// บทที่ 20.11 · Sensors & Transducers · Force, Weight & Position

แรง น้ำหนัก ตำแหน่ง และการเคลื่อนที่

ในขณะที่โรงงานกระบวนการวัดอุณหภูมิ ความดัน การไหล และระดับ เครื่องจักรวัดแรง น้ำหนัก ตำแหน่ง และความเร็ว หน้านี้เริ่มจากสเตรนเกจซึ่งเป็นหัวใจของโหลดเซลล์และเซนเซอร์ความดันจำนวนมาก แล้วไปสู่เซนเซอร์ตำแหน่งและสวิตช์ที่พบในทุกตู้ควบคุม

เขียนโดย อาจารย์มดอัปเดต 14 ต.ค. 2569

สเตรนเกจ โหลดเซลล์ ตำแหน่ง เอนโค้ดเดอร์ พร็อกซิมิตี

สรุปใน 30 วินาที

$\Delta R/R = GF\,\varepsilon$ · GF ≈ 2 · 500 µε ทำให้ R เปลี่ยนเพียง 0.1 %
quarter bridge $V_o \approx V_{ex}GF\varepsilon/4$ · full bridge 4 เท่า และชดเชยอุณหภูมิในตัว
โหลดเซลล์ 2 mV/V ที่ 5 V = 10 mV เต็มพิกัด → ต้อง ADC ความละเอียดสูงและสัญญาณรบกวนต่ำ
เอนโค้ดเดอร์ $n = 60f/PPR$ · นับ ×4 จากขอบ A/B · PNP ต่อกับอินพุต sinking

สเตรนเกจและสะพานวีตสโตน พื้นฐาน

R1 Strain gauge สเตรนเกจ

\varepsilon = \frac{\Delta L}{L} \qquad \sigma = E\,\varepsilon \qquad \frac{\Delta R}{R} = GF\cdot\varepsilon \quad (GF \approx 2 \text{ สำหรับฟอยล์โลหะ})

R2 Quarter bridge สเตรนเกจตัวเดียวในบริดจ์

V_o = V_{ex}\,\frac{GF\,\varepsilon}{4 + 2\,GF\,\varepsilon} \;\approx\; \frac{V_{ex}\,GF\,\varepsilon}{4}

R3 Half and full bridge สองและสี่แขนทำงาน

V_{o,\text{half}} = \frac{V_{ex}\,GF\,\varepsilon}{2} \qquad V_{o,\text{full}} = V_{ex}\,GF\,\varepsilon

รูป 1 · ซ้าย: สเตรนเกจหนึ่งตัวในบริดจ์ · ขวา: คานรับแรงที่ติดสเตรนเกจสองด้าน ด้านบนยืด ด้านล่างหด

ตัวอย่าง R-1

คานเหล็กเครียด 500 µε GF = 2 กระตุ้น 5 V

R1: $\Delta R/R = 2 \times 500\times10^{-6} = 0.1\,\%$ — สเตรนเกจ 350 Ω เปลี่ยนเพียง 0.35 Ω
R2 quarter: $V_o = 5(0.001)/(4.002) = 1.2494\ \text{mV}$ (ประมาณเชิงเส้น 1.25 mV คลาด 0.05 %)
R3 full bridge: $5\ \text{mV}$ — สัญญาณ 4 เท่า และถ้าอุณหภูมิเปลี่ยน ทุกแขนเปลี่ยนเท่ากัน บริดจ์ยังสมดุล
ขยาย 200 เท่าด้วยอินสทรูเมนเทชันแอมป์ได้ 1.0 V (ดู ปรับสภาพสัญญาณ)

โหลดเซลล์: mV/V การต่อ 6 สาย และความละเอียดที่ได้จริง กลาง

R4 Load cell output เอาต์พุตของโหลดเซลล์

V_o = S\,V_{ex}\,\frac{W}{W_\text{cap}} \qquad S = \text{rated output (mV/V)}

ตัวอย่าง R-2

โหลดเซลล์ 500 kg 2 mV/V กระตุ้น 5 V ADC ±20 mV ได้ 18 บิตสะอาด

R4: เต็มพิกัด 10 mV · ที่ 120 kg ได้ 2.4 mV
1 หลักของ ADC = $40\ \text{mV}/2^{18} = 153\ \text{nV}$ → $153\ \text{nV}/10\ \text{mV} \times 500\ \text{kg} = 7.6\ \text{g}$
สัญญาณใช้เพียงครึ่งช่วง ADC — ถ้าเลือกช่วง ±10 mV จะละเอียดขึ้นสองเท่า ADC ชั่งน้ำหนักจึงมี PGA (gain 64–128) ในตัว

