Hướng dẫn Lựa chọn Cảm biến Tải

Cảm biến tải là thành phần cốt lõi chuyển đổi tín hiệu khối lượng thành tín hiệu điện có thể đo được, được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực đo lường công nghiệp, cân điện tử, dây chuyền sản xuất tự động, logistics và kho vận, cũng như các ứng dụng khác. Mấu chốt trong việc lựa chọn là phải phù hợp với yêu cầu thực tế — tránh lãng phí chi phí do quá chú trọng vào các thông số cao, đồng thời ngăn ngừa việc thông số không đủ ảnh hưởng đến độ chính xác và độ ổn định trong đo lường. Dưới đây là quy trình lựa chọn hệ thống và khả thi, kết hợp các thông số chính, thích ứng theo từng tình huống và các đề xuất thực tiễn nhằm giúp thực hiện việc lựa chọn chính xác.

Bước 1: Xác định rõ Yêu cầu Cốt lõi và Các Tình huống Ứng dụng (Nền tảng của Việc Lựa chọn)

Trước khi lựa chọn, cần xác định rõ "đo cái gì, trong môi trường nào và cách lắp đặt như thế nào", đây là tiền đề cho việc lựa chọn các thông số tiếp theo:

1. Yêu cầu Đo lường Cốt lõi

• Đối tượng đo: Rắn (khối/hạt), lỏng hoặc khí? Có phải là chất ăn mòn hoặc nhớt (ví dụ: chất lỏng bám vào cảm biến) không?
• Dải đo (khả năng tải): Chỉ rõ giá trị cân tối đa (bao gồm đối tượng đo + hộp/khung đỡ và các trọng lượng phụ trợ khác), và dự trữ hệ số an toàn 1,2~1,5 lần (để tránh hư hại cảm biến do tải va đập hoặc quá tải). Ví dụ: Nếu khối lượng cân thực tế tối đa là 50kg, nên chọn cảm biến có dải đo từ 60~75kg; đối với cân động (ví dụ: vật liệu trên dây chuyền lắp ráp), nên dự trữ hệ số an toàn 1,5~2 lần (để đối phó với va đập).
• Yêu cầu độ chính xác đo lường: Có dùng để thanh toán thương mại (yêu cầu chứng nhận đo lường pháp định), giám sát quá trình (cho phép sai số nhất định), hay đo lường phòng thí nghiệm độ chính xác cao? Ví dụ: Cân điện tử định giá cần đạt độ chính xác OIML cấp III (sai số ≤ ±0,1%), các hệ thống trộn liệu công nghiệp thường yêu cầu độ chính xác ±0,05%~±0,1%, và cân trong kho thông thường có thể chấp nhận sai số ≤ ±0,5%.
• Yêu cầu động/tĩnh: Là cân tĩnh (ví dụ: cân bàn, cân bồn) hay cân động (ví dụ: cân băng tải, dây chuyền phân loại tốc độ cao)? Các tình huống động cần nhấn mạnh "tốc độ phản hồi".

2. Điều kiện lắp đặt và không gian

• Phương pháp nạp liệu: Kiểu kéo (ví dụ: cân treo), kiểu nén (ví dụ: chân đỡ cân bàn), hay kiểu lực cắt (ví dụ: lắp đặt dầm công xôn)?
• Không gian lắp đặt: Kích thước bên ngoài của cảm biến (chiều dài, đường kính, khoảng cách lỗ bắt vít) có tương thích với cấu trúc thiết bị không? Ví dụ: Cảm biến mỏng phù hợp với không gian hẹp (ví dụ: cân điện tử nhỏ), và cần dùng cảm biến dạng cột/cầu cho việc cân bồn lớn (khả năng chịu tải cao và chiếm ít không gian).
• Số lượng lắp đặt: Cân một điểm (ví dụ: cân bàn nhỏ, 1 cảm biến) hay cân nhiều điểm (ví dụ: silo lớn, cân bàn, 3~4 cảm biến mắc song song)? Cân nhiều điểm yêu cầu chọn cảm biến có khả năng "ghép cầu" để đảm bảo phân bố lực đồng đều.

