Cảm biến lực (Force sensor) là gì? Tổng hợp các dạng cảm biến lực

Cảm biến lực (Force sensor) là gì? Tổng hợp các dạng cảm biến lực

Lực thường được đo bằng cách đặt nó vào một dụng cụ đo đã được hiệu chuẩn để chống lại lực và chỉ ra hoặc ghi lại độ lớn của nó.

Cảm biến lực – Force sensor là gì?

Cảm biến lực hay Force sensor được định nghĩa là một bộ chuyển đổi có chức năng chuyển đổi tải cơ học đầu vào như: trọng lượng, lực căng, kéo, nén hoặc áp suất thành tín hiệu điện đầu ra (định nghĩa cảm biến lực). Cảm biến lực cũng thường được gọi là Bộ chuyển đổi lực. Có một số loại cảm biến lực dựa trên kích thước, hình dạng và dung lượng.

Cảm biến lực hoạt động như thế nào?

Trước tiên, chúng ta cần hiểu vật lý và khoa học vật liệu cơ bản đằng sau nguyên lý hoạt động của phép đo lực căng dây, đó là máy đo biến dạng (đôi khi được gọi là Strain gage). Thiết bị đo biến dạng lá kim loại là một cảm biến có điện trở thay đổi theo lực tác dụng. Nói cách khác, nó chuyển đổi lực, áp suất, lực căng, nén, mô-men xoắn, trọng lượng, v.v. thành sự thay đổi về điện trở, sau đó có thể đo được.

Strain gauges là các dây dẫn điện được gắn chặt vào màng theo hình zic zắc. Khi màng này được kéo, nó – và các dây dẫn – sẽ kéo dài ra. Khi nó được đẩy, nó bị co lại và ngắn hơn. Sự thay đổi hình dạng này làm cho điện trở trong dây dẫn điện cũng thay đổi. Biến dạng được áp dụng trong cảm biến lực có thể được xác định dựa trên nguyên tắc này, vì điện trở kháng của máy đo biến dạng tăng lên khi biến dạng và giảm đi khi co lại.

Máy đo biến dạng – Strain gauge

Về mặt cấu trúc, cảm biến lực – Load cell được làm bằng một thân kim loại có các strain gauges đo biến dạng được liên kết với nhau ở bên trong. Thân cảm biến thường được làm bằng nhôm hoặc thép không gỉ, đem lại cho cảm biến: độ bền để chịu tải cao và có độ đàn hồi để giảm thiểu biến dạng và trở lại hình dạng ban đầu khi không có lực tác động.

Khi tác dụng lực (căng hoặc nén), thân kim loại hoạt động như một “lò xo” và bị biến dạng nhẹ, và trừ khi quá tải, nó sẽ trở lại hình dạng ban đầu. Khi lực tác dụng vào cảm biến, thân cảm biến sẽ bị uốn biến dạng, strain gauge cũng thay đổi hình dạng của nó và do đó là điện trở của nó cũng thay đổi theo, tạo ra sự thay đổi điện áp vi sai thông qua mạch Wheatstone Bridge. Do đó, sự thay đổi điện áp tỷ lệ với lực vật lý tác dụng lên thân cảm biến, có thể được tính toán thông qua đầu ra điện áp mạch cảm biến lực.

Cách Strain gauge 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.

Bộ khuếch đại cầu đo biến dạng (hoặc bộ điều hòa tín hiệu cảm biến lực) cung cấp điện áp kích thích được điều chỉnh cho mạch cảm biến lực và chuyển đổi tín hiệu đầu ra mv/V thành một dạng tín hiệu khác hữu ích hơn cho người dùng. Tín hiệu do cầu đo biến dạng tạo ra là tín hiệu có cường độ thấp và có thể không hoạt động với các thành phần khác của hệ thống, chẳng hạn như PLC, mô-đun thu thập dữ liệu (DAQ), máy tính hoặc bộ vi xử lý. Do đó, các chức năng của bộ điều chỉnh tín hiệu cảm biến lực bao gồm điện áp kích thích, lọc nhiễu hoặc suy hao, khuếch đại tín hiệu và chuyển đổi tín hiệu đầu ra.

Hơn nữa, sự thay đổi trong đầu ra điện áp bộ khuếch đại được hiệu chỉnh để tỷ lệ tuyến tính với lực Newton tác dụng lên độ uốn, có thể được tính toán thông qua phương trình điện áp mạch cảm biến lực.

Mạch cảm biến lực Strain Gauge – Full Bridge Wheatstone Circuit.

Một khái niệm quan trọng liên quan đến bộ chuyển đổi lực là độ nhạy và độ chính xác của cảm biến lực. Độ chính xác của cảm biến lực có thể được định nghĩa là lượng lực nhỏ nhất có thể tác dụng lên thân cảm biến cần thiết để gây ra sự biến đổi tuyến tính và có thể lặp lại trong đầu ra điện áp. Độ chính xác của cảm biến lực càng cao càng tốt, vì nó có thể liên tục nắm bắt các biến thể lực rất hợp lý. Trong các ứng dụng như tự động hóa nhà máy có độ chính xác cao, robot phẫu thuật, hàng không vũ trụ, tính tuyến tính của cảm biến lực là điều tối quan trọng để cung cấp chính xác hệ thống điều khiển PLC hoặc DAQ với phép đo chính xác.

