Wireless daq using piezoelectric sensor for vibration measurement of bridge structure

 truyền về máy tính bảng tại trạm thông qua Bluetooth. Hệ đo được 
thử nghiệm tại cầu Lam Kinh, Thanh Hóa cho kết quả phân tích dao động kết cấu nhịp khá 
gần với giá trị đo từ hệ đo truyền thống sử dụng trong kiểm định cầu. 
2. BỘ DAQ KHÔNG DÂY 
Sơ đồ khối thiết kế của hệ đo bao trình bày ở hình 1. Trong đó cảm biến áp điện, mạch 
chuyển đổi, các chip xử lý tín hiệu, module không dây là các thành phần quan trọng. 
2.1 Cảm biến áp điện 
Cảm biến với cấu tạo kiểu “tụ điện hai bản cực song song” được hình họa ở hình 2a. Cảm 
biến được chế tạo bằng cách đặt lớp màng mỏng áp điện polyme PVDF (dày 30 μm) xen 
giữa 2 lớp điện cực nhôm, và được ép với lớp đế polyester (0,15 mm) tại nhiệt độ 80 oC [15]. 
Tiếp theo, 2 dây cáp đồng bọc nhiễu được gắn để nối với 2 điện cực bạc Ag của cảm biến với 
mạch đọc. Cảm biến cũng có nguyên tắc làm việc trên cơ sở hiệu ứng áp điện tương tự cảm 
biến PZT nêu trên. Khi ngoại lực (F=m×a) tác động theo hướng thẳng đứng tức là vuông góc 
với bản điện cực (hình 2b), sẽ làm cảm biến bị biến dạng. Hướng phân cực của các ion dương 
và âm bên trong lớp PVDF bi thay đổi theo, dẫn đến sự tích tụ của điện tích bề mặt tại lớp tiếp 
Tạp chí Khoa học Giao thông vận tải, Tập 71, Số 2 (02/2020), 135-144 
138 
xúc giữa PVDF và điện cực. Tổng lượng điện tích lũy tỷ lệ thuận với gia tốc của ngoại lực. 
Mạch điện tương đương của cảm biến gồm nguồn dòng IIN song song với tụ CS vẽ tại hình 2c. 
Trong đó nguồn dòng đặc trưng cho sự thay đổi nồng độ electron, tụ CS đặc trưng cho thành 
phần điện dung nền do cảm biến có cấu tạo kiểu bản cực song song. Tham số của cảm biến 
được tổng hợp ở bảng 1. 
Chuyển
Q→V
ADC/
Chip IoT
Truyền vô tuyến
(Bluetooth)
Lọc thông
thấp
Cảm biến
(Áp điện)
TRÊN CẦU
TRẠM ĐO
Khối nguồn (3,7 V) 
App
Hình 1. Sơ đồ khối thiết kế cho hệ đo dao động kết cấu nhịp cầu không dây. 
Hình 2. (a) Cấu tạo, nguyên lý hoạt động,(b) hình ảnh và (c) sơ đồ tương đương của cảm biến áp điện 
sử dụng vật liệu polyme PVDF và điện cực Ag. 
2.2 Mạch chuyển đổi Q-V 
Vì đầu ra của cảm biến PVDF là điện tích, cho nên cần có mạch chuyển đổi điện tích 
thành điện áp, đây là một khâu quan trọng góp phần đảm bảo hệ thống đo được và đúng tín 
Transport and Communications Science Journal, Vol 71, Issue 2 (02/2020), 135-144 
139 
hiệu dao động. Sơ đồ của mạch chuyển đổi được thiết kế trên cơ sở tham khảo mạch chuyển 
đổi Q-V của Analog được vẽ ở hình 3, Quan hệ điện áp ra VO và các linh kiện C, RF, RIN theo 
công thức [16]: 
)1(
IN
F
O
R
R
C
S
aV += (1) 
Trong đó S là độ nhạy của cảm biến áp điện và a là gia tốc cần đo. 
