Cảm biến lực (Loadcell): Cẩm năng và cách sử dụng

Cảm biến lực là gì?

Cảm biến lực (Force Sensor hay Loadcell) là một thiết bị được sử dụng để phát hiện và chuyển đổi các đại lượng cơ học như lực căng, áp suất, trọng lượng, mô-men xoắn, biến dạng và ứng suất bên trong thành tín hiệu điện có cường độ tương ứng với lực tác động. Tín hiệu này được truyền tới bộ xử lý tín hiệu và hiển thị lên đồng hồ đo lực để con người có thể xác định thông số lực tác động cần đo

Nhờ vào ứng dụng này, nó đã trở thành thành phần cốt lõi không thể thiếu của các thiết bị điện, máy móc kỹ thuật, các loại máy làm việc và hệ thống tự động hóa công nghiệp.

Yêu cầu tư vấn và báo giá cảm biến lực theo yêu cầu

Phân loại cảm biến đo lực

Theo ứng dụng

- Gắn trong các loại cân điện tử: Đây được xem là ứng dụng phổ biến nhất của loại cảm biến này. Khi mua cảm biến lực cho cân hai yếu tố quan trọng nhất cần được xem xét là loại cân mà bạn sử dụng và không gian để lắp đặt cảm biến cần đảm bảo đầy đủ khoảng cách, an toàn theo khuyến nghị của nhà sản xuất
- Trong lĩnh vực điều khiển công nghiệp
- Điều khiển từ xa, trực tuyến
- Cảnh báo quá tải, đảm bảo an toàn lao động
- Kiếm tra các giá trị lực căng, kéo, nén tác động lên một vật thể bất kỳ
- Kiểm tra các loại vật liệu
- Các lĩnh vực khác

Theo tên gọi phổ biến

- Cảm biến lực căng
- Cảm biến đo lực kéo
- Cảm biến đo lực nén

Cấu tạo của cảm biến đo lực

Sau khi đã hiểu được cơ bản về cảm biến lực (Loadcell), hãy cùng tìm hiểu sơ qua về cấu tạo của chúng. Thông thường, một cảm biến đo lực sẽ bao gồm ba bộ phận chính dưới đây

- Thành phần nhạy cảm với lực: vật liệu phổ biến được sử dụng là hợp kim nhôm, hợp kim thép hoặc thép không gỉ. Ở đây chúng ta thường sử dụng các vật liệu có tính đàn hồi tốt để có thể trở về vị trí ban đầu khi biến dạng nhẹ

- Thành phần chuyển đổi tín hiệu: được xem là bộ phận đóng vai trò quan trọng nhất của cảm biến đo lực. Loại thành phần chuyển đổi tín hiệu phổ biến nhất là cảm biến lá điện trở đo biến dạng (hay còn gọi là Strain Gage). Cảm biến điện trở này có tác dụng chuyển đổi tín hiệu lực tác động lên nó và gây ra biến dạng thành tín hiệu điện và truyền về bộ chuyển đổi

- Mạch chuyển đổi tín hiệu: mạch chuyên đổi và bộ khuếch đại là nơi thu nhận tín hiệu truyền về từ Strain Gage qua bộ xử lý và chuyển đổi thành tín hiệu số để hiển thị lên màn hình của máy đo lực

Nguyên lý hoạt động cảm biến lực

Đôi nét về Strain Gage

[caption id="attachment_28590" align="aligncenter" width="400"] Strain Gage thành phần quan trọng của cảm biến lực - tải trọng[/caption]

Như đã đề cập ở phần cấu tạo, Strain Gage (cảm biến đo biến dạng) được ví như là  “trái tim” của cảm biến đo lực. Loại cảm biến này có cấu tạo dạng mỏng, bên trên là một lá điện trở được thiết kế theo hình Zig Zag được đặt trên màn Polymer. Khi có một lực tác động lá lá điện trở như: áp suất, lực căng, nén, mô-men xoắn, trọng lượng, .. thành sự thay đổi điện trở, giá trị điện trở này qua bộ chuyển đổi để hiển thị giá trị lực trên màn hình máy đo

Vậy nguyên lý hoạt động của cảm biến lực như thế nào?