3. Điều kiện môi trường (Yếu tố chính ảnh hưởng đến độ ổn định của cảm biến)

• Nhiệt độ: Dải nhiệt độ môi trường hoạt động (-40℃~85℃ là thông thường; các tình huống nhiệt độ cao như gần lò nung cần loại chịu nhiệt, và các tình huống nhiệt độ thấp như trong kho lạnh cần loại bù nhiệt độ thấp). Lưu ý: Sự trôi nhiệt độ sẽ ảnh hưởng đến độ chính xác, do đó hãy chọn cảm biến có chức năng "bù nhiệt" (phạm vi bù phải bao phủ nhiệt độ môi trường thực tế).
• Độ ẩm/bảo vệ: Có sử dụng trong môi trường ẩm ướt (ví dụ: rửa xưởng, mưa ngoài trời), nhiều bụi hoặc ăn mòn (ví dụ: xưởng hóa chất, dung dịch axit-bazơ) không? Xác định theo cấp bảo vệ IP: ≥IP67 (chống bụi, bảo vệ chống ngâm ngắn hạn) cho môi trường ngoài trời/ẩm ướt, ≥IP68 (chống bụi, bảo vệ chống ngâm dài hạn) cho môi trường ăn mòn, và chọn vật liệu chống ăn mòn (ví dụ: thép không gỉ 316L).
• Các yếu tố gây nhiễu: Có rung động (ví dụ: trên dây chuyền sản xuất, gần các máy công cụ) hoặc nhiễu điện từ (ví dụ: gần bộ chuyển tần số, động cơ) không? Đối với các tình huống có rung động, hãy chọn cảm biến có thiết kế "chống rung"; đối với các tình huống có nhiễu điện từ, hãy chọn cảm biến có dây che chắn và chứng nhận EMC.

Bước 2: Chọn Loại Cảm Biến (Phù hợp Tình Huống theo Nguyên Lý/Cấu Trúc)

Loại cảm biến lực được xác định bởi nguyên lý cốt lõi và cấu trúc. Các loại khác nhau có sự khác biệt đáng kể về phạm vi ứng dụng, do đó việc lựa chọn phải dựa trên "phương pháp tải, độ chính xác và môi trường":

Gợi ý lựa chọn chính:

• Đối với hầu hết các tình huống công nghiệp (cân tĩnh, yêu cầu độ chính xác ±0,01%~±0,5%), ưu tiên loại cảm biến biến dạng (có hiệu quả chi phí và tính thích ứng cao nhất);
• Đối với cân động (tốc độ đáp ứng < 10ms), chọn loại áp điện hoặc loại cảm biến biến dạng tốc độ cao;
• Đối với đo lường độ chính xác cao trong phòng thí nghiệm, chọn loại cân bằng lực điện từ;
• Đối với môi trường nhiệt độ cao/chấn động mạnh/ăn mòn mạnh, chọn loại cảm biến biến dạng với vật liệu đặc biệt (ví dụ: thép không gỉ 316L, thân đàn hồi gốm) hoặc loại điện dung.

Bước 3: Xác nhận các thông số kỹ thuật cốt lõi (Phù hợp chính xác yêu cầu)

Sau khi xác định loại, cần điều chỉnh chi tiết các thông số kỹ thuật để tránh hiện tượng "dư thừa thông số" hoặc "thiếu hụt thông số":

1. Các thông số liên quan đến độ chính xác (Các chỉ tiêu cốt lõi quyết định độ chính xác đo lường)

• Sai số tổng hợp (phi tuyến + trễ + lặp lại): Khi lựa chọn, cần đảm bảo "sai số tổng hợp ≤ sai số yêu cầu thực tế". Ví dụ: Nếu sai số yêu cầu ≤ ±0,1%, thì sai số tổng hợp của cảm biến phải ≤ ±0,05% (dự trữ dư thừa).
• Độ nhạy: Tín hiệu đầu ra tương ứng với đơn vị trọng lượng (ví dụ: 2mV/V), biểu thị "khả năng cảm nhận" của cảm biến. Khuyến nghị: Độ nhạy đồng đều tốt (độ lệch độ nhạy của các cảm biến trong cùng lô ≤ ±0,1%) để thuận tiện cho việc phối hợp tín hiệu trong cân đa điểm; tín hiệu đầu ra phải phù hợp với dải đầu vào của bộ khuếch đại và thiết bị thu thập dữ liệu tiếp theo (ví dụ: dải đầu vào bộ khuếch đại 0~10V, độ nhạy cảm biến 2mV/V, nguồn cấp 10V, đầu ra tối đa 20mV, do đó bộ khuếch đại cần có chức năng khuếch đại tín hiệu).
• Trôi điểm không: Sự thay đổi tín hiệu đầu ra của cảm biến theo thời gian/nhiệt độ khi không có tải (ví dụ: ±0,01%FS/℃). Trôi càng nhỏ, độ ổn định dài hạn càng tốt.

