Các loại cảm biến lực và ứng dụng trong công nghiệp

Trong thời đại công nghiệp hiện đại, việc đo lường lực và trọng lượng chính xác đóng vai trò vô cùng quan trọng. Loadcell/cảm biến lực là một thiết bị cảm biến được sử dụng phổ biến để chuyển đổi lực thành tín hiệu điện, giúp đo lường trọng lượng và lực tác động một cách chính xác và nhanh chóng. Bài viết này Bảo An sẽ giúp bạn hiểu rõ về các loại cảm biến lực, nguyên lý hoạt động, ứng dụng trong công nghiệp, cũng như các tiêu chí lựa chọn cảm biến lực phù hợp.

1. Nguyên lý hoạt động cơ bản của cảm biến lực

1.1 Nguyên lý hoạt động cơ bản

Cảm biến lực/Loadcell là một thiết bị cảm biến lực được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp để đo lường lực nén, lực kéo hoặc cảm biến tải trọng. Với khả năng chuyển đổi lực cơ học thành tín hiệu điện, cảm biến lực giúp thu thập và xử lý dữ liệu một cách chính xác và nhanh chóng.

Nhờ khả năng đo lường chính xác và độ tin cậy cao, cảm biến lực được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như cân điện tử, hệ thống giám sát quy trình sản xuất, kiểm soát chất lượng sản phẩm và tích hợp vào các hệ thống tự động hóa.

Nguyên lý hoạt động của cảm biến lực dựa trên việc chuyển đổi lực tác động thành tín hiệu điện thông qua cảm biến Strain Gauge (một loại cảm biến đo biến dạng của vật liệu dưới tác động của lực).

Cụ thể, khi có lực tác động (nén, kéo hoặc xoắn), cấu trúc của cảm biến lực sẽ bị biến dạng nhẹ. Sự biến dạng này làm thay đổi điện trở của Strain Gauge được gắn chặt vào bề mặt của cảm biến lực. Do sự thay đổi điện trở, tín hiệu điện cũng thay đổi tương ứng.

Tín hiệu điện yếu được tạo ra từ Strain Gauge sẽ được bộ khuếch đại tín hiệu tăng cường để đảm bảo khả năng đo lường chính xác. Sau đó, tín hiệu được xử lý và chuyển đổi thành dữ liệu số để dễ dàng đọc và phân tích.

Ví dụ:

• Khi sử dụng trong cân điện tử, cảm biến lực sẽ cảm nhận trọng lượng của vật đặt lên, chuyển đổi lực nén thành tín hiệu điện và truyền tới hệ thống xử lý để hiển thị trọng lượng chính xác.

• Trong các hệ thống kéo căng dây, cảm biến lực đo lực kéo và truyền dữ liệu đến trung tâm điều khiển để đảm bảo an toàn và độ bền của dây.

1.2 Các thành phần chính của cảm biến lực

    

Hình 2: Cấu tạo của cảm biến lực/Loadcell

Thân chính (Main body): Thân cảm biến lực thường được làm từ vật liệu có độ bền cao như thép hợp kim hoặc nhôm, đảm bảo khả năng chịu lực lớn và ổn định trong quá trình đo lường. Thân chính chịu tác động trực tiếp của lực và truyền lực đến cảm biến Strain Gauge.

Lỗ gắn (Mounting holes): Các lỗ này được sử dụng để cố định cảm biến lực vào bề mặt hoặc thiết bị đo. Việc gắn chắc chắn đảm bảo cảm biến lựcl không bị dịch chuyển, giúp phép đo đạt độ chính xác cao.

Vị trí nạp tải (Load introduction): Đây là khu vực tiếp nhận lực nén hoặc lực kéo, tùy thuộc vào loại cảm biến lực . Vị trí này được thiết kế để truyền lực trực tiếp đến thân chính và cảm biến Strain Gauge, giúp đo lường chính xác.

Lớp bảo vệ (Protective potting): Lớp phủ bảo vệ giúp chống lại các yếu tố môi trường như bụi, độ ẩm và các tác động vật lý. Điều này giúp tăng độ bền và tuổi thọ của cảm biến lực trong các môi trường làm việc khắc nghiệt.

Dây cáp (Cable): Dây cáp là thành phần dẫn tín hiệu điện từ cảm biến lực đến bộ xử lý tín hiệu hoặc hệ thống điều khiển. Dây được bảo vệ bằng lớp vỏ chống thấm và chống nhiễu điện từ, đảm bảo tín hiệu truyền đi ổn định.