Mặt khác, hệ số khuếch đại tín hiệu K của mạch được tính toán từ mạch điện là: 
)1(
1
IN
F
R
R
C
K += (2) 
Với C = 1 nF, RF=10 k , S = 50 mV/a và RIN khi được chỉnh về một giá trị nhất định khi 
sử dụng, thì từ công thức (1), điện áp ra VO tỉ lệ tuyến tính với gia tốc cần đo a. Mặt khác, vì 
tín hiệu sau khi chuyển đổi là rất nhỏ, thiết kế mạch điện hình 2b với RIN là biến trở tinh 
chỉnh, cho phép điều chỉnh độ nhạy phù hợp với từng trường hợp cụ thể theo công thức (2). 
Hình 3. Sơ đồ mạch nguyên lý của bộ chuyển đổi Q-V. 
2.3 Các thành phần chính khác 
Tín hiệu điện áp đo sau khi được khuếch đại, cần được đưa qua mạch lọc để lọc bớt các 
dải tần số nhiễu. Vì dao động của kết cấu cầu là rất thấp từ Hz đến chục Hz, mạch lọc thông 
thấp được thiết kế với tần số cắt 20 Hz, giá trị này tương tự với tần số cắt sử dụng trong các 
nghiên cứu công bố gần đây [2-4]. Bộ chuyển đổi tương tự/số ADC sử dụng họ AD7091R 12-
bit. Chip IoT sử dụng ARM Cortex-M3 MCU tích hợp trong Kit phát triển STM32F103C8T6. 
Liên quan tới truyền dữ liệu, trong các công nghệ không dây phổ biến gồm Wifi, 4G, 
Bluetooth, thì Bluetooth là thích hợp hơn vì không phải trả phí thuê báo như 4G, tốn rất ít 
năng lượng hơn so với cả 4G hay Wifi. Cự ly truyền dữ liệu ngắn của công nghệ Bluetooth 
cũng phù hợp với khoảng cách từ dầm đến vị trí trạm đo thường vào khoảng 5-100 m. Ngoài 
ra, các thiết bị thu như máy tính bảng hay smartphone cũng tích hợp sẵn đầu thu Bluetooth, 
nên không phải thiết kế thêm phần cứng cho trạm. Module Bluetooth BlueSMiRF Gold với ăn 
Tạp chí Khoa học Giao thông vận tải, Tập 71, Số 2 (02/2020), 135-144 
140 
ten chìm và khoảng cách truyền tối đa lên tới 100 m được chọn và sử dụng trong bộ DAQ 
không dây này. Cơ bản các chip điện tử từ ADC, IoT, đến Bluetooth ở đây đều là dòng linh 
kiện có sẵn tại thị trường Việt Nam và dễ lập trình thông qua công cụ hỗ trợ của nhà sản xuất, 
công suất tiêu thụ rất thấp phù hợp với môi trường không dây chạy pin. Hình ảnh về bộ DAQ 
sau khi chế tạo được thể hiện ở hình 4. Các tham số cơ bản/tính năng của cảm biến, DAQ, 
chương trình đo được tổng hợp ở bảng 1. 
Hình 4. Hình ảnh về DAQ sau khi chế tạo và máy tính bảng chạy chương trình đo. 
Bảng 1. tổng hợp các tham số hệ thống đo. 
Thiết bị Tham số/tính năng 
Cảm biến 
+ Tần số đo: 0,1-10 Hz 
+ Độ nhạy: 50 mV/g 
+ Độ chính xác: ± 0,05 % 
+ Độ phi tuyến: ± 0,01 % 
+ Diện tích bề mặt: 1-25 cm2 
+ Độ cong tối đa khi làm việc: 30o 
DAQ không dây 
+ Nguồn cấp: 3,7 V (Pin sạc Li-Polymer) 
+ ADC: 12 bit 
+ Kích thước hộp: 150×100×50 
+ Độ chính xác: 0,5 % 
+ Phạm vi truyền dữ liệu giữa DAQ và trạm: 50-100 m 
+ Tần số truyền: 2,400~2,524 GHz 
Chương trình đo 
+ Chạy trên môi trường Android 
+ Hiển thị trực tiếp kết quả đo dưới dạng số và biểu đồ 
+ Thống kê dữ liệu đo 
+ Có thể kết nối cơ sở dữ liệu điện toán đám mây Google 
Transport and Communications Science Journal, Vol 71, Issue 2 (02/2020), 135-144 
141 
3. THỬ NGHIỆM TẠI CẦU LAM KINH-THANH HÓA 
Cầu Lam Kinh nằm trên đường Hồ Chí Minh, thuộc tỉnh Thanh Hóa, với một số đặc điểm 
cơ bản: 
• Tổng chiều dài Lc = 276,45 m 
• Khổ cầu B = 11 + 2 × 0,5= 12 m 
• Số nhịp: 08; Sơ đồ nhịp Ln = 8×33 m 
• Dạng kết cấu nhịp chính: dầm bê tông cốt thép dự ứng lực, nhịp giản đơn 
Việc thử nghiệm thiết bị đo tuân theo quy trình đo dao động kết cấu nhịp của tiêu chuẩn 
kiểm định cầu trên đường ô tô 22TCN 243-98. Theo tiêu chuẩn này, cần thực hiện đo dao 
động theo ba phương: thẳng đứng, nằm ngang cầu và nằm dọc cầu. Tuy nhiên, do giới hạn về 
kinh phí thử nghiệm, nghiên cứu tại bước này, tác giả chỉ việc được phép đo theo phương 
thẳng đứng và được thực hiện cùng với thời điểm kiểm định cầu Lam Kinh. Các hướng khác 
sẽ được tác giả thử nghiệm và báo cáo trong tương lai. 
