Loadcell là gì? Cấu tạo & nguyên lý hoạt động

Loadcell được hiểu là thiết bị đo trọng lượng cần thiết cho cân điện tử hiển thị trọng lượng bằng chữ số. Vậy Loadcell là gì? Có cấu tạo và nguyên lý hoạt động của Loadcell được hiểu như thế nào

Loadcell được hiểu là thiết bị đo trọng lượng cần thiết cho cân điện tử hiển thị trọng lượng bằng chữ số. Vậy Loadcell là gì? Có cấu tạo và nguyên lý hoạt động của Loadcell được hiểu như thế nào? Đây là những câu hỏi mà anh em sẽ đặt ra khi bắt đầu tiếp xúc với chúng. Vậy hãy cùng Mecsu tìm hiểu ngay trong bài viết dưới đây nhé.

Loadcell là gì?

Hiểu theo cách đơn giản, Loadcell (hay cảm biến lực) là thiết bị cảm biến dùng để chuyển đổi lực hoặc trọng lượng thành tín hiệu điện. Loadcell thường sử dụng để cảm ứng các lực lớn, tĩnh hay những lực biến thiên chậm. Có một số trường hợp Loadcell được thiết kế để đo lực tác động mạnh (như va đập) và điều này sẽ phụ thuộc vào thiết kế cụ thể của Loadcell.

→ Cấu tạo Loadcell

Loadcell được cấu tạo từ hai thành phần chính là "Strain Gage" (Điện trở dán) và "Load" (Thanh kim loại đàn hồi).

• Strain Gage: Chính là một điện trở đặc biệt, với kích thước chỉ bằng móng tay, điện trở của nó sẽ thay đổi khi bị nén lại hoặc kéo dãn ra. Nó được nuôi bằng nguồn điện ổn định và được dán chết (bằng keo chuyên dụng) lên thân "Load".
• Load (Thân cảm biến): Là một thanh kim loại chịu tải có tính đàn hồi cao (thường là nhôm hợp kim hoặc thép không gỉ). Khi có lực tác động, thanh này sẽ bị biến dạng nhẹ (uốn cong, nén lại...).

→ Nguyên lý hoạt động

Về nguyên lý hoạt động, Loadcell dựa trên nguyên lý cầu điện trở cân bằng Wheatstone. Phần giá trị lực tác dụng sẽ tỉ lệ thuận với sự thay đổi điện trở cảm ứng trong cầu điện trở, và vì vậy sẽ trả về tín hiệu điện áp tỉ lệ (thường là mV/V).

Theo như sơ đồ phía trên:

• Một điện áp kích thích (Excitation Voltage) được cung cấp cho ngõ vào loadcell (thường là 5V đến 12V).
• Các điện trở R1, R2, R3, R4 tạo thành cầu Wheatstone.
• Phần điện áp tín hiệu ra (Signal Output) được đo giữa hai điểm giữa của cầu.

Khi ở trạng thái không tải, cầu cân bằng, điện áp tín hiệu ra sẽ bằng 0 hoặc xấp xỉ bằng 0. Khi đặt vật có khối lượng lên dĩa cân, phần thân Loadcell sẽ bị kéo - nén, làm cho điện trở của các điện trở ở Strain Gauge thay đổi theo (do sự thay đổi độ dài và tiết diện của các dây kim loại trong điện trở). Sự mất cân bằng này tạo ra một điện áp đầu ra rất nhỏ (mV).

Tuy nhiên, được biết độ biến dạng của thanh kim loại chỉ là phần trọng lượng mà Loadcell đo được. Để có thể tìm được khối lượng của vật thì bộ xử lý (đầu cân) cần phải chia cho gia tốc trọng trường và thực hiện các phép tính hiệu chuẩn.

→ Công dụng của Loadcell

Công dụng chính của loadcell là đo lực và trọng lượng. Cảm biến loadcell sẽ chuyên dùng để đo trọng lượng trong công nghiệp và dân dụng như: đo khối lượng sản phẩm trên băng tải, giám sát khối lượng silo/bồn chứa nguyên liệu, cân xe tải, cân đóng bao, và kiểm tra phần trọng lượng của sản phẩm sau khi sản xuất (KCS).