Ống cáp (Cable gland): Bộ phận này bảo vệ điểm nối giữa dây cáp và thân Loadcell , ngăn ngừa nước hoặc bụi xâm nhập. Giúp đảm bảo độ kín và độ bền của hệ thống.

Phần tập trung biến dạng (Narrow section to concentrate strain): Đây là vùng được thiết kế để tập trung biến dạng khi chịu lực, giúp Strain Gauge cảm nhận sự thay đổi một cách rõ ràng hơn. Thiết kế này giúp tăng độ nhạy của phép đo lực.

Cảm biến biến dạng (Strain Gauge): Đây là thành phần cốt lõi của cảm biến lực , có nhiệm vụ chuyển đổi biến dạng cơ học thành tín hiệu điện. Strain Gauge được gắn cố định vào thân Loadcell tại vị trí chịu lực cao nhất để đảm bảo độ chính xác.

Bộ điện tử bổ sung (Additional electronics): Bao gồm các mạch khuếch đại tín hiệu và xử lý tín hiệu điện từ Strain Gauge. Đảm bảo rằng tín hiệu yếu từ cảm biến được khuếch đại và ổn định trước khi truyền đến hệ thống xử lý.

2. Các loại cảm biến lực

Hình 3: Phân loại cảm biến lực/Loadcell 

2.1 Cảm biến lực dạng dầm uốn (Bending Beam)

Đây là loại cảm biến lực phổ biến nhất, thường được sử dụng trong các ứng dụng đo lực nén và kéo.

Các loại thuộc nhóm này gồm:

• Cảm biến lực điểm đơn (Single Point Weighbeam): Được sử dụng trong các cân đơn điểm như cân bàn hoặc cân điện tử nhỏ.

• Cảm biến lực xoắn (Bending Beam): Thường dùng trong các hệ thống cân sàn, cân bồn chứa hoặc cân băng tải.

• Cảm biến lực hình trụ (Cannister): Có thiết kế dạng trụ tròn, thích hợp cho các ứng dụng có tải trọng lớn.

• Cảm biến lực dạng chữ S (S Type): Có dạng chữ “S”, phù hợp cho cả lực nén và lực kéo, thường được dùng trong cân treo hoặc cân móc.

Ưu điểm:

• Độ chính xác cao (thường đạt 0.1-0.2%).

• Dễ lắp đặt và bảo trì.

• Thiết kế đơn giản, chi phí thấp

• Thích hợp cho ứng dụng tải nhẹ đến trung bình, khoảng 50 kg đến 200 kg..

2.2 Cảm biến lực dạng dầm cắt (Shear Beam)

Shear beam cảm biến lực có khả năng chịu tải trọng cao và thường được sử dụng trong các ứng dụng công nghiệp nặng.

Các loại thuộc nhóm này gồm:

• Cảm biến lực dạng bánh tròn (Shear Pancake): Có hình dạng đĩa tròn, dùng trong các ứng dụng nén trực tiếp.

• Cảm biến lực dạng chốt trụ (Clevis Pin): Dạng chốt trụ, dùng để đo lực kéo và lực cắt trong các cơ cấu chuyển động.

• Cảm biến lực dạng vòng (Donut): Có lỗ ở giữa, thường dùng trong các ứng dụng mà lực cần được truyền qua lỗ trục.

Ưu điểm:

• Thường được dùng trong cân công nghiệp với tải trọng từ 500 kg đến 5000 kg. 

• Độ chính xác có thể đạt 0.1% hoặc thấp hơn.

2.3 Cảm biến lực dạng thu nhỏ (Miniature)

Miniature Loadcell được thiết kế nhỏ gọn để sử dụng trong các ứng dụng yêu cầu không gian hạn chế.

Các loại thuộc nhóm này gồm:

• Cảm biến lực dạng màng mỏng (Diaphragm): Có dạng màng mỏng, dùng để đo áp suất hoặc lực nén nhẹ.

• Cảm biến lực dầm uốn thu nhỏ (Bending Beam): Phiên bản thu nhỏ của dầm uốn, phù hợp với các ứng dụng đo lực nhỏ.

• Cảm biến lực dạng cột thu nhỏ (Column): Dạng cột nhỏ gọn, dùng trong các ứng dụng có tải trọng nhỏ và không gian hạn chế.

Ưu điểm:

• Kích thước nhỏ gọn, trọng lượng nhẹ, dễ tích hợp vào các thiết bị điện tử.

• Độ nhạy cao (từ 0.05-0.1%) cho phép đo chính xác trong phạm vi tải nhỏ (dung lượng từ 1 kg đến 50 kg). 

2.4 Cảm biến lực dạng cột (Column)

Loại cảm biến lực này có thiết kế dạng cột thẳng đứng, chuyên dùng để đo lực nén với tải trọng lớn.

Các loại thuộc nhóm này gồm:

• Cảm biến lực cột đơn (Single Column): Có một cột chính, thích hợp cho các ứng dụng đo lực lớn.

• Cảm biến lực đa cột (Multiple Column): Có nhiều cột song song, tăng khả năng chịu tải.

• Cảm biến lực dạng vòng (Donut): Dạng hình vòng tròn có lỗ ở giữa, dùng trong các ứng dụng yêu cầu truyền lực qua trục.

Ưu điểm:

• Khả năng chịu tải rất lớn (từ 1000 kg đến hàng chục tấn).

• Độ chính xác cao và ổn định (thường đạt khoảng 0.1-0.2%).

• Bền bỉ trong môi trường công nghiệp nặng.

3. Ứng dụng của cảm biến lực trong công nghiệp

3.1 Cân điện tử và đo trọng lượng

Cảm biến lực được sử dụng trong các hệ thống cân điện tử như cân bàn, cân sàn, cân ô tô và cân bồn chứa để đo lường trọng lượng chính xác. Nhờ khả năng đo lực nhanh và ổn định, cảm biến lực giúp kiểm soát chất lượng sản phẩm và quản lý tải trọng hiệu quả.

Hình 4: Ứng dụng của cảm biến lực/Loadcell trong cân điện tử

3.2 Giám sát quy trình sản xuất

Cảm biến lực là công cụ quan trọng trong giám sát sản xuất nhờ đo tải trọng và lực tác động chính xác, giúp đảm bảo chất lượng sản phẩm, tối ưu hóa quy trình và giảm thiểu rủi ro hỏng hóc. Các ứng dụng cụ thể bao gồm:

• Đo trọng lượng thành phẩm, đảm bảo chất lượng đồng nhất.

• Định lượng nguyên liệu chính xác trong pha trộn.

• Kiểm tra trọng lượng đóng gói tự động.

• Giám sát lực tác động lên máy móc để phát hiện lỗi sớm. 

4. Lợi ích khi ứng dụng cảm biến lực

Độ chính xác cao: cảm biến lực đảm bảo độ chính xác cao trong việc đo lường lực và trọng lượng, giúp kiểm soát chất lượng sản phẩm một cách hiệu quả. Điều này đặc biệt quan trọng trong các ngành công nghiệp yêu cầu độ tin cậy tuyệt đối như sản xuất, chế tạo và đóng gói.

Tối ưu hóa quy trình sản xuất: Nhờ khả năng đo lường nhanh và chính xác, cảm biến lực giúp giảm thiểu sai số trong quá trình sản xuất, từ đó nâng cao hiệu suất và đảm bảo chất lượng sản phẩm ổn định. Điều này góp phần giảm thiểu rủi ro và tối ưu hóa thời gian sản xuất.

Giảm chi phí vận hành: Với độ tin cậy cao và ít phải bảo trì, cảm biến lực giúp doanh nghiệp tiết kiệm chi phí vận hành và bảo dưỡng thiết bị. Nhờ đó, quy trình sản xuất diễn ra liên tục mà không gặp gián đoạn do hỏng hóc hay lỗi kỹ thuật.

Tích hợp dễ dàng với hệ thống tự động hóa và IoT: cảm biến lực có khả năng kết nối với các hệ thống IoT và tự động hóa, cho phép thu thập dữ liệu liên tục và chính xác. Điều này giúp doanh nghiệp giám sát từ xa, tối ưu hóa quá trình sản xuất và nâng cao khả năng quản lý thông minh theo hướng Industry 4.0.

5. Tiêu chí lựa chọn cảm biến lực cho ứng dụng công nghiệp

Khi lựa chọn load cell cho ứng dụng công nghiệp với thiết kế mới, bạn cần cân nhắc các tiêu chí sau, kèm theo một số ví dụ thực tế:

• Độ chính xác và ổn định:
  Chọn load cell đảm bảo đo lường chính xác và ổn định trong suốt quá trình vận hành.
  Ví dụ: Trong dây chuyền sản xuất thực phẩm, các load cell cần độ chính xác cao (ví dụ: sai số dưới 0.1%) để đảm bảo mỗi sản phẩm được cân đo đúng trọng lượng.