Hình 4. Bố trí thiết bị đo nhận dạng dao động tại cầu Lam Kinh. 
Trước tiên hệ đo được triển khai lắp đặt như sau: vị trí gắn cảm biến tại mặt cắt giữa nhịp 
được làm sạch và đánh giấy ráp để tăng độ phẳng, sau đó cảm biến được gắn vào dầm bằng 
keo con voi và được phủ bằng băng dính; bộ DAQ được cố định vào móc bằng dây đai và sau 
đó nối với cảm biến áp điện PVDF. Trạm do với máy tính bảng kết nối Bluetooth được đặt tại 
khu vực chân cầu cách DAQ khoảng 10 m. Nhằm so sánh kết quả, thiết bị đo kiểm định tiêu 
Tạp chí Khoa học Giao thông vận tải, Tập 71, Số 2 (02/2020), 135-144 
142 
chuẩn bao gồm cảm biến gia tốc PCB352C68 của PCB kết nối cáp đồng trục (có chiều dài 
giống khi thực hiện kiểm định 8 m) với DAQ NI SCXI-1000DC của National Instruments 
cũng được triển khai lắp. Một số hình ảnh về bố trí thiết bị đo nhận dạng dao động tại cầu 
Lam Kinh được thể hiện trên hình 4. Tải trọng đo động sinh ra từ xe tải chạy qua cầu với tốc 
độ (30-35 km/h) từ nền đường đầu cầu bên mố M1 đến nền đường phía sau mố M2 và quay trở 
lại như minh họa ở hình 5. 
Hình 5. Minh họa nguồn tải trọng động khi đo dao động cầu Lam Kinh. 
Hình 6 thể hiện một đoạn tín gia tốc theo thời gian từ bộ đo không dây. Có thể thấy tín 
hiệu thu được khá điển hình trong đo kết cấu cầu [1-6] bao gồm bao gồm các thành phần tín 
hiệu nhiễu, dao động cưỡng bức và dao động tự do. Điều này chứng minh rằng hệ đo không 
dây được thiết kế và chế tạo đúng và phù hợp. Do độ phức tạp của tín hiệu thu được, chương 
trình máy tính tác giả xây dựng tại phiên bản này chưa thể tự động lọc ra được tín hiệu dao 
động tự do cũng như tính toán các tham số yêu cầu khác như ứng suất, chuyển vị. Trên cơ sở 
tín hiệu gia tốc theo thời gian hiển thị trên máy tính bảng tại trạm, kỹ thuật viên sẽ tiến hành 
phân tích, và xác định chu kỳ dao động tự do T của nhịp, sau đó tần số F được tính (F=1/T). 
Bảng 2 thống kê chu kỳ và tần số dao động kết cấu của 8 nhịp cầu Lam Kinh (N1, N2,..,N8). Số 
liệu từ bảng cho thấy giá trị đo từ thiết bị không dây rất gần với từ thiết bị kiểm định với sai 
số tương đối nhỏ hơn 5 %. Qua đó cho thấy thiết bị đo được nghiên cứu chế tạo ở đây hoàn 
toàn có thể sử dụng để xác định dao động kết cấu nhịp cầu trong công tác kiểm định cũng như 
quan trắc thường xuyên sức khỏe cầu. 
