Hướng dẫn thu thập và xử lý tín hiệu của Loadcell với LabVIEW

HƯỚNG DẪN:
THU THẬP TÍN HIỆU CỦA CẢM BIẾN LOADCELL
LÊN MÁY TÍNH






1. Loadcell là gì?
Loadcell là những cảm biến dùng để đo lực (khối lượng, mô-men xoắn).
Khi lực được tác dụng lên một loadcell, loadcell sẽ chuyển đổi lực tác dụng thành tín
hiệu điện. Các loadcell cũng được biết đến như là "đầu dò tải" (load transducer) bởi
vì nó cũng có thể chuyển đổi một tải trọng (lực tác dụng) thành tín hiệu điện.
2. Cấu tạo và hoạt động của Loadcell?
Loadcell được cấu tạo bởi hai thành phần, thành phần thứ nhất là "Load", phần thứ
2 là "Strain gage”. “Load” là phần sẽ chịu tải trọng của việc đo lực chính vì thế mà
tùy vào tải trọng tối đa cần đo mà người ta sẽ làm Load bằng các vật liệu khác nhau,
với tải trọng cần đo chỉ vài kg thì vật liệu của Load có thể được làm bằng nhôm
nhưng với các tải trọng hàng tấn thì Load thường được cấu tạo bằng hợp kim thép
không rỉ để phù hợp trong môi trường công nghiệp khó khăn nhất như cân xe tải.
Strain gauge là một điện trở đặc biệt chỉ nhỏ bằng móng tay, có điện trở thay đổi khi
bị nén hay kéo dãn và được nuôi bằng một nguồn điện ổn định, được dán chết lên
“Load”.
Subject: Technical Course
Target: Internal

Date of issue: 06/2014
By: Ks. Lê Toàn
Tài liệu này tổng hợp 1 số kiến thức về cảm biến lực Loadcell trên một số nguồn
đáng tin cậy. Đặc biệt là hướng dẫn thu thập tín hiệu từ của cảm biến lực lên máy
tính một cách dễ dàng sử dụng Card Hocdelam USB 9090 nhằm giúp các bạn mới
và muốn làm quen với cảm biến lực loacell:
- Có được cái nhìn tổng quan nhất về loại cảm biến này
- Dễ dàng thu thập tín hiệu từ bất cứ loại cảm biến nào lên máy tính
- Dễ dàng xử lý nhiễu của tín hiệu cảm biến lực Loadcell


Hình: 1 loại Strain gauge

R= Điện trở strain gauge (Ohm)
L = Chiều dài của sợi kim loại strain gauge (m)
S = Tiết diện của sợi kim loại strain gauge (m2)
ƿ = Điện trở suất vật liệu của sợi kim loại strain gauge

Strain gauge được dán chết lên “Load”
Hoạt động:


Khi dây kim loại bị lực tác động sẽ thay đổi điện trở
Khi dây bị lực nén, chiều dài strain gauge giảm, điện trở sẽ giảm xuống
Khi dây bi kéo dãn, chiều dài strain gauge tăng, điện trở sẽ tăng lên
Điện trở thay đổi tỷ lệ với lực tác động.



Tìm hiểu thêm về Strain gauges xem tại đây:

3. Hướng dẫn kiểm tra loadcell bằng đồng hồ VOM
Xem tại:
4. Các Thông số quan trọng của Loadcell
Tham khảo tại:
5. Hướng dẫn thu thập và xử lý tín hiệu của cảm biến Loadcell
Để thu thập được tín hiệu từ cảm biến Loadcell bạn cần chuẩn bị:
- Phần cứng: 1 cảm biến Loadcell, 1 mạch khuếch đại tín hiệu điện áp, 1 mạch giao
tiếp máy tính, nguồn nuôi cho cảm biến (có thể lấy nguồn ra 5V từ mạch giao tiếp
máy tính) và dây diện, tua-vít, kìm cắt dây. Chi tiết phần cứng được dùng trong
hướng dẫn này:
STT
Thiết bị
Số lượng
Giá tham khảo
(VNĐ)
1
VMC Loadcell, 50kg – 2mv/V
1
1.300.000

