Chip theo dõi tình trạng công trình xây dựng

Nó giúp cảnh báo tức thì những biến đổi của công trình xây dựng theo thời gian thực. Đây là đề tài nghiên cứu của TS Đào Thanh Toản, Khoa Điện - Điện tử, Đại học Giao thông Vận tải.

Phát hiện kịp thời hư hỏng

Hiện nay, trên thế giới đã bắt đầu lắp đặt các loại cảm biến để theo dõi tình trạng công trình xây dựng. Nó giúp các đơn vị quản lý kịp thời phát hiện hư hỏng, đảm bảo an toàn cho người sử dụng.

Đồng thời, nó cung cấp các số liệu phục vụ công tác nghiên cứu hoặc cải tiến thiết kế. Trong khi đó, ở Việt Nam, việc lắp đặt cảm biến cho các công trình xây dựng vẫn còn hạn chế do rào cản giá thành.

Chủ yếu được lắp đặt trong các cây cầu hiện đại mới xây dựng như cầu Nhật Tân… Có khoảng 9 - 10 loại cảm biến quan trắc các yếu tố khác nhau trong gói hệ thống điện tử. Tổng giá trị mỗi gói này khoảng vài chục tỷ đồng.

TS Đào Thanh Toản và cộng sự đã nghiên cứu chế tạo cảm biến áp lực hữu cơ để không phụ thuộc vào nguồn nhập khẩu.

Trong quá trình tìm hiểu, anh nhận thấy phần lớn các loại cảm biến áp lực hữu cơ dùng để quan trắc các công trình xây dựng trên thị trường hiện nay sử dụng công nghệ cầu điện trở (strain gauge), gồm một sợi dây kim loại mảnh đặt trên một tấm cách điện đàn hồi.

Nguyên lý hoạt động khá đơn giản: Dây kim loại bị lực tác động sẽ dẫn đến thay đổi điện trở. Do vậy, người ta sẽ gắn strain gauge vào bề mặt vật liệu để đo sự biến dạng của vật liệu thông qua việc đo sự thay đổi của điện trở - điện trở sẽ giảm khi chịu lực nén và tăng khi chịu lực kéo giãn.

Tuy nhiên, việc áp dụng công nghệ strain gauge để sản xuất cảm biến ở Việt Nam không đơn giản vì cần có phòng sạch, chi phí đầu tư lớn. Điều kiện chế tạo cảm biến theo công nghệ này phải cực kì tinh khiết, chỉ cần lệch một chút là sai số sẽ rất lớn, ảnh hưởng đến độ nhạy của cảm biến.

Để khắc phục khó khăn về điều kiện phòng thí nghiệm, TS Đào Thanh Toản và các cộng sự đã đề xuất chế tạo cảm biến sử dụng vật liệu polymer bằng phương pháp ép nhiệt.

Cụ thể, nhóm nghiên cứu đã đặt một lớp vật liệu mỏng bằng polymer giữa hai tấm điện cực bằng nhôm và dùng máy ép nhiệt ở nhiệt độ 80 độ C để liên kết các thành phần lại với nhau. Sau đó, cảm biến sẽ được nối với thiết bị thu thập dữ liệu gồm mạch tích hợp (IC) và mạch nhúng.

“Khi có sự biến dạng cơ học như uốn cong, nứt gãy, cảm biến sẽ phát tín hiệu. Thiết bị thu thập dữ liệu sẽ thu thập các tín hiệu, xử lý và tính toán theo một công thức do chúng tôi xây dựng, sau đó sẽ truyền bằng Bluetooth về điện thoại hoặc máy tính liên tục để theo dõi sự thay đổi theo thời gian thực”, TS Đào Thanh Toản giải thích về nguyên lý hoạt động.

Nghiên cứu cảm biến đo tải trọng xe

TS Đào Thanh Toản cho biết, để cho ra đời sản phẩm nhìn rất đơn giản này, nhóm đã mất một thời gian khá dài mày mò thử nghiệm. Đơn giản như để tìm ra nhiệt độ ép phù hợp để polymer kết dính tốt nhất mà không bị cháy, nhóm phải mất đến 1 - 2 năm.

Để thử nghiệm hoạt động của cảm biến, nhóm phải đổ dầm xi măng và gắn cảm biến vào, mỗi lần thử nghiệm xong là dầm đấy sẽ hỏng và bỏ đi luôn, tốn kém nhưng buộc phải làm.

Kết quả đánh giá bước đầu cho thấy, cảm biến áp lực hữu cơ do TS Đào Thanh Toản và các cộng sự chế tạo bằng phương pháp ép nhiệt có độ nhạy tương đồng. Thậm chí một số lần thử nghiệm còn cho kết quả tốt hơn cảm biến đang sử dụng, làm chủ được công nghệ sản xuất.

Cảm biến sản xuất theo phương pháp này có tính mềm dẻo cao, kích thước lớn, vì vậy sẽ giảm số lượng cảm biến cần sử dụng. Cảm biến được dán lên bề mặt công trình cần giám sát (như dầm, sàn bê tông, cột, trụ...) để theo dõi tình trạng như cong, nứt nên dễ dàng thay thế, sửa chữa. Đặc biệt là những công trình quan trọng, có ý nghĩa lịch sử, văn hóa, an ninh cao, việc lắp đặt cảm biến này là rất cần thiết.

Điều TS Đào Thanh Toản cũng trăn trở là việc thương mại hóa sáng chế này còn một quãng đường dài. “Để đưa vào thương mại, chúng tôi phải thực hiện thêm nhiều thử nghiệm nữa.

Phải qua được công đoạn đăng kiểm của Tổng cục Tiêu chuẩn Đo lường Chất lượng. Tìm doanh nghiệp chuyển giao, đàm phán giá cả... Chúng tôi đang lắp hệ thống cảm biến quan trắc thường xuyên ở bốn nơi, gồm cầu vượt bên Aeon Mall Long Biên, cầu Thăng Long, một tòa nhà trong Trường ĐH Giao thông Vận tải và một cầu vượt gần trường.

Hằng ngày, hệ thống quan trắc này vẫn liên tục gửi về rất nhiều dữ liệu, chúng tôi có làm một website và đặt nhờ server máy chủ ở trong trường. Chúng tôi muốn thu thập và phân tích xem có thể làm được gì với những dữ liệu thu được đó”, anh cho biết.

Với tính sáng tạo cao, cảm biến áp lực hữu cơ để theo dõi sức khỏe công trình xây dựng của TS Đào Thanh Toản và các cộng sự đã được Cục Sở hữu trí tuệ (Bộ KH&CN) cấp bằng độc quyền sáng chế vào tháng 5/2020.

TS Toản cho hay, hiện nhóm đang nghiên cứu về cảm biến tải trọng, có thể đo được hàng năm trên một con đường có bao nhiêu phương tiện vận tải chạy qua, có bị vượt quá tải trọng hay không… Nhóm đã nộp đơn sáng chế này và hy vọng cuối năm sẽ được cấp.