Cảm Biến Loadcell Là Gì? Nguyên Lý Đo Lực Và Ứng Dụng

Trong các hệ thống cân điện tử, dây chuyền sản xuất và thiết bị kiểm tra cơ tính, việc đo lực hoặc xác định khối lượng chính xác đóng vai trò quan trọng trong quá trình vận hành. Để thực hiện những phép đo này, nhiều hệ thống sử dụng một bộ phận cảm biến chuyên dụng có khả năng chuyển đổi lực tác dụng thành tín hiệu điện.

Bộ phận đó chính là cảm biến Loadcell. Đây là thiết bị được ứng dụng rộng rãi trong cân công nghiệp, hệ thống định lượng, máy thử kéo nén và nhiều thiết bị tự động hóa.

Vậy cảm biến Loadcell là gì? Thiết bị hoạt động theo nguyên lý nào, có những loại phổ biến nào và cần lưu ý gì khi lựa chọn? Hãy cùng LIDINCO tìm hiểu chi tiết trong bài viết dưới đây.

Cảm biến Loadcell là gì?

Cảm biến Loadcell, hay cảm biến lực, là thiết bị dùng để chuyển đổi lực cơ học tác dụng lên cảm biến thành tín hiệu có thể đo lường và xử lý.

Trong các hệ thống công nghiệp, Loadcell thường được sử dụng để đo lực nén, lực kéo hoặc xác định trọng lượng của vật thể.

Đối với loại Loadcell sử dụng điện trở biến dạng, khi có lực tác động, phần tử đàn hồi bên trong cảm biến sẽ biến dạng một lượng rất nhỏ. Sự biến dạng này làm thay đổi điện trở của các điện trở biến dạng, từ đó tạo ra tín hiệu điện tương ứng với lực tác dụng.

Tín hiệu được đưa đến bộ khuếch đại, bộ hiển thị hoặc hệ thống điều khiển để xử lý.

Cảm biến Loadcell thường được sử dụng trong:

• Cân điện tử công nghiệp.
• Cân bàn, cân sàn và cân ô tô.
• Hệ thống cân bồn, cân phễu.
• Dây chuyền định lượng nguyên liệu.
• Máy kiểm tra lực kéo và lực nén.
• Thiết bị kiểm tra độ bền vật liệu.
• Hệ thống tự động hóa sản xuất.

Loadcell là thành phần quan trọng giúp các hệ thống đo lực và cân trọng lượng hoạt động ổn định, đáp ứng yêu cầu kiểm soát chất lượng.

Cấu tạo của cảm biến Loadcell

Tùy theo thiết kế và công nghệ đo, cấu tạo Loadcell có thể khác nhau. Tuy nhiên, một Loadcell điện trở biến dạng thông dụng thường gồm những bộ phận chính sau.

1. Phần tử đàn hồi

Phần tử đàn hồi là bộ phận chịu lực trực tiếp hoặc truyền lực trong cảm biến.

Bộ phận này thường được chế tạo từ thép hợp kim hoặc thép không gỉ, tùy yêu cầu tải trọng và môi trường sử dụng.

Khi chịu lực, phần tử đàn hồi biến dạng trong giới hạn thiết kế.

2. Điện trở biến dạng

Điện trở biến dạng, hay Strain Gauge, là bộ phận dùng để ghi nhận biến dạng của phần tử đàn hồi.

Khi phần tử đàn hồi bị kéo giãn hoặc nén, điện trở của Strain Gauge thay đổi.

Sự thay đổi này được sử dụng để tạo tín hiệu đo.

3. Mạch cầu Wheatstone

Nhiều Loadcell sử dụng mạch cầu Wheatstone để chuyển đổi những thay đổi điện trở rất nhỏ thành tín hiệu điện áp vi sai.

Mạch cầu giúp tăng khả năng đo tín hiệu nhỏ và có thể hỗ trợ bù ảnh hưởng của nhiệt độ theo thiết kế.

4. Vỏ bảo vệ

Vỏ cảm biến có nhiệm vụ bảo vệ các bộ phận bên trong trước bụi, độ ẩm và tác động môi trường.

Một số Loadcell được thiết kế kín để sử dụng trong điều kiện công nghiệp khắc nghiệt.