Chẳng hạn như trong 1 dây chuyền sản xuất giấy, khi sản phẩm cuối cùng ra đến băng chuyền, hệ thống loadcell tại băng chuyền đó sẽ tự động đo trọng lượng của cuộn giấy. Nếu như sản phẩm đạt được trọng lượng chuẩn thì sẽ chuyển tiếp sang giai đoạn đóng gói. Trường hợp sản phẩm không đạt sẽ bị loại ngay ra khỏi dây chuyền hoặc báo lỗi.

Những thông số kỹ thuật nào nên biết về Loadcell?

Khi chọn mua loadcell, anh em cần quan tâm các thông số sau:

• Độ chính xác (Accuracy): Cho biết phần trăm chính xác trong phép đo. Độ chính xác phụ thuộc vào tính chất phi tuyến tính, độ trễ, độ lặp lại.
• Công suất định mức (Rated Capacity): Chính là giá trị khối lượng lớn nhất mà loadcell có thể đo được (ví dụ: 10kg, 100kg, 5 tấn...).
• Dải bù nhiệt độ (Compensated Temperature Range): Khoảng nhiệt độ mà loadcell có thể tự động bù trừ sai số do nhiệt, đảm bảo kết quả chính xác.
• Cấp bảo vệ (IP Rating): Đánh giá khả năng chống bụi và nước (ví dụ IP65, IP67, IP68). Môi trường ẩm ướt cần IP cao.
• Điện áp kích thích (Excitation Voltage): Giá trị điện áp làm việc khuyến nghị và tối đa (thường là 5 - 15V DC).
• Độ trễ (Hysteresis): Sai số khi tải tăng và giảm.
• Trở kháng đầu vào (Input Resistance): Trở kháng đo được giữa hai dây nguồn (Exc+ và Exc-).

• Điện trở cách điện (Insulation Resistance): Giá trị cách điện giữa lớp vỏ kim loại của loadcell và mạch điện bên trong.
• Phá huỷ cơ học (Ultimate Overload): Giá trị tải trọng mà loadcell có thể bị gãy hoặc biến dạng vĩnh viễn (thường là 150% - 300% tải định mức).
• Giá trị ra (Rated Output): Độ nhạy của loadcell, là kết quả điện áp ra tối đa (đơn vị: mV/V). Ví dụ 2.0 mV/V nghĩa là với nguồn 10V, khi full tải đầu ra sẽ là 20mV.
• Trở kháng đầu ra (Output Resistance): Trở kháng đo được giữa hai dây tín hiệu (Sig+ và Sig-).
• Quá tải an toàn (Safe Overload): Mức tải trọng mà loadcell có thể chịu được mà không bị hỏng hoặc mất độ chính xác (thường là 120% - 150%).

Quy trình sản xuất thiết bị đo trọng lượng Loadcell

Load Cell được sử dụng nhiều trong lĩnh vực cân đo và yêu cầu độ chính xác rất cao. Do đó, quá trình sản xuất loadcell cần phải trải qua nhiều công đoạn nghiêm ngặt:

→ 1. Gia công và làm sạch thân loadcell

Thân loadcell được gia công CNC chính xác từ khối hợp kim nhôm hoặc thép không gỉ để tạo ra các vùng biến dạng tối ưu.

Sau đó, bề mặt tại các vị trí dán strain gauge sẽ được đánh bóng và làm sạch tuyệt đối để đảm bảo độ kết dính tốt nhất.

→ 2. Dán Strain Gauge

Các tấm strain gauge và vị trí dán trên thân loadcell được phủ keo chuyên dụng. Sau đó, strain gauge được đặt chính xác vào vị trí (thường dùng kính hiển vi).

→ 3. Ép và Gia nhiệt

Dùng khuôn ép để tạo áp lực giữ chặt strain gauge vào thân loadcell, sau đó đưa vào lò nung ở nhiệt độ cao để keo đóng rắn và tạo liên kết bền vững.

→ 4. Hiệu chỉnh tải trọng (Cân chỉnh góc)

Loadcell được gắn vào máy kiểm tra. Thân của loadcell sẽ được mài dũa tinh vi (trimming) để đảm bảo rằng dù đặt tải trọng ở các vị trí góc khác nhau thì kết quả đo vẫn giống nhau.

→ 5. Bù nhiệt (Temperature Compensation)

Loadcell được đưa vào buồng thử nghiệm nhiệt độ (nóng và lạnh). Nếu tín hiệu ngõ ra thay đổi quá mức cho phép theo nhiệt độ, nhà sản xuất sẽ hàn thêm các điện trở bù nhiệt đặc biệt vào mạch cầu để triệt tiêu sai số này.

