เซนเซอร์ตรวจจับแรง (Force Sensor) เป็นหนึ่งในเซนเซอร์ที่นิยมใช้กันในยุคปัจจุบันไม่ว่าจะเป็นในชีวิตประจำวันหรือกิจกรรมต่าง ๆ ในงานอุตสาหกรรม ซึ่งการใช้งานเซนเซอร์เหล่านี้สามารถสร้างความแตกต่างในกิจกรรมต่าง ๆ ได้เป็นอย่างมาก วันนี้ผมจึงอยากพาทุกท่านไปทำความรู้จักกับเซนเซอร์ตรวจวัดแรงชนิดต่าง ๆ ที่นิยมใช้กันในกิจการอุตสาหกรรมครับ
เซนเซอร์ตรวจจับแรงมีไว้ทำไม?
หน้าที่หลักของเซนเซอร์สำหรับตรวจจับแรงนั้นข้อแรกที่ต้องถูกกล่าวถึงเลย คือ ความปลอดภัยครับ การทำงานของเซนเซอร์ตรวจจับแรงนั้นสามารถตรวจสอบและให้ข้อมูลเพื่อคาดคะเนพฤติกรรมหรือสั่งหยุดการทำงาน หนึ่งในตัวอย่างที่เห็นได้ชัด คือ เซนเซอร์ตรวจจับแรงที่ถูกใส่ไว้ใน Cobot ที่จะทำให้หุ่นยนต์หยุดทำงานหรือเกิดอาการชะงักงันเวลาชนเข้ากับวัตถุอื่น ๆ หรือต้องเจอแรงต้านจากภายนอก
อีกหน้าที่หนึ่ง คือ การตรวจวัดแรงกระทำกับเซนเซอร์ที่เกิดขึ้น เช่น น้ำหนักของชิ้นส่วน วัตถุ น้ำหนักของวัตถุในขณะที่ถูกหยิบยกหรือเคลื่อนที่ด้วยแขนกลเมื่อรวมกับแรงที่เกิดจากการเคลื่อนที่ เพื่อป้องกันอัตราโหลดน้ำหนักที่ผิดปรกติ หรือค่าความเครียดที่ทำให้อุปกรณ์เกิดความเสียหายได้ เช่น การติดขัดของวัตถุในข้อต่อที่ต้องเคลื่อนไหวต่าง ๆ การตรวจจับแรงที่เกิดขึ้นจริงเมื่อวัตถุเกิดการเคลื่อนที่
เซนเซอร์เหล่านี้สามารถพบได้ในชีวิตประจำวันด้วยเช่นกัน อาทิ เครื่องชั่งน้ำหนัก ระบบสัมผัสที่มีคำสั่งตอบสนองต่อแรงกดแตกต่างกัน
ประเภทของเซนเซอร์ตรวจจับแรง
การเลือกเซนเซอร์ให้เหมาะสมกับการทำงานสามารถสร้างความยั่งยืนและลดปัญหาด้านการบำรุงรักษา รวมถึงความต่อเนื่องของการทำงานได้เป็นอย่างดี โดยเซนเซอร์ตรวจจับแรงในเบื้องต้นสามารถแบ่งได้เป็น 4 ประเภทหลัก ได้แก่
1. Strain Gauge กลุ่มเซนเซอร์ตรวจวัดแรงที่มีการใช้งานมากที่สุดด้วยความเรียบง่ายในการทำงาน ความเที่ยงตรงอยู่ในระดับใช้งานได้ ทั้งยังมีราคาที่ต่ำ ด้วยการใช้งานค่าความต้านทานไฟฟ้า มักพบได้ 2 รูปแบบ ได้แก่
Load Cell แบบแกนเดียว รูปแบบนี้พบได้บ่อยครั้งในอุปกรณ์ต่าง ๆ มักใช้ในการตรวจค่าความเครียดที่เกิดขึ้นในทิศทาง 1 แกน
Load Cell แบบหลายแกน นิยมใช้ในกิจกรรมที่เกี่ยวกับหุ่นยนต์ เช่น ทอร์กเซนเซอร์ 6 แกน สามารถตรวจวัดแรงเครียดที่เกิดขึ้นพร้อมกันได้ทั้ง 6 แกน
2. Pressure การตรวจวัดด้วยแรงดันนี้มักนิยมทำขึ้นมาในรูปแบบของชิ้นส่วนปิดทำให้มีความทนทานสูง มีปัญหาด้านการปนเปื้อนน้อยมีให้เลือกใช้ 2 แบบ ได้แก่
Hydraulic Load Cell ที่ทำงานด้วยโครงสร้างเชิงกลทั้งหมดสัดส่วนความผิดพลาดอยู่ที่ไม่เกิน 0.25% แต่ทว่าต้องได้รับการดูแลสม่ำเสมอเนื่องจากความอ่อนไหวต่ออุณหภูมิ
Pneumatic Load Cell ซึ่งมีโครงสร้างคล้ายคลึงกับ Hydraulic Load Cell แต่เป็นการตรวจจับอากาศที่ถูกปล่อยออกมาจากการที่แรงกระทำต่อจุดรับแรงด้านบน
3. Piezo-Electric เซนเซอร์ที่ทำจากคริสตัลควอตซ์ที่สามารถสร้างแรงดันไฟฟ้าได้เมื่อเกิดความเครียดขึ้น สามารถทำงานได้โดยไม่ต้องการแหล่งพลังงานจากภายนอก สามารถใช้ตรวจวัดแรงได้แบบเดียวกับการตรวจวัดด้วยแรงดันแต่จะมีจุดเด่นในการตรวจวัดแรงดันที่มีปริมาณน้อยซึ่งส่งผลต่อการสั่นสะเทือนของจานตรวจจับแรง
4. อื่น ๆ การตรวจวัดในรูปแบบที่นอกเหนือจากรูปแบบที่นิยมใช้ 3 รูปแบบหลักนั้นมีลักษณะสำหรับการใช้งานที่เฉพาะเจาะจง เช่น Oprical, Ultrasound, Magnetic, Capacitive, Inductive หรือ Magneto-Elastic ซึ่งการใช้งานการวัดอาจต้องการคุณสมบัติเฉพาะของวัสดุเพื่อให้เกิดการทำงานเป็นต้น
การใช้งานเซนเซอร์ในปัจจุบันกำลังขยายตัวเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วเป็นไปตามกระแสอุตสาหกรรมยุคใหม่ที่เกิดขึ้น ซึ่งเซนเซอร์เป็นส่วนสำคัญอย่างมากในการสื่อสารข้อมูลของระบบอุตสาหกรรมยุค 4.0 และสำหรับเซนเซอร์ตรวจวัดแรงนี้เองยังเป็นส่วนสำคัญสำหรับการใช้งานด้านความปลอดภัยได้เป็นอย่างดี และหากเลือกใช้งานเซนเซอร์ได้ถูกต้อง การทำงานของคุณร่วมกับระบบอัตโนมัติจะราบรื่น และสามารถเก็บข้อมูลได้เที่ยงตรงเท่าที่คุณต้องการเลย
อ้างอิง:
Faculty.weber.edu/snaik/ECE5900_ECE6900/05Lec05_Force.pdf
Blog.robotiq.com/robotics-research-101-how-do-force-sensors-work
Sensordata-burster.com/types-of-dynamic-force-measurement-sensors/
Instrumentationtoday.com/force-transducers/2011/07/
