Cảm biến lực

Bạn đã bao giờ tự hỏi làm thế nào chiếc cân điện tử ở nhà có thể đo chính xác trọng lượng của bạn, hay làm sao một trạm thu phí biết được một chiếc xe tải có đang chở quá tải hay không? Câu trả lời nằm ở một thiết bị nhỏ bé nhưng vô cùng quan trọng: cảm biến lực.

Ở phần bên dưới đây, hãy cùng Lidinco tìm hiểu về loại cảm biến này, phân loại, những ứng dụng tiện lợi, thực tế mà cảm biến lực mang tới cho người

Cảm biến lực là gì?

Cảm biến lực, hay thường được biết đến với tên gọi tiếng Anh là Loadcell, là một thiết bị điện tử có khả năng chuyển đổi một lực tác động như lực căng, lực nén hoặc lực uốn thành một tín hiệu điện có thể đo lường được. Tín hiệu điện này có giá trị tỷ lệ thuận với độ lớn lực tác động lên cảm biến

Trong thế giới tự động hóa và sản xuất thông minh ngày nay, cảm biến lực đóng vai trò như một "giác quan" thứ sáu, giúp máy móc "cảm nhận" và định lượng các lực vật lý. Chúng là thành phần cốt lõi trong mọi hệ thống cần đến sự đo lường, giám sát và điều khiển chính xác về trọng lượng và lực.

Nguyên lý hoạt động của cảm biến lực (Loadcell) ra sao?

Để hiểu được sự kỳ diệu của thiết bị này, chúng ta cần tìm hiểu về nguyên lý hoạt động của cảm biến lực. Hầu hết các loại loadcell hiện đại ngày nay đều hoạt động dựa trên một thành phần chính là "Strain Gauge" (cảm biến đo biến dạng) và hiệu ứng cầu điện trở Wheatstone.

Cấu tạo cơ bản của một loadcell bao gồm:

• Thân cảm biến (Load Body): Đây sẽ là một khối kim loại (thường được làm bằng nhôm hợp kim hoặc thép không gỉ) được thiết kế với hình dạng đặc biệt để khi có lực tác động, nó sẽ bị biến dạng đàn hồi một cách có kiểm soát.
• Strain Gauge: Là những điện trở có độ nhạy cao, được cố định chắc chắn lên bề mặt thân cảm biến tại những vị trí đã được tính toán kỹ lưỡng. Khi thân cảm biến bị kéo dãn hoặc nén lại, các strain gauge này cũng sẽ bị biến dạng theo, dẫn đến sự thay đổi về điện trở của chúng.
• Mạch cầu Wheatstone: Là một sơ đồ kết nối, ở sơ đồ này các strain gauge được kết nối với nhau tạo thành một mạch cầu cân bằng.

Quá trình hoạt động diễn ra như sau:

Khi không có lực tác động, mạch cầu Wheatstone ở trạng thái cân bằng và điện áp đầu ra bằng không. Khi bạn đặt một vật nặng lên (tạo ra lực nén hoặc kéo), thân cảm biến sẽ bị biến dạng. Sự biến dạng này làm cho các strain gauge bị kéo dãn hoặc nén lại, khiến điện trở của chúng thay đổi. 

Sự thay đổi này làm cho mạch cầu mất cân bằng và tạo ra một điện áp ở đầu ra. Điện áp này rất nhỏ nhưng tỷ lệ thuận hoàn toàn với lực tác động. Tín hiệu này sau đó sẽ được một bộ khuếch đại và chỉ thị (đầu cân) xử lý để hiển thị thành con số trọng lượng mà chúng ta nhìn thấy.

Các loại cảm biến lực phổ biến nhất hiện nay

Thế giới cảm biến lực rất đa dạng về hình dáng và chức năng để phù hợp với vô số ứng dụng khác nhau. Dưới đây là các loại cảm biến lực (hay các loại loadcell) mà bạn sẽ thường gặp nhất:

Cảm biến lực dạng thanh (Beam Loadcell)

• Đây là loại phổ biến nhất, có hình dạng thanh dài. Chúng thường được sử dụng trong các hệ thống cân sàn, cân băng tải, cân bồn nhỏ và vừa. Lực sẽ tác động lên một điểm trên thân thanh, gây ra hiện tượng uốn.

Cảm biến lực dạng nén (Compression Loadcell)

• Được thiết kế đặc biệt để chịu lực nén theo phương dọc, loại này có kết cấu vững chắc, hình trụ hoặc hình khối. Chúng là lựa chọn lý tưởng cho các ứng dụng tải trọng cực lớn như cân xe tải, cân tàu hỏa, cân silo chứa hàng chục, hàng trăm tấn.

