อุปกรณ์เสริมหลักและหลักการทำงานของเซ็นเซอร์แบบเชิงเส้น เซ็นเซอร์วัดน้ำหนัก เซ็นเซอร์ LVDT และเซ็นเซอร์วัดแรงบิด

เซ็นเซอร์เปลี่ยนปริมาณทางกายภาพให้เป็นสัญญาณที่สามารถวัดได้ ความน่าเชื่อถือในการทำงานของเซ็นเซอร์ขึ้นอยู่ไม่เพียงแต่กับองค์ประกอบที่ทำหน้าที่รับรู้เท่านั้น แต่ยังขึ้นอยู่กับอุปกรณ์เสริมสำคัญต่าง ๆ เช่น ตัวเรือน อุปกรณ์ปรับสัญญาณ (signal conditioner) ขั้วต่อ และชุดอุปกรณ์ยึดติดด้วย ด้านล่างนี้ ได้อธิบายเซ็นเซอร์ 5 ประเภทที่สำคัญ รวมถึงหลักการทำงานและอุปกรณ์เสริมที่จำเป็น

1. เซนเซอร์เชิงเส้น (แบบโพเทนชิโอเมตริกหรือแมกเนโตสตริกทีฟ)

หลักการทำงาน: เซ็นเซอร์เชิงเส้นแบบโพเทนชิโอเมตริกใช้ตัวต้านทานแบบแทร็กและตัวปัด (wiper) เมื่อตัวปัดเคลื่อนที่เชิงเส้น ค่าความต้านทานจะเปลี่ยนแปลงตามสัดส่วน ส่งผลให้เกิดสัญญาณเอาต์พุตแบบตัวแบ่งแรงดันไฟฟ้า (voltage divider) ส่วนเซ็นเซอร์แบบแมกเนโตสตริกทีฟประกอบด้วยตัวนำคลื่น (waveguide) และแม่เหล็กถาวร โดยการส่งสัญญาณไฟฟ้าหนึ่งครั้งจะสร้างคลื่นความเครียด (strain pulse) ซึ่งสะท้อนกลับจากตำแหน่งของแม่เหล็ก และระยะเวลาในการหน่วง (time delay) จะบ่งชี้ค่าการกระจัด
อุปกรณ์เสริมหลัก: ฝาครอบกันน้ำและกันฝุ่น (มาตรฐาน IP67), ข้อต่อปลายแท่งหรือแบริ่งทรงกลมสำหรับการเชื่อมต่อทางกล, ชุดสายเคเบิลพร้อมระบบป้องกันสัญญาณรบกวน (shielding), และตัวปรับสัญญาณ (signal conditioners) ที่แปลงค่าความต้านทานหรือระยะเวลาหน่วงให้เป็นสัญญาณเอาต์พุตแบบ 4–20 mA หรือ 0–10 V

2. เซ็นเซอร์วัดน้ำหนัก ( Load cells – แบบสเตรนเกจ)

หลักการทำงาน: เซลล์รับน้ำหนักส่วนใหญ่ใช้ชิ้นส่วนโลหะที่ทำหน้าที่เป็นสปริง (เช่น แบบคาน แบบ S หรือแบบแพนเค้ก) พร้อมติดตั้งเกจวัดความเครียดจำนวนสี่ตัวที่เชื่อมต่อกันในรูปแบบวงจรบริดจ์เวทสโตน เมื่อมีแรงกระทำต่อชิ้นส่วน ชิ้นส่วนจะเกิดการเปลี่ยนรูป ส่งผลให้เกจวัดสองตัวอยู่ภายใต้แรงดึง (ความต้านทานเพิ่มขึ้น) และอีกสองตัวอยู่ภายใต้แรงกด (ความต้านทานลดลง) วงจรบริดจ์จะให้สัญญาณเอาต์พุตเป็นมิลลิโวลต์ ซึ่งสัดส่วนโดยตรงกับน้ำหนักที่กระทำ
อุปกรณ์เสริมหลัก: ปลอกหุ้มทำจากสแตนเลสหรือเหล็กกล้าผสมสำหรับป้องกันการกัดกร่อน ปุ่มรับน้ำหนักและแผ่นยึดติด กล่องรวมสัญญาณ (junction boxes) สำหรับรวมสัญญาณจากเซลล์หลายตัว และแอมพลิฟายเออร์ความแม่นยำสูง (พร้อมระบบควบคุมแรงดันไฟเลี้ยงและการชดเชยอุณหภูมิ)