2
Mạch khuếch đại điện áp HDL-
VAmp

(tham khảo thêm tại:
www.sanpham.hocdelam.org)
1
980.000

3
Mạch giao tiếp máy tính
Hocdelam USB 9090

(tham khảo thêm tại:
www.sanpham.hocdelam.org)
1
1.890.000
4
Dây điện, tuavit, kìm cắt dây
1


- Phần mềm: LabVIEW, Matlab, VB… (bạn chọn phần cứng của nhà sản xuất nào thì
cần biết driver của họ có hỗ trợ phần mềm bạn đang dùng hay không?). Trong hướng
dẫn này chúng ta sẽ sử dụng phần mềm LabVIEW.
Hãy thực hiện trình tự các bước dưới đây bạn sẽ có thể thu thập và xử lý được tín
hiệu từ cảm biến Loadcell:


Bước 1: đấu nối phần cứng theo sơ đồ sau:

Tín hiệu điện áp ra của Loadcell là rất nhỏ, lấy ví dụ cho 1 Loadcell có tải trọng lớn
nhất là 1 tấn, có ngưỡng điện áp ra là 2mV/V, nếu bạn cấp điện áp vào Vcc=10V
thì ngưỡng điện áp ra là 0-2*10 <-> 0-20mV, quá nhỏ để có thể đọc được với các đầu
đo Analog (thông thường đầu đo Analog của các thiết bị đọc hiện nay có độ phân giải
là từ 8 đến 16bit, nếu là 10bit thì mức điện áp tối thiểu mà thiết bị đo có thể đọc được
là: 5/2^10~5mV do đó chỉ có 4 giá trị ADC (tương đương 20mV) được đưa lên máy
tính và độ sai số sẽ tương đương 1/4 tấn~250kg (sai số quá lớn).
Các thiết bị đăng kiểm hiện nay nếu có dung sai khoảng 0.01% thì sai số sẽ là

100gam cho 1 tấn. Đó là lý do chúng ta cần khuếch đại tín hiệu điện áp ra của
Loadcell.
Dùng card HDL USB 9095 (16bit ADC) để đọc 1 loadcell có tải trọng lớn nhất là 1 tấn
thì tín hiệu đọc sai số có thể là: 1000kg/(2^16) ~ 0,015kg =15gam. Độ chính xác rất
cao.
Dùng card HDL USB 9090 (10bit ADC) để đọc 1 chú loadcell 1 tấn thì tín hiệu đọc sai
số có thể là: 1000kg/(2^10) ~ 1kg. phù hợp cho các ứng dụng đo kiểm có dung sai
dưới 1kg.
Mạch đã được đấu nối và kết nối với máy tính:


Bước 2: Lập trình đọc tín hiệu cảm biến lực loadcell lên máy tính
Để đọc được tín hiệu từ cảm biến lực loadcell lên máy tính đầu tiên các bạn cần chắc
chắc các vấn đề sau đây:
- Card Hocdelam USB 9090 đã được cài đặt driver và cấu hình kết nối thành công với
máy tính. Xem hướng dẫn sử dụng USB 9090 tại:
/>090.pdf
- Phần mềm LabVIEW đã được cài đặt (phiên bản 2009 hoặc 2012).


Sau khi đã cài đặt xong phần mềm, chúng ta khởi động LabVIEW lên:


Lấy hàm giao tiếp với thiết bị ngoại vi: IO Hocdelam USB 9090 LabVIEW 2009:
Right – Click vào cửa sổ Block Diagram >> Slect a VI >> IO Hocdelam USB 9090
LabVIEW 2009.vi:


Sau đó bạn phải khai báo đầu vào cho hàm I/O: Right – Click lên chần USB Card của
hàm I/O >>Create >> Control:

Tiếp tục bạn lấy 1 Indicator dạng numberic và 1 indicator dạng Chart (đồ thị) nối vào
chân ADC1 của hàm giao tiếp (trên phần cứng chúng ta đã đấu nối chân V_out của
mạch khuếch đại vào chân ADC1 của card 9090 nên chúng ta sẽ lấy được tín hiệu
của cảm biến từ chân ADC1 từ hàm I/O, xem thêm hướng dẫn sử dụng thiết bị
Hocdelam USB 9090 để biết các sử dụng).





