Xuất phát từ những nghiên cứu cơ bản trong lĩnh vực điện tử số và đo lường điện tử, TS. Đào Thanh Toản và các cộng sự ở khoa Điện - Điện tử, Trường đại học Giao thông vận tải, đã chế tạo ra nhiều thiết bị tự động theo dõi tình trạng công trình xây dựng cũng như sức khỏe con người. Một trong số đó là cảm biến áp lực hữu cơ, thiết bị tuy nhỏ bé nhưng hữu dụng nếu được áp dụng trong thực tế.
Thông thường, việc kiểm tra định kỳ các công trình xây dựng vẫn được các chuyên gia và cơ quan quản lý dựa vào những bản vẽ kỹ thuật và thông số từ thiết bị đo đạc, quan trắc tại hiện trường. Việc tiến hành như vậy thường mất thời gian và chưa hẳn đã đem lại kết quả chính xác. Vào thời kỳ của tự động hóa và kỹ thuật số, nhiều quốc gia tiên tiến trên thế giới đã bắt đầu áp dụng những giải pháp mới như lắp đặt các loại cảm biến để theo dõi tình trạng công trình xây dựng, giúp các đơn vị quản lý kịp thời phát hiện hư hỏng, đảm bảo an toàn cho người sử dụng, đồng thời cung cấp các số liệu phục vụ công tác nghiên cứu hoặc cải tiến thiết kế. Thậm chí ở Singapore, Chính phủ đã xác định Chiến lược cảm biến thông minh quốc gia (sử dụng các thiết bị cảm biến để thu thập dữ liệu trong mọi lĩnh vực, bao gồm giao thông) là 1 trong 5 chiến lược quốc gia cần thực hiện để trở thành một quốc gia thông minh.
Thông thường, việc kiểm tra định kỳ các công trình xây dựng vẫn được các chuyên gia và cơ quan quản lý dựa vào những bản vẽ kỹ thuật và thông số từ thiết bị đo đạc, quan trắc tại hiện trường. Việc tiến hành như vậy thường mất thời gian và chưa hẳn đã đem lại kết quả chính xác. Vào thời kỳ của tự động hóa và kỹ thuật số, nhiều quốc gia tiên tiến trên thế giới đã bắt đầu áp dụng những giải pháp mới như lắp đặt các loại cảm biến để theo dõi tình trạng công trình xây dựng, giúp các đơn vị quản lý kịp thời phát hiện hư hỏng, đảm bảo an toàn cho người sử dụng, đồng thời cung cấp các số liệu phục vụ công tác nghiên cứu hoặc cải tiến thiết kế. Thậm chí ở Singapore, Chính phủ đã xác định Chiến lược cảm biến thông minh quốc gia (sử dụng các thiết bị cảm biến để thu thập dữ liệu trong mọi lĩnh vực, bao gồm giao thông) là 1 trong 5 chiến lược quốc gia cần thực hiện để trở thành một quốc gia thông minh.
Cảm biến công trình xây dựng do TS. Đào Thanh Toản và các cộng sự nghiên cứu chế tạo
Mặc dù có nhiều lợi ích song ở Việt Nam, việc lắp đặt cảm biến cho các công trình xây dựng vẫn còn hạn chế do rào cản giá thành. “Ở Việt Nam, các loại cảm biến này chủ yếu được lắp đặt trong các cây cầu hiện đại mới xây dựng như cầu Nhật Tân,… với khoảng 9-10 loại cảm biến quan trắc các yếu tố khác nhau, đi kèm trong gói hệ thống điện tử, tổng giá trị mỗi gói này khoảng vài chục tỷ đồng”, TS. Đào Thanh Toản ở khoa Điện - Điện tử, Trường đại học Giao thông vận tải cho biết.
Đây là lý do để anh và các cộng sự nghiên cứu và chế tạo thành công cảm biến áp lực hữu cơ giá thành rẻ nhưng có hiệu quả tương đương so với các loại cảm biến hiện có trên thị trường.
Ưu điểm: So với cảm biến được chế tạo bằng vật liệu vô cơ truyền thống, cảm biến áp lực hữu cơ có ưu điểm nổi bật là mềm dẻo, phù hợp với nhiều bề mặt công trình khác nhau, quy trình sản xuất đơn giản. Ngoài mục tiêu giám sát tình trạng công trình xây dựng, nhóm tác giả mong muốn các thiết bị này sẽ được phổ biến hơn ở Việt Nam để thu thập dữ liệu quan trắc kết cấu công trình xây dựng theo thời gian thực, hướng đến mục tiêu xây dựng đô thị thông minh trong tương lai.
Trong quá trình tìm hiểu, tác giả 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 cầu điện trở 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 dãn.
Tuy nhiên, việc áp dụng công nghệ cầu điện trở để sản xuất cảm biến ở Việt Nam không phải là điều đơn giản vì cần có phòng sạch, đòi hỏi chi phí đầu tư lớn.
Vì vậy, để chế tạo cảm biến phù hợp với điều kiện của Việt Nam, tác giả và các cộng sự đã đề xuất chế tạo cảm biến sử dụng vật liệu polyme bằng phương pháp ép nhiệt. Cụ thể, nhóm nghiên cứu đã đặt 1 lớp vật liệu mỏng bằng polyme giữa hai tấm điện cực bằng nhôm và dùng máy ép nhiệt ở nhiệt độ 80oC 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.
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.
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 cấp bằng độc quyền sáng chế số 1-0023872 được công bố vào ngày 25/5/2020.
Đây là lý do để anh và các cộng sự nghiên cứu và chế tạo thành công cảm biến áp lực hữu cơ giá thành rẻ nhưng có hiệu quả tương đương so với các loại cảm biến hiện có trên thị trường.
Ưu điểm: So với cảm biến được chế tạo bằng vật liệu vô cơ truyền thống, cảm biến áp lực hữu cơ có ưu điểm nổi bật là mềm dẻo, phù hợp với nhiều bề mặt công trình khác nhau, quy trình sản xuất đơn giản. Ngoài mục tiêu giám sát tình trạng công trình xây dựng, nhóm tác giả mong muốn các thiết bị này sẽ được phổ biến hơn ở Việt Nam để thu thập dữ liệu quan trắc kết cấu công trình xây dựng theo thời gian thực, hướng đến mục tiêu xây dựng đô thị thông minh trong tương lai.
Trong quá trình tìm hiểu, tác giả 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 cầu điện trở 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 dãn.
Tuy nhiên, việc áp dụng công nghệ cầu điện trở để sản xuất cảm biến ở Việt Nam không phải là điều đơn giản vì cần có phòng sạch, đòi hỏi chi phí đầu tư lớn.
Vì vậy, để chế tạo cảm biến phù hợp với điều kiện của Việt Nam, tác giả và các cộng sự đã đề xuất chế tạo cảm biến sử dụng vật liệu polyme bằng phương pháp ép nhiệt. Cụ thể, nhóm nghiên cứu đã đặt 1 lớp vật liệu mỏng bằng polyme giữa hai tấm điện cực bằng nhôm và dùng máy ép nhiệt ở nhiệt độ 80oC 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.
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.
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 cấp bằng độc quyền sáng chế số 1-0023872 được công bố vào ngày 25/5/2020.