ต่อ 6 สาย (excitation ±, sense ±, signal ±): สาย sense วัดแรงดันกระตุ้นที่ตัวโหลดเซลล์จริง หักแรงดันตกในสายยาวและผลอุณหภูมิของสาย
อ่านแบบ ratiometric: ADC ใช้แรงดันกระตุ้นเป็นแรงดันอ้างอิงด้วย ความแกว่งของแหล่งจ่ายจึงหักล้างกัน
คลาสตาม OIML R 60: เช่น C3 คือโหลดเซลล์ที่ผ่านการทดสอบที่ 3000 ช่วงแบ่ง ใช้กับเครื่องชั่งเชิงพาณิชย์ตาม OIML R 76 ซึ่งในไทยต้องผ่านการตรวจรับรองตามกฎหมายชั่งตวงวัด
ปัจจัยกลไก: แรงด้านข้าง การบิด การยึดที่ไม่ขนาน และการขยายตัวจากความร้อนของโครงสร้าง มักทำให้ผิดมากกว่าตัวโหลดเซลล์เอง

เซนเซอร์ตำแหน่งและระยะ กลาง

ชนิด	หลักการ	ช่วงและความละเอียดทั่วไป	ใช้ที่ไหน
โพเทนชิโอมิเตอร์	แบ่งแรงดันด้วยหน้าสัมผัสเลื่อน	ไม่กี่มิลลิเมตรถึงเมตร	ตำแหน่งวาล์ว คันโยก ราคาต่ำ (สึกหรอ)
LVDT	หม้อแปลงที่แกนเคลื่อน ขดทุติยภูมิสองขดต่ออนุกรมกลับเฟส	±0.1 mm ถึง ±500 mm ความละเอียดสูงมาก	ทดสอบวัสดุ วัดการเคลื่อนของวาล์ว ไม่สัมผัส ไม่สึก
เอ็ดดีเคอร์เรนต์ (proximity probe)	อิมพีแดนซ์ของขดเปลี่ยนตามระยะถึงโลหะ	0–2 mm ระดับไมโครเมตร	วัดการสั่นของเพลาในเครื่องจักรหมุน (API 670)
คาปาซิทีฟ	ความจุเปลี่ยนตามระยะ	ระดับนาโนเมตร	เครื่องจักรแม่นยำ เซมิคอนดักเตอร์
แมกนีโตสตริกทีฟ	เวลาเดินทางของคลื่นบิดในลวดถึงแม่เหล็ก	ถึงหลายเมตร ระดับไมโครเมตร	กระบอกไฮดรอลิก ระดับของเหลว
เลเซอร์ (triangulation · time of flight)	มุมสะท้อน · เวลาเดินทางของแสง	มิลลิเมตรถึงหลายสิบเมตร	วัดชิ้นงานบนสายพาน ระยะรถเครน

R5 LVDT หม้อแปลงผลต่างเชิงเส้น

V_o = V_{s1} - V_{s2} \approx k\,x \qquad \text{เฟสของ } V_o \text{ บอกทิศ } (\pm x)

ที่ตำแหน่งกลาง ขดทุติยภูมิทั้งสองได้แรงดันเท่ากันและหักล้างกันเป็นศูนย์ วงจรถอดสัญญาณแบบ synchronous demodulation ใช้เฟสเทียบกับแรงดันกระตุ้นเพื่อบอกว่าแกนเลื่อนไปทางใด

เอนโค้ดเดอร์: incremental และ absolute กลาง

รูป 2 · สัญญาณ A และ B ต่างเฟส 90° ทำให้รู้ทิศและนับได้ 4 ขอบต่อคาบ

R6 Speed from pulse frequency ความเร็วรอบจากความถี่

n\ [\text{rpm}] = \frac{60\,f}{PPR}

R7 Angular resolution ความละเอียดมุม

\Delta\theta = \frac{360^\circ}{m\cdot PPR} \qquad m = 1, 2, 4

ตัวอย่าง R-3

เอนโค้ดเดอร์ 1024 PPR สัญญาณ A 20 kHz

R6: $n = 60(20\,000)/1024 = 1171.9\ \text{rpm}$
R7 ×4: $360/4096 = 0.088^\circ$
นับความถี่ใน gate 10 ms ได้ 800 ขอบ → ความละเอียดความเร็ว 1.46 rpm — ถ้าต้องการละเอียดกว่านี้ที่ความเร็วต่ำ ต้องวัดคาบระหว่างขอบแทน

เอนโค้ดเดอร์แบบ absolute ให้รหัสตำแหน่งเฉพาะทุกมุม (มักเป็น Gray code ที่เปลี่ยนทีละหนึ่งบิต) ไม่ต้องหาจุดอ้างอิงหลังเปิดเครื่อง แบบ multi-turn นับจำนวนรอบได้ด้วย ส่งข้อมูลผ่านอินเทอร์เฟซอนุกรมเช่น SSI, BiSS หรือโปรโตคอลเฉพาะผู้ผลิต ส่วน รีโซลเวอร์ (หม้อแปลงหมุน) ทนความร้อนและการสั่นสะเทือน นิยมในมอเตอร์ของรถยนต์ไฟฟ้าและงานอากาศยาน