Cuối cùng chúng ta xổ chọn USB Card Name và chạy chương trình:



Khi chưa có tải trọng tác dụng: ADC = 0


Khi có tải trọng tác dụng lên Loadcell (dùng tay nhấn):



Ta thấy ADC thay đổi:


Chúng ta chú ý: Mạch khuếch đại có thể điều chỉnh hệ số khuếch đại cho nên tùy vào
dải tải trọng (tối đa bao nhiêu kg) mà chúng ta điều chỉnh hệ số khuếch đại sao cho
dải ADC của chúng ta đưa về càng lớn càng tốt. Tuy nhiên cũng chú ý, khi tín hiệu
được khuếch đại cũng đồng nghĩa nhiễu đi theo tín hiệu cũng được khuếch đại, lúc

này ta cần xử lý nhiễu sao cho tín hiệu của chúng ta giảm nhiễu mà vẫn đảm bảo độ
trễ tín hiệu (là sự trễ pha tín hiệu cũng giống như tốc độ thu thập tín hiệu của phần
mềm) nằm trong giới hạn cho phép.

Điều chỉnh hệ số khuếch đại (GAIN) cho mạch khuếch đại điện áp

Nếu phóng lớn đồ thị lên ta có thể quan sát thấy đường tín hiệu không được mịn như
đồ thị bên dưới:



Bây giờ chúng ta xử lý nhiễu này bằng cách sử dụng hàm Sample Variance PtByPt:


Đặt hằng số sample bằng 20 và khởi tạo hàm While-Loop cho chương trình ta được
kết quả thu thập và xử lý như sau:



Cần chọn hằng số sample cho phù hợp để đường tín hiệu mịn và đáp ứng được yêu
cầu về độ trễ. Theo kinh nghiệm tôi thường để sample bằng 20. So sánh 2 tín hiệu
trước và sau khi xử lý nhiễu bằng phần mềm:


Đường màu đỏ là đường tín hiệu sau xử lý nhiễu, đường màu trắng là đường tín hiệu
chưa qua xử lý nhiễu.

Trên đây là tín hiệu số chúng ta đưa về, để chuyển đổi về giá trị lực (Newton hay kg)
thì bạn cần đặt tải trọng lớn nhất của bạn lên Loadcell sau đó lập trình theo công
thức:

F(N) = [ADC*L(max)]/ADC(max)
Trong đó:
F(N): lực đo được
ADC: giá trị số mà thiết bị đo đưa về (ở đây là Hocdelam USB 9090)
L(max): Tải trọng lớn nhất
ADC (max): giá trị số ứng với L(max)

Ví dụ: khi chúng ta cân trọng lớn nhất là 50kg (500N) và điều chỉnh hệ số khuếch đại
Gain sao cho giá trị thấy được trên ADC1 là 1000 thì ADC(max) = 1000, suy ra:
F(N)=[ADC*500]/1000=?
Nếu ADC hiện tại =500 thì F(N)=(500*500)/1000=250N

Như vậy trên đây chúng ta đã được làm quen với việc thu thập và xử lý tín hiệu của
cảm biến Loadcell với máy tính sử dụng thiết bị giao tiếp máy tính Hocdelam USB
9090 và mạch khuếch đại HDL Vamp. Nếu có bất gì khó khăn, thắc mắc các bạn có
thể liên hệ tới bô phận hỗ trợ kĩ thuật của chúng tôi để tư vấn kịp thời!

Nguồn tham khảo:
www.hocdelam.org
www.candientucaocap.com
www.loadcell.com.vn
www.google.com
www.youtube.com


Hocdelam Group
Hotline: 0909.979.011
Email:
Website:
- Trang chủ: www.hocdelam.org

- Đào tạo: www.cep.hocdelam.org
- Sản phẩm: www.sanpham.hocdelam.org
- Facebook:

Hocdelam.org