Loadcell là gì? Cấu tạo và nguyên lí hoạt động của loadcell

Loadcell là một thiết bị quan trọng trong hệ thống cân điện tử, dùng để đo trọng lượng và hiển thị kết quả dưới dạng số. Loadcell, hay còn gọi là cảm biến lực, là thiết bị nhận và đo lực tác động lên nó. Khi có trọng lượng được áp dụng lên loadcell, thiết bị này sẽ chuyển đổi lực đó thành tín hiệu điện tương ứng. Do đó, loadcell còn được gọi là bộ biến đổi tải (load transducer), bởi vì nó có khả năng biến đổi lực tác động thành tín hiệu điện.

Loadcell là gì? Cấu tạo và nguyên lý hoạt động

Loadcell hay còn được gọi là cảm biến trọng tải, thiết bị này được dùng để chuyển đổi lực mô-men xoắn hoặc trọng lượng thành tín hiệu điện. Cảm biến loadcell thường được ứng dụng trong các loại cân điện tử như: cân bàn, cân điện tử công nghiệp, cân treo, cân kỹ thuật, cân băng tải…

Cấu tạo và nguyên lý hoạt động

Cấu tạo

Cơ bản, loadcell được cấu tạo bởi hai thành phần là “Strain gage” và “Load“.

• Strain gauge (cảm biến đo biến dạng): Đây là một loại điện trở đặc biệt có kích thước nhỏ bằng ngón tay, nó có khả năng thay đổi điện trở khi bị nén hoặc kéo dãn. Strain gauge được nuôi bởi một nguồn điện ổn định và dán chặt lên “Load”.
• Load (thanh kim loại chịu tải): Là một thanh kim loại có tính đàn hồi, chịu tải tốt. Thanh này làm việc cùng với strain gauge để chuyển đổi lực trọng lượng thành tín hiệu điện.

Một loadcell thường có nhiều strain gauges được dán vào bề mặt của thân loadcell. Thân loadcell là một khối kim loại đàn hồi, có hình dạng và chất liệu khác nhau tùy thuộc vào từng loại và mục đích sử dụng của loadcell (ví dụ như nhôm hợp kim, thép không gỉ, thép hợp kim).

Đây là một sự tái cấu trúc của thông tin về loadcell và cấu tạo của nó, để giúp làm nổi bật các thành phần chính và nguyên tắc hoạt động.

 

Nguyên lý hoạt động của loadcell

Nguyên lý hoạt động của loadcell dựa trên hiện tượng biến dạng của vật liệu và sự thay đổi điện trở của các cảm biến điện trở (strain gauge) khi chịu lực. Dưới đây là các bước chi tiết về nguyên lý hoạt động của loadcell:

Tác động lực

Khi một lực hoặc trọng lượng được đặt lên thân loadcell, lực này sẽ gây ra sự biến dạng nhỏ trong vật liệu của thân loadcell. Sự biến dạng này có thể là kéo dài, nén hoặc uốn cong, tùy thuộc vào thiết kế và loại loadcell.

Thay đổi điện trở

Các strain gauge dán trên thân loadcell cũng bị biến dạng cùng với thân loadcell. Khi các strain gauge bị kéo dài hoặc nén lại, điện trở của chúng thay đổi. Sự thay đổi này là rất nhỏ và tỷ lệ với mức độ biến dạng của thân loadcell.

Phát sinh tín hiệu điện

Sự thay đổi điện trở của các strain gauge làm mất cân bằng mạch cầu Wheatstone, tạo ra một tín hiệu điện. Tín hiệu này có độ lớn tỷ lệ với sự thay đổi điện trở và do đó tỷ lệ với lực tác động lên loadcell.

Khuếch đại tín hiệu

Tín hiệu điện từ mạch cầu Wheatstone thường rất nhỏ và cần được khuếch đại bởi bộ chuyển đổi tín hiệu. Bộ khuếch đại này làm tăng cường độ tín hiệu để nó có thể được xử lý dễ dàng bởi các thiết bị đo lường và hiển thị.

Hiển thị và ghi nhận

Tín hiệu điện đã khuếch đại được đưa vào bộ xử lý trung tâm, nơi nó được chuyển đổi thành giá trị trọng lượng hoặc lực và hiển thị trên màn hình hoặc được ghi nhận cho các mục đích phân tích và điều khiển.

Thông số kĩ thuật cơ bản

• Độ chính xác: Được xác định bằng phần trăm, thể hiện mức độ chính xác của loadcell trong quá trình đo lường, phụ thuộc vào tính phi tuyến, độ trễ và độ lặp.

• Công suất định mức: Là giá trị tối đa của khối lượng mà loadcell có thể đo được.

• Dải bù nhiệt độ: Khoảng nhiệt độ mà điện áp đầu ra của loadcell được điều chỉnh để đảm bảo đúng thông số kỹ thuật, ngoài khoảng này thì đầu ra có thể không chính xác.

• Cấp bảo vệ: Được đánh giá bằng thang IP (ví dụ: IP65 có khả năng chống ẩm và bụi).

• Điện áp: Giá trị điện áp hoạt động của loadcell (thông thường được đưa ra giới hạn tối đa và tối thiểu, ví dụ 5-15V).

• Độ trễ: Hiện tượng trễ trong quá trình hiển thị kết quả đo, thường được biểu thị dưới dạng phần trăm của tải trọng.

• Trở kháng đầu vào: Trở kháng được xác định qua S- và S+ khi loadcell chưa kết nối vào hệ thống hoặc ở trạng thái không tải.

• Điện trở cách điện: Đo ở dòng điện DC 50V, biểu thị giá trị cách điện giữa vỏ kim loại của loadcell và thiết bị kết nối điện.