2. Các thông số thích nghi môi trường

• Phạm vi bù nhiệt độ: Phải bao phủ dải nhiệt độ hoạt động thực tế (ví dụ: -10℃~60℃), nếu không độ chính xác sẽ giảm đáng kể.
• Cấp bảo vệ (IP): Chọn theo môi trường (đã đề cập ở trên).
• Lưu ý: IP67 có thể ngăn ngấm nước trong thời gian ngắn (độ sâu 1m trong 30 phút), IP68 có thể ngăn ngấm nước lâu dài, và IP69K có thể ngăn tia phun áp lực cao (ví dụ: làm sạch trong nhà máy chế biến thực phẩm).
• Khả năng chống nhiễu: Trong các tình huống có nhiễu điện từ, hãy chọn cảm biến có dây che chắn (ví dụ: dây xoắn đôi có che chắn) và chứng nhận CE/EMC; trong môi trường rung động, hãy chọn cảm biến có "cấp độ chống rung" ≥ tần số rung động thực tế (ví dụ: tần số rung ≤50Hz, cấp độ chống rung của cảm biến ≥100Hz).

3. Tín hiệu đầu ra và nguồn cấp

• Loại tín hiệu đầu ra: Phải tương thích với thiết bị phía sau (bộ khuếch đại, PLC, màn hình hiển thị):
  • Tín hiệu tương tự (phổ biến): Tín hiệu điện áp (ví dụ: 0~5V, 0~10V), tín hiệu dòng điện (4~20mA, phù hợp truyền khoảng cách xa, khả năng chống nhiễu tốt), tín hiệu vi sai (ví dụ: 2mV/V, yêu cầu bộ khuếch đại chuyển đổi);
  • Tín hiệu số (RS485, CAN bus, giao thức Modbus): Khả năng chống nhiễu mạnh, có thể kết nối trực tiếp với PLC/máy tính mà không cần bộ khuếch đại, phù hợp cân đa điểm (ví dụ: 4 cảm biến mắc song song theo mạng).
• Điện áp nguồn: Thông thường là 5V, 10V, 24V DC. Đảm bảo nguồn cung cấp ổn định (biến động ≤ ±5%) để tránh tín hiệu đầu ra không ổn định do dao động điện áp.

4. Cấu trúc và thông số lắp đặt

• Cấu trúc bên ngoài: Chọn theo phương pháp tải và không gian:
  • Loại dầm công xôn: Phù hợp với cân bàn, cân bàn điện tử (hỗ trợ một điểm/hai điểm, dễ lắp đặt, dải từ 1kg~5t);
  • Loại cầu/cột: Phù hợp với bồn lớn, cân xe tải (khả năng chịu tải cao, dải từ 10t~1000t, khả năng chống lệch tải tốt);
  • Loại căng kiểu S: Phù hợp với cân treo (ví dụ: cần cẩu, cân treo phễu, dải đo từ 10kg~50 tấn, đo lường hai chiều lực kéo/nén);
  • Loại mỏng/vi mô: Phù hợp với không gian hẹp (ví dụ: cân điện tử nhỏ, thiết bị y tế, dải đo từ 1g~10kg).
• Giao diện lắp đặt: Loại lỗ gắn cảm biến (lỗ ren, lỗ xuyên suốt) và khoảng cách phải khớp với giá đỡ thiết bị để tránh "sai số tải lệch tâm" do sai lệch lắp đặt (lực phân bố không đều ảnh hưởng đến độ chính xác).

Bước 4: Tránh sai sót khi lựa chọn và chú ý đến các chi tiết thực tế

1. Những lỗi lựa chọn phổ biến

• Lỗi 1: Theo đuổi quan niệm "độ chính xác càng cao càng tốt"—cảm biến độ chính xác cao có chi phí lớn hơn và yêu cầu khắt khe hơn về môi trường và lắp đặt (ví dụ: cảm biến phòng thí nghiệm có thể mất độ chính xác do rung động trong xưởng công nghiệp);
• Lỗi 2: Dải đo chính xác bằng yêu cầu—không có hệ số an toàn, dễ làm hư hỏng cảm biến do va chạm hoặc quá tải (ví dụ: quá tải tức thời do vật liệu rơi xuống);
• Lỗi 3: Bỏ qua ảnh hưởng của tải lệch tâm—đối với cân nhiều điểm (ví dụ: một bàn cân được đỡ bởi 4 cảm biến), việc không chọn cảm biến "chống tải lệch tâm" sẽ dẫn đến kết quả cân không đồng nhất tại các vị trí khác nhau trên bàn cân;
• Lỗi 4: Bỏ qua tính tương thích tín hiệu—tín hiệu ngõ ra của cảm biến không tương thích với bộ khuếch đại/PLC, dẫn đến cần thêm các module chuyển đổi, làm tăng chi phí và điểm lỗi.

2. Ghi chú thực tế

• Cân nhiều điểm yêu cầu "tương thích cầu": Khi nối song song nhiều cảm biến, cần chọn các cảm biến có độ nhạy và trở kháng đầu ra đồng nhất (sai lệch ≤ ±0,1%), và sử dụng hộp đấu nối chuyên dụng (để cân bằng tín hiệu);
• Thích ứng vật liệu với môi trường: Chọn thép không gỉ 304 cho các tình huống thông thường, 316L hoặc gốm sứ cho môi trường ăn mòn, và hợp kim Inconel cho môi trường nhiệt độ cao;
• Hiệu chuẩn và bảo trì: Đối với các tình huống thanh toán thương mại, chọn cảm biến có thể "hiệu chuẩn" và đã qua chứng nhận pháp lý như OIML và NTEP; đối với các tình huống công nghiệp, cần xem xét chu kỳ hiệu chuẩn (ví dụ: một lần mỗi năm) và chọn các cảm biến có quy trình hiệu chuẩn đơn giản;
• Điều kiện nhà cung cấp: Ưu tiên các nhà cung cấp có kinh nghiệm trong ngành và hỗ trợ kỹ thuật (ví dụ: hướng dẫn lắp đặt, điều chỉnh tín hiệu) để tránh các cảm biến giá thấp nhưng chất lượng kém (sử dụng được trong ngắn hạn nhưng sai lệch lớn theo thời gian và tuổi thọ ngắn).

Ví dụ lựa chọn theo tình huống điển hình (tra cứu nhanh)

Tóm tắt: Lôgic cốt lõi trong việc lựa chọn

Bản chất của việc lựa chọn cảm biến tải là sự phối hợp từng lớp theo trình tự "yêu cầu → loại → thông số → chi tiết": trước tiên làm rõ "cần đo gì, đo ở đâu và cách lắp đặt như thế nào", sau đó chọn loại cảm biến phù hợp, và cuối cùng triển khai chính xác thông qua các thông số cốt lõi (phạm vi đo, độ chính xác, bảo vệ, tín hiệu), đồng thời tránh sai sót và chú ý đến các chi tiết thực tế (ví dụ: lắp đặt, hiệu chuẩn, tính tương thích).

Nếu bạn chưa chắc chắn về các thông số cụ thể, bạn có thể cung cấp các thông tin sau để tham vấn nhà cung cấp:

① Giá trị cân lớn nhất (bao gồm cả trọng lượng phụ trợ);

② Yêu cầu về độ chính xác;

③ Tình trạng nhiệt độ hoạt động/độ ẩm/ăn mòn;

④ Phương pháp lắp đặt (kéo/nén/kích thước không gian);

⑤ Thiết bị kết nối tiếp theo (ví dụ: mô hình PLC, loại bộ khuếch đại), và nhà cung cấp có thể đưa ra các khuyến nghị phù hợp.