Lại nói về cấu tạo, cảm biến lực có phần thân được làm bằng một tấm kim loại (được gọi là Flexure) thường là nhôm hoặc thép không rỉ để mang lại cho cảm biến hai đặc tính quan trọng (1) cung cấp độ bền để chịu tải cao và (2) có độ đàn hồi tốt để giảm thiếu biến dạng và có thể trở lại hình dáng ban đầu sau khi ngưng sự tác động lực. Trên thân của cảm biến lực sẽ được đặt các Strain Gage được liên kết với nhau

Khi tác dụng một lực bất kỳ (có thể là lực căng, kéo hoặc nén), thân kim loại hoạt động như một "lò xo" và bị biến dạng nhẹ, sau đó trở về hình dạng ban đầu (trừ khi lực tác động quá lớn làm nó bị biến dạng vĩnh viễn). Khi tấm kim loại (flexure) bị biến dạng, Strain Gage (đặt trên flexure) cũng thay đổi hình dạng của nó và tạo nên các biến đối điện trở, sự thay đổi điện trở này tạo ra sự biến đổi điện áp vi sai qua mạch càu Wheatstone(*). Do đó, có thể nói sự thay đổi điện áp tỷ lệ với lực vật lý tác dụng lên flexure, qua đó có thể tính toán được độ lớn của lực tác động vào vật

(*) Thông thường, trên một cảm biến lực sẽ có được gắn 4 Strain Gage liên kết với nhau tạo thành một mạch vòng hay còn gọi là mạch cầu Wheatstone, lưới của lực cần đo sẽ được căn chỉnh cho phù hợp

Do tín hiệu đầu ra của cầu Wheatstone là tín hiệu nhỏ, do đó nó cần đi qua bộ khuếch đại (hoặc bộ điều hòa tín hiệu cảm biến lực) nhằm cung cấp điện áp kích thích được điều chỉnh cho mạch, chuyển đổi tín hiệu đầu ra mV/V thành dạng tín hiệu khác hữu ích cho người dùng

Tín hiệu do cầu đo biến dạng tạo ra là tín hiệu cường độ thấp và có thể không hoạt động với các thành phần khác của hệ thống, chẳng hạn như PLC, mô-đun thu thập dữ liệu (DAQ), máy tính hoặc bộ vi xử lý. Do đó, các chức năng của bộ điều chỉnh tín hiệu cảm biến lực bao gồm điện áp kích thích, lọc nhiễu hoặc

Các hình dạng phổ biến của cảm biến Loadcell

In-Line Load Cell: là loại cảm ứng lực phổ biến nhất. Thường được sử dụng cho cả ứng dụng đo tải trọng căng và nén. Cảm biến Load Cell In-line cung cấp độ chính xác cao, độ cứng và độ bền cao với khe hở lắp đặt tối thiểu cần thiết

Dạng trụ đứng (Column Load Cell) – là loại cảm biến được thiết kế với dạng hình trụ đứng. Thiết kế này thường dùng trong các ứng dụng nén với công suất cao như kiểm tra lực kẹp của máy CNC. Các mẫu cảm biến lực mang thiết kế này thường cung cấp công suất mạnh mẽ từ 2.000 đến 30.000lbs

Dạng nút (Load Button) – là những cảm biến đo lực có một bề mặt phẳng, thiết kế phần giữa hơi nhô lên  như một nút nhấn, đây cũng là nơi tác dụng lực nén. Điểm nổi bật của loại thiết kế này đó là chúng không chiến quá nhiều diện tích, tuy nhỏ nhưng có độ bền tốt. Loại này thường được dùng để đo lực tải của các thành phần dạng lăn

