Ảnh hưởng của lực ngang lên cảm biến cân cầu và cảm biến cân trụ, và sự khác biệt trong các tình huống sử dụng của chúng
Trong quá trình vận hành thực tế của hệ thống cân, cảm biến không chỉ chịu tải trọng cân dọc trục vuông góc với bề mặt chịu lực mà còn thường xuyên phải đối mặt với sự nhiễu từ lực ngang theo phương ngang hoặc phương nghiêng. Là một tải trọng không mong muốn, lực ngang làm gián đoạn trạng thái chịu lực lý tưởng của cảm biến, dẫn đến giảm độ chính xác đo lường hoặc thậm chí làm hỏng phần cứng. Do những khác biệt vốn có trong thiết kế cấu trúc và nguyên lý chịu lực, cảm biến cân cầu và cảm biến cân trụ có khả năng chịu lực ngang khác nhau rất nhiều — điều này xác định trực tiếp ranh giới riêng biệt của chúng trong các tình huống ứng dụng. Bài viết này sẽ bắt đầu với cơ chế tác động của lực ngang, so sánh các đặc tính chống lực ngang của hai loại cảm biến, và sắp xếp một cách có hệ thống những khác biệt về yêu cầu cốt lõi trong các tình huống ứng dụng của chúng.
Lực ngang đề cập đến tải trọng không mong muốn tác động lên thân đàn hồi của cảm biến theo các hướng ngang, nghiêng hoặc xoắn (lệch khỏi hướng lực dọc trục của cảm biến, thường là phương thẳng đứng) trong quá trình cân. Nó chủ yếu bao gồm ba loại: áp lực/kéo ngang, lực cắt và mô-men xoắn. Mặc dù không phải là đối tượng được đo bởi hệ thống cân, lực này là một nguồn nhiễu chính gây ra lỗi đo lường.
Lực ngang có liên quan chặt chẽ đến chế độ vận hành và trạng thái thiết bị của tình huống ứng dụng. Các tình huống phổ biến có thể được phân loại thành ba loại:
-
Sự Nhiễu Động trong Quá Trình Vận Hành
- Ví dụ: Khi xe nâng di chuyển một thùng lên bàn cân, va chạm ngang giữa thùng và bàn cân tạo ra lực ngang; khi một cánh tay robot gắp vật liệu để cân, lực quán tính của chuyển động của cánh tay tạo thành một lực ngang nghiêng; khi băng tải vận chuyển vật liệu, độ lệch tải do sự dịch chuyển của vật liệu chuyển thành lực cắt ngang.
-
Lỗi Lắp Đặt và Hiệu Chuẩn Thiết Bị
- Nếu bề mặt lắp đặt của cảm biến không bằng phẳng (có góc nghiêng), tải trọng dọc trục sẽ bị phân rã thành một thành phần ngang; khi nhiều cảm biến được kết hợp để cân, sự sai lệch trong khoảng cách cảm biến hoặc điểm lực sẽ ngăn chặn việc truyền tải trọng dọc trục đồng đều, tạo thành mô-men xoắn; trong quá trình hiệu chuẩn, việc đặt lệch vị trí của quả cân gây ra áp lực ngang cục bộ.
-
Tác Động của Môi Trường và Điều Kiện Làm Việc
- Trong các xưởng có độ rung lớn, rung động định kỳ từ hoạt động của thiết bị được truyền đến cảm biến, tạo thành lực va đập ngang; khi cân bồn trộn hoặc bình phản ứng, lực ly tâm từ vật liệu bên trong quay chuyển thành lực ngang; thiết bị cân ngoài trời (ví dụ: cân xe tải) tiếp xúc với gió mạnh chịu lực ngang theo phương ngang từ tải trọng gió.