3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0
-1.0
-0.5
0.0
0.5
1.0
G
ia
 t
o
c
 (
g
)
Thoi gian (s)
Cuong buc Dao dongNhieu
Hình 6. Mẫu tín hiệu đo gia tốc theo phương thẳng đứng sau khi chuẩn hóa biên độ. 
Transport and Communications Science Journal, Vol 71, Issue 2 (02/2020), 135-144 
143 
Bảng 2. Hết quả ước lượng dao động kết cấu nhịp theo phương thẳng đứng tại cầu Lam Kinh. 
4. KẾT LUẬN 
Bài báo trình bày nghiên cứu thực nghiệm chế tạo hệ thiết bị thu thập dữ liệu không dây 
trên cơ sở công nghệ Bluetooth và cảm biến áp điện PVDF để đo dao động kết cầu. Hệ đo 
không dây được thử nghiệm đo dao động kết cấu nhịp theo phương thẳng đứng tại cầu Lam 
Kinh, Thanh Hóa. Sai số tương đối của tần số dao động kết cấu thu được từ hệ không dây so 
với thiết bị kiểm định tiêu chuẩn đang sử dụng phổ biết trong kiểm định cầu nhỏ hơn 5 %. Kết 
quả nghiên cứu thực nghiệm này cho thấy tiềm năng rất lớn và khả của ứng dụng công nghệ 
không dây và cảm biến polymer áp điện trong kiểm định hay quan trắc thường xuyên kết cấu 
cầu tại Việt Nam với ưu điểm là lắp đặt triển khai hệ đo nhanh chóng, sử dụng đơn giản, và 
giá thành thấp. Các nghiên cứu tiếp theo sẽ tập trung vào việc hoàn thiện dữ liệu đo theo các 
phương nằm ngang cầu và nằm dọc cầu; mở rộng đo thử nghiệm tại các cầu khác tại Việt 
Nam; hoàn thiện phần mềm để có thể tự động tính toán tần số dao động riêng, chuyển vị của 
kết cấu, và áp dụng trí tuệ nhân tạo vào việc tự đông nhận dạng mẫu tín hiệu đo. 
LỜI CẢM ƠN 
Nghiên cứu này được tài trợ bởi Trường Đại học Giao thông vân tải trong đề tài mã số T2019-ĐT-
09TĐ. Tác giả trân trọng cảm ơn Công ty đầu tư công nghệ toàn cầu DHL đã giúp đỡ thực hiện thí 
nghiệm đo tại hiện trường. 
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
[1] Tien Thanh Bui, Nguyen Ngoc Long, Guido De Roeck, Design of a permanent structural health 
monitoring system on the Guadalquivir rail bridge based on baseline ambient vibration testing and 
optimal sensor placement, In Proceedings of International Conference on Advances in Computational 
Mechanics, 2012, 967-981. https://www.semanticscholar.org/paper/Design-of-a-permanent-structural-
health-monitoring-Bui-Roeck/4fd75ae6d8189f35d2a1138f701732a21c1336f5 
[2] Bùi Tiến Thành, Lê Thanh Tùng, Lựa chọn vị trí tối ưu đặt điểm đo dao động phục vụ công tác 
đo đạc dao động cầu treo dây văng, Tạp chí Giao thông vận tải, 2016. 
Bộ phận 
đo 
T (s) F (Hz) 
Δ % 
Thiết bị kiểm 
định tiêu chuẩn* 
Thiết bị không 
dây trong bài 
báo 
Thiết bị kiểm định 
tiêu chuẩn* 
Thiết bị không 
dây trong bài 
báo 
N1 0,182 0,184 5,448 5,435 -1,087 
N2 0,238 0,234 4,203 4,274 1,709 
N3 0,0683 0,066 14,65 15,152 3,485 
N4 0,337 0,338 2,966 2,959 -0,296 
N5 0,242 0,242 4,136 4,132 0,000 
N6 0,141 0,148 7,092 6,757 -4,730 
N7 0,232 0,236 4,320 4,237 -1,695 
N8 0,228 0,224 4,389 4,464 1,786 
*Thiết bị kiểm định tiêu chuẩn: Cảm biến gia tốc PCB352C68 của PCB kết nối cáp tín hiệu với DAQ 
NI SCXI-1000DC của National Instruments 
Tạp chí Khoa học Giao thông vận tải, Tập 71, Số 2 (02/2020), 135-144 
144 
dac-dao-dong-cau-treo-day-vang-d32276.html 
[3] Tạ Đức Tuân, Lê Anh Tuấn, Vũ Đình Hương, Nhận dạng tần số dao động riêng của kết cấu bằng 
phương pháp kích động cưỡng bức, Tạp chí KHCN Xây dựng, 1 (2017) 27-31. 