→ 6. Phủ silicon bảo vệ (Potting)

Cuối cùng, khu vực dán strain gauge và mạch điện sẽ được phủ kín bằng hợp chất silicon hoặc keo epoxy để chống ẩm, chống nước và bảo vệ khỏi tác động môi trường.

Nên dùng Loadcell của hãng nào tốt?

Dưới đây là hai thương hiệu Loadcell nổi tiếng và phổ biến trên thị trường:

#1 Loadcell Mettler Toledo

Mettler Toledo là tập đoàn đa quốc gia (gốc Thụy Sĩ/Mỹ) hàng đầu thế giới về cân điện tử. Loadcell của hãng này thuộc phân khúc cao cấp, giá thành khá đắt đỏ (có thể lên đến vài chục triệu đồng).

Tuy nhiên, "tiền nào của nấy", loadcell Mettler Toledo có độ chính xác cực cao, độ ổn định và độ bền tuyệt vời, thường được dùng trong các ứng dụng cân định lượng chính xác, cân phòng thí nghiệm hoặc các hệ thống công nghiệp yêu cầu khắt khe.

#2 Loadcell AND

A&D là thương hiệu cân nổi tiếng của Nhật Bản. Loadcell AND có ưu điểm là hoạt động bền bỉ, cấu hình mạnh mẽ và dễ dàng tích hợp.

Loại cảm biến này thường được làm từ thép không gỉ, chống ăn mòn tốt, dễ vệ sinh. Thương hiệu này được sử dụng rộng rãi tại nhiều nhà máy, trạm cân xe tải nhờ mức giá hợp lý hơn so với các dòng châu Âu mà chất lượng vẫn rất đảm bảo.

Cách chuyển đổi tín hiệu Loadcell sang Analog (4-20mA / 0-10V)

Tín hiệu ngõ ra của loadcell là dạng điện áp rất nhỏ (mV/V). Ví dụ với nguồn 10V và độ nhạy 2mV/V, tín hiệu chỉ là 0-20mV. Đây là tín hiệu rất yếu, dễ bị nhiễu khi truyền đi xa, đặc biệt trong môi trường công nghiệp có nhiều biến tần, động cơ lớn.

Hơn nữa, hầu hết các bộ PLC hoặc bộ điều khiển công nghiệp không đọc trực tiếp được tín hiệu mV mà thường chỉ đọc tín hiệu chuẩn Analog (4-20mA hoặc 0-10V).

Vì vậy, giải pháp là sử dụng thêm Bộ chuyển đổi tín hiệu Loadcell (Loadcell Transmitter/Amplifier). Thiết bị này có nhiệm vụ:

• Cấp nguồn ổn định cho Loadcell.
• Khuếch đại tín hiệu mV từ Loadcell.
• Chuyển đổi thành tín hiệu Analog chuẩn (4-20mA hoặc 0-10V) hoặc tín hiệu số (Modbus RTU).
• Lọc nhiễu và cách ly tín hiệu, giúp truyền đi xa (có thể lên đến 1200m với Modbus) mà không bị suy hao.

MUA NGAY HÀNG CÔNG NGHIỆP GIÁ TỐT TẠI MECSU

Tham khảo thêm tại Mecsu

>>> 100+ Mã Sản Phẩm Dây Rút: https://mecsu.vn/san-pham/day-rut-nhua.5op

>>> 1000+ Mã Sản Phẩm Đầu Cosse: https://mecsu.vn/san-pham/dau-cosse.Q1j

Mời anh em xem thêm các bài viết kỹ thuật khác:

• IC 555 là gì? Cấu tạo và nguyên lý hoạt động IC 555
• Lưu lượng là gì? Hướng dẫn cách đo lưu lượng
• Nhiệt lượng là gì? Phân loại biên độ nhiệt chi tiết

Trên đây là toàn bộ thông tin về Loadcell là gì, cấu tạo, nguyên lý hoạt động và quy trình sản xuất. Hi vọng bài viết này đã giúp anh em hiểu rõ hơn về thiết bị cảm biến quan trọng này và ứng dụng nó hiệu quả trong công việc. Cảm ơn anh em đã theo dõi!