Thiết kế cấu trúc của cảm biến cân cầu và cảm biến cân trụ dẫn đến những khác biệt đáng kể trong cơ chế phản ứng, biểu hiện lỗi và rủi ro hư hỏng khi tiếp xúc với lực ngang. Điều này có thể được phân tích từ ba khía cạnh: cấu trúc thân đàn hồi, bố trí đồng hồ đo biến dạng và tác động đến hiệu suất.
Còn được gọi là cảm biến dạng dầm, cảm biến cân cầu có cấu trúc lõi là dầm đàn hồi hình "I", "hình hộp" hoặc "hai lỗ". Các dầm được kết nối với bàn cân/bệ thông qua các đầu cố định ở cả hai bên, với đồng hồ đo biến dạng được gắn vào khu vực chịu lực ở giữa. Khả năng chịu lực ngang của cấu trúc này bắt nguồn từ hai ưu điểm cốt lõi:
-
Khả Năng Thích Ứng Định Hướng của Độ Cứng Cấu TrúcMô-men quán tính mặt cắt ngang của dầm đàn hồi lớn hơn nhiều so với mô-men dọc trục của nó, mang lại cho nó độ cứng ngang cực cao. Ví dụ, một cảm biến dạng cầu với tải trọng định mức 5t có khả năng chịu tải ngang là 30%–50% tải trọng dọc trục (tức là 1,5t–2,5t). Khi lực ngang tác động lên nó, biến dạng ngang của dầm đàn hồi chỉ là 0,005mm–0,01mm — nhỏ hơn nhiều so với biến dạng 0,1mm–0,15mm dưới tải trọng dọc trục — do đó, biến dạng không mong muốn khó có thể xảy ra.
-
Sự Cách Ly Định Hướng của Đồng Hồ Đo Biến DạngĐồng hồ đo biến dạng chỉ được gắn vào các bề mặt trên và dưới của dầm đàn hồi, và hướng của các lưới nhạy cảm của chúng thẳng hàng với hướng dọc trục. Chúng chỉ nhạy cảm với "biến dạng kéo-nén" do tải trọng dọc trục gây ra. Ngược lại, "biến dạng cắt" hoặc "biến dạng uốn" do lực ngang (ví dụ: cắt ngang, mô-men xoắn) gây ra vuông góc với hướng nhạy cảm của đồng hồ đo biến dạng, do đó nó không thể chuyển đổi thành tín hiệu điện hợp lệ. Do đó, tác động lỗi của lực ngang lên cảm biến dạng cầu thường được kiểm soát trong vòng 0,1% FS (toàn thang đo), và một số mẫu có độ chính xác cao thậm chí có thể giảm xuống 0,05% FS.
Cần lưu ý rằng nếu lực ngang vượt quá giới hạn chịu tải của cảm biến dạng cầu (thường là 50% tải trọng dọc trục), dầm đàn hồi có thể bị biến dạng uốn vĩnh viễn. Điều này thể hiện dưới dạng tăng độ trôi không của cảm biến (vượt quá 0,02% FS/°C) và giảm độ tuyến tính, dẫn đến mất độ chính xác đo lường không thể đảo ngược.
Thân đàn hồi của cảm biến cân trụ có cấu trúc hình trụ hoặc hình nón cụt, với đồng hồ đo biến dạng được gắn đều dọc theo hướng chu vi của cạnh hình trụ (thường là 4 hoặc 8 miếng, tạo thành một mạch đo cầu đầy đủ). Khi chịu lực, nó tạo ra biến dạng thông qua nén dọc trục của hình trụ. Nhược điểm cốt lõi của cấu trúc này nằm ở "tính đồng nhất về độ cứng dọc trục-ngang" — sự khác biệt về mô-men quán tính giữa các mặt cắt ngang dọc trục và ngang của thân đàn hồi hình trụ là nhỏ, và độ cứng ngang của nó chỉ bằng 1/3–1/5 so với cảm biến dạng cầu. Do đó, lực ngang dễ dàng gây ra biến dạng không thể đảo ngược của thân đàn hồi, với các tác động cụ thể như sau:
