Cảm biến lực Loadcell là gì? Cấu tạo và nguyên lý hoạt động

Bạn đã bao giờ thắc mắc làm thế nào các thiết bị trong nhà máy có thể đo lường chính xác lực tác động lên chúng? Hay làm thế nào để cân điện tử có thể cân chính xác trọng lượng của vật thể? Đó chính là nhờ vào cảm biến lực, cảm biến lực không chỉ đóng vai trò quan trọng trong các ngành sản xuất, y tế, mà còn có mặt trong những vật dụng hàng ngày xung quanh chúng ta. Trong bài viết này, A.I Tech sẽ cùng bạn cảm biến lực là gì, cấu tạo của nó ra sao và nguyên lý hoạt động như thế nào nhé!

Cảm biến lực Loadcell là gì?

Cảm biến lực loadcell hay còn được gọi là cảm biến tải trọng, là một thiết bị chuyển đổi lực vật lý thành tín hiệu điện, thường được sử dụng trong các hệ thống đo lường và kiểm soát trọng lượng trong công nghiệp.  Loadcell có nhiều loại với các dải đo và độ chính xác khác nhau, phù hợp cho nhiều ứng dụng như cân công nghiệp, hệ thống kiểm soát trọng lượng, thí nghiệm vật liệu, và nhiều lĩnh vực khác đòi hỏi đo lường lực cần độ chính xác cao.

Cấu tạo của cảm biến lực

Về cấu tạo, loadcell bao gồm hai thành phần chính: strain gauge và bộ chịu tải (load). 

Strain gauge: là một điện trở đặc biệt, có kích thước rất nhỏ, thường chỉ bằng móng tay, được thiết kế để thay đổi điện trở khi bị nén hoặc kéo dãn. Các strain gauge này được dán chắc chắn lên bề mặt của bộ phận chịu tải.

Bộ phận chịu tải: thường được làm từ kim loại có tính đàn hồi cao như nhôm hợp kim, thép không gỉ hoặc thép hợp kim.  Bộ phận này có hình dạng đặc biệt, được thiết kế tùy theo loại loadcell và mục đích sử dụng cụ thể, nhằm tối ưu hóa khả năng biến dạng khi chịu lực.

Nguyên lý hoạt động của cảm biến lực Loadcell

Về nguyên lý hoạt động, khi có lực tác động lên loadcell, bộ phận chịu tải sẽ biến dạng đàn hồi. Sự biến dạng này truyền trực tiếp đến các strain gauge, khiến chúng bị nén hoặc kéo dãn, dẫn đến sự thay đổi điện trở.

 Các strain gauge được mắc nối với nhau theo sơ đồ cầu Wheatstone và được cấp một nguồn điện ổn định. Khi điện trở của strain gauge thay đổi, nó gây ra sự mất cân bằng trong cầu Wheatstone, tạo ra một tín hiệu điện áp tỷ lệ thuận với lực tác động. Tín hiệu này sau đó được khuếch đại và xử lý bởi các mạch điện tử để chuyển đổi thành giá trị lực hoặc trọng lượng có thể đọc được. 

Thiết kế này cho phép loadcell đo lường lực một cách chính xác và ổn định trong nhiều ứng dụng công nghiệp và khoa học, từ cân điện tử đến hệ thống kiểm soát chất lượng trong sản xuất.

Các loại cảm biến lực phổ biến

Ngoài Loadcell còn có một số loại cảm biến lực phổ biến khác, được ứng dụng vào nhiều mục đích khác nhau, chẳng hạn như:

• Cảm biến lực nén (compression loadcell): Đo lực nén tác dụng trực tiếp lên trục của nó. Thường được sử dụng trong các ứng dụng như cân điện tử, máy ép,…
• Cảm biến lực kéo (shear loadcell): Đo lực kéo tác dụng dọc theo trục của nó. Ứng dụng phổ biến trong hệ thống tời, thang máy,…
• Cảm biến lực uốn (bending): Đo lực tác dụng vuông góc với trục của nó. Thường được sử dụng trong các ứng dụng như  đo độ cứng vật liệu, đo tải trọng dầm
• Cảm biến lực cắt: Đo lực cắt tác dụng song song với mặt phẳng của nó. Ứng dụng trong các hệ thống cắt, gia công kim loại,…
• Cảm biến lực dạng xoắn (tension loadcell): Đo lực xoắn, thường được sử dụng trong các ứng dụng như đo mô-men xoắn động cơ, đo lực siết bu-lông,…

Những thông số quan trọng của cảm biến lực

Để lựa chọn đúng loại cảm biến, cũng như để sử dụng chúng một cách có hiệu quả, thì dưới đây là một số thông số chính bạn cần quan tâm:

1. Độ chính xác: Độ chính xác thể hiện mức độ sai số tối đa cho phép trong phép đo của loadcell. Nó được biểu thị dưới dạng phần trăm (%) và phụ thuộc vào các yếu tố như tính phi tuyến tính, độ trễ và độ lặp.
2. Công suất định mức: Đây là giá trị tải trọng tối đa mà loadcell có thể chịu được mà không bị hỏng. Việc lựa chọn cảm biến lực loadcell có công suất định mức phù hợp với ứng dụng là rất quan trọng để đảm bảo an toàn và độ bền cho thiết bị.
3. Dải bù nhiệt độ: Loadcell hoạt động dựa trên nguyên tắc biến đổi điện trở khi chịu lực tác động. Tuy nhiên, nhiệt độ môi trường ảnh hưởng đến điện trở của loadcell, dẫn đến sai sót trong kết quả đo.
4. Cấp bảo vệ: Cấp bảo vệ (IP) thể hiện khả năng chống bụi và chống nước của loadcell. Cấp bảo vệ càng cao, loadcell càng có khả năng chống lại các tác nhân bên ngoài tốt hơn.
5. Điện áp: Điện áp là giá trị điện áp cung cấp cho loadcell hoạt động. Mức điện áp này thường dao động từ 5V đến 15V.
6. Độ trễ: Độ trễ là thời gian cần thiết để loadcell phản hồi với sự thay đổi lực tác động. Độ trễ càng nhỏ, loadcell càng phản ứng nhanh với sự thay đổi lực. Trong một số ứng dụng đòi hỏi tốc độ đo lường cao, cần sử dụng loadcell có độ trễ thấp.
7. Trở kháng đầu vào: Trở kháng đầu vào là giá trị trở kháng giữa hai đầu dây dẫn của loadcell khi chưa được kết nối với nguồn điện hoặc đang ở chế độ không tải. Trở kháng đầu vào ảnh hưởng đến độ chính xác của phép đo, do đó cần lựa chọn loadcell có giá trị trở kháng đầu vào phù hợp với thiết bị đo lường.
8. Điện trở cách điện: Điện trở cách điện là giá trị điện trở giữa vỏ kim loại của loadcell và phần ngõ ra điện.
9. Giá trị ra: Giá trị ra là tín hiệu điện áp được tạo ra bởi loadcell khi chịu lực tác động. Giá trị này tỷ lệ thuận với lực tác động lên loadcell. Giá trị ra của loadcell được sử dụng để chuyển đổi thành đơn vị lực mong muốn thông qua bộ hiển thị hoặc bộ điều khiển.
10. Trở kháng đầu ra: Trở kháng đầu ra là giá trị trở kháng giữa hai điểm Ex+ và Ex- của loadcell khi chưa được kết nối với nguồn điện hoặc đang ở chế độ không tải. 
11. Quá tải an toàn: Quá tải an toàn là giá trị tải trọng tối đa mà loadcell có thể chịu được trong thời gian ngắn mà không bị hỏng. Quá tải an toàn thường cao hơn 100% so với công suất định mức của cảm biến lực loadcell.
12. Hệ số tác động của nhiệt độ: Hệ số này càng nhỏ, loadcell càng ít bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ, đảm bảo độ chính xác cao trong môi trường nhiệt độ biến động.
13. Hệ số tác động của nhiệt độ tại điểm 0: Tương tự như hệ số tác động của nhiệt độ, nhưng được đo ở chế độ không tải.

Lời kết

Cảm biến lực Loadcell đóng vai trò quan trọng trong nhiều ngành công nghiệp, mang lại giải pháp đo lường lực chính xác và hiệu quả. Nhờ ứng dụng công nghệ IoT, việc thu thập và xử lý dữ liệu từ Loadcell trở nên dễ dàng hơn bao giờ hết, giúp doanh nghiệp tối ưu hóa quy trình sản xuất, nâng cao hiệu quả hoạt động và đưa ra quyết định hiệu quả.

A.I Tech tự hào là nhà cung cấp giải pháp chuyển đổi số hàng đầu, với đội ngũ chuyên gia giàu kinh nghiệm và kiến thức chuyên môn sâu rộng về các loại cảm biến và IoT. Chúng tôi cam kết mang đến cho khách hàng các giải pháp tối ưu, đáp ứng mọi nhu cầu đo lường trong mọi lĩnh vực. Hãy liên hệ với A.I Tech ngay hôm nay để được tư vấn miễn phí về giải pháp chuyển đổi số cho doanh nghiệp của bạn ngay hôm nay!