5. Dây tín hiệu hoặc đầu nối

Loadcell thường có dây cấp nguồn kích thích và dây tín hiệu đầu ra.

Tùy thiết kế, thiết bị có thể sử dụng cấu hình 4 dây hoặc 6 dây.

Nguyên lý hoạt động của cảm biến Loadcell

Nguyên lý hoạt động phổ biến của Loadcell dựa trên sự thay đổi điện trở khi phần tử cảm biến chịu biến dạng cơ học.

Quá trình đo lực diễn ra theo các bước sau:

1. Lực kéo hoặc lực nén tác động lên Loadcell.
2. Phần tử đàn hồi biến dạng một lượng nhỏ.
3. Các điện trở biến dạng thay đổi giá trị điện trở.
4. Mạch cầu Wheatstone tạo ra tín hiệu điện áp vi sai.
5. Bộ khuếch đại hoặc bộ chuyển đổi tín hiệu xử lý tín hiệu.
6. Kết quả được hiển thị dưới dạng lực hoặc khối lượng tùy cấu hình hệ thống.

Ví dụ, một Loadcell có độ nhạy danh định 2mV/V và được cấp điện áp kích thích 10V có thể tạo ra tín hiệu đầu ra danh định khoảng 20mV tại tải định mức.

Công thức:

Điện áp đầu ra danh định = Độ nhạy × Điện áp kích thích

Trong ví dụ trên:

2mV/V × 10V = 20mV.

Đây là tín hiệu điện áp rất nhỏ, vì vậy hệ thống thường cần bộ khuếch đại hoặc thiết bị xử lý tín hiệu chuyên dụng.

Các loại cảm biến Loadcell phổ biến

1. Loadcell dạng thanh

Loadcell dạng thanh, hay Beam Loadcell, có thiết kế phù hợp với nhiều ứng dụng cân tải trọng nhỏ và trung bình.

Thiết bị thường được sử dụng trong cân bàn, cân băng tải hoặc hệ thống cân định lượng.

Ưu điểm:

• Thiết kế tương đối đơn giản.
• Dễ tích hợp vào nhiều hệ thống cân.
• Có nhiều lựa chọn về tải trọng.
• Phù hợp với các ứng dụng cân công nghiệp.

2. Loadcell chữ S

Loadcell chữ S có hình dạng đặc trưng giống chữ S.

Thiết bị có thể được sử dụng để đo lực kéo hoặc lực nén tùy thiết kế.

Ứng dụng phổ biến:

• Máy đo lực kéo.
• Máy thử nghiệm vật liệu.
• Hệ thống cân treo.
• Thiết bị kiểm tra lực.
• Các hệ thống đo lực công nghiệp.

3. Loadcell dạng nén

Loadcell dạng nén được thiết kế để đo lực tác dụng theo phương nén.

Loại này thường được sử dụng trong hệ thống cân bồn, cân phễu hoặc những ứng dụng có tải trọng lớn.

4. Loadcell dạng trụ

Loadcell dạng trụ, hay Column Loadcell, thường được sử dụng trong các hệ thống đo tải trọng lớn.

Thiết bị có kết cấu phù hợp để chịu lực nén theo trục thiết kế.

5. Loadcell dạng điểm đơn

Loadcell dạng điểm đơn, hay Single Point Loadcell, thường được sử dụng trong cân bàn và cân điện tử.

Một số model được thiết kế để hạn chế ảnh hưởng của vị trí đặt tải trong phạm vi kích thước bàn cân được quy định.

6. Loadcell dạng chốt

Loadcell dạng chốt, hay Load Pin, được thiết kế để thay thế hoặc tích hợp vào những vị trí chốt chịu lực trong cơ cấu máy.

Thiết bị được sử dụng trong một số hệ thống nâng hạ và giám sát tải trọng.

Bảng so sánh các loại Loadcell

Những thông số quan trọng của cảm biến Loadcell

Tải trọng định mức

Tải trọng định mức là mức tải mà Loadcell được thiết kế để đo theo thông số kỹ thuật.

Ví dụ, Loadcell 100kg có tải trọng định mức tương ứng với tải trọng quy đổi theo điều kiện sử dụng được công bố.

Cần phân biệt tải trọng định mức với giới hạn quá tải an toàn và tải trọng phá hủy.