Cảm biến lực dạng kéo (Tension Loadcell)

• Thường có hình dạng chữ S hoặc có hai móc ở hai đầu (đôi khi còn được gọi là Z-Beam hoặc S-Type vì chúng có dạng khá giống hình chữ S hoặc Z), loại cảm biến này chuyên dùng để đo lực căng (lực kéo). Bạn sẽ thấy chúng trong các loại cân treo công nghiệp, máy thử độ bền kéo vật liệu hay các hệ thống cần giám sát lực căng cáp.

Cảm biến lực đơn điểm (Single Point Loadcell)

• Với thiết kế đặc biệt cho phép nhận tải trọng ở bất kỳ vị trí nào trên mặt bàn cân mà vẫn đảm bảo độ chính xác, loại này là trái tim của các loại cân bàn nhỏ, cân siêu thị, cân nhà bếp, cân sức khỏe và các hệ thống cân định lượng, đóng gói tự động.

Hình ảnh một số loại cảm biến lực phổ biến trên thị trường

	In-Line Load Cell: là loại cảm ứng lực phổ biến nhất. Thường được sử dụng cho cả ứng dụng đo tải trọng căng và nén. Cảm biến Load Cell In-line cung cấp độ chính xác cao, độ cứng và độ bền cao với khe hở lắp đặt tối thiểu cần thiết
	Dạng trụ đứng (Column Load Cell) – là loại cảm biến được thiết kế với dạng hình trụ đứng. Thiết kế này thường dùng trong các ứng dụng nén với công suất cao như kiểm tra lực kẹp của máy CNC. Các mẫu cảm biến lực mang thiết kế này thường cung cấp công suất mạnh mẽ từ 2.000 đến 30.000lbs
	Dạng nút (Load Button) – là những cảm biến đo lực có một bề mặt phẳng, thiết kế phần giữa hơi nhô lên  như một nút nhấn, đây cũng là nơi tác dụng lực nén. Điểm nổi bật của loại thiết kế này đó là chúng không chiến quá nhiều diện tích, tuy nhỏ nhưng có độ bền tốt. Loại này thường được dùng để đo lực tải của các thành phần dạng lăn
	Dạng lỗ xuyên (Thru-Hole Load Cell) – hay còn gọi là dạng vòng đệm với phần lỗ ở giữa, loại cảm biến dạng lỗ xuyên phổ thông thường có phần lòng trong trơn (không ren) được sử dụng để đo lực nén của thanh truyền đi qua tâm của nó, thường ứng dụng để đo lực tác động của bu lông
	Dạng Pancake (Pancake Load Cells) – có phần lỗ xuyên ở giữa, phần lỗ có ren, thường dùng để đo lực tải ở dạng căng hoặc nén. Thường được sử dụng trong các ứng dụng cần độ bền cao, tuổi thọ cao hoặc các phép đo trong dòng công suất cao cho hệ thống cân bồn chứa. Thiết kế dạng ren cho khả năng chống lệch trục tốt
	Cảm biến tải trọng Rod-End (Rod-End Load Cell) – Thiết kế kết nối với một đầu đực và một đầu cái kết nối bằng ren phù hợp cho các ứng dụng cần điều chỉnh cảm biến lục vào một vật cố định bất kỳ

Ứng dụng của cảm biến lực trong đời sống và sản xuất

Ứng dụng của cảm biến lực hiện diện ở khắp mọi nơi, từ những vật dụng quen thuộc đến những hệ thống công nghiệp phức tạp.

Trong công nghiệp sản xuất: Đây là lĩnh vực mà loadcell phát huy vai trò mạnh mẽ nhất. Chúng được dùng trong hệ thống cân và định lượng nguyên liệu cho các bồn trộn, silo; hệ thống cân băng tải để kiểm soát dòng sản phẩm; máy đóng gói để đảm bảo trọng lượng sản phẩm chính xác; máy ép, máy dập để kiểm soát lực gia công.

Trong giao thông vận tải: Ứng dụng rõ ràng nhất là các trạm cân tải trọng xe để kiểm soát việc tuân thủ luật lệ giao thông, ngăn chặn việc phá hủy đường sá. Ngoài ra, chúng còn dùng để cân hàng hóa tại các cảng biển, cảng hàng không.

Trong nông nghiệp: Cảm biến lực được tích hợp trong các hệ thống cân nông sản, cân gia súc, và các máy trộn thức ăn tự động để đảm bảo đúng tỷ lệ dinh dưỡng.

