LOADCELL LÀ GÌ? CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA LOACELL

LOADCELL LÀ GÌ? CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA LOACELL

Có thể hiểu rằng Loadcell là một thiết bị đo trọng lượng cần thiết cho cân điện tử hiển thị trọng lượng bằng chữ số. Loadcell hay Cảm biến lực là thiết bị đo cảm biến lực. Khi trọng lực tác dụng lên một loadcell, khi đo thiết bị này sẽ chuyển đổi lực đã tác dụng thành tín hiệu điện. Các load cell còn được biết đến như là đầu dò tải (load transducer) bởi vì nó cũng có thể chuyển đổi một tải trọng (lực tác dụng) thành tín hiệu điện.

 Loadcell là gì?

Loadcell là thiết bị cảm biến dùng để chuyển đổi lực hoặc trọng lượng thành tín hiệu điện. Hiện tại Load cell bao gồm các loại Load cell thủy lực, Load cell khí nén, Load cell strain gauge.
1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động
a. Cấu tạo
Loadcell được cấu tạo bởi hai thành phần, thành phần thứ nhất là “Strain gage” và thành phần còn lại là “Load“.
– Strain gage 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, được dán chết lên “Load”
– Load – một thanh kim loại chịu tải có tính đàn hồi.
(Một loadcell thường bao gồm các strain gauges được dán vào bề mặt của thân loadcell. Thân loadcell là một khối kim loại đàn hồi và tùy theo từng loại loadcell và mục đích sử dụng loadcell, thân loadcell được thiết kế có hình dạng đặc biệt khác nhau và chế tạo bằng vật liệu kim loại khác nhau (nhôm hợp kim, thép không gỉ, thép hợp kim)).
b. Nguyên lý hoạt động
– 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 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.
– Sự thay đổi điện áp này là rất nhỏ, do đó nó chỉ có thể được đo và chuyển thành số sau khi đi qua bộ khuếch đại của các bộ chỉ thị cân điện tử (đầu cân).
2. Thông số kĩ thuật cơ bản
– Độ chính xác: cho biết phần trăm chính xác trong phép đo. Độ chính xác phụ thuộc tính chất phi tuyến tính, độ trễ, độ lặp.
– Công suất định mức: giá trị khối lượng lớn nhất mà Loadcell có thể đo được.
– Dải bù nhiệt độ: là khoảng nhiệt độ mà đầu ra Loadcell được bù vào, nếu nằm ngoài khoảng này, đầu ra không được đảm bảo thực hiện theo đúng chi tiết kĩ thuật được đưa ra.
– Cấp bảo vệ: được đánh giá theo thang đo IP, (ví dụ: IP65: chống được độ ẩm và bụi).
– Điện áp: giá trị điện áp làm việc của Loadcell (thông thường đưa ra giá trị lớn nhất và giá trị nhỏ nhất 5 – 15 V).
– Độ trễ:hiện tượng trễ khi hiển thị kết quả dẫn tới sai số trong kết quả. Thường được đưa ra dưới dạng % của tải trọng.
– Trở kháng đầu vào: trở kháng được xác định thông qua S- và S+ khi Loadcell chưa kết nối vào hệ thống hoặc ở chế độ không tải.
– Điện trở cách điện: thông thường đo tại dòng DC 50V. Giá trị cách điện giữa lớp vỏ kim loại của Loadcell và thiết bị kết nối dòng điện.
– Phá hủy cơ học: giá trị tải trọng mà Loadcell có thể bị phá vỡ hoặc biến dạng.
– Giá trị ra: kết quả đo được (đơn vị: mV).
– Trở kháng đầu ra: cho dưới dạng trở kháng được đo giữa Ex+ và EX- trong điều kiện load cell chưa kết nối hoặc hoạt động ở chế độ không tải.
– Quá tải an toàn: là công suất mà Loadcell có thể vượt quá (ví dụ: 125% công suất).
