โครงสร้างภายในและหลักการทำงานของเซ็นเซอร์วัดน้ำหนัก/แรงดึง

โครงสร้างภายในและหลักการทำงานของเซ็นเซอร์ชั่งน้ำหนัก/แรงดึง

เซ็นเซอร์ชั่งน้ำหนักเป็นอุปกรณ์ที่ใช้ในการวัดแรง เมื่อถูกแรงภายนอก มันจะสร้างสัญญาณไฟฟ้าที่เอาท์พุต เซ็นเซอร์ชั่งน้ำหนักสเตรนเกจเป็นหนึ่งในประเภทที่ใช้กันทั่วไปในการวัดน้ำหนัก บทความนี้จะแนะนำหลักการทำงานของเซ็นเซอร์ชั่งน้ำหนักและข้อกำหนดเฉพาะต่างๆ

-*เซ็นเซอร์ชั่งน้ำหนักคืออะไร*-

เซ็นเซอร์ชั่งน้ำหนักเป็นตัวแปลงสัญญาณแรงประเภทหนึ่ง เซ็นเซอร์เป็นอุปกรณ์ที่แปลงพลังงานรูปแบบหนึ่งให้เป็นสัญญาณไฟฟ้าที่อ่านได้ โดยเฉพาะอย่างยิ่ง เซ็นเซอร์ชั่งน้ำหนักจะแปลงแรงเป็นแรงดันไฟฟ้าที่อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สามารถอ่านได้ เซ็นเซอร์ชั่งน้ำหนักที่ใช้กันมากที่สุดในชีวิตประจำวันคือประเภทสเตรนเกจ ซึ่งมีอยู่ในอุปกรณ์เกือบทั้งหมดที่ใช้ตรวจวัดน้ำหนัก

**เซ็นเซอร์ชั่งน้ำหนักทำงานอย่างไร**

เซ็นเซอร์ชั่งน้ำหนักประกอบด้วยวัสดุต้านทานที่บางมากซึ่งติดอยู่กับพื้นผิวที่ยืดหยุ่น เมื่อแรงภายนอกกระทำต่อตัวเซนเซอร์ชั่งน้ำหนัก วัสดุพิมพ์ที่ยืดหยุ่นจะเสียรูป ส่งผลให้วัสดุต้านทานต้องเสียรูปเช่นกัน เมื่อขนาดของรอยต้านทานเปลี่ยนแปลง ความต้านทานไฟฟ้าของพวกมันก็เปลี่ยนไปเช่นกัน

อย่างไรก็ตาม การเปลี่ยนแปลงความต้านทานมีน้อยมากเมื่อเทียบกับความต้านทานรวมดั้งเดิมของวัสดุ—โดยทั่วไปจะอยู่ที่ 1:100 ทำให้การวัดความต้านทานสัมบูรณ์โดยตรงทำได้ยากมาก ดังนั้น วัสดุต้านทานบนพื้นผิวที่ยืดหยุ่นจึงถูกจัดเรียงเป็นโครงสร้างวงจรที่เรียกว่าสะพานวีตสโตน สะพานวีตสโตน (ตั้งชื่อตามผู้สนับสนุน Charles Wheatstone) เป็นการจัดเรียงตัวต้านทานรูปเพชร โดยมีตัวต้านทานหนึ่งตัวในแต่ละด้าน ดังแสดงในรูปด้านล่าง:

แรงดันกระตุ้นถูกจ่ายไปที่มุมตรงข้ามของรูปทรงเพชรหนึ่งคู่ และสามารถอ่านสัญญาณแรงดันไฟฟ้าเอาท์พุตได้จากอีกคู่หนึ่ง โดยทั่วไป เมื่อไม่มีแรงภายนอกเกิดขึ้น ตัวต้านทานทั้งหมดจะมีค่าเท่ากัน แต่ละ "ขา" ของสะพานวีทสโตนทำหน้าที่เป็นตัวแบ่งแรงดันไฟฟ้าต้านทาน เนื่องจากความต้านทานทั้งหมดเท่ากัน แรงดันเอาต์พุตจากแต่ละขาจึงเท่ากัน ซึ่งหมายความว่าเอาต์พุตส่วนต่างคือ 0V เนื่องจากจุดเอาต์พุตอยู่ที่จุดกึ่งกลางของตัวแบ่งแต่ละตัว เมื่อใช้แรงภายนอก ความต้านทานของตัวต้านทานตัวใดตัวหนึ่งจะเปลี่ยนไป ส่งผลให้แรงดันไฟฟ้าที่ขาข้างนั้นเปลี่ยน ซึ่งส่งผลให้เกิดความต่างศักย์ไฟฟ้าเล็กน้อยปรากฏที่เอาท์พุต

**วิธีการใช้เซ็นเซอร์ชั่งน้ำหนัก**

แรงดันไฟเอาท์พุตของเซ็นเซอร์ชั่งน้ำหนักมีขนาดเล็กมากและมาจากแหล่งที่มีความต้านทานสูง (เช่น ตัวแบ่งความต้านทาน) ดังนั้นเพื่อที่จะอ่านแรงดันไฟฟ้าได้อย่างแม่นยำ การปรับสภาพสัญญาณจึงเป็นสิ่งจำเป็น วงจรปรับสภาพสัญญาณจะต้องมีอิมพีแดนซ์อินพุตสูงเพื่อหลีกเลี่ยงการโหลดตัวแบ่ง ซึ่งเป็นอัตราส่วนการปฏิเสธโหมดร่วมที่สูง เนื่องจากแรงดันไฟฟ้าสัมบูรณ์ที่ขาแต่ละข้างคือครึ่งหนึ่งของแรงดันกระตุ้น และยังมีอัตราขยายส่วนต่างที่สูงอีกด้วย ซึ่งจำเป็นต้องใช้เครื่องขยายสัญญาณเครื่องมือวัดซึ่งตรงตามเกณฑ์ข้างต้นทั้งหมด รูปด้านล่างแสดงตัวอย่างวงจรที่ใช้เครื่องขยายสัญญาณเครื่องมือ AD620 ที่มีอัตราขยาย 100 ซึ่งหมายความว่าทุกๆ 1mV ของแรงดันไฟฟ้าอินพุต เอาต์พุตจะเป็น 100mV ตัวอย่างเช่น หากเอาต์พุตเต็มสเกลของบริดจ์คือ ±25mV เอาต์พุตของเครื่องขยายเสียงจะเป็น ±2.5V

**เซ็นเซอร์ชั่งน้ำหนักดิจิตอล**

เพื่อเอาชนะความท้าทายทางเทคนิคที่เกี่ยวข้องกับการใช้เซ็นเซอร์ชั่งน้ำหนักแบบอะนาล็อก จึงสามารถเลือกเซ็นเซอร์ชั่งน้ำหนักดิจิทัลที่มีอินเทอร์เฟซ เช่น UART และ RS485 ได้ เซ็นเซอร์เหล่านี้รองรับโปรโตคอลการสื่อสาร MODBUS-RTU มาตรฐาน ช่วยให้เชื่อมต่อกับอุปกรณ์ต่างๆ เช่น PLC คอมพิวเตอร์ โมดูลแสดงผล และหน่วยส่งข้อมูลแบบไร้สายได้อย่างง่ายดาย