Load Cell là gì? Nguyên lý hoạt động của Load Cell

Load Cells là một biến thể đặc biệt của cảm biến Lực. Tải trọng được đo bằng gam, kg hoặc tấn chứ không phải bằng newton như các cảm biến lực “thông thường”.

Load Cell là gì?

Cảm biến cân đo tải trọng Load Cell là cảm biến có thể chuyển đổi một lực, trọng lượng thành một tín hiệu điện. Giá trị 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. Loadcell điện trở làm việc dựa vào nguyên lý áp lực – trở kháng. Khi một tải trọng, một lực tác động lên cảm biến sẽ làm trở kháng thay đổi. Sự thay đổi trở kháng này dẫn đến dự thay đổi điện áp đầu ra khi điện áp đầu vào được cấp.

Cảm biến loadcell được ứng dụng rộng rãi trong đời sống như: đo khối lượng của vật, phân phối đều trọng lượng sản phẩm trong các dây truyền tự động hóa, đo trọng lượng xe tải…

Cấu tạo của Load Cell

Loadcell được cấu tạo bởi hai thành phần là: Strain gage và Load. Một Loadcell thường bao gồm các strain gage 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 nhiều hình dạng khác nhau, chế tạo bằng nhiều vật liệu khác nhau (nhôm hợp kim, thép không gỉ…)

• Strain gage là một điện trở đặc biệt, có điện trở thay đổi khi bị nén hay kéo dãn và được cấp nguồn bằng một nguồn ổn định.
• Load là một thanh kim loại có tính đàn hồi.

Công thức tính điện trở suất: R=ρ* (L/S)

Trong đó:

• R = Điện trở strain gauge (Ω)
• L = Chiều dài của sợi kim loại strain gauge (m)
• S =  Tiết diện ngang của sợi kim loại strain gauge (m2)
• ρ=  Điện trở suất vật liệu của sợi kim loại strain gauge (Ω.m)

Khi dây kim loại bị lực tác động sẽ thay đổi điện trở.

Khi dây bị lực nén, chiều dài strain gauge giảm, điện trở sẽ giảm xuống.

Khi dây bi kéo dãn, chiều dài strain gauge tăng, điện trở sẽ tăng lên. Điện trở thay đổi tỷ lệ với lực tác động

Nguyên lý hoạt động

Một điện áp 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 0 hoặc gần bằng 0 khi bốn điện trở được gắn phù hợp về giá trị. Khi có tải trọng hoặc lực tác động lên thân loadcell làm cho thân loadcell bị biến dạng (giãn hoặc nén), dẫn đến sự thay đổi về chiều dài và tiết diện của các sợi kim loại của điện trở strain gage -> thay đổi giá trị điện trở -> thay đổi điện áp đầu ra.

Hình ảnh mô tả hoạt động của loadcell

Phân loại Load cell

Loadcell bao gồm các loại cơ bản:

• Loadcell điểm đơn (Single point load cells)

Load cell Single point thường được sử dụng cho các nền tảng chỉ có một cảm biến lực và tải trọng danh nghĩa nhỏ. Chúng được bù tải theo góc, vì vậy ngay cả khi nền tảng bị căng chỉ ở một góc, kết quả đo sẽ là tối ưu. Các ứng dụng điển hình như cân bán lẻ, cân bán hàng tự động, cân động (hàng rời), cân bàn công nghiệp và cân sàn hoặc hệ thống cân di động.

• Loadcell dạng uống và dạng thanh (Loadcell Shear beam và Bending beam)

Cảm biến Loadcell Shear beam và bending beam là lý tưởng để sử dụng trong môi trường khắc nghiệt, do mức độ bảo vệ cao và được chứng nhận ATEX. Ranh giới cơ học (bảo vệ quá tải) có thể được thực hiện rất dễ dàng. Tuy nhiên, cảm biến Shear beam ổn định trước lực tác động bên và ít nhạy cảm hơn với điểm tải.

• Loadcell dạng nén (Compressive Load cells)

Trong Load cell nén, chúng ta phân biệt hai loại: Load cell con lắc (Pendulum load cells) và Load cell nhỏ gọn (compact load cells). Load cell con lắc (cảm biến tải trọng cột tự phục hồi) được thiết kế cho xếp hạng tải trọng rất cao. Các ứng dụng điển hình bao gồm cân hiệu suất cao trong công nghiệp, cân xe tải và đường sắt hoặc cân bồn chứa và silo.

Cảm biến lực nhỏ gọn (cảm biến lực pancake) được sử dụng khi có tải trọng ít. Chúng được chế tạo đặc biệt thấp, nhưng ổn định và chính xác. Các ứng dụng điển hình là cân băng tải, cân sàn và cân xe tải cũng như cân silo, cân bồn và cân phễu.

• Loadcell dạng kéo và nén (Tensile and Compression Load cell)

Việc sử dụng các cảm biến lực kéo và nén rất linh hoạt. Tuy nhiên, chúng chủ yếu được triển khai để cân tải trọng lơ lửng, dạng treo. Cảm biến lực loại S (hoặc cảm biến lực hình chữ S) đặc biệt thích hợp. Các cảm biến lực này có thể đạt được sự truyền lực tối ưu thông qua ren bên trong (với bản lề và hệ thống treo lắp, nếu cần).

• Loadcell số (digital loadcell)
• Loadcell cho các ứng dụng đặc biệt khác

Lorenz Messtechnik chuyên cung cấp các Load Cells với các thiết kế và các kích thước khác nhau như: Loadcell điểm đơn, Load cell dạng nén, Load cells định dạng kéo và nén, Loadcell dạng uốn và thanh dạng,… đi kèm với đó là các bộ giao diện cảm biến, đồng hồ đo, Bộ khuếch đại, Bộ hiển thị bằng tay, Bộ ghi dữ liệu, Bộ chuyển đổi tín hiệu Momen, Lực, Load Cell, Strain Gauge… và phụ kiện lắp đặt cho Load cell như: khớp nối, cáp kết nối, mặt bích,…