệu và độ nhiễu có thể quan sát được. Các tần số nhiễu được thêm vào này khiến việc phân tích tín hiệu chính khó khăn hơn

Tuy nhiên, bất chấp sự hỗn loạn tín hiệu này, bạn có thể sử dụng các kỹ thuật phân tích nâng cao để tách và xác định chính xác tín hiệu rung chính ra khỏi các tín hiệu nhiễu. Các kỹ thuật này bao gồm thuật toán lọc và phân tích dữ liệu để cô lập và mô tả các thành phần rung động khác nhau

Hình 16. Tín hiệu phân tích mô hình trong miền thời gian. Trong ứng dụng này, chúng tôi cố định tất cả các cảm biến bằng keo.

Hình 17. Tín hiệu phân tích mô thức trong miền tần số. Trong ứng dụng này, chúng tôi cố định tất cả các cảm biến bằng keo.

Lý thuyết yêu cầu chúng ta đạt được trạng thái động lực học kiểu như hình 18. Chúng ta thấy rằng hình dạng chế độ uốn đầu tiên phản ánh hành vi tương tự như một chùm bị ràng buộc ở hai đầu. Vì vậy, hình dạng chế độ thu được phù hợp với mong đợi.

Phân tích mô hình được thực hiện với phần mềm OMA nhằm thu được hành vi động học dự kiến trong phân tích mô hình. Các dạng mô hình uốn đầu tiên phản ánh hành vi của một dầm bị hạn chế ở hai đầu, phù hợp với kỳ vọng.

Biểu đồ mật độ phổ cho thấy mức độ nhiễu cao, nhưng đã xác định được các dạng dao động đầu tiên. Các Hình 20 và 21 minh họa các tái tạo của các dạng dao động uốn đầu tiên, với các khu vực có màu ấm hơn biểu thị các phần chịu biến dạng lớn hơn.

Kết luận

Việc sử dụng keo để cố định các cảm biến gia tốc đo rung trên các kết cấu kim loại có thể gây ảnh hưởng đáng kể đến kết quả đo lường. Do đó, cần có phân tích cẩn thận và cụ thể, xem xét các loại keo khác nhau có sẵn.

Keo Hai Thành Phần

Keo hai thành phần đặc trưng bởi quá trình đông cứng nhờ thành phần chất làm cứng. Loại keo này đặc biệt hữu hiệu trong việc truyền tải rung động qua kết cấu, đảm bảo phát hiện chính xác các chế độ rung.

Tuy nhiên, keo hai thành phần cũng có một số nhược điểm. Thứ nhất, chúng có thể đắt đỏ do cần mua hai thành phần riêng biệt. Thứ hai, quá trình khô thường chậm, dẫn đến việc trì hoãn cài đặt và đo lường. Thứ ba, do độ cứng của chúng có thể làm cho việc sử dụng trong một số tình huống đòi hỏi sự linh hoạt trở nên không khả thi.

Keo Một Thành Phần

Keo một thành phần đặc trưng nhờ khả năng khô nhanh. Loại keo này cung cấp một giải pháp hiệu quả về thời gian và chi phí, cho phép lắp đặt cảm biến nhanh chóng hơn. Tuy nhiên, tính đàn hồi cao của keo một thành phần có thể dẫn đến một số rủi ro về độ chính xác do có thể gây ra sự suy hao và lệch pha của các rung động cảm biến nhận được

Lựa Chọn Keo Phù Hợp

Việc lựa chọn giữa keo hai thành phần và keo một thành phần phụ thuộc vào nhu cầu cụ thể của ứng dụng và đặc điểm của kết cấu. Cần đánh giá cẩn thận ưu và nhược điểm của từng loại để đảm bảo các phép đo chính xác và đáng tin cậy về chế độ rung của kết cấu, đặc biệt nếu mục tiêu cuối cùng là thực hiện phân tích mô hình.