Độ nhạy

Độ nhạy thường được biểu thị bằng mV/V.

Thông số này cho biết mức tín hiệu điện áp đầu ra tương ứng với điện áp kích thích tại tải định mức.

Độ chính xác

Độ chính xác của hệ thống phụ thuộc vào nhiều yếu tố như sai số phi tuyến, độ trễ, độ lặp lại, ảnh hưởng nhiệt độ và thiết bị xử lý tín hiệu.

Không nên chỉ dựa vào một thông số để đánh giá toàn bộ chất lượng phép đo.

Độ lặp lại

Độ lặp lại thể hiện khả năng cho kết quả gần nhau khi thực hiện phép đo nhiều lần trong điều kiện tương tự.

Độ trễ

Độ trễ thể hiện sự khác biệt của tín hiệu đầu ra tại cùng một mức tải khi tải được tăng lên hoặc giảm xuống.

Điện áp kích thích

Đây là điện áp cấp cho mạch cảm biến.

Cần sử dụng nguồn kích thích trong phạm vi cho phép của nhà sản xuất.

Cấp bảo vệ

Cấp bảo vệ IP thể hiện khả năng chống xâm nhập của bụi và nước theo điều kiện thử nghiệm quy định.

Đối với môi trường ẩm hoặc thường xuyên vệ sinh, cần lựa chọn thiết bị có cấp bảo vệ phù hợp.

Ứng dụng của cảm biến Loadcell trong công nghiệp

1. Hệ thống cân điện tử

Đây là một trong những ứng dụng phổ biến nhất của Loadcell.

Khi vật thể được đặt lên bàn cân, lực do trọng lượng tạo ra tác động lên cảm biến.

Tín hiệu được xử lý và chuyển đổi thành giá trị khối lượng hiển thị trên màn hình.

2. Cân bồn và cân phễu

Trong sản xuất công nghiệp, Loadcell được lắp dưới bồn chứa hoặc phễu để xác định khối lượng nguyên liệu.

Hệ thống có thể hỗ trợ theo dõi lượng nguyên liệu và điều khiển quá trình cấp liệu.

3. Cân băng tải

Loadcell được sử dụng trong một số hệ thống cân băng tải để đo tải trọng vật liệu trên băng.

Kết hợp với dữ liệu tốc độ băng tải, hệ thống có thể tính toán lưu lượng khối lượng theo thiết kế.

4. Máy đo lực kéo đứt

Trong máy thử kéo vật liệu, Loadcell được sử dụng để đo lực tác dụng lên mẫu trong quá trình thử nghiệm.

Dữ liệu lực kết hợp với thông tin kích thước và biến dạng mẫu giúp xác định các đặc tính cơ học của vật liệu.

5. Máy kiểm tra lực nén

Loadcell có thể được sử dụng để đo lực nén trong các thiết bị kiểm tra sản phẩm hoặc vật liệu.

Ứng dụng này xuất hiện trong kiểm tra bao bì, linh kiện và những sản phẩm có yêu cầu chịu lực.

6. Hệ thống đóng gói tự động

Trong dây chuyền đóng gói, Loadcell hỗ trợ kiểm tra khối lượng sản phẩm hoặc định lượng nguyên liệu.

Dữ liệu đo có thể được đưa về bộ điều khiển để giám sát quá trình sản xuất.

7. Thiết bị nâng hạ

Một số hệ thống nâng hạ sử dụng cảm biến lực để giám sát tải trọng.

Tuy nhiên, với ứng dụng liên quan đến an toàn, toàn bộ hệ thống phải đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật và tiêu chuẩn an toàn tương ứng.

8. Nghiên cứu và kiểm tra vật liệu

Trong phòng thí nghiệm, Loadcell được tích hợp vào các thiết bị thử nghiệm để ghi nhận lực kéo, lực nén hoặc các lực cơ học khác.

Cách kết nối cảm biến Loadcell với hệ thống điều khiển

Tín hiệu đầu ra của Loadcell điện trở biến dạng thường rất nhỏ, vì vậy không phải bộ điều khiển nào cũng có thể đọc trực tiếp.