Trong y tế: Các thiết bị y tế đo lực cơ của bệnh nhân trong quá trình phục hồi chức năng cũng sử dụng công nghệ đo lực này khá rộng rãi

Phòng thí nghiệm: Cảm biến đo lực kéo, lực căng thường được sử dụng phổ biến trong các dòng máy kéo nén vạn năng. Giúp phân tích độ bền của đa số các loại sản phẩm có mặt trên thị trường hiện nay

Trong đời sống hàng ngày: Mọi chiếc cân điện tử bạn sử dụng, từ cân sức khỏe trong phòng tắm, cân thực phẩm trong nhà bếp, cho đến chiếc cân tính tiền ở quầy thịt ngoài chợ, tất cả đều hoạt động nhờ một cảm biến lực đơn điểm bên trong để có thể hoạt động

Hướng dẫn cách chọn mua cảm biến lực phù hợp

Việc lựa chọn đúng loại loadcell là yếu tố quyết định đến độ chính xác và độ bền của toàn bộ hệ thống. Nếu bạn đang có nhu cầu, hãy ghi nhớ những lưu ý khi mua loadcell sau đây:

• Tải trọng tối đa (Capacity): Đây là YẾU TỐ QUAN TRỌNG NHẤT. Trước khi mua Leadcell hãy xác định tải trọng lớn nhất mà hệ thống của bạn sẽ cân, sau đó chọn một loadcell có tải trọng danh định lớn hơn mức đó khoảng 20-30%. Điều này tạo ra một khoảng an toàn, tránh tình trạng quá tải gây hỏng hóc hoặc đo lường sai.
• Độ chính xác (Accuracy): Độ chính xác của cảm biến đo lực thường được ký hiệu là C2, C3, C4... (theo tiêu chuẩn OIML). C3 là mức phổ biến nhất cho các ứng dụng cân thương mại. Các ứng dụng đòi hỏi độ chính xác cao hơn như trong phòng thí nghiệm, nghiên cứu có thể cần đến độ chính xác C4 hoặc C5.
• Hình dạng và phương pháp lắp đặt: Cách chọn cảm biến lực còn phụ thuộc vào kết cấu cơ khí. Hệ thống của bạn được thiết kế để chịu lực nén, kéo hay uốn? Không gian lắp đặt ra sao? Trả lời những câu hỏi này sẽ giúp bạn chọn đúng loại loadcell dạng thanh, nén, kéo hay đơn điểm.
• Môi trường làm việc: Cảm biến sẽ được lắp đặt trong nhà, ngoài trời, hay trong môi trường ẩm ướt hay nhiều hóa chất gây ăn mòn không? Nếu bạn cần làm việc trong các điều kiện khắc nghiệt hãy chú ý đến các cảm biến được làm bằng thép không gỉ (tốt hơn nhôm) và cấp bảo vệ chống bụi, chống nước (IP). Ví dụ, IP67 cho phép ngâm tạm thời trong nước, trong khi IP68 có thể hoạt động liên tục dưới nước.
• Thương hiệu uy tín: Để đảm bảo chất lượng và độ ổn định lâu dài, hãy ưu tiên các thương hiệu đã có tên tuổi trên thị trường như Kislter, Dytram, NMB, Ametek…. Các sản phẩm này tuy giá thành cao nhưng sẽ đem lại độ bền và khả năng vận hành ổn định. Nếu bạn cần độ chính xác không quá cao có thể chọn các sản phẩm đến tư Trung Quốc

Mua cảm biến lực Loadcell ở đâu?

Là một thiết bị ngày càng được sử dụng phổ biến trong hầu hết các nhà máy. Bạn có thể dễ dàng tìm mua cảm biến đo lực tại nhiều nhà cung cấp trên toàn quốc

Tuy nhiên, để mua được các sản phẩm chính hãng với chất lượng tốt nhất cũng như hỗ trợ lắp đặt thiết bị và tư vấn chọn mua đúng với ứng dụng. Bạn nên tìm đến những địa chỉ uy tín

Hiện nay, Lidinco đang cung cấp cảm biến Loadcell đến từ các thương hiệu của Nhật và Mỹ chất lượng cao. Vui lòng liên hệ theo thông tin bên dưới đễ được tư vấn thêm

CÔNG TY TNHH ĐẦU TƯ PHÁT TRIỂN CUỘC SỐNG

Hồ Chí Minh: 028.39778269 – 028.36016797 –  (Zalo) 0906.988.447 Skype: Lidinco
Bắc Ninh: 0222.7300180  – Email:  bn@lidinco.com
Email: sales@lidinco.com