Strain Gauge Sensor คืออะไร? การทำงาน และวิธีเลือกใช้

เคยสงสัยไหมว่าการวัดแรงดึงหรือแรงกดในโรงงานอุตสาหกรรมให้มีความแม่นยำสูงนั้นต้องใช้อุปกรณ์ใดในการแก้ปัญหา? บทความนี้จาก SCMA ผู้ให้บริการโซลูชันด้านเครื่องมือวัดและทดสอบครบวงจร จะพาทุกท่านไปทำความรู้จักกับ Strain Gauge Sensor อย่างละเอียด เพื่อให้คุณเข้าใจหลักการทำงานของ Strain Gauge ตลอดจนวิธีการเลือกซื้อไปใช้งานจริงได้อย่างถูกต้องเหมาะสม

Strain Gauge Sensor คืออะไร?

Strain Gauge Sensor คืออุปกรณ์ตรวจวัดทางอุตสาหกรรมที่ทำหน้าที่แปลงการเปลี่ยนแปลงรูปร่างทางกลให้กลายเป็นสัญญาณทางไฟฟ้า เมื่อวัตถุเกิดการยืด หด บิด หรือโค้งงอจากการถูกแรงกระทำ ค่าความต้านทานไฟฟ้าภายในตัว Strain Gauge จะเปลี่ยนไปตามสภาพของวัตถุนั้นอย่างแม่นยำ

หลักการทำงานของ Strain Gauge Sensor

หลักการทำงานของเซนเซอร์ประเภทนี้อาศัยทฤษฎีทางไฟฟ้าที่ว่าเมื่อลวดตัวนำถูกยืดหรือบีบอัดจะทำให้ค่าความต้านทานไฟฟ้าเปลี่ยนแปลงไป โดยกระบวนการทำงานของ Strain Gauge แบ่งออกเป็นขั้นตอนดังต่อไปนี้

การติดตั้ง

เริ่มต้นด้วยการติดตั้งแผ่นเซนเซอร์ ซึ่งมีลักษณะเป็นฟิล์มที่มีเส้นลวดโลหะขนาดเล็กเรียงไปมา นำไปแนบติดกับวัตถุที่ต้องการวัดอย่างแน่นหนา เพื่อให้ Strain Gauge สามารถรับรู้ถึงการเปลี่ยนแปลงรูปร่างของวัตถุเป้าหมายได้อย่างไร้รอยต่อ

การยืดและหดตัว

เมื่อมีแรงภายนอกเข้ามากระทำต่อวัตถุไม่ว่าจะเป็นการดึง การกด หรือการดัดโค้ง วัตถุเป้าหมายจะเกิดการเสียรูป ส่งผลให้ตัว Strain Gauge Sensor ที่ติดอยู่บนพื้นผิวเกิดการยืดหรือหดตัวตามรูปทรงของวัตถุเป้าหมายอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้

การเปลี่ยนค่าความต้านทาน

การยืดตัวทำให้เส้นลวดในตัวเซนเซอร์ยาวขึ้นพร้อมกับพื้นที่หน้าตัดที่ลดลง ส่งผลให้ค่าความต้านทานไฟฟ้าเพิ่มสูงขึ้น ในทางกลับกันหาก Strain Gauge เกิดการหดตัว ค่าความต้านทานไฟฟ้าภายในเส้นลวดก็จะลดลงตามสัดส่วนของแรงที่มากระทำ

การแปลงสัญญาณไฟฟ้า

หลังจากนั้นระบบจะนำเซนเซอร์มาต่อเข้ากับวงจรที่เรียกว่า Wheatstone Bridge เพื่อทำหน้าที่แปลงการเปลี่ยนแปลงความต้านทานเพียงเล็กน้อยของ Strain Gauge ให้กลายเป็นสัญญาณแรงดันไฟฟ้าที่สามารถวัดค่าได้ ซึ่งมีหน่วยเป็นมิลลิโวลต์ต่อโวลต์

การแสดงผลข้อมูล

ขั้นตอนสุดท้ายคือการนำสัญญาณแรงดันไฟฟ้าที่ได้ไปขยาย ข้อมูลจะถูกแปลงเป็นตัวเลขเพื่อใช้วัดค่าน้ำหนักหรือแรงดึงผ่านอุปกรณ์จำพวกโหลดเซลล์ รวมถึงการนำไปใช้วัดค่าความดันผ่านเซนเซอร์วัดแรงดัน

Strain Gauge Sensor มีกี่แบบ?