พร็อกซิมิตีสวิตช์: NPN, PNP และ NAMUR พื้นฐาน

ชนิด	ตรวจจับ	หมายเหตุ
อินดักทีฟ	โลหะ	ระยะลดลงกับโลหะที่ไม่ใช่เหล็ก (correction factor) · IEC 60947-5-2
คาปาซิทีฟ	เกือบทุกวัสดุ รวมของเหลวผ่านผนังพลาสติก	ไวต่อความชื้นและการเกาะ ต้องปรับความไว
โฟโตอิเล็กทริก	วัตถุที่บังหรือสะท้อนแสง	แบบ through-beam ไกลที่สุด แบบ diffuse ติดตั้งง่ายที่สุด
อัลตราโซนิก	วัตถุโปร่งใสหรือสีต่าง ๆ	มีระยะบอดใกล้หน้าเซนเซอร์
NAMUR (IEC 60947-5-6)	เซนเซอร์สองสาย 8.2 V ที่กระแสเปลี่ยน ≤ 1.2 mA / ≥ 2.1 mA	ตรวจสายขาด/ลัดวงจรได้ ใช้กับแบเรียร์ในพื้นที่อันตราย

PNP (sourcing) จ่ายไฟบวกออกที่ขาสัญญาณเมื่อตรวจพบ ต่อกับอินพุต PLC แบบ sinking (ขาร่วมเป็นลบ) · NPN (sinking) ดึงขาสัญญาณลงลบ ต่อกับอินพุตแบบ sourcing (ขาร่วมเป็นบวก) สลับกันแล้วอินพุตจะไม่ติดเลย จึงต้องดูจากสเปกการ์ดอินพุตก่อนสั่งซื้อ ส่วนเซนเซอร์ IO-Link รุ่นใหม่ส่งได้ทั้งสถานะสวิตช์และค่าระยะจริงบนสายเดิม (ดู IO-Link)

ความเร็วและการสั่นสะเทือน: แอกเซเลอโรมิเตอร์ไพอีโซแบบ IEPE (กระตุ้นด้วยกระแสคงที่ 2–20 mA บนสายโคแอกเซียล) ใช้วัดการสั่นของปั๊มและมอเตอร์ เกณฑ์ประเมินความรุนแรงของการสั่นเทียบกับชนิดเครื่องจักรอยู่ในชุดมาตรฐาน ISO 20816 (ฉบับเดิม ISO 10816) และใช้ FFT วิเคราะห์ความถี่เพื่อหาสาเหตุ

แหล่งอ้างอิง

OIML R 60 Metrological regulation for load cells · OIML R 76 Non-automatic weighing instruments
IEC 60947-5-2 Proximity switches · IEC 60947-5-6 DC interface for proximity sensors and switching amplifiers (NAMUR)
API Standard 670 Machinery Protection Systems · ISO 20816 (ชุด) Mechanical vibration — Measurement and evaluation of machine vibration

คำถามที่พบบ่อย

โหลดเซลล์ 2 mV/V หมายถึงอะไร?

หมายถึงที่น้ำหนักเต็มพิกัด โหลดเซลล์ให้แรงดันเอาต์พุต 2 mV ต่อแรงดันกระตุ้นทุก 1 V ถ้ากระตุ้นด้วย 5 V สัญญาณเต็มพิกัดคือ 10 mV และแปรตามน้ำหนักแบบเชิงเส้น เช่น โหลดเซลล์ 500 kg ที่รับน้ำหนัก 120 kg ให้ 2.4 mV การระบุเป็น mV/V ทำให้ค่าไม่ขึ้นกับแรงดันกระตุ้น และเครื่องอ่านแบบ ratiometric ก็หักผลของแรงดันกระตุ้นที่แกว่งออกไปได้

พร็อกซิมิตีสวิตช์ NPN กับ PNP ต่างกันอย่างไร?

ทั้งคู่เป็นเซนเซอร์ 3 สาย (ไฟบวก ไฟลบ สัญญาณ) PNP (sourcing) จ่ายไฟบวกออกที่ขาสัญญาณเมื่อตรวจพบ จึงต่อกับอินพุต PLC แบบ sinking ส่วน NPN (sinking) ดึงขาสัญญาณลงลบเมื่อตรวจพบ ต่อกับอินพุตแบบ sourcing ยุโรปนิยม PNP ส่วนอุปกรณ์จากเอเชียหลายรายนิยม NPN ต้องเลือกให้ตรงกับการ์ดอินพุต