Cấu tạo và cách hoạt động của loadcell

CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA CẢM BIẾN LỰC (LOADCELL)

Loadcell là thiết bị cảm biến dùng để chuyển đổi lực hoặc trọng lượng thành tín hiệu điện

Giá trị lực tác dụng tỉ lệ với sự thay đổi điện trở cảm ứng trong cầu điện trở, do đó trả về tín hiệu điện áp tỉ lệ.

Ưu điểm chính của công nghệ này là xuất phát từ yêu cầu thực tế, với những tham số xác định trước, sẽ có các sản phẩm thiết kế phù hợp cho từng ứng dụng của người dùng.

Ở đó các phần tử cảm ứng có kích thước và hình dạng khác nhau phù hợp với yêu cầu của ứng dụng. Các dạng phổ biến: cảm biến tải dạng kéo (shear), dạng uốn (bending) và cảm biến tải dạng nén (compression)…

Hình ảnh: Loadcell Keli SQB

Load cell Hoạt động như thế nào?

Thành phần cấu tạo cơ bản của loadcell bao gồm hai bộ phận chính. Bộ phận thứ nhất là đòn cân và bộ phận thứ hai là mạch xử lý tín hiệu điện tử. Ở đây, ta phân tích cấu tạo của đòn cân và không đi sâu vào phần mạch điện tử.

Đòn cân tên tiếng anh là “Strain Gauge Load Cell” hay gọi tắt là “Loadcell” cảm biến tải. Như tên gọi phản ánh, đòn cân được cấu tạo bởi hai thành phần, thành phần thứ nhất là “Strain Gauge” và thành phần còn lại là “Load”. Strain Gauge là một điện trở đặc biệt chỉ nhỏ bằng móng tay, có điện trở thay đổi khi bị nén hay kéo dãn và được nuôi bằng một nguồn điện ổn định, chỉ nhỏ bằng móng tay, được dán chết lên Load, nghĩa là một thanh kim loại chịu tải.

Thanh kim loại này một đầu được gắn cố định, đầu còn lại tự do và gắn với mặt bàn cân (Đĩa cân).  Khi ta bỏ một khối lượng lên đĩa , thanh kim loại này sẽ bị uốn cong do trọng lượng của khối lượng cân gây ra. Khi thanh kim loại bị uốn, điện trở Strain Gauge sẽ bị kéo dãn ra và thay đổi điện trở. Như vậy, khi đặt vật cân lên bàn cân, tùy theo khối lượng vật mà Load, thanh kim loại sẽ bị uốn đi một lượng tương ứng và lượng này được đo lường qua sự thay đổi điện trở của Strain Gauge. Thông thường, thanh kim loại sẽ được cấu tạo sao cho bất chấp vị trí ta đặt vật cân lên bàn/ đĩa, nó đều cho cùng một mức độ bị uốn như nhau.

Cấu tạo chính của loadcell gồm các điện trở strain gauges R1, R2, R3, R4 kết nối thành 1 cầu điện trở Wheatstone như hình dưới và được dán vào bề mặt của thân load cell.

Một điện áp kích thích được cung cấp cho ngõ vào loadcell (2 góc (1) và (4) của cầu điện trở Wheatstone) và điện áp tín hiệu ra được đo giữa hai góc khác.

Tại trạng thái cân bằng (trạng thái không tải), điện áp tín hiệu ra là số không hoặc gần bằng không khi bốn điện trở được gắn phù hợp về giá trị. Đó chính là lý do tại sao cầu điện trở Wheatstone còn được gọi là một mạch cầu cân bằng.

Khi có tải trọng hoặc lực tác động lên thân loadcell làm cho thân loadcell bị biến dạng (giãn hoặc nén), điều đó dẫn tới sự thay đổi chiều dài và tiết diện của các sợi kim loại của điện trở strain gauges dán trên thân loadcell dẫn đến một sự thay đổi giá trị của các điện trở strain gauges. Sự thay đổi này dẫn tới sự thay đổi trong điện áp đầu ra.

Như đã nói, cân điện tử sẽ đo lường mức độ bị uốn của thanh kim loại bởi trọng lực do vật cân gây ra nên cân điện tử chỉ cho chúng ta giá trị trọng lượng của vật. Để tìm khối lượng của vật, ta cần phải chia cho gia tốc trọng trường, mà gia tốc này thì không phải là một hằng số ở mọi nơi trên trái đất. Do đó, khi sản xuất cân, nhà sản xuất xây dựng một bộ hiệu chỉnh bên trong cân điện tử để hiệu chỉnh lại cân tại nơi cần sử dụng.

 Khoảng uốn cong của thanh kim loại vào khoảng 1/500 cm. Tuy giá trị uốn cong rất nhỏ nhưng đủ để Strain Gauge phát hiện và đo lường khối lượng trong khoảng nhất định tùy theo loại cân điện tử . Thông thường Strain Gauge chỉ phát hiện và đo lường trên một khoảng nhỏ, hẹp, cân điện tử nào đo khối lượng càng lớn và càng chính xác đòi hỏi khoảng Strain Gauge phát hiện càng rộng và độ nhạy càng lớn. Hành động như đặt đột ngột hay thảy vật cân có khối lượng cân nặng lên bàn cân rất dễ làm cho thanh kim loại bị biến dạng đột ngột làm cân sẽ không chính xác và mau hỏng Strain Gauge, không nên cân một khối lượng lớn vượt qua khỏi thang đo của cân. 

Hình ảnh: Loadcell QS-A Keli

Tổng kết

Trên đây là toàn bộ thông tin về cấu tạo và nguyên lý hoạt động của cảm biến lực. Nếu quý khách hàng có nhu cầu mua sử dụng các dòng loadcell nhập khẩu chính hãng giá tốt, cam kết bảo hành lên đến 12 tháng, vui lòng liên hệ trực tiếp đến số điện thoại 0927.966.866 để được tư vấn và báo giá cụ thể nhất nhé!