2025-11-28
Cấu tạo bên trong và nguyên lý hoạt động của cảm biến cân/căng
Cảm biến cân là một thiết bị dùng để đo lực. Khi chịu tác dụng của ngoại lực, nó sẽ tạo ra tín hiệu điện ở đầu ra. Cảm biến cân đo biến dạng là một trong những loại được sử dụng phổ biến nhất để đo trọng lượng. Bài viết này sẽ giới thiệu nguyên lý hoạt động của cảm biến cân và các thông số kỹ thuật khác nhau của chúng.
**Cảm biến cân là gì?**
Cảm biến cân là một loại cảm biến lực. Cảm biến là một thiết bị chuyển đổi một dạng năng lượng thành tín hiệu điện có thể đọc được. Cụ thể, cảm biến cân chuyển đổi lực thành điện áp mà thiết bị điện tử có thể đọc được. Cảm biến cân được sử dụng phổ biến nhất trong cuộc sống hàng ngày là loại máy đo biến dạng, loại cảm biến này có mặt ở hầu hết các thiết bị đo trọng lượng.
**Cảm biến cân hoạt động như thế nào?**
Cảm biến cân chứa vật liệu điện trở cực mỏng được gắn vào một chất nền dẻo. Khi có ngoại lực tác động lên thân cảm biến cân, lớp nền dẻo sẽ biến dạng, buộc vật liệu điện trở cũng biến dạng. Khi kích thước của vết điện trở thay đổi thì điện trở của chúng cũng thay đổi.
Tuy nhiên, sự thay đổi điện trở là rất nhỏ so với tổng điện trở ban đầu của vật liệu – thường vào khoảng 1:100. Điều này làm cho việc đo trực tiếp điện trở tuyệt đối trở nên rất khó khăn. Do đó, vật liệu điện trở trên đế dẻo được bố trí thành cấu trúc mạch điện gọi là cầu Wheatstone. Cầu Wheatstone (được đặt theo tên người khởi xướng nó, Charles Wheatstone) là một sự sắp xếp các điện trở hình kim cương, với một điện trở ở mỗi bên, như trong hình bên dưới:
Một điện áp kích thích được đặt trên một cặp góc đối diện của hình kim cương và tín hiệu điện áp đầu ra có thể được đọc từ cặp góc kia. Thông thường, khi không có ngoại lực tác dụng, tất cả các điện trở đều có cùng giá trị. Mỗi "chân" của cầu Wheatstone đóng vai trò như một bộ chia điện áp. Vì tất cả các điện trở đều bằng nhau nên điện áp đầu ra từ mỗi chân cũng bằng nhau – nghĩa là đầu ra vi sai là 0V, vì các điểm đầu ra nằm ở điểm giữa của mỗi bộ chia. Khi có ngoại lực tác dụng, điện trở của một trong các điện trở thay đổi, làm thay đổi điện áp trên chân đó. Điều này dẫn đến sự chênh lệch điện áp nhỏ xuất hiện ở đầu ra.
**Cách sử dụng cảm biến cân?**
Điện áp đầu ra của cảm biến cân rất nhỏ và đến từ nguồn có trở kháng cao (tức là các bộ chia điện trở). Vì vậy, để đọc điện áp một cách chính xác, việc điều hòa tín hiệu là điều cần thiết. Mạch điều hòa tín hiệu phải có trở kháng đầu vào cao để tránh tải các bộ chia, tỷ lệ loại bỏ chế độ chung cao vì điện áp tuyệt đối trên mỗi chân bằng một nửa điện áp kích thích và cũng có mức tăng chênh lệch cao. Điều này đòi hỏi phải sử dụng bộ khuếch đại thiết bị đáp ứng tất cả các tiêu chí trên. Hình bên dưới hiển thị một mạch ví dụ sử dụng bộ khuếch đại thiết bị AD620 có mức tăng 100, nghĩa là cứ 1mV điện áp đầu vào, đầu ra sẽ là 100mV. Ví dụ: nếu đầu ra toàn thang đo của cầu là ±25mV thì đầu ra của bộ khuếch đại sẽ là ±2,5V.
**Cảm biến cân kỹ thuật số**
Để vượt qua những thách thức kỹ thuật liên quan đến việc sử dụng cảm biến cân analog, có thể chọn cảm biến cân kỹ thuật số có giao diện như UART và RS485. Các cảm biến này hỗ trợ giao thức truyền thông MODBUS-RTU tiêu chuẩn, cho phép kết nối dễ dàng với các thiết bị như PLC, máy tính, mô-đun hiển thị và bộ truyền dữ liệu không dây.
