Đo cảm biến tải trọng, áp suất và mô men xoắn với NI CompactDAQ

Đa số các cảm biến tải trọng (load cell), cảm biến mô men xoắn và một số loại cảm biến áp suất hiện nay dùng cảm biến đo biến dạng strain gauge. Nó còn có các tên gọi khác như strain gage, cảm biến điện trở dây, cảm biến điện trở biến dạng, cảm biến lá đo, cảm biến sức căng.

Strain gauge là 1 điện trở đặc biệt được làm từ 1 thanh kim loại mỏng bằng móng tay. Người ta thường thiết kế strain gauge theo hình zig zag để tăng chiều dài của nó, mục đích nhằm giúp tăng độ biến dạng khi bị lực tác dụng, qua đó tăng độ chính xác lên mức tối đa của thiết bị sử dụng strain gauge.

Hình 1: Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của strain gauge

Khi dây kim loại bị lực tác động sẽ thay đổi điện trở. Điện trở thay đổi tỉ lệ với lực tác dụng. Khi dây bị lực nén, chiều dài strain gauge giảm, điện trở sẽ giảm xuống và ngược lại, khi dây bị kéo dãn, chiều dài strain gauge tăng, điện trở sẽ tăng lên.

Để đo độ biến dạng của strain gauge và sự thay đổi về trở kháng của nó, người ta thường dùng một cầu Wheatstone cân bằng với một nguồn điện áp kích thích như hình dưới

Hình 2: Cầu điện trở Wheatstone cân bằng

Như chúng ta thấy, điện áp ngõ ra tỉ lệ với điện áp ngõ vào theo một công thức. Nếu thay điện trở R4 bằng một strain gauge, chúng ta có mạch phần tư cầu (quarter-bridge). Nếu thay R3 và R4 ta có mạch bán cầu (half-bridge) và thay cả 4 điện trở là mạch toàn cầu (full-bridge).

Để đo cảm biến tải trọng, áp suất và mô men xoắn dùng strain gauge, thiết bị đo cần phải có tuỳ chọn đo một phần tư cầu, bán cầu hoặc toàn cầu.  Ví dụ như hệ thống CompactDAQ của National Instruments với module NI 9237 đo 4 kênh đồng thời.

Hình 3: Hệ thống NI CompactDAQ và module NI 9237

Trước tiên cần cài đặt phần mềm NI-DAQmx, NI Measurement & Automation Explorer (MAX) và ADE.

Xác định sơ đồ chân của thiết bị DAQ

1. Mở phần mềm NI MAX và vào phần Devices and Interfaces
2. Nhấp chuột phải vào tên thiết bị, chọn “Device Pinouts”

Hình 4: Cửa sổ Device Terminals

Cấu hình phép đo cầu Wheatstone

Người dùng có thể dùng NI MAX và NI-DAQmx để thiết lập phép đo trực tiếp mà không cần phải lập trình.

1. Mở NI MAX, chọn Data Neighborhood và nhấn Create New.
2. Chọn NI-DAQmx Global Virtual Channel và nhấn Next
3. Chọn Acquire Signal >> Analog Input >> Force >> Bridge

Hình 5: Tạo một kênh đo ảo NI-DAQmx

4. Chọn kênh ai0 hoặc bất kỳ một kênh nào muốn kết nối với cảm biến. Một kênh vật lý là một đầu nối hoặc một chân nối mà người dùng có thể đo hoặc tạo một tín hiệu tương tự hay số.

Hình 6: Chọn một kênh được nối với cảm biến

5. Nhấn Next và nhập tên cho kênh hoặc để tên mặc định
6. Chọn Finish và cửa sổ bên dưới sẽ xuất hiện

Hình 7: Thiết lập một kênh đo lực trong MAX

7. Ở tab Settings, nhập vào giá trị nhỏ nhất và lớn nhất mà bạn muốn đọc từ cảm biến
8. Cấu hình cho cầu Wheatstone tại Bridge Type và tỉ lệ (Configure Scale) để ánh xạ giá trị vật lý với giá trị điện. Ngoài ra còn có tuỳ chọn tuyến tính 2 điểm (Two-Point Linear), bảng (Table) và đa thức (Polynomial). Các giá trị này và giá trị trở kháng cầu (Resistance), điện áp kích thích (Excitation) có trong datasheet của cảm biến.
9. Nhấn tab sơ đồ kết nối Connection Diagram trong MAX

Hình 8: Sơ đồ kết nối tới cảm biến

Sơ đồ kết nối trong hình 6 thể hiện rằng các chân của thiết bị DAQ phải được đấu dây như thế nào. Ví dụ trong hình là full-bridge dùng chân 2, 3, 6 và 7 tương ứng với AI+, AI-, EX+ và EX- trên module NI 9237.

• Kiểm tra tín hiệu: Trong MAX, trở lại tab NI-DAQmx Global Channel và nhấn nút chạy (Run). Bạn sẽ thấy giá trị đo được hiển thị trên màn hình.

Hình 9: Cửa sổ xem trước giá trị đo

Bạn có thể chọn xem tín hiệu đo được dưới dạng bảng hoặc đồ thị trong Display Type.

• Tiếp theo, bạn có thể thực hiện phép đo trong LabVIEW với 2 ví dụ có sẵn trong Help >> Find Example.

Hình 10: Ví dụ về đo cảm biến strain gauge trong LabVIEW

 Ngoài ra, bạn có thể dùng bộ chuyển đổi tín hiệu để có được ngõ ra dạng điện áp hoặc dòng điện. Hãy liên hệ với chúng tôi để được tư vấn các giải pháp về đo lường và cảm biến.

Lương Quang Tài