Load Cell โหลดเซลล์ (Load Cell)

A load cell is a device that converts an applied force into an electrical signal that can be measured. It works on the principle that when a material is loaded it deforms very slightly, and this small deformation can be detected and converted into an electrical value. To understand how a load cell works, the topics that follow explain the related underlying theory. It starts with the concept of mechanical strain, that is, how a material deforms under a force, followed by the strain gauge, the sensor that detects this deformation. Then the Wheatstone bridge circuit is explained, which converts the small change of the strain gauge into a measurable electrical signal.

Load Cell คืออุปกรณ์ที่ทำหน้าที่แปลงแรงกระทำ (Force) ให้เป็นสัญญาณทางไฟฟ้าที่สามารถวัดค่าได้ โดยอาศัยหลักการที่ว่าเมื่อวัสดุได้รับแรง จะเกิดการเปลี่ยนรูปเล็กน้อย ซึ่งสามารถตรวจจับและแปลงเป็นค่าทางไฟฟ้าได้ เพื่อให้เข้าใจกระบวนการทำงานของ Load Cell ในหัวข้อต่อไปนี้จะอธิบายทฤษฎีพื้นฐานที่เกี่ยวข้อง เริ่มจากแนวคิดเรื่องความเครียดเชิงกล (Strain) ว่าวัสดุเปลี่ยนรูปอย่างไรเมื่อได้รับแรง ต่อด้วย Strain Gauge ซึ่งเป็นตัวรับรู้ที่ใช้ตรวจจับการเปลี่ยนรูปดังกล่าว จากนั้นจะอธิบายวงจร Wheatstone Bridge ที่ทำหน้าที่แปลงการเปลี่ยนแปลงเล็ก ๆ ของ Strain Gauge ให้เป็นสัญญาณไฟฟ้าที่วัดได้

Wheatstone Bridge วงจร Wheatstone Bridge

The change in resistance of a strain gauge is very small (in the milliohm range), which makes it hard to measure the resistance directly. The Wheatstone bridge circuit helps to detect these small changes in resistance. A Wheatstone bridge consists of four resistors (R₁, R₂, R₃, R₄) connected in a diamond shape, as in Figure 1. When an excitation voltage (V_s) is applied across one pair of opposite corners, the differential voltage (V_o) between point a and point b, at the other pair of opposite corners, can be calculated with the equation below.

การเปลี่ยนแปลงค่าความต้านทานของ Strain Gauge มีขนาดเล็กมาก (ระดับ mΩ) ทำให้การวัดค่าความต้านทานโดยตรงทำได้ยาก วงจร Wheatstone Bridge จึงเข้ามาช่วยตรวจจับการเปลี่ยนแปลงค่าความต้านทานเล็ก ๆ เหล่านี้ได้ โดยวงจร Wheatstone Bridge ประกอบด้วยตัวต้านทาน 4 ตัว (R₁, R₂, R₃, R₄) ต่อเป็นรูปสี่เหลี่ยมขนมเปียกปูนดังรูปที่ 1 เมื่อจ่ายแรงดันกระตุ้น (Excitation Voltage, V_s) ที่มุมตรงข้ามคู่หนึ่ง จะสามารถคำนวณแรงดันไฟฟ้าระหว่างจุด a กับ b (Differential Voltage, V_o) ที่มุมตรงข้ามอีกคู่หนึ่งคำนวณได้ด้วยสมการ

In a full-bridge load cell, all four resistors R are replaced by strain gauges placed as in Figure 2. When a force is applied at point F, the structure of the load cell deforms, so that two strain gauges are in compression and the other two are in tension. This changes the resistance up to 4 times as much as pressing or pulling a single strain gauge.

ในกรณีของ Load Cell แบบ Full-Bridge จะแทนที่ตัวต้านทาน R ทั้ง 4 ตัวด้วย Strain Gauge โดยวางตำแหน่งตามรูปที่ 2 เมื่อมีแรงกระทำที่จุด F โครงสร้างของ Load Cell จะเปลี่ยนไป ทำให้ Strain Gauge 2 ตัวรับแรงกด (Compression) และอีก 2 ตัวรับแรงดึง (Tension) ซึ่งส่งผลให้เกิดการเปลี่ยนแปลงค่าความต้านทานมากขึ้นถึง 4 เท่า เมื่อเปรียบเทียบกับการกดหรือดึง Strain Gauge เพียงแค่ตัวเดียว

Example ตัวอย่าง

Assume that the load cell has an excitation voltage (V_s) of 5 V and each strain gauge has a resistance R = 100 Ω with no force applied. When a weight of 50 g is placed at position F in Figure 2, the resistance of the strain gauges changes to R₁, R₃ = 100.0981 Ω and R₂, R₄ = 99.9019 Ω. When the weight is changed to 500 g, the resistance of the strain gauges changes to R₁, R₃ = 100.9810 Ω and R₂, R₄ = 99.0190 Ω. Calculate V_o when the weight at position F in Figure 2 is 0 g, 50 g and 500 g.

สมมติให้ Load Cell มีแรงดันกระตุ้น (V_s) เท่ากับ 5 V และ Strain Gauge มีค่าความต้านทาน R = 100 Ω ในสภาวะที่ไม่มีแรงกระทำ เมื่อมีน้ำหนัก 50 กรัม วางอยู่ที่ตำแหน่ง F ในรูปที่ 2 จะทำให้ค่าความต้านทานของ Strain Gauge เปลี่ยนเป็น R₁, R₃ = 100.0981 Ω และ R₂, R₄ = 99.9019 Ω และเมื่อเปลี่ยนน้ำหนักเป็น 500 กรัม ทำให้ค่าความต้านทานของ Strain Gauge เปลี่ยนเป็น R₁, R₃ = 100.9810 Ω และ R₂, R₄ = 99.0190 Ω จงคำนวณหาค่า V_o เมื่อตำแหน่ง F ในรูปที่ 2 มีน้ำหนัก 0, 50 กรัม และ 500 กรัม

From Example 1 it can be seen that the voltage V_o is in the millivolt range, which is consistent with typical load cells, whose V_o also changes in the millivolt range.

จากตัวอย่างที่ 1 จะเห็นได้ว่าแรงดันไฟฟ้า V_o มีขนาดอยู่ในระดับ mV ซึ่งสอดคล้องกับ Load Cell ทั่วไปที่มี V_o เปลี่ยนแปลงในระดับ mV เช่นกัน