การนำ Strain Gauge Sensor ไปประยุกต์ใช้งานในภาคอุตสาหกรรมมีความหลากหลายสูงมาก จากประสบการณ์ของทีมวิศวกร SCMA เราสามารถแบ่งประเภทการใช้งานของ Strain Gauge ออกเป็น 2 กลุ่มหลัก ได้แก่

1. โหลดเซลล์ (Load Cell Sensor)

นี่คืออุปกรณ์ที่ได้รับความนิยมในการใช้วัดแรงกด แรงดึง ไปจนถึงการชั่งน้ำหนักในระดับอุตสาหกรรม โดยภายในตัวโหลดเซลล์จะมีการติดตั้ง Strain Gauge เพื่อรับแรงกระทำรูปแบบต่างๆ เช่น แบบกระบอกรองรับน้ำหนักสูง หรือแบบตัวเอส (S-Type) สำหรับวัดแรงดึง

2. เซนเซอร์วัดแรงดัน (Pressure Sensor)

อุปกรณ์กลุ่มนี้ใช้หลักการยืดหดตัวของเซนเซอร์เพื่อแปลงค่าความดันของก๊าซหรือของเหลวภายในระบบให้กลายเป็นสัญญาณไฟฟ้า นำไปประยุกต์ใช้เป็น Pressure Transducer เพื่อควบคุมแรงดันในสายการผลิตให้มีความเสถียรสูงสุด

การบำรุงรักษา Strain Gauge Sensor

เพื่อให้ Strain Gauge Sensor มีอายุการใช้งานที่ยาวนาน การบำรุงรักษาเชิงป้องกันจึงเป็นสิ่งสำคัญ การดูแล Strain Gauge ที่ถูกต้องจะช่วยลดโอกาสเกิดความคลาดเคลื่อนในการวัดค่าได้อย่างมีประสิทธิภาพ

การตรวจสอบและทำความสะอาดทั่วไป

ควรใช้ผ้าแห้งหรือผ้าชุบน้ำหมาดเช็ดทำความสะอาดฝุ่นละอองบริเวณตัวเซนเซอร์ ห้ามใช้น้ำยาเคมีที่มีฤทธิ์กัดกร่อนเด็ดขาด พร้อมทั้งหมั่นตรวจสอบสายไฟและจุดเชื่อมต่อของ Strain Gauge Sensor ว่ามีการหัก งอ หรือหลวมหรือไม่ เพื่อป้องกันปัญหาสัญญาณรบกวน

การควบคุมสภาพแวดล้อม

แรงสั่นสะเทือนที่ไม่เกี่ยวข้องส่งผลโดยตรงต่อค่าความเครียดที่วัดได้ การติดตั้งอุปกรณ์ลดแรงสั่นสะเทือนจึงเป็นสิ่งจำเป็น นอกจากนี้ควรหลีกเลี่ยงการติดตั้ง Strain Gauge ในจุดที่มีอุณหภูมิเหวี่ยงสูง เนื่องจากความร้อนเย็นทำให้โลหะขยายหรือหดตัวผิดปกติ

การใช้งานอย่างถูกต้อง

ผู้ใช้งานต้องหลีกเลี่ยงการให้แรงหรือน้ำหนักเกินขีดจำกัดสูงสุดของอุปกรณ์ เพื่อป้องกันไม่ให้โครงสร้างของเซนเซอร์เกิดการเสียรูปอย่างถาวร ในกรณีใช้งานรับน้ำหนักต้องตรวจสอบให้มั่นใจว่า Strain Gauge ถูกติดตั้งได้ระนาบและกระจายน้ำหนักอย่างสม่ำเสมอ

การสอบเทียบอย่างสม่ำเสมอ

ทีมวิศวกรขอแนะนำให้ส่งเซนเซอร์รวมถึงตัว Strain Gauge ไปทำการสอบเทียบกับเครื่องมือมาตรฐานเป็นประจำทุกปี เพื่อให้มั่นใจว่าสัญญาณเอาต์พุตมีความเที่ยงตรงสูง การสอบเทียบที่ถูกต้องจะช่วยป้องกันการคลาดเคลื่อนของข้อมูลเมื่อเวลาผ่านไป

การใช้งาน Strain Gauge Sensor

การประยุกต์ใช้ Strain Gauge Sensor ในอุตสาหกรรมปัจจุบันครอบคลุมการทำงานที่ต้องการความแม่นยำสูง เราสามารถพบเห็นการนำ Strain Gauge ไปใช้งานในกระบวนการหลักดังต่อไปนี้

การชั่งน้ำหนักในระบบอุตสาหกรรม

ระบบเครื่องชั่งในโรงงานจำเป็นต้องพึ่งพาความแม่นยำระดับสูง การใช้ Strain Gauge ฝังไว้ในโหลดเซลล์ช่วยให้สามารถแปลงค่าแรงกดจากน้ำหนักวัตถุให้ออกมาเป็นตัวเลขดิจิทัลได้อย่างรวดเร็ว รองรับตั้งแต่ตาชั่งตั้งโต๊ะไปจนถึงตาชั่งรถบรรทุกขนาดใหญ่