Dạng chữ S (S-Beam Load Cell) – là loại cảm biến đo lực với thiết kế độc đáo, đôi khi còn được gọi là Z-Beam hoặc S-Tye, bạn có thể nhìn thấy thiết kế khá tương đồng với chữ S hoặc Z. Thiết kế nhỏ gọn này rất phù hợp cho các ứng dụng phản hồi điều khiển trực tuyến và điều khiển tụ động, đo độ  căng của cáp, ngoài ra nó cũng có thể được sử dụng như một cảm biến lưu lượng không tiếp xúc để đo lưu lượng flo với độ chính xác cao

Dạng lỗ xuyên (Thru-Hole Load Cell) - hay còn gọi là dạng vòng đệm với phần lỗ ở giữa, loại cảm biến dạng lỗ xuyên phổ thông thường có phần lòng trong trơn (không ren) được sử dụng để đo lực nén của thanh truyền đi qua tâm của nó, thường ứng dụng để đo lực tác động của bu lông

Dạng Pancake (Pancake Load Cells) – có phần lỗ xuyên ở giữa, phần lỗ có ren, thường dùng để đo lực tải ở dạng căng hoặc nén. Thường được sử dụng trong các ứng dụng cần độ bền cao, tuổi thọ cao hoặc các phép đo trong dòng công suất cao cho hệ thống cân bồn chứa. Thiết kế dạng ren cho khả năng chống lệch trục tốt

Cảm biến tải trọng Rod-End (Rod-End Load Cell) – Thiết kế kết nối với một đầu đực và một đầu cái kết nối bằng ren phù hợp cho các ứng dụng cần điều chỉnh cảm biến lục vào một vật cố định bất kỳ

Cảm biến lực một điểm (Single Point Load Cell)  - Cảm biến lực gắn bên hông với thiết kế một điểm được chế tạo đặc biệt cho các ứng dụng OEM yêu cầu độ chính xác cao hoặc sản xuất số lượng lớn.  Có thể sử dụng linh hoạt trong các ứng dụng đo sức căng, nén

Yêu cầu tư vấn và báo giá Loadcell theo yêu cầu

Chọn cảm biến lực phù hợp?

Khi chọn mua bất cứ loại thiết bị nào, việc lựa chọn sao cho phù hợp nhất với ứng dụng cần đo luôn là tiêu chí đặt lên hàng đầu. Chắc hẳn không ai muốn mang một số tiền lớn để mua về một thiết bị không thể sử dụng

Để chắc chắn rằng bạn đang tìm đúng loại cảm biến đo lực phù hợp cho ứng dụng của mình, Lidinco sẽ gợi ý cho bạn 5 bước cần lưu ý trước khi chọn mua loại thiết bị này hoặc bạn cũng có thể liên hệ trực tiếp cho Lidinco dể được hỗ trợ chọn mua thiết bị nhanh chóng và chính xác nhất

Bước 1: Hiểu ứng dụng và những gì bạn cần đo. Có đúng là bạn đang cần mua cảm biến lực không? Đừng nhầm lẫn nó với cảm biến đo mô men xoắn hoặc cảm biến áp suất.

Bước 2 : Xác định các đặc điểm của cảm biến và cách lắp ráp của nó. Bạn sử dụng tải tĩnh hay tải động? Bạn sẽ lắp cảm biến lực này như thế nào?

