ทฤษฎีเครื่องมือวัดโอห์มมิเตอร์

245

=

= 1,968 Ω หรอื ประมาณ 2 k Ω ตอบ
คา่ แรงดันไฟฟูาท่ีอณุ หภูมิ 100 °C ตอบ
Vout = Vout,min + Vout,max

= 2.732 V + (100 × 10mV/°C)
= 3.732 V

การประยกุ ต์ใช้งาน
วงจรในภาพที่ 155 (ข) แสดงการต่อใชง้ าน LM 335 ที่ใชว้ ดั อุณหภูมิจากชว่ ง -55 °C ถึง 150 °C โดย
ใช้แหล่งจา่ ยไฟฟาู กระแสตรงแบบบวก จะไดแ้ รงดนั ไฟฟูาเอาท์พตุ เปลย่ี นแปลง 10 mV / 1 °C โพเทนชโิ อ
มิเตอร์ 10 kΩ ใช้สําหรับปรบั เทียบค่าแรงดันไฟฟูาเอาท์พุทให้ไดเ้ ท่าอุณหภมู ิแวดล้อมในหน่วยเคลวนิ (K) โดย
2.732 V เทา่ กบั 0 °C
วงจรในภาพที่ 182 แสดงตัวอย่างการต่อวงจรอย่างง่ายในการใช้ควบคุมอุณหภูมิของขด
ลวดความร้อน โดย LM329C ใชส้ ําหรับรักษาระดับแรงดันไฟฟูาท่ีจ่ายให้ LM335 ให้คงท่ีตลอดเวลา โพเทนชิ
โอมิเตอร์ 10 kΩ ใช้ปรับต้ังอุณหภูมิที่ต้องการควบคุม โดยในขณะท่ีอุณหภูมิปรับตั้งสูงกว่าอุณหภูมิที่วัด
แรงดันไฟฟูาท่ีขาบวกของ LM311 จะสูงกว่าท่ีขาลบ จะทําให้แรงดันเอาท์พทุ ของ ออปแอมป์เปน็ บวก
และทําให้ทรานซิสเตอร์ทํางานมีกระแสไฟฟูาไหลผ่านขดลวดความร้อน จนกระท่ังอุณหภูมิท่ี LM335 สูงข้ึน
จนเท่ากับอุณหภูมิปรับตั้ง ทําให้แรงดันไฟฟูาท่ีขาลบมีค่าเท่ากับขาบวก แรงดันเอาท์พุทกลับเป็นศูนย์ ทําให้
ทรานซสิ เตอร์หยดุ การทํางานและขดลวดความร้อนหยุดการทาํ งานเช่นกัน จนกระทั่งอณุ หภมู ิที่ LM335 ลดลง
ทําให้แรงดันไฟฟูาท่ีขาลบน้อยกว่าขาบวกอีกครั้ง เอาท์พุทกลับเป็นบวก ทรานซิสเ ตอร์ทํางานและขด
ลวดความร้อนทาํ งานอกี ครง้ั โดยวงจรจะทาํ งานเป็นวงรอบแบบนี้ไปเรอ่ื ย ๆ

ภาพที่ 182 วงจรควบคุมอณุ หภมู ิของขดลวดความร้อน
ท่ีมา (LM335 datasheet, 2013)

246

ไอซี LM34
พฒั นาขึ้นด้วยเทคโนโลยีสารก่ึงตัวนําในรูปแบบวงจรรวมเช่นเดียวกับ LM335 แต่แตกต่างกันคือให้
แรงดันไฟฟูาเอาท์พทุ เป็นเชิงเส้นกับอุณหภูมิองศาฟาเรนไฮต์ โดยมีย่านการวัดอยู่ระหวา่ ง -50°F ถึง +300°F
และมีข้อไดเ้ ปรียบเหนอื LM335 ซง่ึ เป็นทรานสดวิ เซอร์วัดอุณหภมู ิแบบสอบเทียบกบั อุณหภูมิ เคลวนิ คือ
1. สามารถต่อวงจรใช้งานไดโ้ ดยไมต่ อ้ งพึง่ อปุ กรณ์ภายนอก
2. ไดแ้ รงดันไฟฟูาเอาท์พุทเท่ากับค่าอุณหภมู ิจริง โดยไม่ต้องบวกค่าแรงดันไฟฟูาคงที่ ณ จุด 0 °C
(2.732 V)
3. แรงดนั ไฟฟาู เอาท์พทุ เปล่ยี นแปลง 10 mV/1°F โดยแรงดันไฟฟูาเอาทพ์ ทุ ท่ี -50°F มคี า่ ประมาณ -
500 mV และที่ +300°F มีค่าประมาณ 3,000 mV
4. มีเอาท์พุทอมิ พแี ดนซ์ (Output impedance) ตํ่าแตใ่ ห้แรงดันไฟฟูาเอาตพ์ ุตเป็นเชิงเส้น สามารถ
เช่ือมต่อกับอุปกรณอ์ า่ นค่าหรอื วงจรแสดงผลไดด้ ี
5. สามารถใชง้ านได้กับแหล่งจ่ายไฟฟูาแบบเด่ียว (Single power supply) หรือกับแหล่งจ่ายไฟฟูา
แบบมีข้ัวบวกและลบได้ และใชก้ ระแสไฟฟูาเพียง 70 mA ดงั นั้นความร้อนท่ีเกิดข้ึนจึงมีค่าต่ําประมาณ 0.2° F
ในอากาศนิ่ง
6. การส่งผ่านสญั ญาณเอาทพ์ ทุ อย่ใู นรูปของกระแสไฟฟูา จึงไม่มีผลกระทบต่อความผิดพลาด (Error)
ของสัญญาณเอาท์พุทเนอ่ื งจากการต่อสายระยะไกลจากวงจรอเิ ลก็ ทรอนกิ ส์
LM34 มีให้เลือกใช้งาน 3 แบบ คือ ตวั ถังแบบ Surface mount (ภาพท่ี 183) แบบตัวถังพลาสติก
(ภาพท่ี 184) และแบบตัวถงั โลหะ (ภาพท่ี 185)

ภาพที่ 183 IC # LM34 แบบ Surface Mount (ก) ขาใช้งาน (ข) ตัวจรงิ

ภาพที่ 184 IC # LM34 แบบตวั ถังพลาสติก (ก) ขาใช้งาน (ข) ตัวจริง

247

ภาพที่ 185 IC # LM34 แบบตัวถังโลหะ (ก) ขาใช้งาน (ข) ตัวจริง

คุณสมบัติทวั่ ไปของ LM34
ไอซี AD590 ผลิตโดยบริษัท Texas Instrument มีคุณสมบัติโดยทว่ั ไปตามตารางท่ี 24

ตารางที่ 24 คุณสมบัตทิ ั่วไปของ LM34

Parameter Conditions
Calibrated directly degrees Fahrenheit
Temperature range
accuracy guaranteed (at +77˚F) −50˚ to +300˚F
Linear scale factor 1.0˚F
Low-impedance output
Output Voltage +10.0 mV/˚F
Operating Output Voltage 0.4Ω for 1 mA load
Output Current
Uncalibrated Temperature Error +6V to −1.0V
Non-Linearity 5 to 30 volts
Supply Voltage
10 mA
ทม่ี า (LM34 datasheet, 2000) TC = 25°C, IR = 1 mA

IR = 1 mA
+35V to −0.2V

การประยกุ ตใ์ ช้งาน
วงจรในภาพที่ 186 แสดงการต่อใช้งาน LM 34 ท่ีใช้วัดอุณหภูมิจากช่วง +5 ถึง +300°F โดยใช้
แหล่งจ่ายไฟฟูากระแสตรงแบบบวก จะได้แรงดันไฟฟูาเอาท์พุตเปล่ียนแปลงอยู่ในชว่ ง 50 mV ถึง 3 V ส่วน
วงจรในภาพที่ 187 ใช้สําหรับวัดอุณหภูมิแบบเตม็ ย่านวดั (Full range) ที่ -50°F ถึง +300°F ตอ้ งใช้จ่าย
แหล่งจ่ายแรงดนั ไฟลบให้วงจร โดยจะได้แรงดันไฟฟูาเอาท์พุตที่ -50°F เท่ากับ -500 mV ท่ี +75°F เท่ากับ
+750 mV และที่ 300°F เทา่ กับ +3,000 mV

248

(ก) (ข)

ภาพท่ี 186 ตัวอย่างการต่อวงจรใช้งาน (ก) วงจรพื้นฐาน (ข) วงจรสําหรับวัดอุณหภูมแิ บบเตม็ ย่านวดั

ทีม่ า (LM34 datasheet, 2000)

วงจรในภาพท่ี 188 นน้ั เหมาะสําหรับการต่อ LM34 ในระยะใกลก้ บั วงจรเทา่ หากต้องการต่อใชง้ าน
LM34 ออกมาไกลจากวงจรควรตอ่ วงจรตามภาพที่ 187 หรอื ภาพท่ี 188 โดยโพเทนชิโอมเิ ตอร์ 50 kΩ ทํา
หนา้ ท่ีปรับแกค้ า่ ผดิ พลาดของอณุ หภูมิท่ีเกดิ จากความตา้ นทานภายในสายไฟฟูาใหถ้ กู ตอ้ ง

5 – 20 V

Vs 50 k 499
1%
LM34 Vout Vout

ครีบ 499
ระบาย 1%
ความ
รอ้ น

ภาพท่ี 187 การต่อวงจรสาํ หรับการตรวจวดั อณุ หภมู ริ ะยะไกลแบบกราวดร์ ว่ ม
ท่มี า ปรบั จาก (LM34 datasheet, 2000).

5 – 20 V

Vs Vout
50 k 499
LM34 Vout
1%
ครีบ 499
ระบาย 1%
ความ
รอ้ น

ภาพท่ี 188 การต่อวงจรสําหรบั การตรวจวดั อุณหภูมิแบบระยะไกล

ท่ีมา ปรับจาก (LM34 datasheet, 2000)

249
ไอซี AD590/592
พัฒนาขน้ึ ด้วยเทคโนโลยีสารก่ึงตัวนําในรูปแบบวงจรรวมเช่นเดียวกัน แตใ่ ห้เอาท์พุทเป็นกระแสไฟฟูา
จึงเหมาะสําหรับงานท่ีต้องต่อทรานสดิวเซอร์เพื่อวัดอุณหภูมิเป็นระยะทางไกลจากวงจรหรือเคร่ืองมือวัด
เนอื่ งจากไม่มผี ลกระทบจากการเกิดแรงดันไฟฟาู ตกคร่อมบนความตา้ นทานของสายไฟฟูา
AD590 มีให้เลือกใชง้ าน 3 แบบ คือ ตวั ถังแบบ Surface mount (ภาพที่ 189) แบบตวั ถังพลาสติก
(ภาพท่ี 190) และแบบตัวถงั โลหะ (ภาพที่ 191)

(ก) (ข)
ภาพท่ี 189 IC # AD590 แบบ Surface Mount (ก) ขาใช้งาน (ข) ตวั จรงิ

(ก) (ข)
ภาพที่ 190 IC # AD590 แบบตวั ถังพลาสตกิ (ก) ขาใชง้ าน (ข) ตัวจรงิ

(ก) (ข)
ภาพท่ี 191 IC # AD590 แบบตัวถงั โลหะ (ก) ขาใชง้ าน (ข) ตัวจรงิ

250

คณุ สมบัตทิ ่วั ไปของ AD590
ไอซี AD590 ผลิตโดยบริษทั Analog Devices มคี ณุ สมบตั ิโดยทวั่ ไปตามตารางท่ี 25

ตารางท่ี 25 คุณสมบัตทิ วั่ ไปของ AD590

พารามิเตอร์ -55 °F ถงึ +150 °F
Temperature range ± 0.5 °F
Calibration Error @ 25°C
Linear current output 1 μA/ K
±0.3°C
Excellent linearity 4 V – 30 V
Wide power supply range 298.2 μA
Nominal Current Output @ 25°C (298.2 K) pA/√Hz
± 0.1 °F
Current Noise
Repeatability

คา่ กระแสไฟฟาู เอาทพ์ ุทของ AD590 หาไดจ้ าก

Iout = T 11.16
11.17

เมอื่ T คอื อณุ หภูมอิ งศาเคลวิน

Iout = 273 µA T

เมือ่ T คือ อุณหภูมอิ งศาเซลเซียส

การประยกุ ต์ใชง้ าน
ตวั อย่างการตอ่ วงจรใช้งานของ AD590 แสดงดังภาพที่ 192 และ ภาพที่ 193 โดยภาพท่ี 192 แสดง
การต่อวงจรใชง้ านซ่ึงสามารถปรับค่าแรงดนั เอาทพ์ ทุ ใหม้ กี ารเปลีย่ นแปลง 1 mV / °K ดว้ ยการปรับค่าของ R1
ภาพท่ี 193 (ก) เมื่อนํามาต่ออนุกรมกัน จะทําให้ความไวในการวัดสูงข้ึนและสามารถแสดงค่าได้ตํ่ามากสุด
เทา่ ท่จี ะวดั ได้ ตาหากนาํ มาตอ่ ขนานกัน (ภาพท่ี 193 (ข)) วงจรจะแสดงคา่ เฉลย่ี ของการวัด

ภาพท่ี 192 วงจรพืน้ ฐานแบบแรงดนั เอาท์พทุ 1 mV / °K
ทมี่ า (AD590 datasheet, 2013)

251

(ก) (ข)
ภาพที่ 193 วงจรสาํ หรับ (ก) วดั ค่าอณุ หภูมิต่ําสดุ (ข) วดั ค่าอณุ หภมู ิเฉล่ยี

ท่ีมา (AD590 datasheet, 2013)

ทรานสดวิ เซอร์สาหรับวัดตวั แปรทางกล

แรงทางกลเป็นปริมาณทางฟิสิกส์ที่สําคัญชนิดหน่ึงที่กระทําต่อวัตถุหรือระบบ โดยอาจทําให้เกิด
ความเครียดหรือแรงในวตั ถุ อาจทาํ ให้เกดิ แรงบดิ แรงดึง แรงผลกั หรือแรงกดในระบบก็ได้ ดงั น้ันแรงทางกลจึง
เป็นตัวแปรที่สําคัญสําหรับการวิเคราะห์และออกแบบระบบต่าง ๆ ดังนั้นการตรวจวัดแรงทางกลท่ีถูกต้อง
แม่นยํา ย่อมส่งผลให้การออกแบบระบบเครื่องจักรกลต่าง ๆ ทํางานได้อย่างมีประสิทธิภาพสูงและมี
เสถียรภาพมากขึ้น นอกจากน้ีการวัดแรงทางกลของวัตถุยังสามารถขยายผลเป็นการวัดตัวแปรอ่ืน ๆ ได้ เช่น
การไหล ความดนั นํา้ หนกั ระดับของวัตถแุ ละความเร่ง เป็นต้น

ทรานสดิวเซอร์ท่ีใช้สําหรับการวัดแรงทางกลนั้นมักจะถูกออกแบบให้มีลักษณะพิเศษเฉพาะตัว
เน่ืองจากต้องดัดแปลงให้เข้ากับแนวคิดของระบบหรือลักษณะการทํางานพ้ืนฐานของอุปกรณ์หรือ
เครือ่ งจักรกลที่ตอ้ งการวดั ค่า ดงั น้ันการศึกษาและใชง้ านตวั ทรานสดิวเซอร์สําหรับวัดแรงทางกลจึงจําเป็นตอ้ ง
มีความเข้าใจปรากฏการณ์ทางกล หลักการทํางานของทรานสดิวเซอร์และรายละเอียดในการประยุกต์ใช้งาน
ของทรานสดิวเซอรแ์ ตล่ ะชนดิ เปน็ อย่างดี

สเตรนเกจ

สเตรนเกจ (Strain Gate) เป็นทรานสดวิ เซอร์ท่ีนิยมใช้งานในทางอุตสาหกรรม โดยเฉพาะในการวัด

น้ําหนักที่ต้องการความละเอียดมาก ๆ โดยหลักการแล้วสเตรนเกจถูกพฒั นาขึ้นสําหรับวัดความเครียดในวัตถุ

โดยใชห้ ลักการเพียโซรีซิทิวิตี (Piezoresistivity) ซ่ึงเป็นหลักการพ้ืนฐานของการเปล่ียนค่าความต้านทานและ

คุณสมบตั ิทางไฟฟาู ของวสั ดุตวั นํา ซึง่ สามารถอธิบายความสัมพันธไ์ ด้ดงั น้ี

คา่ ความตา้ นทานของวัสดตุ ัวนําทรงกระบอกสามารถหาได้จาก

R= 11.18

เมือ่  คือ คา่ ความตา้ นทานจาํ เพาะของวสั ดตุ วั นํา มหี นว่ ยเป็นโอห์มเมตร (Ω.m)

L คือ ความยาวของวสั ดตุ ัวนํา มหี น่วยเปน็ เมตร (m)

252

A คือ พื้นทีห่ น้าตดั ของวสั ดุตัวนํา มีหนว่ ยเปน็ ตารางเมตร (m2) หรือ r2
R คือ รศั มขี องพนื้ ที่หนา้ ตดั ของวสั ดุตัวนํา มีหนว่ ยเปน็ เมตร (m)

r

LA
ภาพท่ี 194 วัสดุตวั นําทรงกระบอก

จากภาพที่ 194 ของคา่ ความต้านทานภายในของวสั ดุตัวนําจะมกี ารเปล่ยี นแปลงไปตามความยาวหรือ

พื้นทหี่ น้าตัดของวัสดุตัวนาํ การเปลย่ี นแปลงน้เี รยี กวา่ เพียโซรีซิทิวิตี ซึ่งเปน็ คุณสมบตั ิทางไฟฟูาของวสั ดุตัวนํา

แตล่ ะชนิด โดยจะมคี วามสัมพนั ธข์ องการเปลี่ยนแปลงดังนี้

เมื่อวัสดุตวั นําถูกแรงบบี (Compression) มากระทําจากภายนอก (ภาพที่ 195) จะทําให้ความยาว

ของวัสดุตัวนําลดลง (L0 - L) แต่มีพ้นื ท่ีหน้าตัดเพมิ่ ข้ึน (A0 + A) ผลที่เกิดขึ้นคือ ค่าความต้านทานภายใน
ของวสั ดตุ ัวนํามคี า่ น้อยลงดงั สมการ

R = (R0 - R)  ( ) 11.19
( )

r

L0 - L A + A

ภาพท่ี 195 วัสดตุ ัวนําเมอื่ ถูกแรงบบี มากระทาํ จากภายนอก

ในทางกลับกัน หากวัสดุตัวนําถูกแรงดึง (Tension) มากระทําจากภายนอก (ภาพท่ี 196) ผลท่ี

เกิดขึ้นคือความยาวจะเพิม่ ข้ึน (L0 + L) แตพ่ ้ืนท่ีหน้าตัดลดขึ้น (A0 - A) ผลที่เกิดขึ้นคือ ค่าความตา้ นทาน
ภายในของวัสดตุ วั นาํ มคี า่ มากข้นึ ดังสมการ

R = (R0 - R)  ( ) 11.20
( )

r

L0 +  L A - A

ภาพท่ี 196 วสั ดุตัวนาํ ถกู แรงดึงมากระทาํ จากภายนอก

ิทศทางท่ีไ ่มรับแรง 253
จากปรากฏการณ์ทั้งสองจะทําให้ค่าความต้านทานภายในของวัสดุตัวนําเปล่ียนแปลงไปอย่างเป็นเชิง
เส้นกับแรงท่ีมากระทําตามสมการท่ี 11.19 และ 11.20 ซึ่งสเตรนเกจไดใ้ ชค้ วามสัมพันธ์ของปรากฏการณ์ท้ัง
สองน้เี ป็นเทคนคิ ในการตรวจวัดแรงทางกลที่มากระทําต่อวตั ถใุ ด ๆ
ภาพท่ี 197 แสดงสญั ลักษณ์ทางไฟฟาู และโครงสรา้ งพ้ืนฐานของสเตรนเกจซ่งึ ประกอบดว้ ย ฟิลาเมนต์
(Filament) ซ่ึงนิยมทําจากวัสดุลวดตวั นํา แผ่นโลหะตัวนําแบบบาง (Metal foil) หรือ จากสารก่ึงตัวนํา สเต
รนเกจแบบพน้ื ฐานนิยมทําจากเส้นลวดโลหะขนาดเล็กขดตัวหลาย ๆ รอบ (ภาพท่ี 197 (ข)) เพ่ือให้ตอบสนอง
ตอ่ การเปล่ียนแปลงของแรงไดอ้ ย่างรวดเร็วและห้มุ ทบั ดว้ ยวสั ดุกนั ไฟฟาู

ทิศทางทีร่ บั แรง
วสั ดทุ ่ตี ้องการวดั
ความเครยี ด

ขว้ั ตอ่ ใชง้ าน
(ก) (ข)

สเตรนเกจ ฟลิ าเมนต์ วัสดเุ คลอื บฟลิ าเมนต์

ภาพที่ 197 สเตรนเกจ (ก) สัญลักษณ์ทางไฟฟูา (ข) โครงสร้างพ้นื ฐานของสเตรนเกจ

ภาพที่ 198 สเตรนเกจแบบต่าง ๆ
ท่ีมา (China Electronic Products, 2014)

254

ภาพท่ี 199 ตัวอยา่ งการตดิ ต้งั ใช้งาน

ทมี่ า (Kwantlen Polytechnic University, 2014)

เกจเฟคเตอร์
การใช้สเตรนเกจวัดความเครียดที่เกิดขึ้นในวัตถุน้ันก็คือการใช้สเตรนเกจตรวจวัดการเปล่ียนแปลง
ขนาดของวัตถุ ซ่ึงความสัมพันธ์ของการเปล่ียนแปลงขนาดของวัตถุใหม่ต่อวัตถุเดิมในสภาวะปกติจะ
ประกอบด้วย การเปล่ียนแปลงความเครียดทางกล (mechanical strain, ) และการเปล่ียนแปลง
ความเครียดทางไฟฟูา (electrical strain, G) ซึ่งเรียกวา่ เกจเฟคเตอร์ (Gauge Factor)สามารถเขียน
สมการแสดงความสมั พันธ์ได้ โดยที่

 = การเปล่ียนแปลงความยาว = 11.21 G
ความยาวเดิมในสภาวะปกติ = 11.22

= การเปลย่ี นแปลงคา่ ความตา้ นทาน
ค่าความตา้ นทานเดมิ ในสภาวะปกติ

ดงั นน้ั คา่ เกจเฟคเตอร์ (GF) ประจําตัวของสเตรนเกจ ซึง่ กค็ อื อัตราสว่ นของการเปลี่ยนแปลงค่าความ

ตา้ นทานต่อความยาวทเ่ี ปล่ยี นไป จะหาได้จาก

GF =  =  11.23


นอกจากน้คี า่ เกจเฟคเตอร์ ยังแสดงถึงความไว (Sensitivity) ในการทํางานของสเตรนเกจดว้ ย ซึ่งจะมี

คา่ ปกตอิ ย่รู ะหวา่ ง 1.8 – 2.2 และคา่ ความตา้ นทานภายในของสเตรนเกจจะอยู่ระหวา่ ง 50 Ω - 2 k Ω

255

โดยสเตรนเกจแบบโลหะจะมีค่าประมาณ 2 ส่วนสเตรนเกจแบบโลหะผสมและแบบคาร์บอนจะมีค่า
สูงถึง 10 สําหรับการนําสเตรนเกจมาใช้งานจะนิยมใชส้ เตรนเกจท่ีมีค่าเกจเฟคเตอร์สูง เพราะค่าเกจเฟคเตอร์
จะบง่ บอกถงึ ว่าสเตรนเกจนน้ั มกี ารเปลี่ยนแปลงค่าความต้านทานตอ่ ความเครียดสงู นั่นเอง

ตัวอยา่ งท่ี 46. สเตรนเกจตัวหนึ่งมีค่าความต้านทาน 500 Ω มีค่าเกจเฟคเตอร์ 2.0 มีแรงดึงทําให้เกิด
ความเครยี ด  =  = 450 × 106 และค่าความสัมพนั ธ์ของความตา้ นทานต่อความยาว   = 0.05
Ω.mm-1 จงคํานวณหา 1) ค่าความต้านทานที่เปลี่ยนแปลงของสเตรเกจ และ 2) ค่าความยาวที่เปล่ียนแปลงไป
( )
วิธที าํ
1) หาค่าความตา้ นทานที่เปล่ียนแปลงของสเตรนเกจ
โดย โจทย์กําหนดให้ R = 500 Ω, G = 2.0,  = 450 × 10-6 ดังนั้น ค่าความตา้ นทานที่เปลี่ยนแปลงของ
สเตรนเกจจะหาได้จาก สมการความเครยี ดทางไฟฟูา 11.22 โดย

G =  หรอื

R = G ×  × R
= 2.0 × 450 × 10-6 × 500 Ω

= 0.45 Ω

 ค่าความต้านทานทเ่ี ปลี่ยนแปลงของสเตรนเกจ เท่ากับ 0.45 Ω ตอบ

2) คา่ ความยาวที่เปล่ยี นแปลงไปของสเตรนเกจ หาไดจ้ าก

 = 0.05 Ω.mm-1


 = 0.45 / 0.05 Ω.mm-1

= 9 mm

 คา่ ความยาวทีเ่ ปลย่ี นแปลงไปของสเตรนเกจ เทา่ กับ 9 mm ตอบ

ผลกระทบจากค่าอุณหภูมิ
การเปลีย่ นแปลงของอณุ หภมู มิ ีผลตอ่ การเปล่ยี นแปลงความตา้ นทานภายในของโลหะทกุ ชนดิ รวมทั้งส
เตรนเกจซง่ึ ทําจากเส้นลวดโลหะ ดังน้ันถ้าไม่มีการชดเชยค่าอุณหภูมิน้ีจะทําให้การวัดผิดพลาดได้ สเตรนเกจมี

ค่าสัมประสิทธิ์ของอณุ หภูมิ  = 0.004 / °C ซ่ึงเป็นค่าปกตขิ องโลหะท่ัวไป การเปลี่ยนแปลงไปอุณหภูมิจะ

ทําใหค้ ่าความตา้ นทานภายในของโลหะเปลย่ี นแปลงไปอย่างถาวร ซึง่ จะคํานวณไดจ้ าก

RT = RT0 [ 1 + α0ΔT ] 11.24

หรอื

256

ΔRT = RT0 α0ΔT 11.25

เม่อื

ΔRT คือ การเปล่ียนแปลงค่าความต้านทานเน่อื งจากการเปล่ียนแปลงอณุ หภมู ิ

α0 คือ 0.004 / °C (สําหรับแต่ละกรณี)

ΔT คือ การเปล่ียนแปลงอณุ หภูมิ

RT0 คือ คา่ ความต้านทานปกติ

ตัวอย่างที่ 47. จงคํานวณค่าการเปล่ียนความต้านทาน เมื่ออุณหภูมิของสเตรนเกจเปล่ียนไป 1 °C โดยค่า
สัมประสทิ ธิ์ของอุณหภมู สิ ําหรับโลหะมคี า่  = 0.003925 / °C และความตา้ นทานของสเตรนเกจ 250 Ω

วิธที ํา

ΔRT = RT0 α0ΔT
= 0.003925 / °C × 1 °C × 250 Ω

= 0.98125 Ω ตอบ

โครงสร้างของสเตรนเกจ
วัสดุที่นิยมใช้ทําสเตรนเกจมี 2 แบบ คือ แบบเส้นลวดและแบบแผ่นฟอยล์ วัสดุที่ใช้ทําสเตรนเกจ
จะต้องมีความยาวมากพอสมควรที่จะทําให้มีค่าความต้านทานเร่ิมแรกปกติ (Nominal resistance) สูงมาก
พอที่จะใช้ปฏบิ ัตงิ านไดแ้ ละทําให้เกจมีความตา้ นทานละเอยี ดเพยี งพอท่ีจะไม่ตา้ นผลของความเครียดที่เกิดขึ้น
คา่ ความต้านทานเรม่ิ แรกปกติโดยท่วั ไปจะมีคา่ เปน็ 60 Ω 120 Ω 240 Ω 350 Ω 500 Ω และ 1000 Ω แตท่ ่ี
นยิ มใชง้ าน คือ 120 Ω
การติดตั้งสเตรนเกจมักจะติดต้ังเปน็ คู่ วางในแนวแกนต้ังและแนวแกนนอนเพื่อให้รับความเครียดของ
วัตถุไดท้ ้ังหมด แตก่ ็มีบ้างท่มี กี ารติดตั้งสเตรนเกจไปในทศิ ทางเดียวกัน

Rb วสั ดรุ องรบั แรง
Ra

แรง แรง
Active gauge

Dummy gauge

ภาพท่ี 200 การติดตัง้ สเตรนเกจบนวตั ถุในแนวทิศทางแตกต่างกัน

257

แรง วสั ดุรองรับแรง
Ra Rb

Active gauge

แรง

ภาพท่ี 201 การติดตง้ั สเตรนเกจบนวัตถุในแนวทศิ ทางแตกต่างกัน

การต่อวงจรใชง้ านสเตรนเกจ

การนําสเตรนเกจไปใชง้ านนั้นตอ้ งมีการจัดวงจรและจ่ายแรงดันไฟฟูาให้อย่างเหมาะสม มี 2 ส่ิงที่ควร

พิจารณา คอื

1) เมื่อมีแรงจากภายนอกมากระทํา สเตรนเกจจะมีการเปล่ียนแปลงความต้านทานภายในเพียง

เล็กน้อยเท่าน้ัน วงจรที่ออกแบบจึงต้องมีความไวเพียงพอที่จะตรวจจับการเปลี่ยนแปลงนี้ได้ สมมุติ ค่าความ

ต้านทานปกติของสเตรนเกจมีค่า 120 Ω เมื่อคํานวณจากสมการท่ี 11.21 จะมีการเปลี่ยนแปลง 2µm/m

เท่าน้ัน และมคี ่า R = 4.8 × 10-4 Ω

2) ตอ้ งมกี ารชดเชยอุณหภมู ิใหส้ เตรนเกจ เพือ่ กาํ จัดผลทมี่ ตี ่อความเครยี ด

จากข้อท่ี 1 เม่ือพิจารณาพบว่า วงจรบริดจ์มีความเหมาะสมในการจัดวงจรใช้งานให้สเตรนเกจ

เน่ืองจากมีความสามารถตรวจจับการเปล่ียนแปลงความต้านทานทมี่ คี ่านอ้ ยได้ดี ส่วนการชดเชยอุณหภูมิน้ันจะ

ใช้สเตรนเกจอีกตัวหนึ่งวางตัวในแนวขวางของแอกทีฟเกจ (Active gauge) (ภาพที่ 198) เรียกว่า ดัมม่ีเกจ

(Dummy gauge) เมื่อเกจทั้งสองมีการเปล่ียนแปลงค่าความตา้ นทานเน่ืองจากผลของอณุ หภูมิ จะมีเพียงแอก

ทีฟเกจที่มีการตอบสนองต่อค่าความเครียดที่เกดขึ้นบนวัตถุเท่าน้ัน การจัดวงจรแสดงดังภาพท่ี 200 โดยใช้

วงจรวที สโตนบริดจ์และต่อแอกทีฟเกจ (Rb) และดัมม่ีเกจบนแขนแตล่ ะข้างของบริดจ์ ในกรณีที่เกจทั้งสองมี

การเปล่ียนแปลงค่าความต้านทานเน่ืองจากอุณหภูมิ จะทําให้ท้ังสองมีการเปล่ียนแปลงค่าความต้านทานไป

เท่ากัน จึงทําให้อัตราส่วนของความต้านทานท้ังสองแขนของบริดจ์ไม่เปล่ียนแปลง ดังน้ันสัญญาณเอาท์พทุ จึง

ไมเ่ ปลี่ยนแปลงไปจากคา่ จรงิ มากนกั

ความไว (Sensitivity) ของวงจรหาได้จาก V = - GF  11.26

แรงดนั เอาทพ์ ุท หาไดจ้ าก Vo = Vin 11.27

258

R1 R2

+

Vs G

Dummy Active
gauge gauge

ภาพท่ี 202 การจัดวงจรวีทสโตนบรดิ จ์กับสเตรนเกจ

จากวงจร เม่ือไม่มีแรงมากระทํากับสเตรนเกจจะทําให้ความต้านทานทั้งหมดมีค่าเท่ากัน นั่นคือ R

= 0 และ Vo = 0 แตเ่ มอื่ มแี รงมากระทาํ จะทาํ ให้สเตรนเกจมีคา่ ความต้านทานเปล่ียนไปเป็น R จะทาํ ให้ Vo

มคี า่ เทา่ กบั

Vo = Vin  11.28


ถ้าค่าของตัวต้านทานท้ังหมด (4R) มีค่ามากวา่ การค่าการเปล่ียนแปลงความต้านทาน (2R) ของส

เตรนเกจมาก ๆ

4R >> 2R 11.29

จะทาํ ให้ได้สมการใหม่ว่า

Vo  Vin  11.30

ตัวอยา่ งท่ี 48. จากวงจรในภาพที่ 199 เมื่อกําหนดให้ R = 250 Ω, และ V = 12 V จงคํานวณหาแรงดัน
เอาท์พุทของวงจร เม่อื

1) เมอ่ื เกดิ ความเครียดและความต้านทานของสเตรนเกจเปลย่ี นไป R = 0.020 Ω
2) เม่อื อุณหภูมทิ ําให้ความตา้ นทานของสเตรนเกจท้ังสองเพิม่ ขึน้ 9.25 Ω
3) เมอื่ เกดิ ความเครียดและความตา้ นทานของสเตรนเกจเปลีย่ นไป R = 0.020 Ω และ
อุณหภูมทิ ําใหค้ วามต้านทานของสเตรนเกจท้ังสองเพมิ่ ขนึ้ 9.25 Ω

R1 = 250 R2 = 250

+

Vs G

Rb = 250 Ra = 250
(Active gauge)

259

วธิ ที าํ
1) เมอ่ื เกิดความเครียดและความต้านทานของสเตรนเกจเปลีย่ นไป R = 0.020 Ω

จากสมการท่ี 11.28 Vo  Vin 

= Vin Ω

= 0.000020 V

= 20 µV ตอบ

2) เม่ืออุณหภูมิทําให้ความต้านทานของสเตรนเกจท้ังสองเพ่ิมขึ้น 9.25 Ω จึงทําให้ค่าความต้านทานเท่ากับ
9.25 + 250 = 259.25 Ω และดว้ ยกฎการแบ่งแรงดนั จะได้ Vo เทา่ กบั

Vo = Vin

= 12 V Ω Ω
ΩΩ
ΩΩ

= 12 V

= 0V ตอบ

3) เม่อื เกิดผลจากความเครียดและอุณหภมู ิ

Vo = Vin

= 12 V Ω Ω
Ω ( Ω Ω)
ΩΩ

= 12 V

= 0.00002 V

= 20 µV ตอบ

จากวงจรที่ผ่านมาทใ่ี ช้สเตรเกจในวงจรบรดิ จ์ 2 ตัว แต่ใช้ตรวจวัดความเครียดเพียง 1 ตวั อีก 1 ตัวใช้

สําหรับชดเชยค่าอุณหภูมิ จะพบว่าวงจรจะมีความไวต่อการเปลี่ยนแปลงเพียง 20 µV เท่นั้น แต่เราสามารถ

เพิ่มความไวน้ีเป็น 2 เท่าไดโ้ ดยการใช้สเตรเกจสําหรับรับแรง (Active gauge) 2 ตวั และใช้ สเตรเกจ

สําหรับชดเชยอุณหภูมิอีก 2 ตัว (ภาพท่ี 200) จะได้วงจรที่มีความไวเพ่ิมเป็น 2 เท่า ความไว (Sensitivity)

ของวงจรหาได้จาก V = - GF 

260

Dummy Active
gauge 2 gauge 2

+ G

Vs

Dummy Active
gauge 1 gauge 1

ภาพที่ 203 การเพ่มิ ความไวในการวดั โดยใช้สเตรนเกจ 4 ตัว

(ก) (ข)

ภาพที่ 204 การวางสเตรนเกจ 4 ตวั บนวัตถุท่ตี อ้ งการวัดทั้ง (ก) ดา้ นบน (ข) ดา้ นล่าง

ตัวอย่างการนําไปใช้งาน
วงจรในภาพท่ี 205 เป็นการนําสเตรนเกจ 4 ตัวต่อเป็นฟลู บริดจ์ โดยมีออปแอมป์ TL1002 ช่วยให้
บริดจ์มีความสมมาตรท่ีสุด ออปแอมป์ TL1001 จัดให้เป็นวงจรขยายสัญญาณ เม่ือวงจรบริดจ์อยู่ในสภาวะ
สมดลุ จะมีแรงดันเอาท์พุทเท่ากับ 0 โวลต์ แตห่ ากบริดจ์มีค่าความตา้ นทานเปล่ียนไป 1% แรงดันเอาท์พุทจะ
เปลี่ยนไปไดถ้ งึ 10 โวลต์

ภาพที่ 205 วงจร Strain Gauge Signal Conditioner with Bridge Excitation
ท่มี า (Linear Technology, 2014)

261
สเตรนเกจแบบสารกง่ึ ตวั นา
สเตรนเกจแบบสารก่ึงตัวนํา (Semiconductor Strain Gauge : ScSG) นิยมสร้างจากสารซิลิกอน
ชนิดพี (P type – silicon) โดยมี 2 ชนิด คือ ชนิดแท่ง (Bar type) ซ่ึงเป็นแบบพ้นื ฐาน และ ชนิดแบคกิ้งค์
(Backing type) ซ่ึงอาจมีรูปร่างอ่ืน เช่น แบบตัวยู (U stly gage) และแบบตวั เอ็ม (M stly gage) โดยค่า
ความตา้ นทานจําเพาะของสารกง่ึ ตัวนาํ จะเปลย่ี นแปลงไปตามความเครยี ดท่เี กิดขึ้นตามมิติทางกายภาพ

ภาพที่ 206 สเตรนเกจแบบสารกงึ่ ตวั นําชนดิ แท่ง
ท่มี า (Semiconductor Strain Gauge, 2014)

ภาพที่ 207 สเตรนเกจแบบสารกง่ึ ตวั นาํ ชนิดตัวเอม็
ทมี่ า (Semiconductor Strain Gauge, 2014)

ภาพท่ี 208 สเตรนเกจแบบสารกงึ่ ตวั นาํ ชนิดตวั ยู
ทีม่ า (Semiconductor Strain Gauge, 2014)

ค่าเกจเฟคเตอร์ของสเตรนเกจแบบสารกึ่งตัวนําจะอยู่ระหว่าง 50 ถึง 200 ดังน้ันจึงทําให้ค่าความ
ต้านทานจะเปล่ียนไปสูงถึง 25 ถึง 100 เท่าของสเตรนเกจแบบเส้นลวดโลหะ แต่สเตรนเกจน้ีมีค่าความ

262

ต้านทานต่อความเครียดท่ีไม่เป็นเชิงเส้นอย่างมาก บางครั้งอาจจะมีค่าเกจเฟคเตอร์สูงได้ถึง 150 เม่ือยังไม่มี
ความเครยี ดเกิดข้ึน แตค่ วามไม่เป็นเชิงเส้นนีจ้ ะหยุดลงท่ี 5,000 μm/m ดงั นั้นการจะนําสเตรนเกจนี้มาใชง้ าน
จงึ ต้องมีกราฟค่าเกจเฟคเตอร์ประกอบด้วย

ภาพที่ 209 ตัวอย่างสเตรนเกจแบบสารกงึ่ ตวั นํา

ทีม่ า (Bengbu network company, 2014)
การนาํ สเตรนเกจแบบสารกึง่ ตวั นําไปใช้งานจะตดิ ตง้ั สเตรนเกจไปบนผวิ ของวัตถทุ ีต่ ้องการวดั และใช้
วงจรบรดิ จแ์ บบมีตัวชดเชยอุณหภูมเิ ช่นเดยี วกับสเตรนเกจแบบเส้นลวดโลหะ

ตวั อย่างท่ี 49. จงคํานวณหา 1) ค่าการเปลี่ยนแปลงความต้านทานที่เกิดจากความเครียด 150 μm/m
สําหรับสเตรนเกจแบบเส้นลวดท่ีมีค่าเกจเฟคเตอร์ 2.15 และ 2) สเตรนเกจแบบสารก่ึงตัวนําที่มีค่าเกจเฟค
เตอร์ 151 โดยท้ังสองชนดิ มคี ่าความตา้ นทานปกตคิ ือ 150 Ω

วิธีทาํ
จากสมการ GF = 

1) คา่ การเปลี่ยนแปลงความตา้ นทานของสเตรนเกจแบบเสน้ ลวด

R = GF × R × strain ตอบ
= (150 Ω) × (2.15) × (0.15 × 10-3) ตอบ

ΔR = 0.016 Ω
2) คา่ การเปลย่ี นแปลงความต้านทานของสเตรนเกจแบบสารก่งึ ตวั นํา

ΔR = GF × R × strain
= (150 Ω) × (-151) × (0.15 × 10-3)

ΔR = - 3.40 Ω

ข้อดีและข้อเสยี ของสเตรนเกจแบบสารกึ่งตัวนาํ
ขอ้ ดี
1. สเตรนเกจแบบสารกง่ึ ตวั นํามคี า่ เกจเฟคเตอสงู มากประมาณถงึ 130 จึงสามารถวดั ความเครยี ดที่
น้อยมาก ๆ ในระดับความเครียด 0.01µ (0.01 micro strain)

263

2. มคี ่าคณุ ลกั ษณะฮที เทอร์รีซิส (Hysteresis characteristic) ท่ีดมี าก โดยนอ้ ยกว่า 0.05 %
3. สามารถทํางานได้ 10 × 106 รอบการทํางาน และตอบสนองต่อความถ่ี (Frequency response)
ได้ถึง 1 GHz
4. สเตรนเกจแบบสารกง่ึ ตวั นํามีขนาดเล็กกว่าแบบเสน้ ลวด สามารถเลก็ ได้ 0.7 – 7 มิลิเมตร
ขอ้ เสีย
1. มีคา่ การเปลี่ยนแปลงความตา้ นทานต่ออณุ หภูมิสงู มาก
2. มคี ่าความเปน็ เชงิ เส้นของการเปล่ยี นแปลงความต้านทานตอ่ ความเครยี ดน้อยมาก
3. มีราคาแพงมากกวา่ แบบเสน้ ลวดโลหะ

โหลดเซล (Load cell)
เป็นทรานสดิวเซอร์ที่ประยุกต์จากสเตรนเกจใชส้ ําหรับวัดน้ําหนักหรือวดั แรง เหมาะสําหรับใช้วดั การ
เปลยี่ นแปลงรูปร่างของวตั ถุที่เกิดจากผลของแรงหรือน้ําหนัก ซ่ึงโดยทั่วไปจะติดสเตรนเกจบนวสั ดทุ ่ีมีลักษณะ
เปน็ คานหรอื แกนทย่ี ืดหยุน่ ได้ดแี ละตดิ ตง้ั โหลดเซลน้ีไปบนบรเิ วณท่ีเกดิ ความเครียดหรอื รับนาํ้ หนกั

โครงสร้างของโหลดเซล
ปกติแล้วจะใช้สเตรนเกจจํานวน 4 ตัวติดตั้งบนโลหะท่ีมีโครงสร้างที่มีความยืดหยุ่นได้ดี ตอ่ วงจรแบบ
วีทสโตนบริดจ์เพ่ือให้โหลดเซลน้ันมีความไวในการวัดสูงสุดและมีการชดเชยค่าการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิด้วย
โดยสเตรนเกจจํานวน 2 ตัวจะติดตั้งในลักษณะให้รับแรงดึง อีก 2 ตัวติดต้ังให้อยู่ในลักษณะรับแรงกด เม่ือมี
น้ําหนักมากระทําบนโครงสร้างของโหลดเซล ความเครียดที่เกิดขึ้นจะเปลี่ยนเป็นความต้านทานไฟฟูาเป็น
สดั ส่วนโดยตรงกับแรงท่มี ากระทาํ

SG1

SG2 + SG1 SG2
SG3
SG4 Vs
SG3 SG4
(ก) (ข)

ภาพที่ 210 โหลดเซล (ก) โครงสรา้ งพน้ื ฐาน (ข) การต่อวงจรของสเตรนเกจ

264

ภาพท่ี 211 ตัวอยา่ งโหลดเซลแบบตา่ ง ๆ
ทม่ี า (บรษิ ทั คอมโพแมก็ จํากัด, 2557)

SG1 SG2 ทิศทางการ
SG4 SG3 ยดื หยุ่น

ภาพที่ 212 การเปลี่ยนแปลงทางโครงสร้างของโหลดเซลเมอื่ มีนํ้าหนกั กดทบั

เมื่อมีแรงกดทับลงที่ข้างหนึ่งของโหลดเซล การบิดเบ้ียวจะเกิดข้ึนที่จุดท่ีบางท่ีสุด 4 จุดของโครงสร้าง
และทําให้โหลดเซลมรี ปู รา่ งเปลย่ี นแปลงไป (ภาพท่ี 212) และจะทําให้สเตรนเกจ 4 ตวั ซึ่งติดต้ังอยู่บริเวณจุดท่ี
บางที่สุดเกิดการเปลี่ยนแปลง โดย SG1 และ SG4 ถูกยืดออก ส่วน SG2 และ SG3 จะถูกหดเข้า ดังนั้นสเตรน
เกจทงั้ 4 ตัวซ่ึงต่อวงจรแบบวีทสโตนบริดจ์จะมีค่าอัตราส่วนของความตา้ นทานเปล่ียนแปลงไปและเกิดแรงดัน
เอาท์พุทออกมา อีกทง้ั สเตรนเกจทัง้ 4 ยงั ทําหนา้ ท่ชี ดเชยค่าการเปลี่ยนแปลงอณุ หภูมซิ ่ึงกนั และกันดว้ ย

แรงดันเอาท์พุทของวงจรจะมีความเป็นเชิงเส้นตามกฎของฮุค (Hooke’s law) เมื่อนําตุ้มน้ําหนัก
แขวนไวท้ ่ีสปริง 1 ลูก 2 ลูก 3 ลูก 4 ลูกและ 5 ลูก ความยาวของสปริงจะยาวข้ึนตามน้ําหนักท่ีเพม่ิ ข้ึน ซ่ึง
ปรากฏการณ์ท่ีวัสดุมีการเสียรูปแบบเชิงเส้นโดยข้ึนอยู่กับแรงท่ีกระทําเรียกว่า กฎของฮุค ซึ่งจะแสดงผลกับ
วสั ดุทม่ี ีความยืดหยนุ่

265

ภาพท่ี 213 กฎของฮุค

ท่ีมา (Ishida co., ltd., (2014)
แรงดนั เอาทพ์ ุทของวงจรจะมีหน่วยเปน็ มิลลิโวลต์ สมมตุ วิ า่ ถ้าจา่ ยแรงดนั ไฟฟูา 10 โวลต์ ให้กับโหลด
เซลทมี่ ีคณุ สมบัติ 2mV / V ทีฟ่ ลู โหลด (Full load) ซึง่ หมายความว่า เมอ่ื มีแรงกระทําทโี่ หลดเซลที่นาํ้ หนักฟลู
โหลดจะไดแ้ รงดนั เอาทพ์ ุทเทา่ กบั 20 mV สมมุตใิ ห้โหลดเซลมีค่าฟูลโหลดเท่ากับ 2,000 กิโลกรัม หมายความ
ว่าทน่ี า้ํ หนกั 2,000 กโิ ลกรมั จะได้แรงดนั เอาทพ์ ทุ เทา่ กับ 20 mV ดงั นัน้ ตามกฏของฮคุ จะไดด้ งั ตารางที่

ตารางท่ี 26 ตวั อย่างความสาํ พันธ์ของนํา้ หนักและแรงดันเอาท์พทุ ของโหลดเซล

น้าหนกั (kg.) แรงดนั เอาทพ์ ุท (mV)
0 0
500 5
10
1,000 15
1,500 20
2,000

คณุ สมบตั ิพ้ืนฐานของโหลดเซล
การนาํ โหลดเซลไปใชง้ านควรทราบถงึ คุณสมบตั ิพืน้ ฐาน เพ่ือให้เลอื กใช้งานไดอ้ ย่างถกู ตอ้ งและตรงกับ
ความตอ้ งการ
1. คา่ ความจุ (Rate capacity) คอื ความสามารถในการวดั คา่ น้ําหนักสูงสดุ ของโหลดเซล มีหนว่ ย
เปน็ กิโลกรัม ตนั ปอนด์ หรือนิวตนั
2. ชว่ งการชดเชยอณุ หภมู ิ (Compensated temperature range) ช่วงของอุณหภูมซิ งึ่ ไดร้ ับ
การชดเชยของโหลดเซล หากใชง้ านนอกช่วงนจ้ี ะไม่สามารถรับประกนั ความถูกตอ้ งของการทํางานได้
3. สญั ญาณเอาทพ์ ุท (Rated output) ค่าแรงดันเอาทพ์ ุทของโหลดเซล มีหนว่ ยเป็น มลิ ลโิ วลต์
(mV)
4. สายเคเบลิ (Cable) บอกจาํ นวนและลักษณะการต่อสายสญั ญาณเขา้ และออกของโหลดเซล

266

5. การปกปอ้ งจากสิ่งแวดลอ้ ม (Environmental Protection) บอกถงึ การปูองกันของโหลด
เซลจากสิ่งแวดล้อมภายนอก เชน่ สามารถปอู งกนั ความชื้น ฝนุ หรอื ส่งิ อน่ื ๆ ได้

6. ค่าแรงดันไฟเลี้ยง (Excitation) บอกคา่ แรงดันไฟฟาู ท่ตี ่อเขา้ กับสาย Ex+ และ Ex- ซึ่งโหลด
เซลสามารถทํางานได้ เชน่ +5 - +15 V

7. ความต้านทานอินพทุ (Input Resistance) ค่าความต้านทานของโหลดเซลขณะทไ่ี ม่มโี หลด
โดยวัดท่ีสาย S+ และS-

8. ความตา้ นทานเอาท์พทุ (Output resistance) ค่าความตา้ นทานโดยปกติของโหลดเซล
ขณะทไ่ี มม่ ีโหลด โดยวัดท่สี าย Ex+ และ Ex-

9. ความตา้ นทานของฉนวน (Insulation Resistance) ปกตจิ ะวัดที่ 50VDC เป็นคา่ ความ
ต้านทานที่นอ้ ยทส่ี ดุ ระหว่างโครงโลหะของโหลดเซลลแ์ ละส่วนการเช่ือมตอ่ ทางไฟฟูา

10. การทาซ้า (Repeatability) ความสามารถในการวดั ของเซลล์ทจี่ ะใหค้ ่าเอาทพ์ ทุ ที่มีคา่ ซาํ้ ๆ
กนั เมือ่ ใชว้ ดั โหลดเดียวกนั ภายใต้เง่อื นไขเดียวกัน โดยจะแสดงค่าเปน็ รอ้ ยละของขอ้ ผดิ พลาดทีฟ่ ลู โหลด
(Full load)

11. เซฟโหลด (Safe Load) ค่าความสามารถของโหลดเซลทจี่ ะวัดค่าได้เกินค่าฟูลโหลดโดยที่ไม่
เกิดความเสยี หาย โดยจะแสดงเป็นคา่ รอ้ ยละ เชน่ 120 %

12. ผลกระทบของอณุ หภมู ิ (Temperature Effect On Span) หมายถึงของการเปลี่ยนแปลงคา่
เอาทพ์ ุททฟ่ี ลู โหลดเมอื่ อุณหภมู ิเปล่ียนไป เชน่ 0.01 % / 1 0 ° C หมายถึง จะมีการเปลี่ยนแปลง ไป 0.01 %
ของเอาทพ์ ทุ ท่ีฟูลโหลดเต็มเมอื่ อุณหภูมิเปล่ียนแปลงไป 10 องศาเซลเซียส

13. ผลกระทบของอณุ หภูมทิ ่ี 0 องศา (Temperature Effect On Zero) เหมือนกับข้อก่อน
หน้าแต่เปน็ การเปล่ียนแปลงที่อุณหภมู ทิ ี่ 0 องศา

ตวั อยา่ งโหลดเซลในอตุ สาหกรรม
โหลดเซลหรับการใช้งานแบบรับแรงกด โครงสร้างทําจากสเตนเลสสติลและนิยมใช้ในงานวัดนํ้าหนัก
ทางอุตสาหกรรมสามารถวดั น้ําหนักไดร้ ะหว่าง 500 ถึง 5,000 กิโลกรัม

ภาพที่ 214 ลกั ษณะของโหลดเซล
ท่มี า (SB Low profile shear load cell datasheet, 2014)

267

ภาพท่ี 215 ขนาดของโหลดเซล
ทมี่ า (SB Low profile shear load cell datasheet, 2014)

ภาพที่ 216 ขอ้ มูลของโหลดเซล (ก) ขอ้ มูลทางเทคนิค (ข) ขาตอ่ ใชง้ าน
ท่มี า (SB Low profile shear load cell datasheet, 2014)

268

ขอ้ ควรระวงั ในการใชง้ านโหลดเซล
1. การออกแบบและใช้งานต้องเลือกขนาดพิกัดของโหลดเซลให้ถูกต้องและเหมาะสม ถ้าเลือกพิกัด
นอ้ ยเกนิ ไป การวัดน้ําหนักเกินพิกัดจะสร้างความเสียหายแก่โหลดเซลได้ แตถ่ ้าเลือกพกิ ัดมากเกินไปก็จะทําให้
ความละเอียดในการวัดน้อยลง
2. การติดต้ังโหลดเซลเพื่อใช้งานต้องติดตั้งกับโครงสร้างให้อยู่ในภาวะสมดุล มิฉะนั้นอาจเกิดความ
เสยี หายหรอื เกดิ ความผดิ พลาดในการวดั ได้
3. การตอ่ สายไฟเพอื่ ใช้งานโหลดเซล ตอ้ งต่อสายสัญญาณให้ถูกตอ้ งตรงตามท่ีระบุไวใ้ นคู่มือห้ามต่อ
สายในทศิ ทางกลบั กันหรอื ต่อสายสญั ญาณสลบั กนั
4. ควรตดิ ต้ังสายชิลด์ (Shield) ระหว่างโครงสร้าง (Mounting) โลหะท้ังด้านบนและด้านล่างของ
โหลดเซล เพ่ือถา่ ยเท (Bypass) กระแสไฟฟูาที่เกิดจากการเช่อื มโหลเซลเข้ากบั โครงสร้าง เพือ่ ปอู งกันโหลดเซล
เสยี หาย
5. ไมค่ วรใช้นํา้ หนักหรือแรงกดเกนิ พกิ ัดของโหลดเซล หรอื ห้ามใชแ้ รงกระแทกลงบนโหลดเซล เพราะ
จะทาํ ให้เสยี หายได้
6. การต่อสายสัญญาณต้องระวัง ไม่ให้เดินสายสัญญาณในบริเวณที่มีความช้ืนหรืออุณหภูมิสูง เพ่ือ
ไมใ่ ห้เกิดความชนื้ ขน้ึ ในสายสญั ญาณ ซ่ึงจะทําใหเ้ กิดสัญญาณรบกวนเขา้ สรู่ ะบบวัด
7. การเดินสายสัญญาณไปยังเคร่ืองมือหรือระบบวัด ไม่ควรเดินสายใกล้กับสายไฟหลัก (Main
power) เพราะจะทําให้เกดิ สญั ญาณรบกวนในระบบได้
8. การติดตั้งโหลดเซลต้องติดต้ังให้ถูกทิศทาง ซึ่งจะมีเครื่องหมายกํากับไว้บนโหลดเซลหรือบนคู่มือ
และต่อสายสญั ญาณใหถ้ กู ตอ้ งการขวั้ ทร่ี ะบไุ ว้

ในปัจจุบนั ที่เทคโนโลยีทางดิจิตอลไดพ้ ัฒนาไปมาก ทําให้มีอุปกรณ์อเิ ล็กทรอนิกส์และอุปกรณ์การวัด
แบบดจิ ิตอลเกดิ ขึ้น จงึ มโี หลดเซลใหเ้ ลือกใช้งานใน 2 ระบบดว้ ยกัน คือ

1. โหลดเซลแบบอนาล็อก (A common analogue system) คือ โหลดเซลแบบดัง้ เดมิ ลักษณะของ
สัญญาณเอาท์พุทเป็นแรงดันไฟฟูาแรงดันต่ํามากในระดับมิลลิโวลต์ (millivolt) ส่งผ่านสายนําสัญญาณเข้าสู่
ระบบการวัด

2. โหลดเซลแบบดจิ ิตอล (A common digital system) เป็นโหลดเซลที่ติดต้งั วงจรแปลงสัญญาณ
แอนาล็อกเป็นดิจิตอล (Analog to digital convertor) เข้าไปเพ่ือแปลงสัญญาณที่ส่งออกจากโหลดเซลให้
เป็นสัญญาณดิจิตอล มีข้อดีคือสัญญาณเอาท์พุทจะไม่ถูกรบกวนจากส่ิงแวดล้อมภายนอกต่าง ๆ อีกท้ังยัง
สามารถนําไปใช้กับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่เป็นดิจิตอล เช่น ไมโครคอนโทรลเลอร์หรืออุปกรณ์ดิจิตอลอ่ืน ๆ
ได้ทันที นอกจากน้ีค่าน้ําหนกั ที่วดั ไดจ้ ะมีความนงิ่ และแม่นยาํ มากกว่า

โหลดเซลแบบดิจิตอลน้ีสามารถต่อใช้งานเข้ากับเคร่ืองแสดงผลโหลดเซลล์แบบดิจิตอล (Digital
Load Cell Indicator Pressure transmitter) น้ีได้ทันที สามารถรับสัญญาณดิจิตอลจากโหลดเซล ท่ีมีความ
ละเอยี ดของสงู ถงึ 24 bits มคี วามสามารถในการประมวลผลภายใน 2 mSec

269
ภาพท่ี 217 เครื่องแสดงผลโหลดเซลล์แบบดจิ ติ อล

ที่มา (Digital load cell indicator, 2014)

ภาพที่ 218 ขอ้ มลู ทางเทคนคิ
ท่ีมา (Digital load cell indicator, 2014)

270

ภาพท่ี 219 กราฟ Linearization
ทมี่ า (Digital load cell indicator, 2014)

ภาพท่ี 220 การต่อวงจรใช้งาน
ทม่ี า (Digital load cell indicator, 2014)
การประยุกตใ์ ชง้ านโหลดเซล
โหลดเซลถูกออกแบบใหใ้ ช้งานสําหรบั วัดแรงจากภายนอกทมี่ ากระทํา ดงั น้ันจึงนิยมใช้วัดนํ้าหนักหรือ
แรงกดจากภายนอก เชน่ เครือ่ งชั่งน้าํ หนกั ซึ่งทาํ ได้โดยการสอบเทียบระหวา่ งน้ําหนักท่ีกระทํากับโหลดเซลกับ
การเปลีย่ นแปลงค่าความตา้ นทานทเี่ กิดข้ึน

271

ตัวอยา่ งการประยุกต์ใช้งาน เชน่ เคร่ืองชงั่ บรรจุอัตโนมัตแิ ละสายพานลําเลียง (ภาพที่ 219)โดยสมมุติ
ว่าใช้สําหรับผลิตข้าวสารบรรจุถุง โดยข้าวสารจะถูกใส่ลงมาจากด้านบนโดยใช้โซลินอยด์วาวร์เป็นอุปกรณ์
ควบคุมการปิด-เปิดให้ข้าวสารตกลงมาบรรจุในถุง ใช้โหลดเซลล์เป็นทรานสดิวเซอร์สําหรับวัดนํ้าหนักของ
ข้าวสาร โดยเมื่อข้าวสารถูกปล่อยลงในถุงซึ่งวางอยู่บนสายพานและได้นํ้าหนักตามที่ตงั้ ไว้แล้ว โหลดเซลจะส่ง
สัญญาณกลับไปท่ีเครื่องควบคุมให้สั่งการให้ปิดโซลินอยด์วาวร์เพื่อไม่ให้ปล่อยข้าวสารลงมา จากน้ันเครื่อง
ควบคุมจะสั่งงานไปที่ระบบสายพานลําเลียงให้เล่ือนถุงข้าวสารท่ีบรรจุแล้วออกไปจากช่องบรรจุและนําถุง
ขา้ วสารเปล่าเขา้ มาเพื่อบรรจใุ หมอ่ กี คร้งั

โซลินอยดว์ าวร์

โหลดเซล

เครอ่ื งควบคุม

ภาพที่ 221 เครอ่ื งชั่งบรรจุอัตโนมัตแิ ละระบบสายพานลําเลยี ง

ทรานสดวิ เซอรว์ ดั ความดัน

ความดัน (Pressure) จัดเป็นปริมาณทางกลรูปแบบหน่ึง เกิดการแรงกระทําจากก๊าซหรือของเหลว
อุปกรณ์ท่ีใช้วัดความดันจึงต้องมีส่วนเคลื่อนไหวเพ่ือทํางานร่วมกับเซ็นเซอร์อ่ืน ๆ เช่น เซ็นเซอร์ประเภท
เปลี่ยนแปลงค่าการเก็บประจุ เป็นต้น ดังนั้นทรานสดิวเซอร์วัดความดัน (Pressure Transducer) จึงเป็น
อปุ กรณ์ท่ีเปล่ียนค่าความดันเป็นสัญญาณทางไฟฟูา ดังน้ันจึงนิยมนํามาใช้ในการวัดค่าความดันต่าง ๆ ท้ังก๊าซ
และของเหลว

การพจิ ารณาเลือกใชท้ รานสดวิ เซอรว์ ัดความดันน้ันต้องคํานงึ ถึงองค์ประกอบสําคัญ เช่น ย่านวดั ความ
ดนั (Range of pressure) ชนดิ ของความดนั (Type of pressure) รวมท้ังตวั กลางทที่ าํ ให้เกดิ ความดันด้วย

ความรู้พืน้ ฐานของความดนั
ความดันเป็นปริมาณทางฟิสิกส์ชนิดหน่ึงท่ีใช้ตรวจวัดแรงกระทําทางกลซึ่งเกิดจากอากาศต่อพ้ืนท่ี มี
หน่วยเป็น นิวตันต่อตารางเมตร (Newton per square meter : N/m2) และด้วยโลกของเรามีอากาศอยู่

272

โดยรอบทาํ ให้วัตถุทุกชนิดบนโลกตกอยู่ภายใตน้ ํ้าหนักของอากาศน้ีทั้งสิ้นและเรียกปรากฏการณ์น้ีว่า ความดนั

บรรยากาศ (Atmospheric pressure) ค่ามาตรฐานของความดันบรรยากาศที่ระดับน้ําทะเลมีค่า 1.01325 ×

103 N/m2 และจะมีคา่ เปลีย่ นแปลงไปตามความสงู จากระดบั นาํ้ ทะเลท่ีเพิ่มขึน้

ชนดิ ของความดัน

ความดันจากก๊าซ (Pressure of gases) เม่ือบรรจุก๊าซลงในภาชนะปดิ ท่ีมีปริมาตรคงที่ จะเกิด

ความดันขึ้นภายในภาชนะน้ันและสามารถเกิดการเปลี่ยนแปลงความดันของก๊าซได้ใน 2 กรณี คือ แรงจาก

ภายนอกที่กระทํากับภาชนะบรรจุก๊าซและอุณหภูมิโดยรอบภาชนะ ถ้าอุณหภูมิเพ่ิมสูงขึ้นความดันภายในจะ

เพิ่มสูงขึ้นตาม สาเหตุเกิดจากโมเลกุลของก๊าซภายในภาชนะเกิดการเคล่ือนท่ีอย่างไม่สมมาตรและเกิดการชน

กันระหว่างโมเลกุลและชนกับผนังภาชนะ ความเร็วในการเคลื่อนที่ของโมเลกุลของก๊าซจะเป็นสัดส่วนโดยตรง

กบั อณุ หภูมทิ ่เี ปลี่ยนแปลงไป ตามสมการ

P= × n × m × v2 11.31

เมื่อ n คือ จํานวนโมเลกลุ ของก๊าซ (m3)

m คือ คือมวลของโมเลกลุ ของกา๊ ซ (kg)

v คอื ความเรว็ ในการเคลอ่ื นท่ขี องโมเลกุลของกา๊ ซ (m/sec)

อณุ หภูมิภายนอก

ภาพที่ 222 ลักษณะการเคล่อื นท่ขี องโมเลกลุ กา๊ ซเมือ่ อณุ หภมู ิภายนอกสงู ขน้ึ

ความดันจากระดับของเหลว (Pressure of liquid level) เป็นการตรวจวดั ค่าความดนั จากระดับ
ความสูงของของเหลวท่ีอยู่ในภาชนะ ค่าความดันท่ีเกิดข้ึนจะเป็นสัดส่วนโดยตรงกับระดับความสูง เรียกว่า
Static head และมีค่าความดันสูงสุดท่ีก้นภานะ การใช้เกจวัดความดันจากระดับความสูงนี้ต้องพิจารณา
คา่ แรงโน้มถ่วงของโลกประกอบด้วย ซึง่ หาไดจ้ ากสมการ

P = ×g×h 11.32
เมอ่ื  คือ ความถว่ งจาํ เพาะของเหลว (kg/m3)

273

g คอื แรงโนม้ ถว่ งของโลก (9.81 m/s2)
h คอื ระดับความสูงของเหลว (m)

เกจวัดความดัน

h

ภาพที่ 223 ลกั ษณะการวดั คา่ ความดันจาก Static head

รูปแบบของความดนั
รปู แบบของความดนั เป็นองค์ประกอบหนึ่งในการพิจารณาเลือกใช้ทรานสดิวเซอรต์ รวจวัดความดนั
ซง่ึ มีความจาํ เปน็ ตอ้ งเลอื กใชง้ านให้เหมาะสมตอ่ รปู แบบของความดนั ทตี่ ้องการตรวจวัด มิฉะนนั้ จะเกดิ ความ
ผิดพลาดในการตรวจวดั ได้ รูปแบบของความดนั แบง่ ออกได้ดังนี้
1. ความดันบรรยากาศ (Patm : Atmospheric pressure) คือ ความดนั สภาวะบรรยากาศปกติท่ี
ระดับนํา้ ทะเล มคี า่ เท่ากับ 1.01325 บาร์ (1.01325 × 103 N/m2) ในระบบ SI และ 14.7 ปอนด์/ตารางน้ิว
ในระบบเมตริก
2. ความดันสัมบูรณ์ (Pabs : Absolute pressure) คือ ค่าความดนั จริงซ่ึงอาจมีค่ามากหรือน้อย
กว่าค่าความดันบรรยากาศก็ไดข้ ้ึนอยู่กับค่าความดันท่ีเกจวัดได้ ตวั อย่างเช่น หากความดันขณะน้ันมีค่าสูงกว่า
ความดันบรรยากาศความดนั เกจจะมีคา่ เปน็ บวกและหากมคี ่านอ้ ยกว่าความดันเกจจะมีคา่ เปน็ ลบ โด ย
ความดนั สัมบูรณ์ (Pabs) = ความดนั บรรยากาศ (Patm) + ความดนั เกจ (Pgauge)
3. ความดันเกจ (Pgauge : Gauge pressure) คือความดันซ่ึงเทียบกับความสูงของระดับนํ้าทะเล

โดยมีจุดเริ่มต้นท่คี วามดันบรรยากาศระดับนาํ้ ทะเล (1.01325 × 103 N/m2) มีหน่วยเป็น บาร์ (bar) ปาสคาล

(Pa) ปอนด์ต่อตารางนวิ้ (psi) เปน็ ต้น
ตัวอย่างเช่น ถ้าความดันที่มาตรวดั แสดง 35 psi ความดนั จริงจะมีค่า 49.7 psi เพราะความดัน

บรรยากาศท่รี ะดับน้าํ ทะเลเท่ากับ 14.7 psi โดย
ความดนั เกจ (Pgauge) = ความดนั สมั บูรณ์ (Pabs) – ความดันบรรยากาศ (Patm)

274

4. สุญญากาศ (Pvace : Vacuum) มีจุดเร่ิมต้นจากความดันศูนย์สัมบูรณ์ (Absolute zero
pressure)ไปจนถึงความดันบรรยากาศ ซ่ึงจะมีค่าตาํ่ กว่าความดันบรรยากาศ (เกจวัดมีค่าเป็นลบ) หรือ ความ
ดันสุญญากาศ = ความดันบรรยากาศ – ความดันสัมบูรณ์ มีหน่วยเป็น มิลลิเมตรน้ํา (mmH2O) น้ิวปรอท
(inHg) เป็นต้น อุปกรณ์ที่เหมาะสําหรับวัดสุญญากาศควรเป็นประเภทที่ยืดหดตัวได้ เช่น เกจประเภท หลอด
บรู ์ดอง (Bourdon tube) เบลโล (Bellows) หรือ ไดอะเฟรม (Diafram)

5. ความดันศูนย์สัมบูรณ์ (Pabz : Absolute zero pressure) คือ จุดหรือบริเวณท่ีไม่มีความดนั
อยเู่ ลย ถอื ว่ามีค่าความดันทเ่ี ปน็ ศูนยจ์ รงิ และเปน็ ความดันสมั บรู ณ์ทีต่ ่าํ สดุ

ความดัน ความดนั สัมบรู ณ์ ความดนั เกจ
(Pressure)

(Pabs : Absolute pressure) (Pgauge : Gauge pressure)

ความดันบรรยากาศ สญุ ญากาศ
(Pvace : Vacuum)
1 atm (Patm : Atmospheric pressure)

0 atm ความดันศูนยส์ มั บรู ณ์

(Pabz : Absolute zero
pressure)

ภาพที่ 224 เปรยี บเทยี บความดนั ชนิดต่าง ๆ

หลักการพ้นื ฐานของการวัดความดัน
อุปกรณ์ตรวจวัดความดันพ้ืนฐานจะใช้หลักการยืดหยุ่นของตัวตรวจจับ โดยเม่ือมีความดันมากระทํา
จะทาํ ใหต้ วั ตรวจจบั เกิดการยดื หยนุ่ หรอื เปลย่ี นรปู ทรงไป ซงึ่ การยดื หยนุ่ หรือการเปล่ียนรูปทรงนั้นจะทําให้เกิด
ระยะขจัดคา่ หนงึ่ เกดิ ขน้ึ ซึ่งจะแปรผันตรงกับความดนั ทม่ี ากระทาํ
อปุ กรณพ์ ืน้ ฐานทีใ่ ชว้ ดั ความดนั มีดังต่อไปน้ี

เกจวัดความดนั แบบทอ่ บูรด์ อง (Bourdon tube pressure gauge)
พัฒนาขึ้นโดย Eugene Bourdon ชาวฝรั่งเศสในปี 1945 และไดก้ ลายมาเปน็ เกจวดั ความดันท่ีได้รับ
ความนิยมอย่างแพร่หลาย ทํางานโดยการปูอนความดันเข้าสู่ท่อกลวงตัว C โดยมีรัศมีส่วนโค้งของวงกลม
ประมาณ 270° ซึ่งมีรูปทรงหน้าตัดของท่อเป็นรูปวงรีและปิดปลายไว้ท่ีดา้ นหนึ่งของท่อ ส่วนของท่อผลิตจาก
โลหะผสม เช่น เหล็กสแตนเลส หรือ ทองเหลือง เป็นต้น รูปแบบของท่อบูร์ดองจะมีหลายลักษณะ เช่น เป็น
ทรงกน้ หอย ทรงกลม หรือขดเปน็ เกลียว

275

ทิศทางการ รูปทรงหนา้ ตัด
ขยายตัว ของทอ่ บูรด์ อง
ของทอ่ บูร์ดอง

ความดนั

ภาพท่ี 225 ลักษณะของทอ่ บูร์ดอง

หลักการทํางานของท่อบูร์ดองคือ เม่ือทําการเพิ่มความดันเข้าไปในท่อที่มีปลายปิดน้ี ความดันจะทํา
ให้ท่อยืดตัวออกโดยมีค่าเป็นสัดส่วนกับความดันท่ีใส่เข้าไป และเมื่อปล่อยความดันออกท่อนี้จะหดตัวเข้าสู่
สภาพเดิมได้ ระยะขจัดของการยืดตัวน้ียังข้ึนอยู่กับหลายปัจจัย เช่น วัสดุท่ีใช้ทําท่อ ความยาวท่อ รูปทรง
ความหนา เป็นตน้

โครงสร้างของเกจแสดงดังภาพที่ 222 ประกอบด้วยท่อบูร์ดองซ่ึงยึดติดกับเข็มแสดงค่าบนหน้าปัดท์
เมื่อปูอนความดันเข้าสู่ท่อจะทําให้ท่อนี้ถูกดันให้ยืดตัวออกเกิดเปน็ ระยะขจัดค่าหนึ่งขึ้น ซ่ึงระยะขจัดน้ีจะแปร
ผันไปตามค่าความดนั ท่ีเข้าสู่ท่อแตร่ ะยะขจัดน้ีมักมีขนาดเล็กมาก ดงั นั้นจึงมีการเพม่ิ ระบบกระเด่ืองและเฟือง
ทดเชอ่ื มต่อเขา้ ไปในส่วนแสดงผลเพือ่ เพ่มิ ระยะขจัดให้มากข้ึน ทาํ ให้การแสดงผลชดั เจนและอ่านคา่ ไดง้ ่ายขึ้น

ภาพท่ี 226 โครงสร้างของเกจวดั ความดนั แบบทอ่ บูรด์ อง

การประยุกต์ใช้งานท่อบูร์ดองจําเป็นต้องคํานึงถึงย่านอุณหภูมิใช้งานและการชดเชยอุณหภูมิใช้งาน
ด้วย เนื่องจากค่าอุณหภูมิขณะใช้งานน้ันจะมีผลต่อความแม่นยําในการวัด การประยุกต์ใช้งานเป็น
ทรานสดิวเซอร์แบบอเิ ลก็ ทรอนิกส์สามารถทําไดโ้ ดยการเลือกใช้เซ็นเซอร์วดั ระยะขจัดที่เหมาะสมมาทําการวดั

276

ระยะขจัดท่ีเปลี่ยนไปเนื่องจากความดันได้ และเปล่ียนระยะขจัดเป็นสัญญาณทางไฟฟูาส่งไปยังเครื่องมือวัด
ตา่ ง ๆ ได้ทัง้ แบบแอนาลอ็ กและแบบดจิ ิตอล

ตัวอย่างการประยุกต์ใช้งานร่วมกับเซ็นเซอร์วัดระยะขจัดแบบเปลี่ยนแปลงความเก็บประจุไฟฟูา
(Capacitive sensor) โดยมีวัตถุประสงค์หลักคือการวัดระยะขจัดที่เปล่ียนไปซ่ึงเป็นข้อมูลอินพุทและ
เปล่ียนเป็นสัญญาณทางไฟฟูาออกมาทางเอาท์พุท และสามารถนําสัญญาณไฟฟูานี้ไปแปลงเป็นสัญญาณ
ดิจิตอลเพอื่ ควบคมุ การทาํ งานหรอื ใช้เชื่อมตอ่ กับอปุ กรณ์แสดงผลไดโ้ ดยตรง

ความดนั

ภาพท่ี 227 การปรับใช้เกจวัดความดนั แบบทอ่ บูร์ดองกับคาปาซเิ ตอร์แบบปรบั ค่าได้

เกจวดั ความดนั แบบไดอะแฟรม

เกจวดั ความดันแบบไดอะแฟรม (Diaphragm type pressure gauge) เหมาะสําหรับวัดความดัน

สมบูรณ์และความดนั เกจ วัสดทุ ี่ใช้ทําไดอะแฟรม เช่น เทฟลอน (Teflon) หรือ Neoprene โดยท่ัวไปจะมี

โครงสรา้ งกลมและเรยี บแบน

อปุ กรณ์วัดความดันแบบไดอะแฟรม (Diaphragm type pressure transducer) เป็นอุปกรณ์วัด

ความดันแบบง่ายซ่ึงสามารถประยุกตใ์ ช้งานร่วมกับอปุ กรณ์ชนิดต่าง ๆ เพื่อใช้เป็นทรานสดวิ เซอร์ได้ดโี ดยการ

ติดสเข้ากับแผ่นไดอะแฟรม โครงสร้างของอุปกรณ์น้ี (ภาพที่ 228) จะมีลักษณะท่อท่ีด้านหนึ่งปิดด้วยแผ่น

ไดอะแฟรม ส่วนอีกด้านหน่ึงเจาะรูเพ่ือให้ความดันเข้ามาดันแผ่นไดอะแฟรมให้โก่งตัวออก สเตรนเกจจะวัด

ความเครียดท่ีเกิดขึ้นบนแผ่นไดอะแฟรมและสอบเทียบเป็นค่าความดันได้ แต่ทรานสดิวเซอร์แบบนี้จะมี

ข้อจํากัดในการวัดเนื่องจากแผ่นไดอะแฟรมจะมีการขยายตวั ท่ีบริเวณจุดศูนย์กลางแผ่นมากกว่าบริเวณอื่นทํา

ใหค้ วามสัมพันธร์ ะหว่างความเครยี ดกบั ความดันไม่เปน็ เชิงเส้น คา่ ความเค้นท่ีเกิดข้ึนสามารถคํานวณได้จาก

= p ( )2 11.33

เม่ือ p คือ ผลตา่ งระหวา่ งความดนั ทงั้ สองดา้ นของไดอะแฟรม

r คือ รัศมีของไดอะแฟรม

t คือ ความหนาของไดอะแฟรม

277

ความดัน

tr

ภาพท่ี 228 ลักษณะของไดอะแฟรมและความเคน้ ท่ีเกิดขึ้น

เม่ือความดันที่กระทํากับแผ่นไดอะแฟรมเพิ่มขึ้น ความเค้นท่ีเกิดขึ้นจะเปล่ียนแปลงอย่างไม่เป็นเชิง

เส้นเมอ่ื เทยี บกับค่าความดนั สามารถแสดงได้ดว้ ยสมการ

 = BPr2 / t2 11.33

เมือ่ B คือ ฟงั กช์ น่ั ของตัวประกอบของแรง Pr4 / Et4

การประยุกต์ใช้งานไดอะแฟรมเพื่อเปล่ียนความดันเป็นสัญญาณไฟฟูาสามารถทําได้ดังภาพท่ี 229
โดยการต่อแผ่นไดอะแฟรมวัดความดันเข้ากับขดลวดท้ัง 2 ข้าง โดยมีแนวแกนตั้งฉากต่อกัน ขดลวดท้ังสอง
สามารถเคลื่อนที่ได้อย่างอิสระเพ่ือตอบสนองต่อการเคล่ือนท่ีของแผ่นไดอะแฟรมท่ีเปลี่ยนแปลงไปตามความ
ดัน

5 VAC
Coil 4 kHz

เอาท์พุท

Diaphragm

Coil
5 VAC
4 kHz

ภาพที่ 229 การประยุกตใ์ ชง้ านแผน่ ไดอะแฟรมเปน็ ทรานสดิวเซอร์

ขดลวดซึ่งได้รับแรงดันไฟฟูากระแสสลับขนาด 5 โวลต์ ความถ่ี 4 kHz โดยขดลวดท้ังสองเมื่อต่อสาย
สัญญานเข้าร่วมกันจึงถือว่าไม่มีความต้านทานทางความ เม่ือแผ่นไดอะแฟรมไดร้ ับการเปลี่ยนแปลงความดัน
จะเลอ่ื นจากขดลวดด้านหนง่ึ ไปยังอกี อนั หนึง่

เมือ่ แผน่ ไดอะแฟรมอยใู่ กลข้ ดลวดด้านใดกจ็ ะทําใหค้ วามหนาแน่นของฟกั ซ์แม่เหล็กรอบๆขดลวดดา้ น
นั้นสูงขึ้นและส่งผลให้ความต้านทานการนําไฟฟูาของขดลวดด้านนั้นสูงข้ึน ในขณะเดียวกันขดลวดอีกด้านจะ
ลดความต้านทานนําไฟฟูาลง เป็นผลให้ขดลวดทั้ง 2 ด้านมีคุณสมบัติไม่สมดุลกันส่งผลให้เกิดความแตกต่าง

278

และมีสัญญาณไฟฟูาส่งมาจากสายสัญญาณเอาท์พุท การเปลี่ยนแปลงทางความต้านทานของขดลวดจะเป็น
สัดส่วนกับการเปล่ียนแปลงตําแหน่งของแผ่นไดอะแฟรม ดังนั้นแอมพลิจูดของสัญญานเอาท์พุทจะ
เปล่ียนแปลงไปตามการเปล่ียนแปลงของความดัน ส่วนเฟสของสัญญาณ จะบอกให้รู้ถึงทิศทางการเคล่ือนท่ี
ของแผ่นไดอะแฟรม

เซนเซอรว์ ดั ความดนั แบบเพยี โซอิเลก็ ทริก
เซนเซอร์วัดความดนั แบบเพียโซอิเล็กทริก (Piezoelectric pressure sensor) ใช้หลักการของการ
เคลื่อนที่ของแผ่นไดอะแฟรม โดยการวัดระยะขจัดของการเคล่ือนท่ีของแผ่นไดอะแฟรมซ่ึงในที่นี้สร้างข้ึนจาก
ผลึกควอตซ์ (Quartz) ซ่ึงในที่น้ีจะเรียกวา่ ผลึกเพียโซอิเล็กทริก เพ่ือตรวจสอบการเปล่ียนแปลงความดันโดย
ใช้คณุ สมบตั เิ พยี โซอิเล็กทรกิ ซ่ึงจะให้กาํ เนดิ สัญญาณไฟฟาู ได้เมื่อมแี รงมากระทํากบั แผน่ ซิลกิ อน

ภาพที่ 230 คุณสมบัติเพียโซอิเล็กทริก
หลักการทํางานพ้นื ฐานคือ เม่ือมแี รงดันมากระทํากับแผ่นไดอะแฟรมจะทําให้แผ่นไดอะแฟรมเกิดการ
โก่งตัวออกและส่งแรงไปกระทํากับผลึกเพียโซอิเล็กทริกท่ีเช่ือมต่อกันอยู่ เมื่อผลึกเพียโซอิเล็ก ทริกถูกแรงมา
กระทําจะเกิดประจุไฟฟูาตามคุณสมบัติทางไฟฟูาของผลึกเพียโซอเิ ล็กทริก ซึ่งประจุไฟฟูาน้ีจะเป็นสัดส่วนกับ
แรงดนั ที่มากระทาํ

แรงดัน

แผ่นไดอะแฟรม

ผลกึ เพียโซอิเลก็ ทรกิ

สญั ญาณไฟฟาู
ภาพที่ 231 โครงสร้างของทรเอาานทสพ์ดุทิวเซอร์วดั ความดนั แบบผลึกเพียโซอเิ ล็กทรกิ

279

สัญญาณไฟฟูาท่ีได้จากเอาท์พุทจะมีขนาดท่ีเล็กมากจําเป็นต้องมีการปรับแต่งสัญญาณไฟฟูาให้มี
ขนาดใหญ่มากขึ้นก่อนการนําไปใช้งานจริง แต่ปัจจุบันทรานสดิวเซอร์ประเภทนี้นิยมออกแบบให้มีวงจร
ปรับแตง่ สัญญาณร่วมด้วยและผลิตข้ึนในลักษณะของวงจรรวม (Intergraded Circuit : IC) ทําให้อปุ กรณ์มี
ขนาดเล็กกะทดั รดั และมีขอ้ ดีมากกวา่ ทรานสดิวเซอรว์ ัดความดนั แบบอนื่ อยา่ งมาก คือ

1. ให้ผลตอบสนองตอ่ การทาํ งานทรี่ วดเร็ว (Fast response)
2. มคี วามไวในการทํางานสูง (High sensitivity) กว่าแบบแมคคานกิ ส์
3. มีความแมน่ ยําในการตรวจวัดสูง (High accuracy)
4. มีน่านการใช้งานกวา้ ง (Wide operation range)
5. มคี ่าฮสี เทอร์รซี ิสตํ่า (Low hysteresis)
ทรานสดิวเซอร์วดั ความดันแบบวงจรรวม
ในบทเรยี นนี้จะยกตัวอย่างทรานสดิวเซอร์วัดความดันรุ่น MPXA6115A6U ซึ่งอยู่ในซีรี่ย์ MPXA6115
ซึ่งใช้ชิปซิลกิ อนเป็นเซนเซอร์ตรวจวดั ความดันด้วยหลักการเพียโซรีซิสทีฟ สามารถวัดความดันสูงสุด 400 kPa
ทํางานร่วมกับวงจรขยายอ็อปแอมป์แบบไบโพลาร์และเครือข่ายตวั ตา้ นทานแบบทินฟิลม์ (Thin film) เพ่ือให้
สัญญาณเอาท์พุทที่มีขนาดพอสําหรับการใช้งานพร้อมทั้งชดเชยค่าผิดพลาดจากอุณหภูมิที่ -40C ถึง
+125C มีความต้านทานต่อความชื้นสูง มีค่าความผิดพลาดของเอาท์พุทสูงสุด 1.5% ท่ีอุณหภูมิ 0C ถึง
85C เหมาะสมสําหรบั การทาํ งานรว่ มกับไมโครคอนโทรลเลอร์เปน็ อยา่ งดี
สําหรับทรานสดิวเซอร์วัดความดันในซีร่ีย์ MPXA6115 น้ีมีหลายรูปแบบให้เลือกใช้งานตามความ
เหมาะสม สว่ นรนุ่ MPXA6115A6U นี้แสดงดงั ภาพท่ี 232

ภาพที่ 232 ทรานสดวิ เซอร์วดั ความดันรุ่น MPXA6115A6U
ทีม่ า (Reichelt elektronik, 2014)

280

ภาพท่ี 233 ภาพตดั ขวางของ MPXA6115A6U
ที่มา (MPXA6115A datasheet, 2014)

ภาพท่ี 234 โครงสรา้ งภายในและขาการตอ่ ใช้งาน

ท่มี า (MPXA6115A datasheet, 2014)

ตารางที่ 27 คุณสมบัตทิ ่ัวไปของ MPXA6115A

Rating Symbol Value Units
Maximum Pressure (P1 > P2) Pmax 400 kPa
Storage Temperature Tstg C
-40 to
Operating Temperature TA +125 C

Output Source Current @ Full Scale Output Io+ -40 to mAdc
Output Sink Current @ Minimum Pressure Offset Io- +125 mAdc

ทม่ี า (MPXA6115A datasheet, 2014) 0.5
-0.5

281

ตารางที่ 28 คณุ สมบัติเฉพาะของ MPXA6115A

Characteristic Symbol Min Max Unit
Pressure Range POP 15 POP 15 115 kPa 115 kPa
Supply Voltage VS 4.75 VS 4.75 5.25 Vdc 5.25 VDC
Supply Current mADC
Io — 10
Full Scale Output (0 to 85C) VFSO 4.633 4.768 VDC
4.568 VDC
Full Scale Span (0 to 85C) VFSS 4.433
@ VS = 5.0 Volts ±1.5 % VFSS

Accuracy (0 to 85C)

ทม่ี า (MPXA6115A datasheet, 2014)

ภาพท่ี 235 การตอ่ วงจรพ้ืนฐาน
ที่มา (MPXA6115A datasheet, 2014)

ภาพท่ี 236 กราฟความสมั พันธร์ ะหวา่ งความดนั และแรงดันเอาทพ์ ทุ
ทีม่ า (MPXA6115A datasheet, 2014)

282

แรงดนั เอาทพ์ ทุ ของวงจรสามารถหาไดจ้ ากสมการ 11.34
Vout = Vs × (0.009 × P – 0.095)

เมื่อ
Vs คือ แรงดันไฟฟาู เล้ยี งวงจร (5.0 ± 0.25 VDC)
P คือ ความดนั

ตัวอยา่ งการประยกุ ต์ใช้งาน
การนําทรานสดิวเซอรน์ ไ้ี ปใชง้ านจะพบว่าจากภาพที่ 233 มรี ูรับความดันท่ตี อ้ งการวดั คอื P1 ซง่ึ จะรบั
แรงดันเข้ามาเพื่อทําการวดั โดยแรงดนั จะดันไดอะแฟรมใหไ้ ปกดแผน่ เพียโซรซี ิสทีฟอีกคร้ัง การต่อใช้งานจะ
ต่อในลกั ษณะขนานกบั อุปกรณ์ทต่ี อ้ งการวัด (ภาพท่ี 237)

ความดัน

อปุ กรณ์ควบคมุ

ภาพที่ 237 การต่อทรานสดวิ เซอร์วดั ความดนั

5V

123abcd A1
T 2 MPXA
150 × 8 Me 6115A6
ga
3U

8

BC547 × 3 0V

ภาพท่ี 238 วงจรวัดความดนั แสดงผลแบบดิจิตอล

283

วงจรในภาพที่ 238 แสดงวงจรการต่อใช้งานทรานสดิวเซอร์วัดความดันเข้ากับไมโครคอนโทรลเลอร์
ATmega 8 เพอ่ื วัดความดนั และแสดงผลดว้ ยอุปกรณ์แสดงผล 7 ส่วน โดยแรงดันเอาท์พทุ ของทรานสดวิ เซอร์
ซึ่งต่อเข้าที่ขา 23 ของไมโครคอนโทรลเลอร์สามารถคํานวณได้จากสมการ 11.34 แรงดันน้ีจะถูกเปลี่ยนให้
เป็นสัญญาณดิจิตอลภายในไมโครคอนโทรลเลอร์ และเปลี่ยนค่าแรงดันท่ีได้เป็นความดันและแสดงผลออกท่ี
อุปกรณแ์ สดงผล 7 ส่วน

ทรานสดวิ เซอรแ์ บบใชแ้ สง (Optical transducer)

ทรานสดิวเซอร์แบบใชแ้ สงจัดเป็นทรานสดิวเซอร์แบบพร็อกซิมิต้ี (Proximity) ชนิดหนึ่ง ไดร้ ับความ
นิยมใช้งานเป็นอย่างมาก เพราะมีคุณสมบัติเด่นคือ การใช้งานไม่ต้องสัมผัสกับชิ้นงานที่วัดโดยตรง ทําให้ใช้
งานได้หลากหลายโดยเฉพาะกบั งานทอี่ าจมีอนั ตราย เช่น งานทม่ี ีความรอ้ นสูง งานทีต่ ้องใช้ความเรว็ เปน็ ตน้

ทรานสดิวเซอร์แบบใช้แสงทํางานด้วยหลักการส่งผ่านของแสง โดยมีส่วนประกอบสําคัญ 2 ส่วน คือ
แหล่งกําเนิดแสง (Light source) และตัวตรวจจับแสง (Light detector) จากน้ันนําการตรวจจับน้ีไปเข้า
กระบวนการประมวลผลและแสดงผลออกมา หรอื นําผลน้ไี ปควบคุมอปุ กรณอ์ ่ืน

แหลง่ กาํ เนิดแสง ตัวตรวจจบั แสง อปุ กรณ์ควบคุม

อปุ กรณ์แสดงผล

ภาพท่ี 239 แผนภาพไดอะแกรมการใชง้ านทรานสดวิ เซอรแ์ บบใชแ้ สง

แหลง่ กาเนิดแสง
เป็นอุปกรณ์ที่ทําหน้าท่ีเปล่ียนพลังงานไฟฟูาเป็นพลังงานแสงที่ต้องการโดยตรง ซ่ึงในบทเรียนน้ีจะ
กล่าวถึงเฉพาะหลอดไดโอดเปล่งแสงเทา่ นั้น

หลอดไดโอดเปล่งแสง
หลอดไดโอดเปล่งแสง (Light Emitting Diode : LED) เป็นอปุ กรณ์สารกึ่งตัวนําท่ีนิยมนํามาใช้เป็น
แหล่งกําเนิดแสง เนื่องจากสามารถเปลี่ยนพลังงานไฟฟูาเป็นความถี่แสงที่ต้องการได้โดยตรงทําให้ได้แสงท่ีมี
ความถี่เดยี ว มีทศิ ทางทส่ี ามารถควบคุมได้ง่ายและสญู เสยี พลงั งานในรูปความร้อนน้อย
หลอดไดโอดเปล่งแสงเป็นอุปกรณ์ที่ผลิตขากสารก่ึงตัวนําชนิดเอ็น (N type) และชนิดพี (P type)
นํามาต่อชนกันเหมือนไดโอด เม่ือปูอนแรงดันไฟฟูากระแสตรงประมาณ 1.6 – 3 โวลต์และใช้ปริมาณ
กระแสไฟฟูาประมาณ 20 – 50 mA. โดยการตอ่ ข้ัวบวกเข้าที่ขาเเอโนด (Anode : A) และต่อข้ัวลบเข้าที่ขา
แคโถด (Cathode : K) (ภาพที่ 241) ก็จะสามารถเปล่งแสงออกมาได้ โดยแสงที่เปล่งออกมาจะแบง่ เป็น 2
ชนิด คอื

284
1) แสงในย่านท่ีตามองเห็น (Visible light) ส่วนใหญ่จะเป็นสีแดง สีเขียว สีเหลืองและสีส้ม ซ่ึงการที่
จะเปล่งแสงออกมาเป็นสีอะไรก็ข้ึนอยู่กับชนิดของสารท่ีใช้ผลิตเป็นสารก่ึงตัวนํา นิยมใช้งานที่ต้องการแสง
ทั่วไป เช่น หลอดไฟแสดงผล หรอื จอภาพแบบแอลอีดี เปน็ ตน้
2) แสงในย่านท่ีตามองไม่เห็น (Invisible light) จะเปน็ แสงในย่านอนิ ฟราเรด (Infrared) ซึ่งมีความถี่
ต่าํ กว่าที่ตาจะมองเห็นได้ โดยจะเรียกหลอดไดโอดเปล่งแสงชนิดนี้ว่า แอลอีดีอินฟราเรด (LED infrared) หรือ
อนิ ฟราเรดอิมิตต้ิงไดอด (Infrared Emitting Diode : IRED) นิยมใช้งานเป็นอปุ กรณ์รับ-ส่งข้อมูล เช่น รีโมต
คอนโทรล เป็นต้น

ภาพท่ี 240 สญั ลกั ษณข์ องหลอดไดโอดเปล่งแสง
AK

+ 1.5 V

ภาพที่ 241 การต่อวงจ-รพืน้ ฐานของหลอดไดโอดเปล่งแสง

ภาพท่ี 242 โครงสรา้ งของหลอดไดโอดเปล่งแสง
ที่มา (Light-emitting diode, 2014)

285

ภาพที่ 243 หลอดไดโอดเปลง่ แสงชนิดต่าง ๆ

ท่มี า (Light-emitting diode, 2014)
แสงท่ีเปล่งออกมาจากหลอดไดโอดเปลง่ แสงจะมสี แี ตกตา่ งกนั ตามชนิดของวสั ดุท่ีใช้ผลติ สารกึง่ ตัวนาํ
ซ่ึงแสดงไว้ดงั ตารางท่ี 29

ตารางที่ 29 ความสัมพนั ธร์ ะหวา่ งสแี ละวสั ดทุ ี่ใชท้ ําหลอดไดโอดเปล่งแสง

สี Color Wavelength [nm] Voltage Semiconductor material
drop [ΔV]

Infrared λ > 760 ΔV < 1.63 Gallium arsenide (GaAs)
Red 610 < λ < 760 Aluminium gallium arsenide (AlGaAs)
Orange 590 < λ < 610
Yellow 570 < λ < 590 Aluminium gallium arsenide (AlGaAs)

Green 500 < λ < 570 1.63 < ΔV < 2.03 Gallium arsenide phosphide (GaAsP)
Aluminium gallium indium phosphide (AlGaInP)
Blue 450 < λ < 500
Gallium(III) phosphide (GaP)

Gallium arsenide phosphide (GaAsP)
2.03 < ΔV < 2.10 Aluminium gallium indium phosphide (AlGaInP)

Gallium(III) phosphide (GaP)

Gallium arsenide phosphide (GaAsP)
2.10 < ΔV < 2.18 Aluminium gallium indium phosphide (AlGaInP)

Gallium(III) phosphide (GaP)

1.9< ΔV < 4.0 Traditional green:
Gallium(III) phosphide (GaP)
Aluminium gallium indium phosphide (AlGaInP)
Aluminium gallium phosphide (AlGaP)
Pure green:
Indium gallium nitride (InGaN) / Gallium(III) nitride (GaN)

Zinc selenide (ZnSe)

2.48 < ΔV < 3.7 Indium gallium nitride (InGaN)
Silicon carbide (SiC) as substrate

Silicon (Si) as substrate—under development

286

ตารางท่ี 29 (ตอ่ )

สี Color Wavelength [nm] Voltage Semiconductor material
drop [ΔV]

Violet 400 < λ < 450 2.76 < ΔV < Indium gallium nitride (InGaN)
4.0

Purple multiple types 2.48 < ΔV < Dual blue/red LEDs,
Ultraviolet λ < 400 3.7 blue with red phosphor,
or white with purple plastic

Diamond (235 nm)

Boron nitride (215 nm)

3.1 < ΔV < Aluminium nitride (AlN) (210 nm)

4.4 Aluminium gallium nitride (AlGaN)

Aluminium gallium indium nitride (AlGaInN)—down to

210 nm

Blue with one or two phosphor layers:

Pink multiple types ΔV ~ 3.3 yellow with red, orange or pink phosphor added
afterwards,

or white phosphors with pink pigment or dye over top

White Broad spectrum ΔV = 3.5 Blue/UV diode with yellow phosphor

หลอดไดโอดเปล่งแสงทั้ง 2 ชนิดจะมีหลักการทํางานที่เหมือนกันและมีการจัดวงจรใช้งานเหมือนกัน
ส่วนการจัดวงจรให้หลอดไดโอดเปล่งแสง (ภาพที่ 241) ทํางานจะต้องจ่ายแรงดันไฟฟูาให้ถูกขั้ว โดยต้องต่อ
แรงดันไฟฟูาข้ัวบวกเข้าที่ข้ัวแอโนด และแรงดันไฟฟูาข้ัวลบเข้าที่ขั้วแคโถด แรงดันไฟฟูาที่ใช้ควรอยู่ระหว่าง
1.5 – 3 โวลต์ และใชก้ ระแสไฟฟูาระหวา่ ง 20 – 50 mA การตอ่ ใชง้ านต้องต่ออนุกรมกับตัวต้านทานไฟฟูา
เสมอหลอดไดโอดเปล่งแสงจึงจะทํางานไดอ้ ย่างปลอดภัยไม่ชํารุดเสียหาย การคํานวณค่าความต้านทานหาได้
จาก

R = (E – ΔE) / ILED 11.35
เมื่อ E คอื แรงดนั ไฟฟูาเล้ียงวงจร

ΔE คือ แรงดันไฟฟาู ตกครอ่ มหลอดไดโอดเปล่งแสง
ILED คือ กระแสไฟฟูาทต่ี อ้ งการจ่ายให้หลอดไดโอดเปลง่ แสง

แรงดันไฟฟูาตกคร่อมและปริมาณกระแสไฟฟูาของหลอดไดโอดเปล่งแสงสามารถหาได้จากคู่มือ
(Datasheet) ของหลอดไดโอดเปล่งแสงแต่ละชนิด แต่ถ้าไม่สามารถหาคู่มือได้จะสามารถใชค้ ่ากลาง ๆ ได้ คือ
ระหว่าง 1.6 – 3 โวลต์ หรือตามตารางท่ี 29 และใชป้ ริมาณกระแสไฟฟาู ประมาณ 25 mA

287

ตัวอย่างท่ี 50. จงคํานวณค่าความต้านทานเพ่ือจํากัดกระแสไฟฟูาให้หลอดไดโอดเปล่งแสง เมื่อต่อกับ
แหลง่ จา่ ยแรงดนั ไฟฟูา 6 V และต้องการปรมิ าณกระแสไฟฟูาไหลผ่าน 20 mA มีแรงดนั ตกครอ่ ม 2 V

AK

I = 30 mA

+ 6V -

วิธที ํา

จากสมการท่ี 11.35

R = (E – ΔE) / ILED
โดย E = 6V
2V
ΔE = 20 mA
ILED =
(6V – 2V) / 20 mA
แทนคา่

R=

= 200 

 ตัวต้านทานทีต่ อ้ งใชต้ อ่ ในวงจรมีคา่ เทา่ กบั 200 โอห์ม ตอบ

การจัดวงจรใช้งาน
หลอดไดโอดเปล่งแสงเป็นอุปกรณ์สารก่ึงตัวนําท่ีนิยมใช้งานเป็นอุปกรณ์แสดงผล แต่สามารถ
ประยุกตใ์ ช้เปน็ อุปกรณส์ ง่ สัญญาณหรือสง่ ข้อมูลไดเ้ ชน่ กัน
จากภาพที่ 244 เมือ่ ตอ่ สวทิ ชแ์ บบกดติดปลอ่ ยดับอนุกรมเข้าไปกบั วงจร จะสามารถใชส้ วทิ ชน์ ้ีควบคุม
การติด – ดบั ของหลอดไดโอดเปล่งแสงได้

Vcc

ภาพที่ 244 วงจรสวทิ ชค์ วบคุมการทาํ งาน

288

Vcc Vcc

R2 R2 R3
R1 Tr 1 LED1
LED1
R1 (ข)

Tr 1
(ก)

ภาพท่ี 245 วงจรสวิทช์อเิ ลก็ ทรอนกิ ส์ (ก) แบบไมก่ ลับเฟส (ข) แบบกลับเฟส

หากเปล่ยี นสวิทช์ในภาพท่ี 244 เป็นทรานซสิ เตอร์ (ภาพท่ี 245) จะทําใหส้ ามารถควบคุมการ ติด –
ดบั ของหลอดไดโอดเปลง่ แสงด้วยสญั ญาณพลั ส์ได้ ภาพท่ี 245 (ก) เมือ่ มสี ญั ญาณพัลส์ซกี บวกเข้ามาท่ีขาเบส
จะทาํ ให้ Tr1 ได้รับการไบอสั และทาํ งาน กระแสไฟฟูาสามารถไหลผ่านจาก R2 ผ่าน LED1 และทาํ ใหห้ ลอด
ไดโอดเปลง่ แสงจะตดิ สว่าง สว่ นวงจรในภาพที่ 245 (ข) ขณะที่ไม่มีสัญญาณพัลส์เข้ามาที่ Tr1 กระแสไฟฟูาจะ
ไหลผ่านไปยัง R3 และ LED1 แทนเน่ืองจาก Tr1 ยังไม่ทํางาน ทาํ ให้หลอดไดโอดเปล่งแสงจะตดิ สวา่ ง และเม่อื
มีสัญญาณพัลส์เข้ามาท่ขี าเบสของ Tr1 จะทาํ ให้ Tr1 ทาํ งานกระแสไฟฟูาไหลผ่าน Tr1 ลงกราวนด์ ทําให้ Tr1
มสี ภาพเปน็ กราวนดเ์ สมือน ทําให้ R3 ซ่ึงตอ่ กับ Tr1 จึงเสมือนตอ่ ลงกราวนดท์ าํ ให้หลอดไดโอดเปล่งแสงดับลง

อุปกรณ์ตรวจจับแสง
ทําหน้าที่เปล่ียนพลังงานแสงกลับมาเป็นพลังงานไฟฟูา มีให้เลือกใช้งานหลากหลายชนิดทั้งแบบแอค

ทีฟ (Active type) ซึ่งสามารถสร้างแปลงพลังงานแสงเป็นพลังงานไฟฟูาได้โดยไม่ต้องอาศัยแหล่งจ่ายไฟฟูา
ภายนอก เช่น โซล่าร์เซล (Solar cell) และแบบพาสซีฟ (Passive type) เช่น โฟโต้ไดโอด (Photo diode)

โฟโต้ทรานซิสเตอร์ (Photo transistor) เป็นตน้

โฟโตไ้ ดโอด
โฟโต้ไดโอดจัดเป็นอุปกรณ์สารกึ่งตัวนําชนิดหน่ึง มีโครงสร้างคล้ายไดโอดธรรมดาที่ประกอบไปด้วย
รอยตอ่ พี (P – junction) และรอยตอ่ เอ็น (N – junction) แสดงดังภาพที่ 246 แต่การใช้งานจะต้องตอ่ ใน
ลักษณะไบอัสกลับ (Reverse bias) (ภาพท่ี 247) คือต่อไฟฟูาขั้วลบเข้ากับขาแอโนด (Anode) และต่อไฟฟูา
ข้ัวบวกเข้ากับขาแคโทด (Cathode) เพื่อให้ช่วงของ Depletion region เปิดกว้างมากข้ึนและไม่มี

289

กระแสไฟฟูาไหลผ่านได้ในขณะท่ีไม่มีแสงมาตกกระทบ แต่เม่ือมีแสงมาตกกระทบที่โฟโต้ไดโอดจะทําให้
Depletion region แคบลงเรอื่ ย ๆ ตามปริมาณแสงที่ตกกระทบ ดงั น้ันปริมาณกระแสไฟฟูาที่ไหลผ่านรอยต่อ
น้ีจึงมีค่าสูงข้ึนตาม ซึ่งสรุปไดว้ ่าการนํากระแสไฟฟูาของโฟโตไ้ ดโอดจะเปน็ สัดส่วนโดยตรงกับปริมาณแสงท่ีตก
กระทบ

Active diameter Antireflectiv
Metal contact e coating

Oxide N+

Metal contact P

P+

ภาพท่ี 246 โครงสร้างของโฟโตไ้ ดโอด

+Vcc

ภาพท่ี 247 การต่อวงจรพืน้ ฐาน

แสง เลน
ส์

รอยต่อพีเอ็น

ภาพท่ี 248 โฟโต้ไดโอด (ก) รูปร่าง (ข) ตวั อย่าง
ทม่ี า (Rapid Electronics Limited, 2014)

290

ข้อดีของโฟโต้ไดโอดคือมีค่าความต้านทานภายในสูง (High impedance) และต้องการพลังงานไฟฟูา
ต่าํ รวมทั้งสามารถตอบสนองต่อการเปล่ียนแปลงของปริมาณแสงได้อย่างรวดเร็ว รวมทั้งยังมีความเร็วในการ
ทาํ งานสูงจงึ สามารถใชง้ านในวงจรความถี่สงู ได้ ดงั นน้ั จึงนิยมประยกุ ต์ใชใ้ นวงจรรโี มท วงจรส่ือสารตา่ ง ๆ หรือ
วงจรตรวจจบั ทางแสงชนดิ ตา่ ง ๆ

ส่วนข้อเสียคือให้กระแสไฟฟูาเอาท์พทุ ต่าํ มากจึงต้องต่อวงจรขยายเพื่อขยายสัญญาณไฟฟูาให้มีขนาด
ใหญ่ขน้ึ กอ่ นนาํ ไปใช้งานจรงิ ดงั นน้ั จึงมีการพัฒนาโฟโต้ทรานซสิ เตอร์ข้นึ เพอ่ื ลดข้อจาํ กัดนี้

โฟโตท้ รานซสิ เตอร์
โฟโต้ทรานซิสเตอร์ (Photo transistor) เป็นอปุ กรณ์สารก่ึงตัวนําที่เกิดจากการรวมโฟโต้ไดโอดและ
ทรานซิสเตอร์เข้าไว้ภายในตัวถังเดียวกัน (ภาพที่ 249) และได้รับความนิยมนํามาใช้งานกันอย่างแพร่หลาย
โดยจัดเป็นทรานสดวิ เซอร์ประเภทพาสซฟี (Passive)

Collector : C

Base : B
Emitter : E

ภาพท่ี 249 วงจรสมมลู ของโฟโต้ทรานซสิ เตอร์

Collector : C

Base : B Emitter : E (ข)
(ก)

ภาพที่ 250 โฟโตท้ รานซิสเตอร์ (ก) สญั ลกั ษณ์ (ข) ตวั อยา่ งโฟโต้ทรานซสิ เตอรใ์ นปัจจุบัน
ท่มี า (Electronicgold mind, 2014)

291

หลักการทาํ งาน ขณะท่ไี มม่ ีแสงตกกระทบทโ่ี ฟโตไ้ ดโอด ทรานซสิ เตอร์จะยงั ไม่ทํางาน จนกระท่ังมแี สง
ตกกระทบยังโฟโต้ไดโอดจะมีผลเสมือนทรานซิสเตอร์ได้รับกระแสไบอัสท่ีขาเบส (Base) เกิดกระแสเบส (IB)
ไหลเข้าส่ทู รานซิสเตอร์ เกิดการนํากระแสไฟฟูาจากขาคอลเล็กเตอร์ (Collector ) ไปยังขาอีมิเตอร์ (Emitter)
ตามอัตราการขยายกระแสไฟฟูา (hfe) ของทรานซิสเตอร์ โดยปริมาณกระแสไฟฟูาท่ีไหลน้ีจะเป็นสัดส่วน
โดยตรงกับปริมาณแสงที่ตกกระทบโฟโต้ไดโอด จึงทําให้โฟโต้ทรานซิสเตอร์มีข้อดีมากกว่าโฟโต้ไดโอดตรงที่มี
ปริมาณกระแสไฟฟาู เอาทพ์ ุทไดม้ ากกวา่ โฟโตไ้ ดโอด เนอ่ื งจากมีอตั ราการขยายกระแสไฟฟาู ของทรานซสิ เตอร์

Vcc Vcc

ICE

IB

(ก) (ข)

ภาพท่ี 251 การทาํ งานของโฟโต้ทรานซสิ เตอร์ (ก) เมอ่ื ไม่มแี สงตกกระทบ (ข) เม่อื มแี สงตกกระทบ

ถึงแม้ว่าโฟโต้ทรานซิสเตอร์จะมีข้อดีเหนือกว่าโฟโต้ไดโอดตรงที่มีอัตราการนํากระแสไฟฟูาสูงกว่าโฟ
โต้ไดโอดเนื่องจากมีการใช้ทรานซิสเตอร์ช่วยขยายกะแสไฟฟูาก็ตาม แต่ก็เป็นผลให้การทํางานของโฟโต้
ทรานซิสเตอร์ชา้ ลงกว่าโฟโต้ไดโอด ทําให้การตอบสนองตอ่ ความถ่ีที่สูงกวา่ 250 kHz ไดไ้ ม่ดีเท่าท่ีควร จึงทํา
ใหโ้ ฟโต้ทรานซิสเตอร์มีการทาํ งานที่ไมเ่ ป็นเชงิ เสน้ และไวตอ่ การเปลย่ี นแปลงของอุณหภูมิอีกด้วย

โฟโต้ทรานซิสเตอร์ส่วนใหญ่จะมีขาใช้งานเพียง 2 ขา หรือบางชนิดอาจจะมี 3 ขาก็ได้ สําหรับแบบ 2
ขาจะมีการใช้งานเหมือนทรานซิสเตอร์ปกติ แต่ใช้จุดรับแสงให้ทําหน้าที่แทนขาเบส ส่วนแบบ 3 ขาจะเป็น
ชนิดท่ีสามารถต่อวงจรเพ่ือปรับความไวของการรับแสงได้ โดยการต่อวงจรไบอัสให้ขาเบส จึงทําให้โฟโต้
ทรานซสิ เตอร์ประเภทนีท้ าํ งานได้ 2 แบบ คอื ควบคมุ ด้วยแสงและควบคมุ ดว้ ยกระแสไฟฟูาขาเบส

วงจรในภาพท่ี 252 จะมกี ารทาํ งานดังนี้ ขณะที่ไม่มีแสงตกกระทบโฟโต้ทรานซิสเตอร์จะยังไม่เกิดการ
นํากระแสไฟฟูา ทําให้ไม่เกิดแรงดันไฟฟูา Vout ออกจากโฟโต้ทรานซิสเตอร์ แต่เมื่อมีแสงตกกระทบที่โฟโต้
ทรานซิสเตอร์จะทําให้เกิดกระแส IB และโฟโต้ทรานซิสเตอร์ทํางาน เกิดแรงดันไฟฟูา Vout ออกมาทาง
เอาท์พุท และเมื่อไม่มีแสงตกกระทบโฟโต้ทรานซิสเตอร์ก็จะหยุดการทํางานเป็นเช่นน้ีไปตลอดเวลา การ
ทาํ งานในลกั ษณะนีเ้ รียกวา่ การควบคุมแบบเปิด – ปดิ (On – Off control)

292

Vcc
แสงตกกระทบ

Ph1 อินพทุ
Vout
เอาทพ์ ุ

Rท

ภาพท่ี 252 การต่อวงจร (ก) วงจรควบคุมแบบเปดิ – ปดิ (ข) กราฟอนิ พุทเทียบกบั เอาทพ์ ุท

การประยกุ ตใ์ ชง้ านเปน็ ทรานสดวิ เซอรต์ รวจจบั แบบใช้แสง
ดังที่กล่าวไปข้างต้นแล้วว่าการทํางานของทรานสดิวเซอร์ตรวจจับแบบใช้แสงจะเป็นการทํางาน
ร่วมกันของแหล่งกําเนิดแสงและอุปกรณ์ตรวจจับแสง โดยใชห้ ลักการว่า เม่ือมีแสงจากแหล่งกําเนิดแสง (ปกติ
จะใช้แสงอินฟราเรด) มาตกกระทบยังอุปกรณ์ตรวจจับแสง จะทําให้อุปกรณ์ตรวจจับแสงเกิดการทํางานและ
ส่งสัญญาณไปควบคุมการทํางานของระบบควบคุมต่อไป

แหล่งกาํ เนดิ แสง ตวั ตรวจจับแสง อุปกรณ์ควบคมุ

ภาพที่ 253 แผนภาพไดอะแกรมการทาํ งานทรานสดวิ เซอรต์ รวจจบั แบบใชแ้ สง

โดยการทํางานจะแบ่งออกเป็น 2 ลกั ษณะคอื
1. ควบคุมแบบเปิด – ปิด (On – Off control) การจัดวงจรในลักษณะน้ีจะเปน็ การทํางานแบบ ให้
เอาท์พุทเมื่อมีแสงตกกระทบ และ ไม่ให้เอาท์พุทเมื่อไม่มีแสงตกกระทบ หรือ ให้เอาท์พุทเม่ือไม่มีแสงตก
กระทบ และ ไมใ่ หเ้ อาทพ์ ุทเมอื่ มีแสงตกกระทบ แล้วแตล่ ักษณะของการจัดวงจร (ภาพท่ี 254)

การตรวจจับของทรานสดิวเซอร์จะมีลักษณะตรวจจับการมีวัตถุใด ๆ ตดั ผ่านระหว่างแหล่งกําเนิด

แสงและอุปกรณต์ รวจจบั แสง นยิ มประยกุ ต์ใชง้ าน เช่น วงจรกนั ขโมย วงจรตรวจนับวัตถุ เป็นตน้

2. ควบคุมแบบสัดส่วนตามปริมาณแสง (Proportional control) การจัดวงจรในลักษณะน้ีจะให้
ปริมาณแรงดันเอาท์พุทมากหรือน้อยตามปริมาณแสงที่ตกกระทบเซนเซอร์ โดยอาจเป็นการให้ปริมาณแรงดัน
เอาท์พุทมากเม่ือมีแสงตกกระทบมาก หรือ มีปริมาณแรงดันเอาท์พุทน้อยเมื่อมีแสงตกกระทบมาก แล้วแต่
ลักษณะของการจดั วงจร

293

การตรวจจับของทรานสดิวเซอร์จะมีลักษณะตรวจจับการเคลื่อนที่เข้า - ออกระหวา่ งแหล่งกําเนิด
แสงและอปุ กรณ์ตรวจจบั แสง นิยมประยุกต์ใชง้ าน เช่น วงจรตรวจจบั การเคลอ่ื นที่ เป็นตน้

+Vcc +Vcc Ph1 Vcc
+Vcc R1
แผน่ ปดิ -เปิด

Vout
Vout แผ่นปิด-
R2 เปดิ

R1 R2 Ph1
(ก) (ข)

ภาพที่ 254 วงจรควบคุมแบบเปิด – ปดิ (ก) เอาทพ์ ุทเกดิ ตามอนิ พุท (ข) เอาทพ์ ุทเกดิ สลบั กบั อินพทุ

+Vcc +Vcc Vcc

Ph1 +Vcc R1

ระยะทาง Vout ระยะทาง Vout
Ph1
R2 R2
R1
(ข)
(ก)

ภาพท่ี 255 วงจรควบคมุ แบบสดั สว่ นตามปริมาณแสง (ก) เอาทพ์ ุทเกดิ ตามอินพุท (ข) เอาท์พุทเกดิ สลับกับ
อนิ พุท

+9V +9V Relay 294
LED Infrared NC
Phototransistor อุปกรณ์
R2 = 1k 1N4001 Com ไฟฟาู
NO
220
R1 = 100k 2N2222 VAC

ภาพที่ 256 ลกั ษณะการตอ่ วงจรเพอื่ ควบคุมอปุ กรณ์ภายนอก

การตดิ ต้งั ทรานสดวิ เซอรต์ รวจจบั แสง
การใชง้ านทรานสดวิ เซอร์ตรวจจับแสงนั้นสามารถใช้งานได้ 2 ลักษณะคือ การตรวจจับแสงที่กําเนิด
จากธรรมชาติและการตรวจจับแสงจากแหล่งกําเนิดแสงที่ผลิตมาใช้งานเฉพาะกัน แต่ในหัวข้อนี้จะกล่าวถึง
เฉพาะรูปแบบการตดิ ตง้ั แบบท่สี องเทา่ นัน้

การติดตั้งแบบใหว้ ตั ถตุ ัดลําแสง
การติดต้ังแบบนี้ แสงจากแหล่งกําเนิดแสง (ภาคส่ง) จะถูกส่งไปยังอุปกรณ์ตรวจจับแสง (ภาครับ)
ตลอดเวลา จึงทําให้เอาท์พุทของภาครับจะมีค่าแรงดันไฟฟูาค่าหน่ึงตลอดเวลา ซ่ึงโดยปกติจะมีค่าเท่ากับ
แรงดนั ไฟฟาู เล้ยี งวงจร (Vout = Vcc)
เมื่อมีวัตถุตัดผ่านลําแสงจะทําให้แสงจากภาคส่งไม่สามารถเดินทางไปยังภาครับได้ จึงเกิดการ
เปล่ียนแปลงของแรงดันไฟฟูาเอาท์พุท เปล่ียนจาก Vcc เป็น 0 V และเมื่อวัตถุตดั ผ่านไปแล้ว แสงจากภาคส่ง
จะเดนิ ทางไปยงั ภาครับไดต้ ามปกติ จึงทาํ ให้แรงดนั ไฟฟาู เอาท์พทุ เปล่ียนจาก 0 V เปน็ Vcc
การติดตง้ั ทรานสดวิ เซอร์แบบนี้อาจติดตั้งได้ 2 ลกั ษณะคอื
1) แบบภาคสง่ และภาครบั อยู่ดา้ นเดยี วกนั (ภาพท่ี 257)ใช้การส่งแสงใหส้ ะท้อนจากกระจกกลับมายัง
ภาครับซึ่งจะทําให้ได้เอาท์พุทเท่ากับ Vcc และเม่ือมีวัตถุตัดผ่านลําแสงจะทําให้ไม่มีแสงส่งไปยังภาครับ จึงทํา
ใหเ้ อาท์พทุ เปลยี่ นจาก Vcc เป็น 0 V
2) แบบภาคส่งและภาครับด้านตรงข้ามกัน (ภาพที่ 258)ใช้การตรวจจับแสงโดยตรงจากการตัดผ่าน
ของวตั ถุ เม่อื มีวัตถุตัดผ่านลาํ แสงจะทาํ ให้ไมม่ ีแสงสง่ ไปยังภาครับ จงึ ทาํ ใหเ้ อาทพ์ ุท เปลย่ี นจาก Vcc เปน็ 0 V