Có nhiều loại loadcell do các hãng sản xuất khác nhau như KUBOTA (Nhật), Global Weighing (Hàn Quốc), Transducer Techniques. Inc, Tedea – Huntleigh... Mỗi loại loadcell được chế tạo cho một yêu cầu riêng biệt theo tải trọng chịu đựng, chịu lực kéo hay nén.
Các loadcell thường được làm từ các kim loại như nhôm, sắt và thép không gỉ. Nếu không bị quá tải trọng cho phép và được thường xuyên bảo trì tốt, loadcell có thể sử dụng được trong rất nhiều năm.
2.2.2. Giới thiệu Loadcell sử dụng trong mạch.
Bảng 2.1:Thông số kĩ thuật Loadcell 40Kg.
Ứng dụng Cân điện tử
Tải trọng 40 Kg
Độ nhạy điện áp xuất 1.0 +- 0.15 mV/V
Độ lệch tuyến tính 0.05 %
Ngâm tải (5 phút) 0.1 %
Ảnh hưởng nhiệt độ tới độ
nhạy 0.003 %RO/oC
Ảnh hưởng nhiệt độ tới điểm
Độ cân bằng điểm không +- 0.2 %RO Trở kháng đầu vào 1066 +- 20 Ω Trở kháng ngõ ra 1000 +- 20 Ω Trở kháng cách li 50V 2000 MΩ Điện áp hoạt động 5 V Nhiệt độ hoạt động -20 ~ 65 oC
Mức quá tải cho phép 120 %RO
Mức quá tải phá hủy 150 %RO
Chất liệu cảm biến Nhôm (Al)
Độ dài dây 180 mm
2.2.3. Thành phần cấu tạo cơ bản của cân điện tử.
Thành phần cấu tạo cơ bản của cân điện tử bao gồm hai bộ phận chính: Bộ phận thứ nhất là đòn cân và bộ phận thứ hai là mạch xử lý tín hiệu điện tử. Ở phần này chỉ phân tích cấu tạo của địn cân mà khơng đi sâu vào phần mạch điện tử.
Đòn cân tên tiếng anh là “Strain Gauge Loadcell” hay gọi tắt là “Loadcell” cảm biến tải. Như tên gọi phản ánh, đòn cân được cấu tạo bởi hai thành phần, thành phần thứ nhất là “Strain Gauge” và thành phần còn lại là “Load”. Strain Gauge là một điện trở đặc biệt chỉ nhỏ bằng móng tay, có điện trở thay đổi khi bị nén hay kéo dãn và được nuôi bằng một nguồn điện ổn định, chỉ nhỏ bằng móng tay, được dán chết lên Load, nghĩa là một thanh kim loại chịu tải.
Thanh kim loại này một đầu được gắn cố định, đầu còn lại tự do và gắn với mặt bàn cân (Đĩa cân). Khi ta bỏ một khối
lượng lên đĩa , thanh kim loại này sẽ bị uốn cong do trọng lượng của khối lượng cân gây ra. Khi thanh kim loại bị uốn, điện trở Strain Gauge sẽ bị kéo dãn ra và thay đổi điện trở.
Như vậy, khi đặt vật cân lên bàn cân, tùy theo khối lượng vật mà Load, thanh kim loại sẽ bị uốn đi một lượng tương ứng và lượng này được đo lường qua sự thay đổi điện trở của Strain Gauge. Thông thường, thanh kim loại sẽ được cấu tạo sao cho bất chấp vị trí ta đặt vật cân lên bàn/ đĩa, nó đều cho cùng một mức độ bị uốn như nhau.
Khoảng uốn cong của thanh kim loại vào khoảng 1/500 cm. Tuy giá trị uốn cong rất nhỏ nhưng đủ để Strain Gauge phát hiện và đo lường khối lượng trong khoảng nhất định tùy theo loại cân điện tử. Thông thường Strain Gauge chỉ phát hiện và đo lường trên một khoảng nhỏ, hẹp, cân điện tử nào đo khối lượng càng lớn và càng chính xác địi hỏi khoảng Strain Gauge phát hiện càng rộng và độ nhạy càng lớn.
2.2.4 Nguyên lý đo khối lượng
Trong vật lý cơ học, mối quan hệ giữa lực và khối lượng được xác định bằng định luật II Newtơn, theo đó lực có tác dụng vào vật có khối lượng m sẽ bằng tích số khối lượng và gia tốc của nó:
(1.1) Trong đó:
- F: Lực tác dụng (N)
- m: Khối lượng của vật (Kg)
- a: Gia tốc của vật ()
Trọng lực là một trường hợp của công thức này. Dưới tác dụng của sức hút trái đất, vật có khối lượng sẽ chịu tác dụng của của trọng lực P = m.g với g: gia tốc trọng trường là một số
cố định tùy từng khu vực. Các phương pháp đo khối lượng thường được dựa vào quan hệ này.