[4] Nguyễn Công Đức, Trần Văn Một, Phan Công Bàn, Dương Lê Trường, Khảo sát thông số chuyển 
vị từ tín hiệu cảm biến đo gia tốc kết cấu dầm nhịp giản đơn, Tạp chí Phát triển Khoa học và Công 
nghệ, 18 (2015) 111-120. https://vcgate.vnu.edu.vn/articles/khao-sat-thong-so-chuyen-vi-tu-tin-hieu-
cam-bien-do-gia-toc-ket-cau-dam-nhip-gian-don 
[5] H. Tran, S. Khatir, G. De Roeck, T. Bui-Tien, L. Nguyen-Ngoc, M. Abdel Wahab, Model 
updating for nam o bridge using particle swarm optimization algorithm and genetic algorithm, 
Sensors, 18 (2018) 4131. https://doi.org/10.3390/s18124131 
[6] Duong H. Nguyen, Thanh T. Bui, Guido De Roeck, Magd Abdel Waha, Damage detection in Ca-
Non Bridge using transmissibility and artificial neural networks, Structural Engineering and 
Mechanics, 71 (2019) 175-183. https://doi.org/10.12989/sem.2019.71.2.175 
[7] B.Glisic, Ya. Yao, S.-T. E. Tung, S. Wagner, J. C Sturm, N. Verma, Strain sensing sheets for 
structural health monitoring based on large-area electronics and integrated circuits, Proceedings of the 
IEEE, 104 (2016) 1513-1528. 
[8] A. Meoni et al., An experimental study on static and dynamic strain sensitivity of smart concrete 
sensors doped with carbon nanotubes for SHM of large structures, Sensors, 18 (2018) 831. 
https://doi.org/10.3390/s18030831 
[9] S. Laflamme, F. Ubertini, H. Saleem, A. D. Alessandro, A. Downey, H. Ceylan, A. L. Materazzi, 
Dynamic characterization of a soft elastomeric capacitor for structural health monitoring, J. Struct. 
Eng., 141 (2015) 04014186. 
[10] R. Zhang et al., Strain sensing behaviour of elastomeric composite films containing carbon 
nanotubes under cyclic loading, Composites Science and Technology, 74 (2013) 1-5. 
https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2012.09.016 
[11] Y. Zhang et al., Monitoring of compression and bending process of reactive powder concrete 
using MWCNTs/PDMS composite sensors, IEEE Sensors Journal, 17 (2017) 6153-6159. 
https://doi.org/10.1109/JSEN.2017.2740325 
[12] S. Takamatsu, T. Yamashita, T. Itoh, Meter-scale large-area capacitive pressure sensors with 
fabric with stripe electrodes of conductive polymer-coated fibers, Microsyst. Technol., 22 (2016) 451. 
https://doi.org/10.1007/s00542-015-2498-3 
[13] S. Yan et al., Development and application of a structural health monitoring system based on 
wireless smart aggregates, Sensors, 17 (2017) 1641. https://doi.org/10.3390/s17071641 
[14] Hung Cao at al., Development and characterization of a novel interdigitated capacitive strain 
sensor for structural health monitoring, IEEE Sensors journal, 15 (2015) 6542-6548. 
https://doi.org/10.1109/JSEN.2015.2461591 
[15] Đào Thanh Toản, Sử dụng polyme chế tạo cảm biến áp lực mềm ứng dụng trong đo đạc, quan 
trắc công trình, Tạp chí khoa học giao thông vận tải, 62 (2018) 50-55. 
[16] https://www.analog.com/en/design-center/reference-designs/circuits-from-the-lab/cn0350.html. 
Truy cập ngày 24 tháng 2 năm 2020