• Phá hủy cơ học: Giá trị tải trọng tối đa mà loadcell có thể chịu trước khi bị hỏng hoặc biến dạng.

• Giá trị ra: Kết quả đo được của loadcell, thường là dưới dạng mV.

• Trở kháng đầu ra: Trở kháng được đo giữa Ex+ và Ex- khi loadcell chưa kết nối hoặc hoạt động ở trạng thái không tải.

• Quá tải an toàn: Giá trị công suất tối đa mà loadcell có thể chịu đựng vượt quá (ví dụ: 125% công suất định mức).

• Hệ số tác động của nhiệt độ: Được đo ở chế độ có tải, thể hiện sự thay đổi của công suất loadcell khi nhiệt độ thay đổi (ví dụ: 0.01%/10°C).

• Hệ số tác động của nhiệt độ tại điểm 0: Tương tự như trên, nhưng được đo ở chế độ không tải.

Các loại loadcell phổ biến

Có nhiều loại loadcell khác nhau, được thiết kế để đáp ứng các yêu cầu đo lường lực và trọng lượng khác nhau. Dưới đây là một số loại loadcell phổ biến:

Loadcell dạng dầm (Beam Loadcell)

Loadcell dạng dầm thường được sử dụng trong các cân điện tử công nghiệp và hệ thống đo lường lực. Chúng có thể chịu được lực tác động từ một hoặc hai hướng và rất nhạy với các lực nhỏ.

Loadcell dạng nén (Compression Loadcell)

Loadcell dạng nén được thiết kế để đo lực nén. Chúng thường được sử dụng trong các ứng dụng cần đo lường trọng lượng lớn, như trong các cân tải trọng lớn hoặc hệ thống cân xe tải.

Loadcell dạng kéo (Tension Loadcell)

Loadcell dạng kéo được thiết kế để đo lực kéo. Chúng thường được sử dụng trong các ứng dụng như đo lực kéo dây, cáp hoặc các lực kéo trong các cấu trúc xây dựng.

Loadcell dạng S (S-Beam Loadcell)

Loadcell dạng S có hình dạng giống chữ S và có thể đo cả lực kéo và lực nén. Chúng được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng cần đo lường lực trong cả hai hướng.

Loadcell dạng nút (Button Loadcell)

Loadcell dạng nút là loại loadcell nhỏ gọn, thường được sử dụng trong các ứng dụng đo lực trong không gian hẹp. Chúng thường được dùng trong các thiết bị y tế hoặc các ứng dụng đo lường chính xác cao.

Quá trình sản xuất

Loadcell đã được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực cân đo suốt nhiều thập kỷ, mang lại kết quả đo rất chính xác. Quá trình sản xuất loadcell bao gồm nhiều bước công đoạn phức tạp.

Gia công và làm sạch thân loadcell

Đây là một bước rất quan trọng nhằm mục đích gia công bề mặt loadcell. Mục đích của việc gia công này là nhằm loại bỏ những phần nhám, gồ ghề để tăng độ kết dính của các điện trở strain gauge trên đó.

Dán điện trở strain gauge lên thân loadcell

Sau khi bề mặt loadcell được gia công nhẵn bóng, các Strain Guage sẽ được quết chất dính để dính chết trên thân loadcell.

Ép chặt strain gauge lên thân loadcell

Sử dụng một loại khuôn chuyên dụng có tác dụng tăng cường lực ép, ép chặt thiết bị điện trở strain gauge lên thân loadcell. Thêm vào đó, khuôn ép này được đặt chế độ nhiệt cao để sức nóng giúp tăng cường độ kết dính chắc chắn.

Hiệu chỉnh các tải trọng ở vị trí khác nhau của loadcell

Sau khi loadcell đã được hoàn tất với thiết bị điện trở được gắn chết trên đó, nó được dán cố định một đầu vào mặt cân. Lúc này, công đoạn hiệu chỉnh rất quan trọng. Nó đảm bảo rằng, khi người sử dụng đặt vật lên bất cứ vị trí nào của cân điện tử, loadcell cũng sẽ chịu một lực tác động như nhau và cho kết quả như nhau.

Kiểm tra tín hiệu loadcell theo biến đổi nhiệt độ

Phủ silicon bảo vệ

Để bảo vệ loadcell khỏi yếu tố hơi nước, một lớp silicon chống ấm, chống thấm được phủ bên ngoài. Lớp Silicon này sẽ đồng thời bảo vệ điện trở strain guage, mạch điện trở và hệ thống dây điện.

Như vậy, quá trình sản xuất loadcell là một quy trình phức tạp, đòi hỏi các yêu cầu kỹ thuật chặt chẽ để đảm bảo chất lượng và độ chính xác của sản phẩm cuối cùng.

Có thể thấy, quy trình sản xuất loadcell bao gồm nhiều công đoạn gia công đòi hỏi sự tỉ mỉ và tính chính xác cao. Nếu các bước sản xuất được thực hiện đúng theo yêu cầu kỹ thuật và kiểm tra chặt chẽ, loadcell sẽ cho kết quả rất chính xác khi hoạt động thực tế. Độ sai số nhỏ chỉ trong khoảng +/- 0,02% ở mức tải lớn nhất. Đồng thời, loadcell cũng có thể thích nghi với những sự thay đổi nhiệt độ trong khoảng từ -10°C đến 40°C.

Kết luận

Loadcell là một thiết bị quan trọng và không thể thiếu trong nhiều ngành công nghiệp và ứng dụng đo lường lực. Với khả năng đo lường chính xác và độ bền cao, loadcell đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo chất lượng và an toàn của các sản phẩm và công trình. Hiểu rõ về cấu tạo và nguyên lý hoạt động của loadcell sẽ giúp chúng ta sử dụng chúng một cách hiệu quả và tối ưu trong các ứng dụng thực tế.