– Hệ số tác động của nhiệt độ: Đại lượng được đo ở chế độ có tải, là sự thay đổi công suất của Load cell dưới sự thay đổi nhiệt độ, (ví dụ: 0.01%/10°C nghĩa là nếu nhiệt dộ tăng thêm 10°C thì công suất đầy tải của Loadcell tăng thêm 0.01%).
– Hệ số tác động của nhiệt độ tại điểm 0: giống như trên nhưng đo ở chế độ không tải.
3. Phân loại
Có thể phân loại loadcells như sau:
– Phân loại theo đặc tính kĩ thuật: Digital, analog
– Phân loại Loadcell theo lực tác động: chịu kéo (shear loadcell), chịu nén (compression loadcell), dạng uốn (bending), chịu xoắn (TensionLoadcell) .
– Phân loại theo hình dạng: dạng đĩa, dạng thanh, dạng trụ, dạng cầu, dạng chữ S
– Phân loại theo kích thước và khả năng chịu tải: loại bé, vừa, lớn.
4. Load cell được sản xuất như thế nào?
Những load cell đã được sử dụng trong nhiều lĩnh vực cân đo trong nhiều thập kỷ nay, và có thể cung cấp các kết quả rất chính xác. Quá trình sản xuất load cell đòi hỏi nhiều công đoạn. Sau đây là một số bước giúp quý khách hàng có thể hình dung được load cell được sản xuất như thế nào
a. Gia công và làm sạch thân loadcell:
– Gia công thân loadcell với một hình dạng phức tạp để tối ưu các vị trí biến dạng để dán các điện trở strain gauge
– Kiểm soát độ nhám bề mặt các vị trí dán strain gauge trên thân loadcell thông qua đánh bóng bề mặt để đảm bảo các bề mặt thô nhám được loại bỏ, mục đích là tăng cường độ kết dính của strain gauge với thân loadcell.
b. Nhúng keo và dán các tấm strain gauge lên thân loadcell:
– Sau khi được làm sạch bề mặt, thân load cell và các strain gauge được phủ bằng một lớp keo dính. Các strain gauge này sau đó được dán lên thân load cell.
c. Tăng cường sự kết dính giữa tầm strain gauge và thân loadcell:
– Một khuôn ép được sử dụng để tạo áp lực giữa các strain gauge với thân loadcell. Khuôn được đặt trong một nhiệt độ cao để tăng cường tác dụng kết dính của lớp keo dính.
d. Hiệu chỉnh tải trọng các vị trí khác nhau của loadcell:
– Loadcell được gắn vào một khung bàn cân. Thân loadcell mài giũa, điều chỉnh cho đến khi số hiển thị là giống nhau khi có cùng 1 tải trọng đặt lên bất kì góc bàn cân nào.
e. Kiểm tra tín hiệu loadcell theo nhiệt độ thay đổi:
– Loadcell được đặt trong một buồng kín và nhiệt độ xung quanh được điều chỉnh trong 1 phạm vi nhất định, điện áp tín hiệu ngõ ra của loadcell được đo ở nhiệt độ thấp và nhiệt độ cao. Nếu kết quả tín hiệu ngõ ra của loadcell không đạt yêu cầu kĩ thuật, một điện trở bù trừ nhiệt độ sẽ được tích hợp vào mạch cầu strain gauge.
f. Phủ silicon bảo vệ:
– Bề mặt dán các strangauge và mạch điện trở của loadcell sẽ được phủ một lớp silicon đặc biệt bảo vệ straingauge, mạch điện trở và hệ thống dây điện từ khỏi tác động của độ ẩm môi trường.
Như bạn có thể thấy quá trình sản xuất loadcell khá phức tạp và đòi hỏi các yêu cầu kĩ thuật khắt khe trong quá trình sản xuất loadcell.

 Tuy nhiên, nếu quá trình sản xuất loadcell được thực hiện đúng và đạt các yêu cầu kĩ thuật, các loadcell sử dụng strain gauge có thể cung cấp độ chính xác là + / – 0,02% ở mức tải lớn nhất và có khả năng đáp ứng với sự  thay đổi nhiệt độ từ -10C đến 40C. Độ chính xác cũng không bị ảnh hưởng khi đặt ngẫu nhiên tải trọng lên bất kì vị trí nào của khung bàn cân.