• Dung lượng đo:
  Phải phù hợp với tải trọng tối đa của ứng dụng.
  Ví dụ: Trong sản xuất ô tô, load cell dạng column có thể được lựa chọn với dung lượng từ vài tấn đến hàng chục tấn, đảm bảo đo lực trong quá trình gia công và lắp ráp các bộ phận nặng.

• Kích thước và thiết kế:
  Thiết kế nhỏ gọn, dễ tích hợp vào không gian lắp đặt hạn chế.
  Ví dụ: Trong các ứng dụng đóng gói tự động, các load cell mini hoặc dạng bending beam được ưa chuộng nhờ kích thước nhỏ và khả năng tích hợp dễ dàng vào máy móc hiện đại.

• Khả năng chịu môi trường:
  Load cell phải hoạt động tốt trong điều kiện khắc nghiệt như nhiệt độ cao, độ ẩm hoặc rung động.
  Ví dụ: Ở các nhà máy sản xuất hóa chất, load cell có khả năng chịu ăn mòn và nhiệt độ biến đổi mạnh sẽ giúp duy trì hiệu suất đo đạc ổn định.

• Tích hợp và giao tiếp:
  Hỗ trợ kết nối với hệ thống tự động hóa, IoT và giao thức truyền dữ liệu, giúp giám sát từ xa.
  Ví dụ: Trong nhà máy thông minh theo xu hướng Industry 4.0, load cell tích hợp công nghệ IoT (như các sản phẩm của Ohaus hay Mettler Toledo) cho phép thu thập dữ liệu liên tục và phân tích hiệu suất sản xuất theo thời gian thực.

• Giá thành và bảo trì:
  Cân nhắc chi phí đầu tư ban đầu, chi phí bảo trì và khả năng sửa chữa để đạt hiệu quả kinh tế lâu dài.
  Ví dụ: Trong các ứng dụng quy mô lớn, load cell của các thương hiệu uy tín như HBM hay Interface được đánh giá cao về độ bền và chi phí bảo trì thấp, giúp doanh nghiệp tiết kiệm chi phí vận hành.

• Chứng nhận và tiêu chuẩn:
  Nên lựa chọn load cell có các chứng nhận an toàn và chất lượng như CE, ISO, FDA (đối với ngành dược và thực phẩm) để đảm bảo độ tin cậy và tuân thủ quy định.
  Ví dụ: Các load cell được chứng nhận ISO 9001 thường được lựa chọn trong ngành sản xuất cao cấp nhằm đảm bảo chất lượng và độ ổn định của quá trình đo lường.

Kết luận: cảm biến lực là thiết bị quan trọng trong công nghiệp, giúp đo lường lực chính xác và tối ưu hóa quy trình sản xuất. Nhờ độ bền cao và khả năng tích hợp với hệ thống IoT, cảm biến lực góp phần nâng cao hiệu quả và giảm chi phí vận hành. Việc lựa chọn cảm biến lực phù hợp sẽ đảm bảo độ tin cậy và hiệu suất trong các ứng dụng công nghiệp hiện đại.

FAQ (Câu hỏi thường gặp)

1. Cảm biến lực hoạt động như thế nào?

cảm biến lực hoạt động dựa trên nguyên lý chuyển đổi lực cơ học thành tín hiệu điện thông qua cảm biến Strain Gauge. Khi lực tác động làm biến dạng cảm biến lực, các Strain Gauge sẽ thay đổi điện trở, từ đó tạo ra tín hiệu điện tỷ lệ với lực đo được.

2. Làm thế nào để hiệu chuẩn và bảo trì cảm biến lực?

Hiệu chuẩn định kỳ bằng cách so sánh với thiết bị đo chuẩn hoặc sử dụng máy đo lực chuyên dụng. Bảo trì thường xuyên bằng cách kiểm tra độ chính xác, làm sạch bề mặt và đảm bảo kết nối tín hiệu ổn định.

3. Cảm biến lực có thể tích hợp với hệ thống IoT không?

Có. Các cảm biến lực hiện đại được trang bị giao thức kết nối như RS485, Modbus, hoặc Bluetooth, giúp tích hợp với hệ thống IoT để giám sát và điều khiển từ xa, đóng góp vào giải pháp tự động hóa thông minh.