Học viện đào tạo trực tuyến Thứ Ba, 11 tháng 8, 2020 0 No comments

Không sử dụng cân lò xo như các loại cân thường thấy, một hệ thống cân xe tải, ô tô thường được gắn các cảm biến loadcell để cân đo khối lượng một chiếc xe nặng hàng chục tấn. Người ta không dùng cân cơ khí vì với một hệ thống cân to lớn như thế, các cơ cấu lò xo sẽ cực kì cồng kềnh và tốn kém. Vậy loadcell là gì, cùng mình tìm hiểu chi tiết trong bài này nhé.

Hiệu ứng Poisson
Đầu tiên, chúng ta cần biết được cách mà một vật thể "ứng xử" như thế nào khi bị lực làm cho biến dạng. Độ biến dạng ε được định nghĩa là tỉ lệ lượng thay đổi kích thước so với kích thước ban đầu. Khi một mẩu vật liệu bị nén hoặc kéo theo một hướng, nó có xu hướng biến dạng theo hai hướng khác vuông góc với lực tác dụng, hiện tượng này gọi là hiệu ứng Poisson.

Lấy ví dụ một miếng kẹo dẻo, khi lấy tay bóp nó thì các hướng còn lại không chịu tác dụng lực sẽ phình ra, còn hướng có lực thì bị nén lại. Tỉ lệ Poisson ν được tính bằng (tỉ lệ của sự biến dạng ngang / tỉ lệ biến dạng dọc)

Vậy hiệu ứng Poisson có liên quan gì với việc đo khối lượng?
Như chúng ta đều biết ở các cấp học dưới, điện trở một sợi dây kim loại được tính theo công thức R = (ρ.L)/S, trong đó R là điện trở, L là chiều dài đoạn kim loại, S là tiết diện mặt cắt của sợi kim loại đó và ρ là điện trở suất của tuỳ loại vật liệu. Từ công thức trên, dễ thấy R sẽ thay đổi khi L và S thay đổi trong khi ρ là hằng số.

Khi một đoạn dây kim loại bị kéo chẳng hạn, tiết diện mặt cắt của sợi dây sẽ nhỏ đi và chiều dài sẽ giãn ra, cái này ai chơi đất sét hay nặn bột đều biết. Nguyên lý bên được áp dụng để tạo ra một thứ gọi là strain gage, thứ cấu tạo chính của một loadcell.

Strain gage gồm một mẩu dây kim loại được xếp zic zac, vì kiểu xếp này giúp tăng tối đa lượng biến dạng của dây kim loại mà vẫn đảm bảo kích thước gọn gàng. Đoạn dây kim loại này được đặt trong một lớp bảo vệ Carrier và được gắn trực tiếp vào các bộ phận biến dạng vì chịu lực trực tiếp, như một thanh dầm chẳng hạn. Khi lực tác động, strain gage sẽ bị biến dạng.

Sự liên hệ về độ biến dạng và điện trở thay đổi
Giả sử ban đầu dây dẫn có chiều dài là L, diện tích mặt cắt ngang là CD2 , trong đó D là một kích thước ngang 2D, và C được xem là một hệ số tỉ lệ, giả như hình cắt là hình tròn thì C là π/4, nếu là hình vuông thì C là 1, vân vân. Ta có các phép biến đổi sau: (diễn dàn khó gõ công thức nên mình gõ bên ngoài rồi chụp lại )

Mạch cầu Wheaston

Trong thực tế, sự thay đổi và các giá trị đo được là rất bé, nên người ta thường sử dụng mạch cầu Wheaston để phát hiện điều này. Mạch cầu Wheaston có bố trí như hình bên trên. Chúng được cấp cho một điện áp Vex để hoạt động. Hai điện trở R1 và R2 có tác dụng tạo thành một mạch chia áp, điện trở R3 và R4 cũng vậy. Hiệu điện thế Vo đo được theo công thức:

Khi mạch cầu cân bằng, có nghĩa là R1/R2 = R4/R3, lúc này Vo = 0. Với bất kì thay đổi điện trở nào của của bốn điện trở trên, Vo sẽ ngay lập tức khác 0. Với nguyên lý này, người ta thay một strain gage vào một trong 4 điện trở bên trên. Khi có biến dạng, Vo khác 0 và từ đó người ta sẽ đo được độ biến dạng, lực tác động và nhiều ứng dụng khác.

Load cell và ứng dụng trong làm cân và đo đạc
Strain gage là thành phần chính của load cell. Thực tế thì load cell được dùng cực nhiều trong các phương pháp đo công nghiệp. Loadcell trên thị trường có rất nhiều loại, đáp ứng các nhu cầu đo từ nhỏ tới lớn tới khổng lồ luôn. Lợi ích và ứng dụng của load cell rất rộng rãi trong kỹ thuật.

Loadcell được sử dụng nhiều trong công nghiệp vì nó có thể cân vật rất nặng, nhưng cơ cấu bàn cân lại rất gọn, không như các cân cơ, cân lò xo truyền thống. Độ chính xác của nó cũng rất cao. Một hệ thống cân xe hoạt động dựa trên các bàn cân gắn cảm biến lực loại này. Tín hiệu sau khi được nhận sẽ đi qua một bộ xử lý, từ đó đo đạc, phân tích và tính toán để đưa ra con số cụ thể.

Hi vọng bài viết của mình đem lại nhiều kiến thức bổ ích. Nếu có góp ý gì anh em cứ comment bên dưới nha, cám ơn mọi người đã đọc bài 😁
Tham khảo: Measuring Strain with strain gage, Mechanical Measurement 6th, Wiki