Một hệ thống đo lực thông dụng gồm:

Loadcell → Bộ khuếch đại hoặc bộ chuyển đổi tín hiệu → PLC/HMI hoặc thiết bị hiển thị

Kết nối Loadcell 4 dây

Loadcell 4 dây thường gồm:

• Hai dây cấp nguồn kích thích.
• Hai dây tín hiệu đầu ra.

Màu dây không phải lúc nào cũng giống nhau giữa các nhà sản xuất. Cần đấu nối theo sơ đồ kỹ thuật của model cụ thể.

Kết nối Loadcell 6 dây

Ngoài các dây kích thích và tín hiệu, Loadcell 6 dây có thêm cặp dây cảm nhận điện áp kích thích.

Cấu hình này có thể giúp thiết bị đo tương thích bù ảnh hưởng của sụt áp trên dây dẫn.

Kết nối với PLC

Nếu PLC không có module đọc tín hiệu Loadcell chuyên dụng, có thể sử dụng bộ chuyển đổi tín hiệu phù hợp.

Một số bộ chuyển đổi hỗ trợ đầu ra 4–20mA, 0–10V hoặc giao tiếp số.

Hướng dẫn lựa chọn cảm biến Loadcell phù hợp

Xác định loại lực cần đo

Trước tiên, cần xác định hệ thống cần đo lực kéo, lực nén hay cả hai.

Ví dụ, Loadcell chữ S có thể phù hợp với nhiều ứng dụng kéo và nén, trong khi Loadcell dạng nén được thiết kế chủ yếu cho lực nén.

Chọn tải trọng định mức

Cần xác định tải trọng làm việc lớn nhất, bao gồm cả những tình huống quá tải có thể xảy ra.

Không nên chọn Loadcell có tải trọng định mức thấp hơn mức tải cần đo.

Đồng thời, việc chọn tải trọng quá lớn so với nhu cầu có thể làm giảm khả năng đáp ứng yêu cầu độ phân giải của toàn hệ thống.

Kiểm tra độ chính xác

Cần xem xét độ chính xác theo yêu cầu sử dụng.

Đối với hệ thống cân thương mại hoặc những ứng dụng có yêu cầu pháp lý về đo lường, cần lựa chọn thiết bị và hệ thống phù hợp với quy định áp dụng.

Xem xét môi trường làm việc

Các yếu tố cần quan tâm gồm:

• Nhiệt độ.
• Độ ẩm.
• Bụi.
• Nước.
• Hóa chất.
• Rung động.
• Nguy cơ quá tải.

Lựa chọn kích thước và kiểu lắp đặt

Loadcell cần phù hợp với không gian và kết cấu cơ khí của hệ thống.

Lắp đặt không đúng có thể tạo lực lệch tâm hoặc lực ngang, làm ảnh hưởng đến kết quả đo.

Kiểm tra tín hiệu đầu ra

Cần xác định thiết bị sử dụng tín hiệu mV/V trực tiếp hay tích hợp bộ chuyển đổi.

Nếu kết nối với PLC, phải đảm bảo tín hiệu tương thích với module nhận dữ liệu.

Quan tâm đến hiệu chuẩn

Nên lựa chọn cảm biến có tài liệu kỹ thuật rõ ràng và khả năng kiểm tra, hiệu chuẩn phù hợp với yêu cầu sử dụng.

Những sai lầm thường gặp khi sử dụng Loadcell

1. Chọn sai tải trọng

Loadcell có tải trọng không phù hợp có thể làm giảm độ tin cậy của phép đo hoặc gây hư hỏng khi quá tải.

Cách khắc phục: Tính toán tải trọng làm việc và dự phòng các tình huống tải bất thường.

2. Lắp đặt lệch hướng lực

Nếu lực tác dụng không đúng trục thiết kế, cảm biến có thể chịu thêm lực ngang hoặc mô men.

Cách khắc phục: Lắp đặt theo hướng dẫn của nhà sản xuất và sử dụng phụ kiện cơ khí phù hợp.

3. Đấu nối sai dây

Đấu nối sai nguồn kích thích hoặc dây tín hiệu có thể khiến hệ thống đo hoạt động không chính xác.

Cách khắc phục: Kiểm tra sơ đồ chân và màu dây theo tài liệu kỹ thuật.