3. LVDT (ทรานส์ฟอร์เมอร์แบบตัวแปรเชิงเส้นแบบดิฟเฟอเรนเชียล)

หลักการทำงาน: LVDT ประกอบด้วยขดลวดปฐมภูมิหนึ่งชุดและขดลวดทุติยภูมิสองชุด ซึ่งพันอยู่บนท่อกลวง แกนแม่เหล็กเฟอโรแมกเนติกจะเคลื่อนที่แบบเชิงเส้นภายในท่อนั้น ขดลวดปฐมภูมิจะถูกกระตุ้นด้วยสัญญาณ AC (โดยทั่วไปที่ความถี่ 1–10 กิโลเฮิร์ตซ์) ขดลวดทุติยภูมิทั้งสองชุดเชื่อมต่อกันแบบอนุกรมตรงข้ามกัน; เมื่อแกนอยู่ที่ตำแหน่งศูนย์กลาง แรงดันไฟฟ้าที่เหนี่ยวนำขึ้นในแต่ละขดลวดจะหักล้างกัน (ให้ค่าเอาต์พุตเป็นศูนย์) การเลื่อนแกนออกจากตำแหน่งศูนย์กลางจะทำให้แรงดันไฟฟ้าไม่สมดุล ส่งผลให้เกิดสัญญาณเอาต์พุตแบบ AC ซึ่งแอมพลิจูดของสัญญาณนั้นสัมพันธ์โดยตรงกับระยะการกระจัด และเฟสของสัญญาณบ่งชี้ทิศทางของการกระจัด
อุปกรณ์เสริมหลัก: ปลอกหุ้มที่ทำจากสแตนเลสหรือเรซินอีพอกซีสำหรับใช้งานในสภาพแวดล้อมที่รุนแรง แท่งแกนที่มีเกลียวและหัววัดแบบสปริงโหลด เครื่องปรับสัญญาณ (signal conditioner) ที่ทำหน้าที่แปลงสัญญาณ AC ออกเป็นแรงดันไฟฟ้าแบบ DC หรือกระแส 4–20 มิลลิแอมแปร์ และสายเคเบิลเชื่อมต่อที่มีค่าความจุต่ำ

4. Torque sensors (แบบตอบสนอง หรือแบบหมุน)

หลักการทำงาน: เซ็นเซอร์วัดทอร์กส่วนใหญ่ใช้สตรันเกจ (strain gauges) ที่ติดอยู่บนเพลาหรือฟลานจ์ ในเซ็นเซอร์วัดทอร์กแบบรีแอคชัน (reaction torque sensors) ตัวเรือนจะถูกยึดคงที่ และสตรันเกจจะวัดโมเมนต์การบิด ในเซ็นเซอร์วัดทอร์กแบบหมุน (rotary torque sensors) เพลาที่หมุนจะติดตั้งสตรันเกจหรือองค์ประกอบแม่เหล็ก-อิเล็กทริก (magnetoelastic element) โดยสัญญาณจะส่งผ่านแหวนลื่น (slip rings) การเหนี่ยวนำแบบไม่สัมผัส (inductive coupling) หรือระบบเทเลเมตรีแบบไร้สาย (radio telemetry) การเปลี่ยนแปลงความต้านทานของสตรันเกจ (ในวงจรบริดจ์เวตส์โตน – Wheatstone bridge) จะสัมพันธ์โดยตรงกับค่าทอร์ก
อุปกรณ์เสริมหลัก: เพลาแบบมีฟัน (splined) หรือเพลาแบบมีร่องกุญแจ (keyed) สำหรับการส่งกำลังแบบบวก (positive drive), ชุดแหวนลื่น (สำหรับชนิดแบบหมุน), โมดูลเทเลเมตรีแบบไร้สาย, ฝาครอบป้องกันพร้อมตลับลูกปืนแบบปิดสนิท (sealed bearings), และหน่วยขยายสัญญาณ/ปรับสภาพสัญญาณ (amplifier/conditioning units) ซึ่งให้สัญญาณเอาต์พุตเป็นแรงดันไฟฟ้าหรือกระแสไฟฟ้าที่ผ่านการกรองและสอบเทียบแล้ว

อุปกรณ์เสริมทั่วไปสำหรับทุกประเภท

ตัวปรับสัญญาณ (แอมพลิฟายเออร์ ตัวกรอง และวงจรทำให้เป็นเชิงเส้น) ขั้วต่อไฟฟ้า (M12, DIN) แผ่นยึดติด และเครื่องมือสอบเทียบ เป็นอุปกรณ์เสริมที่ใช้ร่วมกับเซนเซอร์หลายชนิดทั่วไป การเลือกอุปกรณ์เสริมอย่างเหมาะสมจะช่วยให้มั่นใจได้ถึงความแม่นยำ ความทนทาน และความเข้ากันได้ทางแม่เหล็กไฟฟ้า

การเข้าใจทั้งหลักการตรวจจับและฮาร์ดแวร์ที่เกี่ยวข้องนั้นเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับวิศวกร เพื่อให้สามารถติดตั้งและใช้งานเซนเซอร์เหล่านี้ได้อย่างเชื่อถือได้ในระบบอัตโนมัติอุตสาหกรรม การทดสอบยานยนต์ หุ่นยนต์ และการควบคุมกระบวนการ