Skocz do zawartości

Tensometryczny czujnik ściskania/rozciągania z małą elektroniką


Kamool

Pomocna odpowiedź

Witam,

W celach hobbistycznych chciałbym zbudować ściskany/rozciągany czujnik tensometryczny z którego sygnał będzie odczytywany przez arduino. Na czujnik będzie działała siła do 300N. Nie zależy mi na dużej dokładności pomiarów. Potrzebuję tylko aby rejestrowany był moment przejścia powyżej 200N (czy zarejestrowane to będzie gdy w rzeczywistości będzie 180N czy 220N to mi nie przeszkadza). Zależy mi natomiast na jak najmniejszych gabarytach do obsługi tego.

Czy jest możliwość obsługi tego za pomocą jakiegoś jednego układu scalonego(+ rezystor/ dwa do ustawienia) + 5V z arduino + oczywiście 3 pozostałe rezystory do mostka?

Byłbym wdzięczny za pomoc i w miarę możliwości schematy jak to połączyć 🙂

Link do komentarza
Share on other sites

Możesz to zrobić na wiele sposobów, które podzieliłbym z grubsza na dwie grupy: cyfrową i analogową. W pierwszej sygnał z czujnika traktujesz dwustanowo, tj. gdzieś po drodze tracisz informację o aktualnej sile nacisku a zostawiasz tylko stan: więcej/mniej niż jakiś próg. W drugiej informację o sile dociągasz jak najdalej, np. do samego przetwornika ADC w procesorze i tam podejmujesz decyzję o przekroczeniu progu programowo.

Ta pierwsza da się zrobić naprawdę prosto, np tak:

1. Dajesz mikroprzełącznik, którego dźwigienka jest podparta/naciągana sprężyną. Siła większa niż zadany próg przełącza zestyk i masz czujnik.

2. Bierzesz czujnik tensometryczny:

https://botland.com.pl/czujniki-nacisku/753-czujnik-sily-nacisku-okragly-13mm-06-.html

robisz z niego dzielnik napięcia czyli dostawiasz jeden rezystor i sygnał wprost doprowadzasz do Arduino. Na jednym z pinów masz tam specjalne wejście wewnętrznego komparatora napięcia. Tak ustawiasz dzielnik, by próg siły 200N wypadał na Vref (1.1V) procesora i zrobione.

Rozszerzeniem tego jest mostek (3 dodatkowe rezystory) i wzmacniacz pomiarowy oddający napięcie wyjściowe do komparatora w procesorze.

W drugiej metodzie potrzebujesz kawałek wzmacniacza, sygnał doprowadzasz do ADC, mierzysz, ew. uśredniasz i podejmujesz decyzję.

Link do komentarza
Share on other sites

Niestety zaproponowane przez Ciebie sposoby odpadają z jednego sposobu - występuje w nich ruch (mały bo mały ale jednak). Czujnik w którym występuje ruch już zrobiłem stosując czujnik halla. Tutaj chciałbym aby ruch nie był w najmnienszym stopniu wyczuwalny, więc chciałbym zastosować tensometr naklejony na cięgno, tylko nie wiem jak odczytać bardzo małe zmiany jego rezystancji tak aby decyzje o tym czy jest rozciągnięty /ściśnięty podejmować w programie.

Link do komentarza
Share on other sites

O nieprzesuwaniu nie napisałeś. Poza tym mikroswitche mają skoki rzędu 1mm a element który pokazałem w linku jest czujnikiem nacisku, tam się nic nie przesuwa.Albo od razu kupujesz taki z wymaganym zakresem, albo stosujesz prostą dźwignię.

Pokaż czujnik o jakim myślisz, wskaż jego parametry a powiem Ci jak go podłączyć. To chyba prościej niż mielibyśmy rysować tu układy do wszystkich możliwych. Ogólna metoda jest znana i oczywista: mostek plus wzmacniacz pomiarowy podpięty pod ADC.

Link do komentarza
Share on other sites

Zarejestruj się lub zaloguj, aby ukryć tę reklamę.
Zarejestruj się lub zaloguj, aby ukryć tę reklamę.

jlcpcb.jpg

jlcpcb.jpg

Produkcja i montaż PCB - wybierz sprawdzone PCBWay!
   • Darmowe płytki dla studentów i projektów non-profit
   • Tylko 5$ za 10 prototypów PCB w 24 godziny
   • Usługa projektowania PCB na zlecenie
   • Montaż PCB od 30$ + bezpłatna dostawa i szablony
   • Darmowe narzędzie do podglądu plików Gerber
Zobacz również » Film z fabryki PCBWay

To nie sformułowałem wszystkiego 🙂 ruchu nie może być. Przy tym czujniku nacisku jakiś ruch również będzie, a co tego sprężyna itd.

Chciałem nakleić po prostu tensometr z tenmexu o rezystancji 120ohm+-0,2% na cięgno i odczytywać z niego wartości.

Czyli po prostu miałbym zastosować mostek z tensometrem zamiast jednego opornika, wzmacniacz i arduino?

Jaki wzmacniacz byłby odpowiedni i jak to połączyć?

Link do komentarza
Share on other sites

No właśnie to zależy od parametrów czujnika, bo możliwości ADC znam. Czy podana przy rezystancji tolerancja to tylko odchyłka od wartości katalogowej przy sile 0N i temperaturze 25C (od sztuki do sztuki) czy to jest właśnie ta zmiana, którą masz zmierzyć? Jeśli tak, to musisz zrobić bardzo precyzyjny i stabilny układ a jeśli nie, to więcej konkretów poproszę. Najlepiej wskaż dokumentację producenta tego tensometru.

Link do komentarza
Share on other sites

Dobrze, skoro o takim myślałeś, to teraz pomyśl dalej:

1. Jakich spodziewasz się wydłużeń cięgna dla zakresu sił które chcesz mierzyć? Chodzi mi o wartość względną ε = ΔL/L.

2. Jakie będą wtedy (względne) zmiany rezystancji wybranego tensometru?

3. Jakie dostaniesz zmiany napięcia mostka zrównoważonego w całym zakresie przewidywanych sił, zbudowanego z tego tensometru i idealnych rezystorów - powiedzmy 3x120Ω?

4. Jakie będą zmiany tego napięcia od zmiany temperatury o 1°C przy danym tempco konstantanu (α podana w parametrach tensometru)?

Nie ma tu chyba żadnej zaawansowanej elektroniki więc poradzisz sobie. Ze zmian napięcia wyjściowego mostka wyjdzie Ci jak dużego wzmocnienia potrzebujesz przy założeniu, że powinieneś dostać tak z 3-5V zmian na wejściu ADC. A bez takich podstaw nie ma się co za wzmacniacz zabierać, prawda? Dobrze byłoby, gdybyś odpowiedzi poparł odpowiednimi wzorami i obliczeniami, młodsi koledzy czytający ten temat na pewno dużo się nauczą 🙂

Link do komentarza
Share on other sites

1. (PL/EA)/L = 0,000055 = 0,0055%

2. Zakładając k =2.2, Względne zmiany rezystancji to 0,000121

3. Będzie mi to dawało +- 0,000151V przy napięciu zasilającym 5V.

4. Z przyrostem o każdy 1 stC napięcie na mostku będzie się zmieniało o 0,0001V.

Z tego wynika, że będzie trzeba zastosować tensometr kompensacyjny aby temperatura nie wpływała aż tak na pomiar?

Link do komentarza
Share on other sites

Powiedziałbym nawet, aby go w ogóle umożliwiła. Możesz np. nakleić identyczny (to ważne) tensometr kompensacyjny gdzieś obok, na tym samym materiale, ale obrócony o 90°.

No, ale to tylko jeden kłopot. Drugi to napięcie. Praktycznie nie masz żadnych szans zrobić sensownie działający wzmacniacz DC o wzmocnieniu ponad 30000 a tyle potrzebujesz by ze 150µV zrobić 5V dla ADC. Każdy użyty opornik będzie miał inny współczynnik temperaturowy, każdy punkt lutowniczy będzie ogniwem termicznym no i sam wzmacniacz operacyjny - typowe mają offsety na poziomie miliwoltów (więcej niż wszystko co chcesz zmierzyć) płynące o µV/°C. Nawet wypasiony, klasy "zero offset" ma jednak uV offset, na szczęście stojący prawie jak.. drut (rzędu dziesiątek nV/°C).

Także moja rada: zrób wszystko by Twój sygnał był jak największy. Najprościej chyba będzie gdy zmniejszysz przekrój cięgna. Ten tensometr da się nakleić nawet na profil 3x3mm. Przelicz układ dla takiego przykładu.

Acha, i zastanów się czy Twoje obliczenia będzie mógł powtórzyć ktoś, kto o tensometrach nie ma pojęcia. Prosimy o wzory - zostaw coś po sobie dla potomnych 🙂 Jaki przyjąłeś moduł Younga dla tego alu?

Rada nr 2: spróbuj dopasować się do typowych scalaków przeznaczonych do współpracy z tensometrami a mniej się narobisz. Np popularna płyteczka z tanim HX711 zawierającym 24-bitowy ADC i cyfrowy interfejs szeregowy wprost do Arduino ma najniższy zakres (full scale), o ile pamiętam - chyba 20mV. Dopasuj swój czujnik do tego zakładając dodatkowo, że mostek zasilasz np. ze stabilizowanych 4V.

-----------------------

EDIT: Dorzucam link do modułu HX711:

https://www.sparkfun.com/products/13879

Na pewno można znaleźć kilka innych, prostych płytek do tensometrów. Poszukaj, coś sobie wybierz i daj znać.

Link do komentarza
Share on other sites

Dla potomnych:

1. ΔL=PL/EA,
P - siła,
L - długość elementu,
E - Moduł Younga (alu = 69GPa = 69000MPa(N/mm²)

A - pole przekroju poprzecznego.

ε=ΔL/L=P/EA

2. Względna zmiana rezystancji tensometru ΔR/R = εk,
ε - względne wydłużenie,
k - stała tensometru.

3. W układnie:

Vin

R1 Rt

+Vout-

R2 R3

GND

Rt - Opór tensometru

Vout = Vin* ((R3/(R3+Rt)) - (R2/(R2+R1)))

4. Rezystancja w danej temperaturze:

Rt = R0 * (1+α*ΔT)

Rt - rezystancja w danej temperaturze,
R0 - rezystancja w temperaturze odniesienia,
α - termiczny współczynnik zmiany rezystancji,
ΔT - zmiana temperatury.

A gdyby materiał na który będzie działało obciążenie był z żywicy?

Wymyśliłem coś takiego:

http://scr.hu/0a3o/yqtoa

Żółte - żywica,
Niebieskie - śruba,
Czerwone i zielone - obudowa skręcana,
Szare - cięgno.

Czarny - zaznaczone miejsce gdzie musiałby być tensometr aby działało to na ściskanie i rozciąganie.

Co gdyby tensometr był zalany w żywicy lub naklejony na jej boku?

Zakładając Moduł Younga dla żywicy epoksydowej 3,9GPa, a wymiary baryłki z żywicy fizewn = 10mm, fiwewn = 6mm pod obciążeniem 300N dawałoby mi to zmianę na poziomie 0,00418V, więc wzmacniacz o wzmocnieniu 1000 byłby dobry?

Czy gdybym zalewał żywicę już w tej obudowie to nic by mi to nie dało i metalowa obudowa przenosiłaby obciążenia? Czy jednak żywica byłaby nośnikiem?

A co z rozróżnieniem ściskania i rozciągania? Dobrze rozumiem, że rezystancja tensometru gdy jest ściskany maleje, a gdy rozciągany rośnie?

Link do komentarza
Share on other sites

Dzięki za garść arytmetyki, na pewno komuś się przyda 🙂

Ponieważ zmiana rezystancji zależy od odkształcenia tensometru a ono zależy od zmian wymiarów podłoża, to jest jasne, że wszystko wisi na module Younga. Zmniejszając go przez zmianę materiału powodujesz wzrost zmian rezystancji czujnika. Oczywiście, takie materiały jak żywice czy plastiki (nawet poczciwe plexi czy polistyren) dają kilkadziesiąt razy większe wskazania niż alu a ono z kolei kilka razy lepiej się poddaje niż np. stal.

Jeśli umieścisz materiał podatny w obudowie lub "zbocznikujesz" go czymś innym o dużo większej sztywności, to niestety to coś przejmie obciążenia i nici z odkształceń.

Przy dużych odkształceniach pamiętaj o górnym ograniczeniu tensometru. Po prostu przy pewnym rozciągnięciu ścieżki pomiarowe się zerwą. Na pewno jest taki parametr w danych katalogowych, choć chyba jeszcze do tego daleko.

Tak, wzmacniacz x1000 jest w Twoim zasięgu. Możesz zacząć od przeczytania jakiegoś materiału o projektowaniu i budowie układów precyzyjnych - to trochę otwiera oczy:

http://ww1.microchip.com/downloads/en/appnotes/01177a.pdf

http://ww1.microchip.com/downloads/en/AppNotes/01258B.pdf

http://ww1.microchip.com/downloads/en/AppNotes/00990a.pdf

Przeczytaj też cokolwiek o wzmacniaczach pomiarowych (instrumentation amplifiers) - bo czegoś takiego właśnie potrzebujesz do współpracy z mostkiem:

http://www.analog.com/media/en/training-seminars/design-handbooks/designers-guide-instrument-amps-complete.pdf

A na koniec możesz kupić np. to:

http://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/20005318A.pdf

np. tutaj:

http://www.tme.eu/pl/katalog/#search=mcp6n16&s_field=accuracy

Robisz dobre zasilanie, uważasz na obciążenie pojemnościowe, dajesz krótkie kabelki, projektujesz małe PCB, dobierasz dwa rezystory regulacji wzmocnienia i.. tyle 🙂

Układy rodzaju HX711 są o tyle wygodne, że nie paprasz się z sygnałami analogowymi na dłuższych dystansach. Wzmacniacz i przetwornik ADC mogą być bardzo blisko czujnika a dalej jest już tylko sygnalizacja cyfrowa, dużo odporniejsza na kabelki, przesłuchy, słabe masy itp. W Twoim przypadku także musisz wstawić wzmacniacz tuż obok tensometru, bo nie ma szans przesłać sygnałów uV przy wszechobecnej sieci 50Hz. Tak więc wyprowadzasz z Arduino masę, zasilanie 5V i wejście analogowe. Te trzy druty idą do puszki pomiarowej gdzie robisz filtrowanie zasilania i sam wzmacniacz wraz z dwoma tensometrami i opornikami mostka.

---------------------------

EDIT: Tak, tensometry są "dwukierunkowe". Możesz pokusić się o zaprojektowanie elementu podatnego tak, by dwa tensometry działały przeciwsobnie. Gdy jeden będzie ściskany a drugi rozciągany (np. po dwóch stronach tej samej zginanej belki) to nie dość, że masz dwa razy większy sygnał to jeszcze i kompensację temperaturową dostajesz "w pakiecie".

Link do komentarza
Share on other sites

Dołącz do dyskusji, napisz odpowiedź!

Jeśli masz już konto to zaloguj się teraz, aby opublikować wiadomość jako Ty. Możesz też napisać teraz i zarejestrować się później.
Uwaga: wgrywanie zdjęć i załączników dostępne jest po zalogowaniu!

Anonim
Dołącz do dyskusji! Kliknij i zacznij pisać...

×   Wklejony jako tekst z formatowaniem.   Przywróć formatowanie

  Dozwolonych jest tylko 75 emoji.

×   Twój link będzie automatycznie osadzony.   Wyświetlać jako link

×   Twoja poprzednia zawartość została przywrócona.   Wyczyść edytor

×   Nie możesz wkleić zdjęć bezpośrednio. Prześlij lub wstaw obrazy z adresu URL.

×
×
  • Utwórz nowe...

Ważne informacje

Ta strona używa ciasteczek (cookies), dzięki którym może działać lepiej. Więcej na ten temat znajdziesz w Polityce Prywatności.