Trong lĩnh vực quan trắc địa kỹ thuật và giám sát sức khỏe công trình SHM, Load Cell và Strain Gauge là hai loại cảm biến được sử dụng cực kỳ phổ biến. Tuy nhiên, rất nhiều kỹ sư, nhà thầu và chủ đầu tư thường nhầm lẫn giữa hai thiết bị này vì cả hai đều liên quan đến đo tải trọng và biến dạng kết cấu.

Thực tế, hai loại cảm biến này phục vụ 2 mục tiêu đo hoàn toàn khác nhau:

• Strain Gauge dùng để đo biến dạng của vật liệu hoặc kết cấu
• Load Cell dùng để đo lực hoặc tải trọng tác dụng trực tiếp

Việc lựa chọn đúng loại cảm biến không chỉ giúp tối ưu chi phí mà còn quyết định độ chính xác của toàn bộ hệ thống quan trắc công trình.

Strain Gauge là gì?

Nguyên lý đo của Strain Gauge

Strain Gauge (cảm biến đo biến dạng) là thiết bị dùng để đo sự thay đổi biến dạng rất nhỏ của vật liệu khi chịu tải. Giá trị đo thường được biểu diễn bằng đơn vị microstrain (µε).

Khi kết cấu bị kéo, nén hoặc uốn, bề mặt  vật liệu sẽ xảy ra biến dạng vi mô. Strain Gauge sẽ chuyển đổi sự thay đổi này thành tín hiệu điện để phục vụ công tác phân tích ứng suất và trạng thái làm việc của công trình.

Trong quan trắc địa kỹ thuật và kết cấu, Strain Gauge đặc biệt hữu ích khi cần:

• Đo phân bố biến dạng dọc theo dầm, cọc, hầm
• Phân tích ứng suất trong kết cấu
• Xác định vị trí tập trung ứng suất
• Theo dõi dao động và tải trọng động
• Quan trắc dài hạn công trình ngầm, cầu, đập

Các loại Strain Gauge phổ biến

1. Strain Gauge điện trở

Đây là loại phổ biến nhất hiện nay. Thiết bị sử dụng một lớp kim loại rất mỏng được dán trực tiếp lên bề mặt kết cấu.

Khi vật liệu biến dạng:

• Điện trở của lớp kim loại thay đổi
• Mạch cầu Wheatstone sẽ chuyển đổi thay đổi điện trở thành tín hiệu điện áp nhỏ (mV)
• Bộ đọc sẽ xử lý và quy đổi thành giá trị strain

Ưu điểm:

• Độ nhạy cao
• Phản hồi nhanh
• Phù hợp đo tải trọng động
• Thích hợp cho thí nghiệm dao động, rung động

Nhược điểm:

• Yêu cầu xử lý bề mặt cực kỳ cẩn thận
• Nhạy với độ ẩm và nhiễu điện
• Không lý tưởng cho quan trắc dài hạn tại hiện trường

2. Vibrating Wire Strain Gauge (Biến dạng dây rung)

Loại cảm biến này hoạt động dựa trên nguyên lý thay đổi tần số dao động của dây rung khi kết cấu bị biến dạng.

Ưu điểm:

• Độ ổn định dài hạn rất cao
• Chống nhiễu điện tốt
• Truyền tín hiệu xa
• Phù hợp môi trường khắc nghiệt
• Lý tưởng cho quan trắc địa kỹ thuật dài hạn

Nhược điểm:

• Tốc độ lấy mẫu thấp hơn Strain Gauge điện trở
• Không phù hợp cho phân tích dao động tần số cao

Load Cell là gì?

Nguyên lý hoạt động của Load Cell

Load Cell là cảm biến dùng để đo trực tiếp lực hoặc tải trọng tác dụng lên kết cấu. Khác với Strain Gauge đo biến dạng, Load Cell cho ra kết quả dưới dạng: kN, tấn, lực nén, lực kéo.

Load Cell được lắp trực tiếp trong đường truyền tải trọng để toàn bộ lực đi qua cảm biến.

Phần lớn Load Cell hiện đại sử dụng các Strain Gauge được gắn bên trong thân cảm biến. Khi tải trọng tác dụng:

• Thân Load Cell bị biến dạng đàn hồi rất nhỏ
• Strain Gauge bên trong thay đổi điện trở
• Tín hiệu được chuyển đổi thành giá trị tải trọng

Xem thêm: Thiết bị quan trắc đập – thủy điện – hồ chứa

Các loại Load Cell phổ biến

1. Strain Gauge Load Cell

• Độ chính xác cao
• Đo được tải tĩnh và tải động mức vừa
• Phổ biến trong thử tải cọc, neo đất, chống văng

2. Vibrating Wire Load Cell

• Ổn định dài hạn
• Chống nhiễu tốt
• Rất hợp quan trắc công trình dài hạn
• Rất phổ biến trong hố đào sâu và quan trắc neo

3. Hydraulic Load Cell

• Làm việc tốt trong môi trường khắc nghiệt
• Thường dùng khi cần phân bố tải đều
• Ít dùng trong hệ thống SHM hiện đại

So sánh Load Cell và Strain Gauge

Tiêu chí	Strain Gauge	Load Cell
Đại lượng đo	Biến dạng (µε)	Lực / tải trọng
Kết quả đầu ra	Microstrain	kN / tấn
Mục tiêu sử dụng	Phân tích ứng suất, biến dạng	Đo tải trực tiếp
Vị trí lắp đặt	Dán/gắn lên kết cấu	Lắp trong đường truyền lực
Khả năng đo động	Rất tốt	Tốt
Quan trắc dài hạn	VW rất tốt	VW rất tốt
Khả năng retrofit	Cao	Hạn chế hơn
Chi phí nhiều điểm đo	Tối ưu hơn	Cao hơn
Độ trực tiếp của dữ liệu	Phải quy đổi ra lực	Đọc trực tiếp lực

Kết luận

Load Cell và Strain Gauge không phải là hai thiết bị thay thế hoàn toàn cho nhau mà là hai công nghệ phục vụ các mục tiêu đo khác nhau.

• Nếu cần đo tải trọng trực tiếp → chọn Load Cell
• Nếu cần đo biến dạng và phân bố ứng suất → chọn Strain Gauge
• Nếu cần quan trắc toàn diện → nên kết hợp cả hai

Trong các dự án quan trắc địa kỹ thuật hiện đại, việc kết hợp:

• Load Cell để kiểm soát lực
• Strain Gauge để đánh giá hành vi kết cấu

sẽ mang lại dữ liệu chính xác, đáng tin cậy và hỗ trợ ra quyết định kỹ thuật hiệu quả hơn.