2.2.5 Các phương pháp đo khối lượng
Cảm biến điện trở lực căng
Sức căng ɛ được xác định bằng sự thay đổi chiều dài ∆L
của thanh đàn hồi L so với một đơn vị chiều dài:
(1.2) Do tác động lực vào thanh L, làm xuất hiện sức căng, tương ứng cũng làm thay đổi giá trị điện trở của thanh. Cảm biến sức căng dựa trên nguyên tắc này, cho phép biến đổi giá trị nhỏ thành sự thay đổi tương ứng giá trị điện trở của thanh.
Có hai loại cảm biến sức căng:
- Loại gắn trực tiếp trên cần đàn hồi của bộ đo lực, ở vị trí cần đo sức căng.
- Loại gián tiếp được liên kết trên cơ học với yếu tố đàn hồi.
Thừa số cảm biến sức căng G được quy định là tỷ số của sự biến đổi đơn vị điện trở so với sức căng:
(1.3) Trong đó:
- ∆R = sự thay đổi của điện trở (Ω)
- R = điện trở của cảm biến sức căng (Ω)
- ∆L = sự thay đổi chiều dài (m)
- L = chiều dài của cảm biến (m)
Khi tác dụng một lực f lên tiết diện cắt ngang A, ứng suất S = f/A (). Ở thanh đàn hồi, tỷ số của ứng suất S trên sức căng ɛ là hằng số và được gọi là modun đàn hồi:
Đối với thanh đàn hồi có chiều dài là h và chiều rộng là b, có cảm biến sức căng gắn trực tiếp trên bề mặt ở vị trí cách điểm lực tác động là L, ứng suất được xác định theo biểu thức:
S = 6f.L / b. (1.5)
Từ các biểu thức trên, suy ra:
∆R/R = (6G.L / b.E).f (1.6)
Từ biểu thức rõ ràng có mối quan hệ tuyến tính giữa lực tác động và sự thay đổi giá trị điển trở vị của cảm biến. Bằng phép đo ∆R ta có thể xác định độ lớn lực tác dụng. Đó chính là
ngun tắc hoạt động của cảm biến sức căng.
Cảm biến sức căng cho phép sử dụng để đo lực tác động do trọng lượng của vật Cảm biến áp điện
Cảm biến áp điện hoạt động dựa trên nguyên lý của hiệu ứng áp điện.
Phần tử cơ bản của một cảm biến áp điện có cấu tạo tương tự một tụ điện được chế tạo bằng cách phủ hai bản cực lên hai mặt đối diện của một phiến vật liệu áp điện mỏng. Vật liệu áp điện thường dùng là thạch anh vì nó có tính ổn định và độ cứng cao. Tuy nhiên hiện nay vật liệu gốm do có ưu điểm độ bền và độ nhạy cao, điện dung lớn, ít chịu ảnh hưởng của điện trường ký sinh, dễ sản xuất và giá thành chế tạo thấp cũng được sử dụng đáng kể.
Dưới tác dụng của lực cơ học, tấm áp điện bị biến dạng, làm xuất hiện trên hai bản cực các điện tích trái dấu.Hiệu điện thế xuất hiện giữa hai bản cực tỉ lệ với lực tác dụng.
Cảm biến áp từ
Dưới tác động của từ trường, một số vật liệu sắt từ thay đổi tính chất hình học hoặc tính chất cơ học (hệ số Young). Hiện tượng này được gọi là hiệu ứng từ giảo. Khi có tác dụng của lực
cơ học gây ra ứng lực trong vật liệu sắt từ làm thay đổi đường cong từ hố của chúng, khi đó dựa vào sự thay đổi của độ từ thẩm hoặc từ dư có thể xác định được độ lớn của lực tác dụng. Đây là hiệu ứng từ giảo nghịch.
• Cảm biến từ thẩm biến thiên:
Cấu tạo của một cảm biến gồm một cuộn dây có lõi từ hợp với một khung sắt từ tạo thành một mạch kín. Dưới tác dụng của lực F, lõi từ bị biến dạng kéo theo sự thay đổi từ thẩm µ, làm cho từ trở mạch từ thay đổi do đó độ tự cảm của cuộn dây cũng thay đổi. Sự thay đổi tương đối của L, R hoặc µ tỉ lệ với ứng lực σ, tức là với lực cần đo F:
(1.7) • Cảm biến từ dư biến thiên:
Phần tử cơ bản của cảm biến từ dư biến thiên là một lõi từ làm bằng Ni tinh khiết cao, có từ dư Br. Dưới tác dụng của lực cần đo, thí dụ lực nén (dσ < 0), Br tăng lên:
(1.8) 2.2.6. Module ADC HX711