เทคโนโลยีของเซนเซอร์วัดแรงบิด
ยุทธชัย ศิลปวิจารณ์
สาขาวิชาครุศาสตร์ไฟฟ้า คณะครุศาสตร์อุตสาหกรรม
มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีราชมงคลธัญบุรี, ysil72@hotmail.com

 

     แรงบิดคือพารามิเตอร์ที่มีความสำคัญตัวหนึ่งในระบบทางกลเท่ากับกับพารามิเตอร์ความเร็ว ในการคำนวณค่ากำลังทางกลนั้นจำเป็นต้องทราบค่าแรงบิดจึงจะคำนวณได้ ดังนั้นเซนเซอร์วัดแรงบิดนับได้ว่าเป็นอุปกรณ์ตัวหนึ่งที่มีบทบาทที่สำคัญมากในงานที่เกี่ยวข้องกับทางกล เช่น การทดสอบมอเตอร์, การทดสอบเครื่องยนต์ เป็นต้น บทความนี้จะกล่าวถึงเทคโนโลยีการวัดแรงบิดแบบต่าง ๆ ที่มีใช้กันในปัจจุบัน รวมไปถึงการเชื่อมต่อสัญญาณระหว่างส่วนที่อยู่กับที่และส่วนที่หมุนได้เพื่อนำมาแก้ปัญหาของเซนเซอร์วัดแรงบิดบางแบบ

 
การวัดแรงบิด
     ในปัจจุบันได้มีการคิดค้นการวัดแรงบิดหลากหลายวิธี บางวิธีก็เป็นการปรับปรุงมาจากวิธีดั้งเดิม โดยการวัดแรงบิดในปัจจุบันมีดังต่อไปนี้

     1. Moment Arm
     เป็นวิธีการวัดแรงบิดที่ง่ายที่สุด โดยมีหลักการทำงานโดยใช้กฎข้อที่สามของนิวตัน ที่กล่าวว่าทุก ๆ แรงกริยาจะมีแรงปฏิกิริยาที่ขนาดเท่ากันเสมอ (ซึ่งมีทิศทางตรงกันข้าม) ดังนั้นหากเราจะวัดแรงบิด เช่น แรงบิดของมอเตอร์ หากเราสามารถวัดได้ว่าจะต้องใช้แรงเท่าไหร่ที่จะทำให้มอเตอร์ไม่หมุน (หรืออยู่กับที่) จากแรงบิดที่มากระทำที่มอเตอร์หรือแรงบิดที่มอเตอร์ออกแรงนั่นคือแรงบิด ดังรูปที่ 1

 

รูปที่ 1 การวัดแรงบิดแบบ Moment Arm [8]

     
     โดยแรงบิดจะมีค่าเท่ากับแรง (นิวตัน) คูณด้วยระยะของจุดหมุนที่วัดจากศูนย์กลาง (เมตร) โดยแรงจะสามารถวัดได้โดยใช้ Load Cell ส่วนระยะของจุดหมุนนั้นเราทราบค่าล่วงหน้าแล้วจากการวัด ดังนั้นเราจะสามารถคำนวณค่าแรงบิดได้โดยง่าย

     2. Strain-ganged Shaft
     การวัดแรงบิดแบบนี้ทำงานโดยอาศัยหลักของคานบิดเมื่อเกิดแรงบิดมากระทำที่ Torsion Bar นั้น ดังรูปที่ 2

 

รูปที่ 2 การวัดแรงบิดโดยอาศัยหลักการของ Torsion Bar [3]     

 

      มุมที่ Torsion Bar บิดเปลี่ยนไปจะขึ้นอยู่กับแรงบิดที่มากระทำ Torsion Bar นี้ ดังนั้นหากเราวัดมุมการบิดของ Torsion Bar นี้ได้ เราก็จะทราบถึงขนาดของแรงบิดได้โดยง่าย

 
      ในการวัดแรงบิดด้วย Stain-gauged Shaft จะวัดแรงบิดโดยการนำเอา Strain Gage ยึดไว้ที่ตรงกลางของ Torsion Bar การบิดตัวของ Torsion Bar จะทำให้ Strain Gage บิดไปด้วย ดังนั้นความต้านทานของ Strain Gage ก็จะแปรค่าไปตามแรงบิดที่มากระทำกับ Torsion Bar นี้ ลักษณะของ Stain-gauged Shaft แสดงดังรูปที่ 3 และรูปที่ 4 แสดงตัวอย่างของเซนเซอร์วัดแรงบิดแบบนี้
    

 

รูปที่ 3 เซนเซอร์วัดแรงบิดแบบ Strain-gauged Shaft [8]

    

    
     รูปที่ 4 ตัวอย่างเซนเซอร์วัดแรงบิดแบบ Stain-gauged Shaft [3]

     
- Wheatstone Bridge
     เนื่องจากความต้านทานของ Strain Gauge ที่ติดตั้งที่ Torsion Bar นั้นมีค่าต่ำมาก จึงทำให้ยากต่อการตรวจจับการเปลี่ยนแปลงค่าความต้านทาน วิธีที่ใช้แก้ปัญหานี้คือการใช้วงจร Wheatstone Bridge และติดตั้ง Strain Gauge ทั้งหมด 4 ตัวในตำแหน่งต่าง ๆ บน Torsion Bar ดังรูปที่ 5

 

รูปที่ 5 โครงสร้างและการจัดตำแหน่งการวัดวาง Strain Gauge ทั้ง 4 ตัวที่ต่อกันเป็นวงจร Wheatstone Bridge บน Torsion Bar [9]

     
     สังเกตว่าจะมีการติดตั้ง Strain Gauge ทั้งหมด 2 ด้าน ที่ Torsion Bar ด้านละ 2 ตัว โดย Strain Gauge ตัวที่ 1 และ 3 จะติดตั้งตรงแนวเดียวกัน แต่อยู่คนละด้านของ Torsion Bar และกลับหัวกลับหาง ส่วน Strain Gauge ตัวที่ 2 และ 4 ก็เช่นเดียวกัน และจะต่อวงจรที่เราเรียกว่า Wheatstone Bridge โดย V คือแรงดันกระตุ้น หรือแรงดันแหล่งจ่าย ในขณะที่ Vo คือแรงดันด้านออกที่แปรผันตามความต้านทานของ Strain Gauge หรือการบิดของ Torsion Bar หรือพูดง่ายๆ ว่าเป็นแรงดันที่แปรผันตามแรงบิดนั่นเอง สำหรับทฤษฏีโดยละเอียดของ Wheatstone Bridge นี้ท่านผู้อ่านสามารถหาอ่านได้จากหนังสือทฤษฏีไฟฟ้าหรือเครื่องวัด

     เนื่องจากการวัดแรงบิดแบบนี้สามารถใช้วัดได้ทั้งแบบ Static (แกนด้านหนึ่งถูกยึด เช่นการวัดแรงบิดของการขันเกลียว) และแบบ Dynamic (แกนหมุนทั้งสองด้าน เช่นการวัดแรงบิดของไดนาโมมิเตอร์ขณะกำลังหมุน) ในกรณีที่เป็นการแบบ Static จะไม่มีปัญหา เพราะมีด้านหนึ่งยึดอยู่กับที่ เราสามารถต่อวงจรไฟฟ้าเข้าไปที่วงจรบริดจ์นี้ได้ แต่ทว่าถ้าหากเรากำลังจะวัดแรงบิดแบบ Dynamic ที่ Torsion Bar เองก็ต้องหมุนไปด้วยทั้งสองด้าน เราจะพบว่าปัญหาที่ตามคือเราจะสามารถจ่ายแรงดันไฟฟ้า V เข้าวงจรบริดจ์นี้ได้อย่างไร และเราจะวัดแรงดันที่แปรค่าตามแรงบิดหรือ Vo ได้อย่างไร ? วิธีการแก้ปัญหานี้จะได้กล่าวถึงในหัวข้อการเชื่อมต่อสัญญาณระหว่างส่วนที่อยู่กับที่และส่วนที่หมุนได้

     
     3. Clamp-on Collar
     การวัดแรงบิดแบบนี้มีข้อดีตรงที่ว่าไม่ต้องตัดต่อเพลาหรือแกนที่ต้องการจะวัดแรงบิด โดยวิธีการที่จะวัดแรงบิดแบบนี้จะทำการยึดอุปกรณ์ที่เรียกว่า Clamp-on Collar เข้าไปที่เพลาหรือแกนที่ต้องการจะวัดแรงบิด และ Clamp-on Collar นี้จะบิดมากหรือน้อยตามแรงบิดที่มากระทำกับแกนนั้น ๆ วิธีนี้ให้ความสะดวกในการติดตั้งเป็นอย่างมาก

     รูปที่ 6 และ 7 แสดงโครงสร้างและการใช้งานของเซนเซอร์วัดแรงบิดแบบ Clamp-on Collar 

 

รูปที่ 6 ลักษณะของเซนเซอร์วัดแรงบิดแบบ Clamp-on Collar [22]

 

 

รูปที่ 7 ตัวอย่างเซนเซอร์วัดแรงบิดแบบ Clamp-on Collar ชนิดไร้สาย (Wireless) [22]
    

     4. Optical
     หลักการวัดแรงบิดโดยใช้แสงหรือ Optical ก็ยืนอยู่บนหลักพื้นฐานของ Torsion Bar เช่นเดียวกัน แต่ได้มีการพัฒนาการวัดแรงบิดโดยใช้หลักการของแสงออกไปในหลายรูปแบบ วิธีที่ง่ายที่สุดแสดงดังรูปที่ 8 โดยการใช้จาน 2 แผ่น แผ่นที่ 1 ยึดอยู่ที่ด้านซ้ายของ Torsion Bar และแผ่นที่ 2 ยึดอยู่ที่ด้านขวามือของ Torsion Bar จานทั้งสองแผ่นนี้จะถูกเจาะรูหรือที่เราเรียกว่า Slit Disk ในตำแหน่งที่ตรงกัน และมีแหล่งกำเนิดแสงหรือ Lightsource ทางด้านจานแผ่นที่ 1 มีตัวรับแสงหรือ Photocell ทางด้านจานแผ่นที่ 2 ถ้าหาก Photocell ได้รับแสงจาก Lightsource จะทำให้เกิดแรงดันที่เอาต์พุตของ Photocell ดังนั้นการหมุนของเพลาหรือจาน 1 รอบย่อมทำให้เกิดพัลส์หนึ่งลูก โดยพัลส์นี้เกิดจากการที่แสงจาก Lightsourceสามารถผ่านจานทั้งสอง ไปปรากฏยัง Photocell ได้

 

    
รูปที่ 8 โครงสร้างของเซนเซอร์วัดแรงบิดแบบ Optical [23]          

   
   เมื่อเพลานี้เกิดมีแรงบิดมากระทำ ทำให้ Torsion Bar เกิดการบิดตัว ดังนั้นจานทั้งสองจะเกิดการหมุน ทำให้ความกว้างของช่องที่จานทั้งสองที่จะทำให้แสงผ่านได้จะแคบลง ซึ่งจะมากหรือน้อยก็ขึ้นอยู่กับขนาดแรงบิดที่มากระทำ Torsion Bar ดังรูปที่ 9 
 

    
รูปที่ 9 หลักการทำงานของเซนเซอร์วัดแรงบิดแบบ Optical

          ในขณะที่บางบริษัทได้ออกแบบการเจาะรูและการจัดวางตำแหน่งของรูใหม่ โดยให้ส่วนที่ทึบแสงของจานแผนที่ 1 ไปตรงกับส่วนที่โปร่งใสหรือส่วนที่ถูกเจาะรูของจานแผ่นที่ 2 ดังรูป (จานหนึ่งจะเจาะหลายๆ รู)

รูปที่ 10 หลักการทำงานของเซนเซอร์วัดแรงบิดแบบ Optical อีกแบบหนึ่ง

          การที่มีแรงบิดมากระทำที่ Torsion Bar จะทำให้รูของจานทั้งสองเริ่มเยื้องกันดังนั้นตัวรับแสงทางด้านออกจะรับรู้ถึงปริมาณแสงที่รับได้ และมันจะมีค่าแปรผันตรงกับแรงบิดที่มากระทำกับ Torsion Bar (แรงบิดมาก มุมเยื้องมาก ปริมาณแสงมาก) รูปที่ 11 แสดงโครงสร้างของเซนเซอร์วัดแรงบิดที่มีโครงสร้างแบบนี้
    

 

 

    
                     รูปที่ 11 แสดงโครงสร้างของเซนเซอร์วัดแรงบิดตามรูปที่ 10 [13]       
   

    นอกจากนี้มีบางบริษัทได้พัฒนาเซนเซอร์วัดแรงบิดแบบ Optical โดยการเจาะรูที่จานทั้งสองในรูปแบบใหม่ โดยเรียกว่า Lucas Sensor แสดงดังรูปที่ 12

  

 

 

รูปที่ 12 เซนเซอร์วัดแรงบิดแบบ Optical ชนิดที่ใช้ Lucas Sensor [14]

     
     เซนเซอร์วัดแรงบิดแบบนี้จะใช้ตัวรับแสงหรือ Photo Detector สองตัว คือ A กับ B และเอาต์พุตที่ได้จากตัวรับแสง A กับ B จะนำมาคำนวณแรงบิดโดยใช้สมการ (A-B)/(A+B) โดยขนาดที่คำนวณได้นี้จะแทนแรงบิด และเครื่องหมายจะแสดงทิศทางของแรงบิดที่มากระทำกับ Torsion Bar

     5. Toothed Wheel
     เซนเซอร์แบบนี้ใช้หลักการของคานบิดเช่นเดียวกัน และมีความคล้ายคลึงกันมากๆ ต่างกันที่ว่าวิธีนี้จะใช้วิธีตรวจจับตำแหน่งของซี่ฟันโละ หากเกิดแรงบิดมากระทำที่ Torsion Bar จะทำให้เกิดความต่างเฟสของซี่ฟัน ซึ่งความต่างเฟสนี้ก็จะแปรผันตรงกับแรงบิดที่มากระทำกับ Torsion Bar นั่นเอง โครงสร้างของเซนเซอร์วัดแรงบิดแบบนี้แสดงดังรูปที่ 13

 

    
                                 รูปที่ 13 เซนเซอร์วัดแรงบิดแบบ Tooth Wheel [8]      
   

    ลักษณะของพัลส์ที่ได้จากการตรวจจับโดย Pickup 1 (ด้านซ้ายมือ) และ Pickup 2 (ด้านขวามือ) จะมีลักษณะดังรูปที่ 14    

    

 

 

     รูปที่ 14 หลักการทำงานของเซนเซอร์วัดแรงบิดแบบ Tooth Wheel

     
     6. Magnetostrictive
     การตรวจจับแรงบิดจากการบิดของแกนหรือเพลาที่ทำจากวัสดุ Ferromagnetic สามารถใช้หลักการของคุณสมบัติของแม่เหล็กได้เช่นกัน โดยอาศัยหลักการที่ว่าการบิดตัวของแกนที่ทำจากวัสดุ Ferromagnetic ภายใต้สนามแม่เหล็กจะมีผลต่อคุณสมบัติทางแม่เหล็กของแกน โครงสร้างของเซนเซอร์วัดแรงบิดแบบ Magnetostrictive ดังรูปที่ 15

 

 รูปที่ 15 โครงสร้างของเซนเซอร์วัดแรงบิดแบบ Magnetostrictive [11]     

   
   เซนเซอร์วัดแรงบิดแบบนี้จะมีขดลวดกระตุ้น (Exciting Coil) เพื่อสร้างสนามแม่เหล็กในแนวแกนของ Torsion Bar และใช้ขดลวดอีกขดหนึ่งในการวัดเส้นแรงแม่เหล็กที่ตั้งฉาก หรือ Detecting Coil ดังรูปที่ 15

    
   เมื่อมีแรงบิดมากระทำที่ Torsion Bar จะทำให้เกิดความเค้นดึง (Tensile Stress) ที่ 45 องศา และความเค้นอัด (Compressive Stress) ที่ -45 องศา ที่พื้นผิวของ Torsion Bar เมื่อเทียบกับแนวแกนนอน ความเค้นนี้จะทำให้ค่าความซึมซาบ (Permeability) ของ Torsion Bar เปลี่ยนไป (โดย Torsion Bar นี้ต้องทำจากวัสดุ Ferromagnetic) และจะทำให้เส้นแรงสนามแม่เหล็กบิดเบี้ยวไป ดังรูปที่ 16 

 

รูปที่ 16 หลักการทำงานของเซนเซอร์วัดแรงบิดแบบ Magnetostrictive [23]

 

- เซนเซอร์วัดแรงบิดที่ใช้ Amorphous
     เซนเซอร์วัดแรงบิดแบบใช้หลักการ Magnetostrictive มีข้อเสียอยู่ที่มีการสูญเสียของพลังงานและการตรวจจับแรงบิดจะขึ้นอยู่กับชนิดของโลหะที่ใช้ทำ Torsion Bar อีกด้วย ข้อเสียเหล่านี้สามารถที่จะแก้ไขได้ด้วยการใช้เซนเซอร์ที่ใช้หลักการ Magnetic ที่ใช้ Amorphous เป็นส่วนประกอบ โดยมีโครงสร้างตามรูปที่ 17

 

รูปที่ 17 เซนเซอร์วัดแรงบิดที่ใช้หลักการ Magnetic ที่ใช้ Amorphous [23]

      
     จากรูปโครงสร้าง Amorphous Ribbon สองชุด (ซ้ายและขวามือ) จะถูกนำไปเชื่อมติดกับ Torsion Bar ในลักษณะที่เอียงทำมุม 45 องศา กับแกน โดย Amorphous Ribbon ทั้งสองชุดนี้จะทำมุมตั้งฉากกัน เมื่อ Torsion Bar ถูกแรงบิดมากระทำ จะทำให้ Torsion Bar เกิดการบิดและจะทำให้ Amorphous Ribbon ชุดหนึ่งถูกความเค้นดึง และชุดที่เหลือถูกกระทำด้วยความเค้นอัด ดังนั้นค่าความซึมซาบได้ของ Amorphous Ribbon ก็จะเปลี่ยนแปลง ซึ่งการเปลี่ยนแปลงนี้จะทำให้ค่าความเหนี่ยวนำร่วม (Mutual Inductance) ระหว่างขดลวดกระตุ้น (Exciting Coil) กับขดลวดตรวจจับ (Sense Coil) ทั้งสองมีค่าเปลี่ยนไป (ซึ่งเป็นการตรวจจับเส้นแรงแม่เหล็กตั้งฉากนั่นเอง)

     สุดท้ายแล้วผลที่ได้คือการเปลี่ยนแปลงของเส้นแรงแม่เหล็กสูงสุด Bmax ภายใต้การกระตุ้นเส้นแรงแม่เหล็ก (Magnetization) ด้วยความเข้มสนามแม่เหล็กสูงสุด Hmax ที่มาจากขดลวดกระตุ้น โดย Amorphous Ribbon ด้านที่ถูกความเค้นดึงกระทำจะทำให้ Bmax ลดลง และ Amorphous Ribbon ด้านที่ถูกความเค้นอัดกระทำจะทำให้ ?Bmax เพิ่มขึ้น ดังนั้นถ้าเรานำเอาผลการตรวจจับจากขดลวดตรวจจับทั้งสองมาหักล้างกัน สิ่งที่ได้ก็คือขนาดที่แปรผันตรงกับแรงบิดที่มากระทำกับ Torsion Bar นั่นเอง รูปที่ 18 แสดงบล็อกไดอะแกรมของเซนเซอร์แบบนี้

 

     รูปที่ 18 บล็อกไดอะแกรมของเซนเซอร์วัดแรงบิดที่ใช้หลักการ Magnetic ที่ใช้ Amorphous [18]
     
  

   7. Laser
     เซนเซอร์วัดแรงบิดแบบ Laser นี้ แท้จริงแล้วจะใช้หลักการคล้าย ๆ กับ Toothed Wheel มาก โดยจะใช้แสงเลเซอร์ในการวัดมุมต่างเฟสของ Torsion Bar ทั้งสอง โครงสร้างของเซนเซอร์วัดแรงบิดแบบนี้แสดงดังรูปที่ 19

      

                                    รูปที่ 19 โครงสร้างของเซนเซอร์วัดแรงบิดแบบ Laser [17]         
  

    ที่ปลายแต่ละด้านของ Torsion Bar จะมีตัวสะท้อนแสงเลเซอร์ติดอยู่ ดังนั้นแรงบิดที่มากระทำ Torsion Bar จะทำให้เกิดความต่างเฟสของสัญญาณที่ตรวจจับได้โดย Laser Sensor 

   เนื่องจาก Laser มีความแคบของลำแสงมาก จึงสามารถตรวจจับความเปลี่ยนแปลงเล็ก ๆ ได้ดี โดยมีบริษัทในประเทศญี่ปุ่นนำเอาหลักการนี้ไปใช้วัดแรงบิดของ Power Plant (วัดแรงบิดระหว่าง Turbine และ Generator) เพราะไม่ต้องการจะดัดแปลงหรือเปลี่ยนระบบ และนอกจากนี้เซนเซอร์แบบ Laser ยังใช้วัดแรงบิดที่เพลาที่หมุนด้วยความเร็วสูง ๆ ได้ดี

     8. Capacitive
     เซนเซอร์วัดแรงบิดแบบ Capacitive นี้พัฒนาขึ้นมาโดยใช้หลักการวัดความจุ โดยมีโครงสร้างดังรูปที่ 20

 

                   รูปที่ 20 โครงสร้างของเซนเซอร์วัดแรงบิดแบบ Capacitive [23]          
      

    เซนเซอร์วัดแรงบิดแบบนี้จะประกอบไปด้วยซี่โลหะสองชุดที่วางในตำแหน่งสลับฟันปลา ชุดแรกจะอยู่ด้านนอกและชุดที่สองจะอยู่ด้านใน โดยจะมีไดอิเล็กตริกที่เป็นท่อทรงกระบอก (Dielectric Tube) กั้นอยู่ตรงกึ่งกลาง

   
     ซี่โลหะทั้งสองชุดจะทำหน้าที่เป็นแผ่นเพลตของตัวเก็บประจุ (Capacitor Plate) ซึ่งจะมีค่าแปรผันตามการตำแหน่งการซ้อนหรือเหลื่อมกันของซี่โลหะหรือแผ่นเพลตทั้งสองชุด ดังนั้นหากเกิดแรงบิดมากระทำที่ Torsion Bar นี้ จะทำให้การเหลื่อมกันของโลหะเปลี่ยนไป (อาจจะมากหรือน้อยลง ตามแต่ว่าแรงบิดนั้นจะเป็นในแนวตามเข็มหรือทวนเข็ม) ดังนั้นถ้าหากดูตามรูปจะเห็นได้ว่า หากแรงบิดที่มากระทำ Torsion Bar มากขึ้นในแนวตามเข็มนาฬิกา ดังนั้นซี่โลหะชุดด้านในจะเลื่อนตามเข็ม และการซ้อนกันของซี่โลหะทั้งสองชุดจะน้อยลง ซึ่งจะทำให้ค่าตัวเก็บประจุมีค่าน้อยลง และหากแรงบิดมากระทำในแนวทวนเข็ม การซ้อนกันของซี่โลหะจะมากขึ้น ทำให้ค่าตัวเก็บประจุมีค่ามากขึ้น ดังนั้นหากเราทราบถึงสมการความสัมพันธ์ของแรงบิดต่อมุมที่มีผลต่อค่าตัวประจุ เราก็จะทราบค่าแรงบิดได้โดยง่ายจากการวัดค่าตัวเก็บประจุนั่นเอง
    

การเชื่อมต่อสัญญาณระหว่างส่วนที่อยู่กับที่และส่วนที่หมุนได้
     ในปัจจุบัน เซนเซอร์วัดแรงบิดที่ใช้ Strain-gauged Shaft จะเป็นที่นิยมมากที่สุด ซึ่งจากหลักการวัดแรงบิดด้วย Strain-gauged Shaft ที่ได้กล่าวมาแล้ว จะเห็นว่า Strain Gauge ที่ต่อเป็นวงจร Wheatstone Bridge นั้นต้องยึดติดอยู่ที่ส่วนที่หมุนได้ของ Torsion Bar ปัญหาที่ตามมาคือเราจะนำสัญญาณแรงบิดออกมาจาก Wheatstone Bridge ได้อย่างไร ? รวมไปถึงเราจะจ่ายไฟฟ้าเข้าวงจร Wheatstone Bridge ได้อย่างไร ? ดังที่ได้เกริ่นไว้แล้วตั้งแต่ต้น
    
วิธีการการเชื่อมต่อสัญญาณระหว่างส่วนที่อยู่กับที่และส่วนที่หมุนได้มีหลากหลายวิธีดังต่อไปนี้

     1. Slip Ring
     Slip Ring หรือแหวนลื่นนี้เป็นวิธีที่ง่ายที่สุดที่จะจ่ายแรงดันเข้าและอ่านค่าสัญญาณแรงบิดจากวงจร Wheatstone Bridge โครงสร้างของ Slip Ring จะเหมือนกับ Slip Ring ของมอเตอร์ไฟตรงแบบมีแปรงถ่านนั่นเอง โดยจุดทั้ง 4 ของวงจร Wheatstone Bridge จะต่อกับวงจรภายนอกผ่าน Slip Ring ทั้ง 4 ตัว

     รูปที่ 21 แสดงโครงสร้างของ Slip Ring ที่ใช้ในเซนเซอร์วัดแรงบิด และรูปที่ 22 แสดงตัวอย่างของ Slip Ring ที่ใช้ในเซนเซอร์วัดแรงบิดแบบ Strain-gauge Shaft

 

รูปที่ 21 โครงสร้างของ Slip Ring [3]

รูปที่ 22  แสดงตัวอย่างของ Slip Ring ที่ใช้ในเซนเซอร์วัดแรงบิดแบบ Strain-gauge Shaft [1]

     
     อย่างไรก็ดี แม้ว่าการใช้ Slip Ring จะเป็นวิธีที่ง่าย ไม่สลับซับซ้อนและมีราคาไม่สูงเกินไป แต่ข้อเสียของ Slip Ring ที่ใช้ในเซนเซอร์วัดแรงบิดก็ไม่ต่างจาก Slip Ring ที่ใช้ในมอเตอร์ไฟตรง กล่าวคือเนื่องจากมันต้องมีการสัมผัสกันตลอดเวลา ดังนั้นเราไม่สามารถหลีกเลี่ยงการสึกหรอไปได้ แม้ว่าจะมีการบำรุงรักษาหล่อลื่นดีแค่ไหนก็ตาม จึงได้มีความพยายามที่จะหาเทคโนโลยีชนิดอื่นแบบที่ไม่ต้องมีการสัมผัส (Non-contact Method) ที่จะมาแก้ปัญหานี้ให้หมดไป

     2. Rotary Transformer
     โดยปกติแล้วหม้อแปลงเป็นอุปกรณ์หรือเครื่องจักรชนิดที่ไม่มีส่วนที่เคลื่อนไหวได้ โดยมันทำหน้าส่งผ่านกำลังจากขดลวดปฐมภูมิหรือขดลวดด้านเข้าไปยังขดลวดทุติยภูมิหรือขดลวดด้านออกโดยผ่านวงจรแม่เหล็ก (Magnetic Circuit) ที่ไม่มีการเชื่อมต่อกันทางไฟฟ้า และขดลวดทั้งสองนั้นจะอยู่กับที่ แต่สำหรับงานบางงานที่ต้องมีส่งผ่านกำลังจากส่วนที่เคลื่อนไหวไปยังส่วนที่อยู่กับที่หรือในทำนองกลับกัน ก็จะต้องจำเป็นต้องใช้ Rotary Transformer 
   
    Rotary Transformer นั้นจะประกอบด้วยขดลวดส่วนที่เคลื่อนไหวหรือหมุนได้ เรามักจะเรียกว่า Rotor Coil และขดลวดส่วนที่อยู่กับที่ ที่เรียกว่า Stationary Coil แต่ก็ยังคงทำงานอยู่บนพื้นฐานของหม้อแปลงมาตรฐานเช่นเดิม ตัวอย่างงานที่ใช้กันนอกจากจะใช้ในเซนเซอร์วัดแรงบิดแล้วยังมีใช้ในหัวอ่านของเครื่องเล่นวิดีโอเทป, ระบบ Air bag ในรถยนต์ เป็นต้น

 

รูปที่ 23 โครงสร้างพื้นฐานของ Rotary Transformer [2]
    

     ขดลวดปฐมภูมิหรือ Stationary Coil มักจะเป็นขดลวดที่อยู่ยึดติดกับส่วนที่อยู่กับที่หรือ Stator ในขณะที่ขดลวดทุติยภูมิหรือ Rotor Coil จะยึดติดกับส่วนที่เคลื่อนไหวหรือ Rotator พลังงานจากขดลวดปฐมภูมิจะถูกส่งไปยังขดลวดทุติยภูมิผ่านช่องว่างอากาศ หรือ Air Gap

 

  รูปที่ 24 โครงสร้างของ Rotary Transformer ที่ใช้ในเซนเซอร์วัดแรงบิด [1]

          ในกรณีของเซนเซอร์วัดแรงบิดที่ใช้ Strain-gauged Shaft ที่ Torsion Bar นั้นจะมี Strain Gauge ติดอยู่ 4 ตัว และ Strain Gauge เหล่านี้จะต่อวงจรเป็นวงจร Wheatstone Bridge ดังนั้นเราต้องใช้ Rotary Transformer ทั้งหมด 2 ตัว โดย Rotary Transformer ตัวหนึ่งจะทำหน้าที่จ่ายแรงดันให้วงจร Wheatstone Bridge (แรงดัน V) และ Rotary Transformer อีกตัวหนึ่งจะทำหน้าเป็นตัวรับแรงดันที่ได้จากการวัดแรงบิด (แรงดัน Vo) วงจรง่าย ๆ แสดงดังรูปที่ 25 และ 26

    

    

          รูปที่ 25 การต่อวงจรระหว่าง Strain Gauge กับ Rotary Transformer [3]      

                       
      เนื่องจากธรรมชาติของหม้อแปลงไฟฟ้าที่ให้ไฟฟ้ากระแสสลับผ่านได้เท่านั้น ดังนั้นแรงดันที่จ่ายให้หม้อแปลงจึงต้องเป็นไฟฟ้ากระแสสลับ รวมไปถึงแรงดันที่ได้จากวัดแรงบิดด้วยเช่นเดียวกัน

     หลาย ๆ บริษัทได้พัฒนาการในส่วนของวงจรนี้ โดยการใช้ Rotary Transformer สองตัว แยกเป็นตัวหนึ่งจ่ายกำลังไฟฟ้า (Power) และอีกตัวรับสัญญาณที่วัดแรงบิดกลับมาในรูปของแรงดัน (Signal) โดยจะมีการแปลงแรงดันที่ได้จากหม้อแปลงตัวที่จ่ายกำลังไฟฟ้าให้กลายเป็นไฟฟ้ากระแสตรง เพื่อจ่ายให้กับวงจร Wheatstone Bridge และวงจรอิเล็กทรอนิกส์อื่น ๆ ที่อยู่บนเพลาหมุนและ Torsion Bar และแรงดันไฟตรงที่ได้จากการวัดแรงบิด (ที่ออกมาจากวงจร Wheatstone Bridge) จะถูกแปลงไปเป็นไฟสลับอีกครั้งเพื่อส่งผ่านสัญญาณนี้ผ่าน Rotary Transformer ดังรูปที่ 26

 

รูปที่ 26 เทคนิคการใช้ Rotary Transformer ในการส่งผ่านกำลัง โดยมีการแปลงแรงดันที่ได้จาก Rotary Transformer ให้เป็นไฟตรงก่อนจ่ายเข้าวงจร Wheatstone Bridge และมีการแปลงแรงดันไฟตรงที่ได้จากวงจร Wheatstone Bridge ให้เป็นไฟสลับก่อนส่งผ่าน Rotary Transformer [4]

     ในขณะที่บางบริษัทก็เลือกที่จะแปลงสัญญาณที่ได้จากการวัดแรงบิดของ Wheatstone Bridge ให้เป็นสัญญาณดิจิตอล หลังจากนั้นก็ส่งไปให้วงจรที่ด้าน Stationary ด้วยการส่งข้อมูลแบบอนุกรมผ่าน Rotary Transformer ซึ่งก็ได้ข้อดีตรงที่ว่าสัญญาณที่ได้จากวัดแรงบิดของ Wheatstone Bridge จะแม่นยำมาก เนื่องจากมีการวัดแรงดัน ณ จุดนั้นโดยใช้วงจร Amplifier ร่วมกับA/D Converter ทันทีเลย และหลังจากนั้นถึงจะส่งข้อมูลแบบดิจิตอลด้วยไมโครโปรเซสเซอร์ซึ่งรับประกันได้ว่าไม่มีความผิดพลาด ดังนั้นจึงกล่าวได้ว่ามีความแม่นยำสูง แต่วงจรก็ยุ่งยากไปด้วย ดังรูปที่ 27

 

รูปที่ 27 เทคนิคการใช้ Rotary Transformer อีกวิธีหนึ่ง [3]

 

          วิธีนี้ต่างจากการใช้ Slip Ring เพราะวิธีนี้เรียกได้ว่าเป็นวิธีที่ไม่มีการสัมผัส (Non-contact Method) ดังนั้นจึงแทบไม่ต้องมีการดูแลรักษาเลย แต่อย่างไรก็ตามวิธีการใช้ Rotary Transformer แบบนี้ยังมีข้อเสียตรงที่ต้องมีการใช้แบริ่ง ซึ่งก็ต้องการการดูแลรักษาอยู่บ้าง จึงมีหลายบริษัทได้หาวิธีที่จะแก้ปัญหาตรงจุดนี้

      3. Radio Telemetry
     เป็นวิธีที่จะส่งสัญญาณการวัดแรงบิดโดยไม่ต้องใช้สาย (Wireless) อีกวิธีหนึ่ง แต่มีข้อดีเหนือวิธีการใช้ Rotary Transformer คือไม่ต้องใช้แบริ่ง วิธีนี้ใช้การส่งสัญญาณผ่านคลื่นวิทยุความถี่สูงโดยการมอดูเลตสัญญาณ (หรือเข้ารหัส) แรงบิดที่วัดได้กับคลื่นความถี่สูง แล้วส่งผ่านสายอากาศที่เพลาหมุนและที่ส่วนที่อยู่กับที่จะมีสายอากาศที่จะรับสัญญาณคลื่นวิทยุความถี่สูงและทำการดีมอดดูเลตหรือถอดรหัสสัญญาณแรงบิดที่วัดได้ บล็อกไดอะแกรมแสดงดังรูปที่ 28 โดยส่วนที่อยู่กับที่จะอยู่ในกรอบเส้นประ

    

    
รูปที่ 28 เซนเซอร์วัดแรงบิดที่ใช้หลักการของ Radio Telemetry [20]
     

รูปที่ 29 และรูปที่ 30 แสดงถึงลักษณะของเซนเซอร์วัดแรงบิดที่ใช้หลักการของ Radio Telemetry

 

รูปที่ 29 ตัวอย่างของเซนเซอร์วัดแรงบิดที่ใช้หลักการของ Radio Telemetry [7]

รูปที่ 30 ตัวอย่างของเซนเซอร์วัดแรงบิดที่ใช้หลักการของ Radio Telemetry อีกตัวอย่างหนึ่ง [19]

    
บทสรุป
     เซนเซอร์วัดแรงบิดที่ดูเหมือนจะเป็นมาตรฐานในปัจจุบันจะเป็นเซนเซอร์ที่ใช้ Strain-gauge Shaft ร่วมกับ Rotary Transformer ในขณะที่เซนเซอร์ที่ใช้ Strain-gauge Shaft ร่วมกับ Slip Ring ก็ยังมีให้เลือกใช้อยู่ แม้ว่าจะมีไม่มากก็ตามแต่ มีหลายบริษัทได้ใช้เทคโนโลยี Radio Telemetry เข้ามาใช้ร่วมกับเซนเซอร์ที่ใช้ Strain-gauge Shaft แล้ว ในขณะที่เซนเซอร์วัดแรงบิดที่ใช้หลักการอื่นก็ดูเหมือนจะยังมีใช้กันอย่างประปรายในปัจจุบัน

     เซนเซอร์วัดแรงบิดหลาย ๆ รุ่นจะมีเซนเซอร์ตรวจจับความเร็วเป็นทางเลือก (Option) ให้ด้วย โดยส่วนใหญ่ก็จะเป็น Incremental Encoder ซึ่งก็นับว่าเป็นทางเลือกที่น่าสนใจสำหรับงานทั่ว ๆ ไปที่ต้องการวัดความเร็วด้วย
    

เอกสารอ้างอิง
[1] David Schrand.”Tapping into Torque-sensor signals” [Online]. Available from: http://www.motionsystemdesign.com [2007, September 15]
[2] DongZhi Jin, Fumihiko Abe and Hajime Mochizuki.”Development of a Rotary Transformer. and Its Application to SRC Connectors” [Online]. Available from: http://www.furukawa.co.jp [2007, September 15]
[3] “Evolution and Future of Torque Measurement Technology” [Online]. Available from: http://www.lorenz-messtechnik.de [2007, September 15]
[4] “Force, Acceleration, and Torque” [Online]. Available from: http://www.omega.com [2007, September 15]
[5] “Force and Torque Measurement” [Online]. Available from: http://www.vishay.com [2007, September 15]
[6] Hazelden, R.J.”Application of an optical torque sensor to a vehicle power steering system”.
 Automotive Sensors, IEE Colloquium on, 11 May 1992 Page(s):9/1 - 9/3
[7] “In-Line Rotary Torque Transducer, Model 6200” [Online]. Available from: http://www.sensotec.com [2007, September 15]
[8] Ivan J. Garshelis. “Torque and Power Measurement”. CRC PRESS LLC, 2000
[9] “Measurement of Force, Torque, and Other Mechanical Variables with Strain Gages” [Online]. Available from: http://www.vishay.com [2007, September 15]
[10] “Model 9300 Clamp on Rotary Torque Transducer System” [Online]. Available from: http://www.honeywell.com/sensotec [2007, September 15]
[11] Nishibe, Y.; Nonomura, Y.; Tsukada, K.; Takeuchi, M .”Real time measurement of instantaneous torque by magnetostrictive sensor”. Digest of Technical Papers, TRANSDUCERS '91., 1991 International Conference on 24-27 June 1991 Page(s):412 - 415
[12] “Operating instructions, Torque transducer type AE with replaceable Strain Gauge measuring element Model TQ 505” [Online]. Available from: http://www.omega.com [2007, September 15]
[13] “Optical Technology” [Online]. Available from: http://www.sensors.co.uk [2007, September 15]
[14] R.J. Hazeden.”Application of an Optical Torque Sensor to a Vehicle Power Steering System”. Automotive Sensors, IEE Colloquium on, 1992, Page 9/1 – 9/3
[15] “Rotary Transformer” [Online]. Available from: http://trs-new.jpl.nasa.gov [2007, September 15]
[16] “Rotating Transformer Coupled Torque Sensors, Electrical, Mechanical, & Performance Considerarions” [Online]. Available from: http://www.sensdata.com [2007, September 15]
[17] Shuichi Umezawa. “Diagnostic Technology of Performance of Power Plants Using Laser Torque Sensor”. [Online]. Available from: http://www.jsme.or.jp [2007, September 15]
[18] Son, D.; Lim, S.J.; Kim, C.S.”Non-contact torque sensor using the difference of maximum induction of amorphous cores”. Magnetics Conference, 1992. Digests of Intermag '92., International 13-16 April 1992 Page(s):48 – 48
[19] “Strain Gauge Torque Sensors” [Online]. Available from: http://www.pcb.com [2007, September 15]
[20] “Telemetry Torque Measurement Series 285, User Manual” [Online]. Available from: http://www.michsci.com [2007, September 15]
[21] “The basics of Torque Measurement using sensors, instrumentation and telemetry” [Online]. Available from: http://www.sensorland.com [2007, September 15]
[22] “Ways to Measure the Force Acting on a Rotating Shaft” [Online]. Available from: http://www.sensotec.com [2007, September 15]
[23] Wolffenbuttel, R.F.; Foerster, J. “Non-contact capacitive torque sensing on a rotating conductive axis”. Instrumentation and Measurement Technology Conference, 1990. IMTC-90. Conference Record., 7th IEEE 13-15 Feb. 1990 Page(s):136 – 140
[24] Wolffenbuttel, R.F.; Foerster, J.A.”Noncontact capacitive torque sensor for use on a rotating axle”. Instrumentation and Measurement, IEEE Transactions on, Volume 39, Issue 6, Dec 1990 Page(s):1008 - 1013