การวัดแรงกระทำและแรงบิด

ในกระบวนการผลิตเครื่องจักร การตรวจสอบแรงดึง แรงกด หรือแรงบิดเป็นสิ่งจำเป็นอย่างยิ่ง การติดตั้ง Strain Gauge Sensor เข้ากับโครงสร้างชิ้นส่วนช่วยให้วิศวกรสามารถมอนิเตอร์แรงทางกลต่างๆ เพื่อป้องกันความเสียหายที่อาจเกิดขึ้นจากการทำงานเกินกำลัง

การวัดแรงดันของเหลวและก๊าซ

นอกจากการวัดแรงกลแล้ว เซนเซอร์ชนิดนี้ยังถูกนำไปใช้ในกระบวนการควบคุมของไหล การนำตัว Strain Gauge ไปประยุกต์ในเกจวัดแรงดันช่วยให้ระบบสามารถแปลงแรงดันของเหลวหรือก๊าซให้เป็นสัญญาณไฟฟ้าเพื่อส่งเข้าสู่ระบบควบคุมอัตโนมัติได้อย่างสมบูรณ์

การทดสอบความแข็งแรงของวัสดุ

การทดสอบโครงสร้างชิ้นงาน เช่น ชิ้นส่วนยานยนต์ หรือคานสะพาน ต้องอาศัยข้อมูลความเค้นที่แม่นยำ วิศวกรจะติดแผ่น Strain Gauge Sensor ลงบนผิววัสดุเพื่อดูพฤติกรรมการเสียรูปเมื่อรับแรงกระทำ ช่วยประเมินความปลอดภัยก่อนนำไปใช้งานจริง

ข้อดีของ Strain Gauge Sensor

จุดเด่นที่ทำให้โรงงานอุตสาหกรรมเลือกใช้ Strain Gauge Sensor คือการมีขนาดเล็ก น้ำหนักเบา สามารถติดตั้งบนพื้นผิวโค้งหรือพื้นที่แคบได้ง่าย นอกจากนี้ตัวอุปกรณ์ยังวัดค่าความเครียดได้แม่นยำสูง ตอบสนองต่อการเปลี่ยนแปลงได้รวดเร็ว รวมถึง Strain Gauge ยังมีราคาประหยัดเมื่อเทียบกับเซนเซอร์วัดแรงประเภทอื่น

วิธีเลือกซื้อ Strain Gauge Sensor

การเลือกซื้ออุปกรณ์ให้ตรงกับความต้องการของกระบวนการผลิตเป็นขั้นตอนที่ผู้ใช้งานต้องให้ความสำคัญ เพื่อให้ได้ Strain Gauge Sensor ที่วัดค่าได้อย่างเที่ยงตรง เรามีเช็คลิสต์ 5 ปัจจัยในการพิจารณาเลือก Strain Gauge ดังนี้

• ลักษณะการใช้งาน: ประเมินรูปแบบแรงที่ต้องการวัด เช่น แรงดึง แรงกด หรือแรงบิด เพื่อระบุชนิดของเซนเซอร์ให้ถูกต้อง
• พิกัดการวัด (Capacity): เลือกช่วงการวัดสูงสุดให้เหมาะสม ควรเผื่อพิกัดไว้ประมาณ 20-30% เพื่อป้องกัน Strain Gauge Sensor เสียหายจากแรงกระชาก
• สภาพแวดล้อมหน้างาน: หากจุดติดตั้งมีความชื้นสูงหรือสัมผัสสารเคมี ควรเลือกรุ่นที่ใช้วัสดุ Stainless Steel ที่มีมาตรฐาน IP Rating ป้องกันน้ำและฝุ่น
• รูปแบบสัญญาณ Output: เลือกระบบประมวลผลที่รองรับสัญญาณส่งออกของ Strain Gauge ไม่ว่าจะเป็นแบบ 4-20 mA หรือ 0-10 V เพื่อให้เชื่อมต่อกับระบบควบคุมได้ทันที
• ความแม่นยำ (Accuracy): ตรวจสอบค่าความผิดพลาด เช่น Linearity หรือ Repeatability เพื่อให้ผลลัพธ์จากเซนเซอร์ตอบโจทย์ความละเอียดที่กระบวนการของคุณต้องการ