 Bước 3: Xác định được dung lượng tải thối thiếu và tối đa mà bạn sẽ sử dụng, Hãy đảm bảo chọn cảm biến có thể hoạt động ở mức tải tối đa mà bạn yêu cầu

Bước 4: Xác định các yêu cầu về kích thước và hình học cần thiết (chiều rộng, trọng lượng, chiều cao, chiều dài, v.v.) và các yêu cầu về hiệu suất cơ học (đầu ra, độ phi tuyến , độ trễ , độ rão , điện trở cầu, độ phân giải, đáp ứng tần số, v.v.) Các đặc điểm khác cần xem xét bao gồm khả năng chống nước, chịu nhiệt, nhiều đầu nối hoặc các phép đo phải tuân theo một tiêu chuẩn quốc tế nào đó

Bước 5: Xác định loại đầu ra mà ứng dụng của bạn yêu cầu. Mạch chuyển đổi lực tạo ra điện áp tính bằng mV / V. Vì vậy, nếu PLC hoặc DAQ của bạn yêu cầu đầu ra tương tự, đầu ra cảm biến lực kỹ thuật số hoặc cổng nối tiếp, bạn chắc chắn sẽ cần một bộ khuếch đại cảm biến lực hoặc bộ điều hòa tín hiệu

Hướng dẫn sử dụng cảm biến lực Loadcell cơ bản

Cách thay thế cảm biến lực

Khi sử dụng trong thực tế, cảm biến lực đôi khi sẽ bị hỏng do quá tải, va đập… dẫn đến biến dạng dẻo của cảm biến gây ảnh hưởng đến độ chính xác của phép đo. Trong trường hợp nặng, cảm ứng sẽ bị hư hỏng và không thể thực hiện phép đo chính xác. Lúc này, cảm ứng cần được thay thế. Điều kiện tiên quyết để thay thế cảm biến lực đó là lực của trục thay thế phải bằng với trục cần thay

Mặt khác, cũng nên lưu ý khi thay cảm biến nên sử dụng nhiều cảm biến có tải trọng như ban đầu. Nếu muốn thay tải trọng lớn hơn thì phải chú ý xem cân điện tử có điều chỉnh được không

Nếu là cảm biến lực có dải điều chỉnh, bạn có thể đặt dải và gỡ lỗi sau khi thay thế bằng cảm biến mới có tải lớn hơn theo hướng dẫn sử dụng. Đồng thời, nếu tải định mức của cảm biến quá lớn và tín hiệu microvolt/tín hiệu chia ra quá nhỏ, điều này sẽ dễ làm giảm độ nhạy của thang đo.

Đối với thang đo kết hợp cơ điện có lắp cảm biến dạng- S ở liên kết truyền lực thứ hai, cần lưu ý chiều dài liên kết sau khi lắp lại cảm biến bằng chiều dài liên kết ban đầu. Mặt khác, cần đảm bảo rằng cần truyền lực thứ nhất nằm ngang và thanh liên kết phải được kết nối tạo thành một góc 90 độ với nó. Sai lệch trong phương kết nối sẽ ảnh hưởng đến độ chính xác và độ nhạy của cân.

Việc chạy thử cân tích hợp cơ điện sau khi thay thế cảm biến cần được thực hiện theo hướng dẫn sử dụng của thiết bị trên cơ sở vận hành chính xác cơ học

Dù là cân điện tử hay cân cơ điện kết hợp sau khi thay cảm biến đều phải được kiểm định chất lượng rồi mới sử dụng.

[caption id="attachment_28591" align="aligncenter" width="350"] Tín hiệu nhận được từ máy đo lực được hiển thị chính xác trên màn hình của máy đo lực hoặc các thiết bị khác[/caption]

Cải thiện độ chính xác của cảm biến điện trở trên cảm biến lực

Tương tự như nhiều loại cảm biến khác, nhiệt độ chính là nguyên nhân hàng đầu ảnh hưởng đến độ chính xác của cảm biến, nhiệt độ sẽ làm cho tín hiệu biến dạng (điện trở) của 4 Strain Gage thay đổi theo cùng một hướng và mức độ.  Bởi vì hai cực dương và hai cực âm được cân bằng, nhiệt độ sẽ không tạo ra tín hiệu đầu ra.

Các lỗi dư nhỏ còn lại có thể được sửa chữa bằng cách kết nối với kim loại niken đặc biệt trên cầu Wheatstone.