Ưu điểm của cảm biến lực dựa trên biến dạng strain gauge

Cảm biến lực sử dụng đo biến dạng lá kim loại strain gauge là công nghệ phổ biến nhất, có độ chính xác cao, độ tin cậy lâu dài, đa dạng về hình dạng và hiệu quả về chi phí khi so sánh với các công nghệ đo lường khác. Ngoài ra, strain gauge đo biến dạng ít bị ảnh hưởng bởi sự thay đổi nhiệt độ.

• Độ chính xác cao nhất có thể phù hợp với nhiều tiêu chuẩn từ Robot phẫu thuật đến Hàng không vũ trụ
• Cấu trúc chắc chắn được làm bằng thép không gỉ hoặc nhôm có độ bền cao;
• Duy trì hiệu suất cao với tuổi thọ công việc lâu nhất có thể ngay cả ở những điều kiện khắc nghiệt nhất. Một số thiết kế cảm biến lực có thể lên đến hàng tỷ chu kỳ được đảo ngược hoàn toàn (tuổi thọ).
• Rất nhiều hình học và hình dạng tùy chỉnh, cũng như các tùy chọn lắp đặt
• Dải đo rộng từ 10 N đến 600.000 N

Các dạng cảm biến lực

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”.

Có 3 loại chính là cảm biến lực kéo, cảm biến lực nén và cảm biến lực đo kết hợp kéo và nén

Cảm biến lực hãng Lorenz Messtechnik

• Cảm biến đo lực kéo – Tension Force Sensor

Cảm biến lực kéo của Lorenz Messtechnik cực kỳ nhỏ gọn, nhưng có thiết kế rất mạnh mẽ. Lực thường được áp dụng thông qua ren bên ngoài (cũng có sẵn với các đầu thanh) hoặc bằng cách kết nối các dây đai. Các cảm biến cung cấp tín hiệu đầu ra cầu đo biến dạng, tương tự được tiêu chuẩn hóa tính bằng mV/V.

Như một tùy chọn, một số cảm biến lực căng có thể được cung cấp với phạm vi nhiệt độ mở rộng từ -40 °C lên đến 150 °C. Các ứng dụng điển hình cho các loại cảm biến này như đo lực dây thừng hoặc lò xo, kiểm tra lực tác động, xác định lực trong bộ căng đai hoặc dây cung,….

• Cảm biến đo lực nén – Compression Force Sensor

Cảm biến lực nén Lorenz được thiết kế cấu hình thấp với đường kính nhỏ, vì vậy chúng rất phù hợp cho các ứng dụng trong không gian hạn chế. Các cảm biến cung cấp tín hiệu đầu ra cầu đo biến dạng không gia cố, tương tự được tiêu chuẩn hóa tính bằng mV/V. Cảm biến lực nén có thể được cung cấp với phạm vi nhiệt độ mở rộng từ -40 °C lên đến 150 °C.

Để bảo vệ khỏi các hư hỏng do ứng suất nén cao không cho phép, ví dụ như loại cảm biến lực nén K-13B của chúng tôi, được cung cấp với một bộ dừng cơ học tích hợp để bảo vệ quá tải theo mặc định. Các ứng dụng điển hình cho các loại cảm biến này như đo lực cắt và lực nhấn, đo lực tải trước trong vít, giám sát quy trình công nghiệp trong quá trình lắp lực, nối, tán, dập,…

• Cảm biến lực đo kết hợp kéo và nén – Tension and compression force sensor

Là sự kết hợp 2 trong một của cảm biến lực kéo và nén.

Các ứng dụng điển hình cho các loại cảm biến này là: máy kiểm tra vật liệu, đo dây hoặc lực đàn hồi, kiểm tra lực hoạt động, xác định lực trong bộ căng đai hoặc bộ điều khiển bowden, giám sát quy trình công nghiệp tại các hoạt động ép, tán đinh, dập,…

• Cảm biến đo lực kéo nén dạng đặc biệt

Lorenz cung cấp các cảm biến lực mạnh mẽ, đáng tin cậy và cực kỳ bền để đo lực căng và nén tĩnh, bán tĩnh và động, phù hợp cho các ứng dụng theo các phương án và kích thước đa dạng nhất. Có 3 loại chính là cảm biến lực kéo, lực nén hoặc cảm biến lực kéo và nén. Lorenz cung cấp cảm biến lực với hai hoặc ba phạm vi đo như được gọi là cảm biến đa thành phần, hoặc trong phiên bản cầu đôi (mạch độ tin cậy). Một phiên bản tùy chọn trong công nghệ 6 dây hoặc lớp bảo vệ IP tiên tiến cũng có sẵn cho phần lớn các cảm biến.

Ngoài ra, Lorenz còn sản xuất các cảm biến đặc biệt, chẳng hạn như chân tải, vòng bi tải, cảm biến ứng suất hoặc tùy chỉnh theo ứng dụng của khách hàng. Ngoài ra, phạm vi sản phẩm của chúng tôi bao gồm nhiều lựa chọn phụ kiện, chẳng hạn như bộ truyền lực, miếng đẩy, đầu thanh, mặt bích cố định, cáp đo, bộ khuếch đại đo lường, …