4. Không bảo vệ cảm biến khỏi quá tải

Tải trọng vượt giới hạn cho phép có thể gây biến dạng vĩnh viễn hoặc hư hỏng Loadcell.

Cách khắc phục: Sử dụng cơ cấu chặn quá tải hoặc giải pháp bảo vệ phù hợp.

5. Không kiểm tra điểm không

Điểm không có thể thay đổi do điều kiện lắp đặt, nhiệt độ hoặc tải còn tồn tại trên hệ thống.

Cách khắc phục: Kiểm tra và thiết lập điểm không theo quy trình vận hành.

6. Bỏ qua ảnh hưởng của môi trường

Nhiệt độ, độ ẩm và rung động có thể ảnh hưởng đến tín hiệu đo.

Cách khắc phục: Lựa chọn thiết bị phù hợp và đảm bảo điều kiện lắp đặt.

7. Không hiệu chuẩn định kỳ

Sau thời gian sử dụng, hệ thống đo có thể xuất hiện sai lệch.

Cách khắc phục: Kiểm tra và hiệu chuẩn theo kế hoạch quản lý đo lường.

Phân biệt cảm biến Loadcell và cảm biến áp suất

Cả hai loại cảm biến đều được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp, nhưng phục vụ những mục đích đo lường khác nhau.

Câu hỏi thường gặp về cảm biến Loadcell

Loadcell có đo được cả lực kéo và lực nén không?

Một số loại Loadcell có thể đo cả lực kéo và lực nén, chẳng hạn nhiều model dạng chữ S. Tuy nhiên, cần kiểm tra thông số của thiết bị.

Loadcell có đo được trọng lượng không?

Có. Loadcell đo lực do trọng lượng tạo ra. Hệ thống cân sử dụng dữ liệu này để tính toán và hiển thị khối lượng sau khi được cấu hình, hiệu chuẩn phù hợp.

Loadcell 4 dây và 6 dây khác nhau như thế nào?

Loadcell 6 dây có thêm cặp dây cảm nhận điện áp kích thích, có thể hỗ trợ bù sụt áp trên dây dẫn khi sử dụng thiết bị đọc tương thích.

Loadcell có cần bộ khuếch đại không?

Đối với Loadcell điện trở biến dạng có đầu ra mV/V, hệ thống thường cần bộ khuếch đại hoặc module đọc tín hiệu chuyên dụng. Một số Loadcell đã tích hợp mạch xử lý.

Loadcell có cần hiệu chuẩn không?

Có. Đặc biệt đối với những hệ thống cân hoặc đo lực yêu cầu độ chính xác, cần kiểm tra và hiệu chuẩn theo quy trình phù hợp.

Mua cảm biến Loadcell ở đâu?

Khi lựa chọn cảm biến lực phục vụ sản xuất công nghiệp, doanh nghiệp nên ưu tiên nhà cung cấp có thông số kỹ thuật rõ ràng, hỗ trợ tư vấn về tải trọng, độ chính xác, tín hiệu đầu ra và phương pháp lắp đặt.

LIDINCO cung cấp các giải pháp thiết bị đo lường và kiểm tra phục vụ sản xuất, bảo trì và tự động hóa công nghiệp. Bạn có thể tham khảo thông tin về cảm biến Loadcell tại LIDINCO để tìm hiểu giải pháp phù hợp với nhu cầu đo lực và kiểm soát chất lượng.

Kết luận

Cảm biến Loadcell là thiết bị quan trọng trong các hệ thống đo lực và cân trọng lượng công nghiệp. Thông qua việc chuyển đổi lực cơ học thành tín hiệu điện, Loadcell giúp các thiết bị đo lường và điều khiển ghi nhận dữ liệu phục vụ sản xuất.

Hiện nay, Loadcell có nhiều loại như dạng thanh, chữ S, dạng nén, dạng trụ và dạng điểm đơn, phù hợp với những yêu cầu sử dụng khác nhau.

Để lựa chọn thiết bị hiệu quả, người dùng cần xác định loại lực, tải trọng, độ chính xác, tín hiệu đầu ra và điều kiện lắp đặt. Đồng thời, việc vận hành đúng kỹ thuật và kiểm tra định kỳ sẽ giúp nâng cao độ tin cậy của hệ thống đo lực.