Trên dây văng của một cây cầu đang khai thác, chuyển động do phương tiện, gió và tác động môi trường tạo ra những dao động nhỏ mà mắt thường không thể nhận biết. Một nhóm nghiên cứu Việt Nam đã thử ghi lại những dao động ấy bằng cảm biến sợi quang, sau đó đối chiếu các tần số thu được với dữ liệu từ cảm biến gia tốc thường dùng trong quan trắc kết cấu.

Công trình được công bố trên tạp chí Sensors tháng 7/2026. TS. Nguyễn Thị Cẩm Nhung, Giảng viên chính Bộ môn Cầu, Khoa Công trình và Môi trường, Trường Đại học Giao thông Vận tải, là tác giả liên hệ. Bà tham gia từ xây dựng ý tưởng, phương pháp, thực nghiệm đến xử lý dữ liệu, giám sát và hoàn thiện nghiên cứu.

Điểm đáng chú ý là phép đo không dừng ở mô hình trong phòng thí nghiệm. Nhóm triển khai thiết bị trên các dây văng được lựa chọn của cầu Mỹ Thuận trong điều kiện công trình vẫn vận hành. Mục tiêu trước mắt không phải xác định dây cáp nào đã hư hỏng, mà kiểm tra xem cảm biến quang có nhận dạng được những đặc trưng dao động phù hợp với hệ cảm biến dùng để đối chiếu hay không.

Nhóm nghiên cứu triển khai các hệ đo trên dây văng cầu Mỹ Thuận, gồm cảm biến FBG, gia tốc kế PCB và thiết bị thu nhận dữ liệu. Ảnh: Do Hong Phuc và cộng sự/Sensors.Nguồn ảnh: Figure 4, bài nghiên cứu trên Sensors, giấy phép CC BY 4.0.

Hai cách quan sát cùng chuyển động của dây văng

Cảm biến FBG, viết đầy đủ là Fiber Bragg Grating, chứa một vùng cách tử trong sợi quang. Khi sợi chịu biến dạng, bước sóng ánh sáng phản xạ tại vùng này thay đổi. Từ sự dịch chuyển bước sóng, hệ đo có thể ghi nhận biến dạng động phát sinh trong kết cấu.

Trong phép thử ở cầu Mỹ Thuận, nhóm sử dụng cảm biến FBG thương mại cùng gia tốc kế PCB. Vì vậy, công trình không phải nghiên cứu chế tạo một loại cảm biến FBG mới. Phần nghiên cứu nằm ở cách bố trí thiết bị trên dây văng thực, thu nhận tín hiệu và xây dựng phương pháp xử lý để so sánh thông tin từ hai hệ đo khác nhau.

Sự khác biệt giữa hai cảm biến cũng quyết định cách nhóm đối chiếu dữ liệu. Gia tốc kế ghi gia tốc tại vị trí đặt thiết bị, còn FBG phản ánh biến dạng động thông qua sự thay đổi bước sóng ánh sáng. Biên độ của hai đường tín hiệu vì thế không thể đặt cạnh nhau rồi dùng trực tiếp để kết luận thiết bị nào đo “đúng hơn”.

Nhóm chuyển phép so sánh sang miền tần số. Một dây văng khi dao động có thể tạo ra những thành phần tần số đặc trưng. Nếu dữ liệu gia tốc và dữ liệu biến dạng cùng nhận ra các tần số gần nhau, đó là cơ sở để đánh giá mức độ nhất quán giữa hai cách đo.

Ba vị trí ký hiệu B, C và D được lựa chọn trên các dây văng khác nhau. Các cảm biến được bố trí tránh vùng neo và thiết bị giảm chấn nhằm hạn chế ảnh hưởng cục bộ ở hai đầu dây. Nhóm tiến hành thu tín hiệu trong điều kiện khai thác thực tế thay vì chủ động tạo một kích thích riêng cho từng dây cáp.

Cầu Mỹ Thuận và vị trí các dây văng được lựa chọn để triển khai phép đo thực địa. Hình: Do Hong Phuc và cộng sự/Sensors.Nguồn ảnh: Figure 2, giấy phép CC BY 4.0.

Dữ liệu gia tốc được ghi trong các khoảng thời gian kéo dài 600 giây, trong khi hệ FBG có tốc độ lấy mẫu cao hơn. Hai hệ không dùng chung một bộ kích hoạt để đồng bộ tuyệt đối theo từng thời điểm, nên nghiên cứu không so sánh trực tiếp từng điểm tín hiệu theo thời gian. Thay vào đó, dữ liệu được xử lý để tìm các đặc trưng dao động trong miền tần số.

Cách tiếp cận này cũng giúp xác định đúng vai trò của FBG trong công trình. Cảm biến quang không được xem như một gia tốc kế khác cấu tạo, mà là một phương tiện ghi nhận một đại lượng vật lý khác của cùng chuyển động kết cấu.

29 thành phần tần số xuất hiện ở cả hai hệ

Sau khi xử lý dữ liệu, nhóm kết hợp phân tích phổ với phương pháp nhận dạng dao động SSI-COV để sàng lọc các thành phần có tính ổn định. Trên ba vị trí đo, dữ liệu FBG cho phép nhận ra tổng cộng 53 thành phần tần số. Trong số này, 29 thành phần cũng xuất hiện trong dữ liệu của gia tốc kế PCB.

Với 29 thành phần chung, chênh lệch tuyệt đối trung bình giữa hai hệ đạt 0,093 Hz. Chênh lệch tương đối trung bình là 0,94%, trong khi mức lớn nhất ghi nhận ở một thành phần là 4,26%.

Con số 0,94% không thể diễn giải thành cảm biến FBG có “độ chính xác 99,06%”. Đây chỉ là mức chênh tương đối trung bình của những tần số mà cả hai hệ cùng nhận dạng được. Các thành phần chỉ xuất hiện trong dữ liệu của một trong hai hệ không nằm trong phép tính này.

Mức độ tương đồng cũng thay đổi giữa các vị trí. Tại vị trí C, 17 trong số 19 thành phần được FBG nhận dạng đồng thời xuất hiện trong dữ liệu gia tốc. Ở hai vị trí B và D, hệ FBG ghi nhận thêm một số thành phần mà PCB không phát hiện.

Nghiên cứu không lấy số lượng tín hiệu nhiều hơn để kết luận FBG tốt hơn gia tốc kế. Sự khác biệt có thể liên quan đến loại đại lượng được đo, độ nhạy của cảm biến, vị trí gắn thiết bị, liên kết giữa cảm biến với dây cáp, nhiễu và cách xử lý dữ liệu. Những thành phần chỉ xuất hiện ở FBG vì vậy chưa được coi là các mode dao động đã được xác nhận độc lập.

Biểu đồ ổn định được sử dụng để nhận dạng các thành phần dao động từ dữ liệu FBG tại ba vị trí đo. Hình: Do Hong Phuc và cộng sự/Sensors.Nguồn ảnh: Figure 7, giấy phép CC BY 4.0.

Phép đo chưa đồng nghĩa với chẩn đoán hư hỏng

Cảm biến sợi quang có một số đặc tính thuận lợi cho quan trắc công trình. Nhiều điểm đo có thể được bố trí trên cùng tuyến sợi, tín hiệu ít chịu ảnh hưởng của nhiễu điện từ và có thể truyền trên khoảng cách lớn. Đây là những lý do công nghệ FBG được nghiên cứu cho các hệ thống giám sát sức khỏe kết cấu.

Tuy nhiên, phép thử ở cầu Mỹ Thuận còn có giới hạn. Trong các đợt đo động ngắn hạn, nhóm không sử dụng một cảm biến nhiệt độ độc lập để bù ảnh hưởng nhiệt cho tín hiệu FBG. Dữ liệu được xử lý nhằm nhận dạng dao động chứ không được dùng để xác định biến dạng tĩnh tuyệt đối hoặc những thay đổi diễn ra trong thời gian dài.

Vì vậy, kết quả hiện tại chưa cho phép nói rằng hệ FBG trong nghiên cứu có thể tự nhận biết một dây văng bị hư hỏng, xác định mức suy giảm khả năng chịu lực hay tự phát cảnh báo khi kết cấu bước vào trạng thái nguy hiểm. Những chức năng như vậy cần dữ liệu theo dõi dài hạn, trạng thái tham chiếu, kiểm soát ảnh hưởng môi trường và phương pháp phân biệt biến đổi bình thường với dấu hiệu bất thường của kết cấu.

*Nghiên cứu đã đi đến đâu

Phép thử trên cầu Mỹ Thuận cho thấy cảm biến FBG có thể ghi nhận đáp ứng động của dây văng và xác định nhiều thành phần tần số gần với kết quả thu được từ gia tốc kế PCB. Với 29 thành phần xuất hiện ở cả hai hệ, mức chênh tương đối trung bình là 0,94%.

Kết quả này mới kiểm chứng một mắt xích của bài toán giám sát kết cấu. Công trình chưa chứng minh hệ thống đã có khả năng tự động phát hiện hư hỏng, xác định mức độ xuống cấp hoặc phát cảnh báo an toàn cho cầu.

Hướng nghiên cứu đang được mở rộng tới thu nhận dữ liệu, kết nối IoT và các phương pháp xử lý thông minh hơn. Tuy nhiên, giá trị trực tiếp của công bố tại cầu Mỹ Thuận nằm ở một bước cơ bản hơn. Cảm biến sợi quang đã được đưa khỏi môi trường thí nghiệm để ghi tín hiệu trên dây văng của một cây cầu đang khai thác và kết quả được đặt cạnh một hệ đo khác nhằm kiểm tra độ nhất quán.

Đó cũng là ranh giới cần giữ khi nhìn vào nghiên cứu này. Từ việc đo được dao động đến một hệ thống có thể nhận biết tình trạng công trình là một quãng đường gồm nhiều lớp dữ liệu và kiểm chứng. Thử nghiệm tại cầu Mỹ Thuận mới đặt thêm một viên gạch cho quá trình đó.