Ngoài ra, cũng có thể cải thiện độ chính xác bằng các loại cảm biến có khả năng bù nhiệt độ theo độ (TCS) để giảm sai số gây ra do nhiệt độ

Trong điều kiện tải, sai số tuyến tính cũng sẽ thay đổi. Điều này có thể được thực hiện bằng cách tối ưu hóa vật liệu và cấu trúc đàn hồi và chọn các điểm đo chính xác.

Tầm quan trọng của việc hiệu chuẩn cảm biến lực

Việc hiệu chuẩn cảm biến lực rất quan trọng trước khi mang đi sử dụng, thông thường các nhà cung cấp cảm biến lực uy tín trên thị trường đều có giấy chứng nhận hiệu chuẩn trước khi đến tay người tiêu dùng

Việc hiệu chuẩn cần được thực hiện lại sau một thời gian sử dụng để hạn chế sai số của thiết bị, giúp kết quả đo chính xác nhất. Để làm được điều này ta sẽ phải dùng một thiết bị gọi là thiết bị hiệu chuẩn lực

Một số các yếu tố có thể bị ảnh hưởng đến kha năng làm việc của cảm biến lực Loadcell cần được theo dõi qua một thời gian làm việc có thể kể đến như

Độ lệch (hoặc độ cân bằng của cảm biến lực): có nghĩa là đầu ra của cảm biến lực (khi không hoạt động) cao hơn hoặc thấp hơn so với đầu ra lý tưởng. Độ lệch càng lớn so với chuẩn sẽ càng khiến phép đo có sai số càng cao

Độ tuyến tính (hoặc phi tuyến tính): Rất ít cảm biến có đường đặc tính hoàn toàn tuyến tính, nghĩa là độ nhạy đầu ra (độ dốc) thay đổi với tốc độ khác nhau trong toàn bộ dải đo. Một số cảm biến đủ tuyến tính trên phạm vi mong muốn và không lệch khỏi đường thẳng (lý thuyết), nhưng một số cảm biến yêu cầu tính toán phức tạp hơn để tuyến tính hóa đầu ra. Do đó, cần giám sát thông số này để cảm biến đo lực có thể hoạt động chính xác

Độ trễ: độ trễ càng lớn sẽ gây ra sai số không mong muốn khi thực hiện phép đo

Độ lặp lại: là sự sai số giữa các lần đo khi thực hiện cùng một phép đo giống nhau, độ lặp càng tốt chứng tỏ cảm biến đang hoạt động ổn định. Nếu độ lặp không còn ổn định (sai số lớn) cũng là lúc bạn cần hiệu chuẩn loại thiết bị đo

Yêu cầu tư vấn và báo giá cảm biến tải trọng theo yêu cầu

Mua cảm biến lực Loadcell ở đâu?

Là một thiết bị ngày càng được sử dụng phổ biến trong hầu hết các nhà máy. Bạn có thể dễ dàng tìm mua cảm biến đo lực tại nhiều nhà cung cấp trên toàn quốc

Tuy nhiên, để mua được các sản phẩm chính hãng với chất lượng tốt nhất cũng như hỗ trợ lắp đặt thiết bị và tư vấn chọn mua đúng với ứng dụng. Bạn nên tìm đến những địa chỉ uy tín

Hiện nay, Lidinco đang cung cấp cảm biến Loadcell đến từ các thương hiệu của Nhật và Mỹ chất lượng cao. Vui lòng liên hệ theo thông tin bên dưới đễ được tư vấn thêm

CÔNG TY TNHH ĐẦU TƯ PHÁT TRIỂN CUỘC SỐNG
HCM: 028.39778269 – 028.36016797 –  (Zalo) 0906.988.447
Skype: Lidinco – Email: sales@lidinco.com
Bắc Ninh: 0222.7300180 – Email: bn@lidinco.com