กรณีศึกษาการแก้ปัญหาด้วย Strain Gauge Sensor

จากประสบการณ์การให้คำปรึกษาแก่โรงงานผลิตชิ้นส่วนยานยนต์ ทีมวิศวกรของ SCMA พบว่าการติดตั้งเซนเซอร์ที่ไม่ได้มาตรฐานนำไปสู่การหยุดชะงักของสายการผลิต การแก้ปัญหาโดยใช้ Strain Gauge Sensor คุณภาพสูงมีขั้นตอนการปฏิบัติที่สำคัญดังนี้

• วิเคราะห์ปัญหาที่ต้นเหตุ: ทีมงานลงพื้นที่ตรวจสอบพบว่า Strain Gauge เดิมเสื่อมสภาพจากความชื้น
• ออกแบบโซลูชันใหม่: ทำการคัดเลือก Strain Gauge Sensor รุ่นที่ทนทานต่ออุณหภูมิ มีการเคลือบสารกันความชื้น (Coating)
• ติดตั้งพร้อมสอบเทียบ: ดำเนินการติดตั้งเซนเซอร์ตัวใหม่เข้ากับระบบโครงสร้าง พร้อมสอบเทียบค่าให้มีความแม่นยำระดับไมโครเมตร
• ส่งมอบและเทรนนิ่ง: อธิบายวิธีการอ่านค่าความต้านทานไฟฟ้าที่ถูกต้องให้แก่ช่างเทคนิคประจำหน้างาน

สรุป

โดยสรุปแล้ว Strain Gauge Sensor ถือเป็นหัวใจสำคัญในการวัดแรงทางกล แปลงข้อมูลเป็นสัญญาณไฟฟ้าที่ขับเคลื่อนความแม่นยำในระบบอุตสาหกรรม การเลือกใช้และบำรุงรักษา Strain Gauge อย่างถูกวิธีจะช่วยยืดอายุการใช้งานรวมถึงลดต้นทุนในระยะยาว หากองค์กรของคุณกำลังมองหาเซนเซอร์คุณภาพสูงพร้อมบริการให้คำปรึกษาเชิงลึกสามารถเข้าชมรายละเอียดบริการของเราได้ทันที

สนใจสั่งซื้อหรือปรึกษาผ่าน LINE Official: @SCMA

หากต้องการซื้อ Strain Gauge Sensor สามารถซื้อจาก SCMA ได้แล้ววันนี้!

การลงทุนในเทคโนโลยีการวัดผลที่ได้มาตรฐานคือการรับประกันคุณภาพให้กับกระบวนการผลิตของธุรกิจคุณ บริษัท เอสซีเอ็มเอ จำกัด (SCMA) เป็นผู้เชี่ยวชาญและตัวแทนจำหน่ายอุปกรณ์เครื่องมือวัดอุตสาหกรรมชั้นนำ หากคุณต้องการโซลูชันที่ครอบคลุมตั้งแต่การออกแบบไปจนถึงการติดตั้ง Strain Gauge Sensor สามารถเข้ามาเลือกชมสินค้าทั้งหมดหรือขอรับคำปรึกษาจากทีมวิศวกรของเราได้ที่ SCMA

คำถามที่พบบ่อย

Strain Gauge Sensor ใช้งานกับอุณหภูมิสูงได้หรือไม่?

สามารถใช้งานได้แต่ต้องเลือกรุ่นที่ออกแบบมาเป็นพิเศษ มีระบบชดเชยอุณหภูมิ เพื่อป้องกันค่าความต้านทานคลาดเคลื่อน

สัญญาณ Output ของ Strain Gauge เป็นแบบไหน?

สัญญาณดิบที่ออกมาจะเป็นแรงดันไฟฟ้าขนาดเล็กมากในหน่วยมิลลิโวลต์ต่อโวลต์ (mV/V) ซึ่งต้องใช้วงจรขยายสัญญาณเพิ่มเติม

กาวที่ใช้ติด Strain Gauge มีความสำคัญอย่างไร?

กาวทำหน้าที่ถ่ายทอดความเครียดจากพื้นผิวชิ้นงานไปยังเซนเซอร์ หากใช้กาวผิดประเภทหรือติดไม่แน่นค่าที่วัดได้จะผิดเพี้ยนไปทันที

แหล่งอ้างอิงข้อมูลเกี่ยวกับ Strain Gauge ที่เชื่อถือได้คือที่ไหน?

ผู้ใช้งานสามารถศึกษาคู่มือทางเทคนิคเชิงลึกเพิ่มเติมจากผู้ผลิตระดับโลกผ่านบทความเรื่อง Strain Gages

อายุการใช้งานโดยเฉลี่ยของเซนเซอร์ประเภทนี้อยู่ที่เท่าไหร่?

หากติดตั้งถูกต้อง ไร้แรงกระทำเกินพิกัด (Overload) เซนเซอร์สามารถใช้งานได้ยาวนานหลายปี ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับการบำรุงรักษาตามวาระ