Pohledy: 222 Autor: Leah Publish Time: 2025-02-18 Původ: Místo
Nabídka obsahu
>> Klíčové úvahy pro výběr senzoru napětí
● Aplikace
● Závěr
● FAQ
>> 2. Jak fungují deformační měřidla?
>> 3. Mohu pro měření napětí použít flex senzory?
>> 4. Jaká je role zesilovače HX711?
>> 5. Jak mohu kalibrovat napínací senzor?
● Citace:
Měření napětí je kritickým aspektem v mnoha aplikacích, od robotiky a nositelné technologie po strukturální monitorování zdraví a sportovní vybavení. Schopnost přesně měřit napětí nebo tahací sílu je nezbytná pro zajištění bezpečnosti, optimalizace výkonu a prevenci selhání. S příchodem mikrokontrolérů, jako je Arduino, staví jednoduché Systém měření napětí se stal dostupnějším a nákladově efektivnějším. Tento článek zkoumá komponenty, techniky a úvahy zapojené do vytváření takového systému.
Senzory napětí jsou zařízení speciálně navržená pro měření tahové síly vyvíjené na kabel, řetězec nebo jakýkoli flexibilní materiál. Na rozdíl od kompresních senzorů, které měří tlačící síly, reagují napětí senzory na síly, které protahují nebo prodlužují snímací prvek. Porozumění nuancím těchto senzorů je nezbytné pro přesné sběr a interpretaci dat.
Několik typů senzorů lze použít pro měření napětí pomocí Arduino, z nichž každá nabízí jedinečné vlastnosti a schopnosti:
- Zatížení buňky: Zatížení buněk se široce používají při vážení aplikací, ale lze je také přizpůsobit pro měření napětí. Pracují na principu měřidel napětí, které mění odpor, když jsou nataženy. Když je aplikována tahová síla, zatížení buňky mírně deformuje, což způsobí, že měřiče napětí změní odpor. Tyto změny odporu jsou poté přeměněny na elektrický signál úměrný aplikované síle. Zatížené buňky jsou známé svou robustností a přesností, takže jsou vhodné pro náročné aplikace.
- Měřiče napětí: Měřiče napětí jsou odporovy senzory, které měří napětí (deformace) materiálu, když jsou podrobeny stresu. Obvykle jsou spojeny s povrchem objektu pod napětím pomocí specializovaného lepidla. Když je objekt podroben tahové síle, deformuje se, což způsobuje, že se také deformuje měřič deformace. Tato deformace mění odpor rozchodu napětí, který lze měřit pomocí obvodu můstku Wheatstone. Změna odporu je přímo úměrná kmenu, což umožňuje přesné měření napětí.
- Síly citlivé rezistory (FSRS): FSR jsou proměnné rezistory, jejichž odpor se mění s aplikovanou silou. Jsou jednoduché na použití, ale obecně méně přesné než zatížení nebo deformace měřidel. FSR se skládají z vodivého polymerního filmu, který mění odpor, když je na jeho povrch aplikován tlak. Jak se zvyšuje tahová síla, odpor se snižuje. Tuto změnu odporu lze snadno měřit pomocí obvodu děliče napětí, díky čemuž jsou FSRS vhodnou možností pro rychlé prototypování a jednoduché aplikace, kde vysoká přesnost není kritická.
- Kapacitní senzory: Kapacitní senzory detekují změny v kapacitu způsobené napětím v kabelu nebo materiálu. Mohou být integrovány do různých materiálů a poskytovat nekontaktní metodu pro detekci napětí. Tyto senzory fungují měřením změny kapacitance mezi dvěma vodivými destičkami, když se vzdálenost mezi nimi mění v důsledku napětí. Mohou být zvláště užitečné v aplikacích, kde je fyzický kontakt s materiálem pod napětím nežádoucí.
Při výběru senzoru pro detekci napětí pomocí Arduina zvažte následující faktory:
- Rozsah měření: Ujistěte se, že senzor může měřit očekávaný rozsah napínacích sil, aniž by překročil jeho maximální kapacitu. Přetížení senzoru jej může poškodit nebo vést k nepřesným hodnotám.
- Citlivost: Vyšší citlivost umožňuje přesnější měření, zejména při řešení malých napěťových sil. Citlivost označuje změnu výstupního signálu na jednotku změny vstupní síly.
- Přesnost: Určete úroveň přesnosti potřebné pro vaši aplikaci. Přesnost se týká toho, jak blízko jsou hodnoty senzoru skutečnou hodnotu napětí.
- Kalibrace: Některé senzory vyžadují kalibraci, aby byla zajištěna přesná hodnota. Kalibrace zahrnuje nastavení výstupu senzoru tak, aby odpovídalo známým hodnotám napětí.
- Složitost integrace: Vyberte senzor, který se snadno integruje do vašeho stávajícího nastavení Arduino. Zvažte požadavky na zapojení senzoru, potřeby kondicionování signálu a dostupné knihovny.
- Náklady: Zůstatek nákladů na senzor s jeho výkonem a funkcemi. Senzory s vyšší výkonností často přicházejí s vyšší cenovkou.
Chcete -li vytvořit jednoduchý systém měření napětí s Arduinem, budete potřebovat následující komponenty:
1. deska Arduino: Arduino UNO nebo podobná deska slouží jako mikrokontrolér pro zpracování dat senzorů a řízení systému. Arduino poskytuje nezbytný výkon zpracování, paměť a vstupní/výstupní kolíky pro propojení se senzorem napětí a dalšími komponenty.
2. Senzor napětí: Vyberte vhodný senzor napětí na základě požadavků na aplikaci (např. Zatížení buněk, měřidlo deformace nebo FSR). Výběr senzoru bude záviset na rozsahu měření, požadavcích na přesnost a složitosti integrace vašeho projektu.
3. zesilovač signálu (je -li to požadováno): Některé senzory napětí, jako jsou nákladní buňky, způsobují velmi malé změny napětí, které vyžadují zesílení. Pro tento účel se běžně používá zesilovač HX711. HX711 je specializovaný zesilovač navržený pro zesílení malých analogových signálů z zatížení a převede je na digitální signály, které může snadno přečíst Arduino.
4. Rezistory: Pro vytváření napěťových děličů nebo obvodů zkreslení pro určité typy senzorů, jako jsou FSR. Rezistory se používají k vytvoření obvodu děliče napětí, který přeměňuje změnu odporu FSR na napěťový signál, který může číst analogovým vstupem Arduino.
5. Dráty prkéle a propojka: Pro prototypování a propojení komponent. Bléko poskytuje pohodlný způsob prototypu obvodů bez pájecího, zatímco propojené dráty se používají k vytváření elektrických spojení mezi komponenty.
6. napájení: k napájení desky Arduino a senzor napětí. Stabilní a spolehlivé napájení je nezbytné pro zajištění přesných a konzistentních měření.
7. Displej (volitelné): K zobrazení měření napětí lze použít LCD obrazovku nebo sériový monitor. Obrazovka LCD poskytuje vizuální zobrazení odečtů napětí, zatímco sériový monitor umožňuje zobrazit data v počítači.
Zapojení a připojení se budou lišit v závislosti na typu napínacího senzoru, který si vyberete. Zde je příklad toho, jak připojit rezistor citlivý na sílu (FSR) k Arduino:
1. Připojte jeden konec FSR k napájení 5V.
2. Připojte druhý konec FSR k analogovému vstupnímu kolíku na Arduino (např. A0).
3. Připojte rezistor (např. 10KΩ) z analogového vstupního kolíku k zemi a vytvořte dělič napětí.
FSR ----> Arduino A0
|
10kΩ rezistor
|
GND
V této konfiguraci tvoří FSR a 10KΩ rezistor napětí. Jakmile se odpor FSR mění s aplikovanou silou, napětí na analogovém vstupním kolíku se mění úměrně. Arduino pak může přečíst toto napětí a převést jej na měření napětí.
U zatěžovacích buněk se připojení obvykle zahrnují zesilovač HX711:
| Zatížení buněk | HX711 |
|---|---|
| Červená (E+) | E+ |
| Černá (E-) | E- |
| Bílá (a-) | A- |
| Zelená (a+) | A+ |
Připojte HX711 k Arduino následující:
| HX711 | Arduino |
|---|---|
| Dt | PIN 2 |
| SCK | PIN 3 |
| VCC | 5V |
| GND | GND |
HX711 komunikuje s Arduino pomocí sériového rozhraní. PIN DT (Data) přenáší amplifikovaná a digitalizovaná data senzoru, zatímco pin SCK (sériové hodiny) poskytuje časový signál pro komunikaci. Připojením těchto kolíků k Arduino si můžete přečíst měření napětí z zatížení.
Kód Arduino bude záviset na typu senzoru a požadované funkce. Zde je příklad kódu pro čtení FSR a zobrazení hodnot na sériovém monitoru:
const int sensorpin = a0; // Analogový pin připojený k FSR
const int rezistorValue = 10000; // Odpor rezistoru série
Naid Setup () {
Serial.begin (9600); // inicializace sériové komunikace
}
void loop () {
int senzorValue = analogy (senzorpin); // Přečtěte si analogovou hodnotu ze senzoru
Serial.print ( 'hodnota senzoru: ');
Serial.println (senzorValue);
zpoždění (100); // zpoždění pro stabilitu
}
Tento kód čte analogovou hodnotu z FSR připojeného k analogovému vstupnímu kolíku Arduino (A0). Funkce „Ananogread ()“ vrací hodnotu mezi 0 a 1023, což představuje napětí na analogovém vstupním kolíku. Tato hodnota je poté vytištěna na sériový monitor.
Pro zatížení buňky se zesilovačem HX711 můžete použít knihovnu HX711:
#include 'hx711.h '
Měřítko HX711;
const int dt_pin = 2;
const int SCK_PIN = 3;
Naid Setup () {
Serial.begin (9600);
Scale.begin (dt_pin, SCK_PIN);
Scale.set_Scale ();
Scale.tare ();
}
void loop () {
Serial.print ( 'váha: ');
Serial.print (scale.get_units (), 1);
Serial.println ( 'g ');
zpoždění (1000);
}
Tento kód používá knihovnu HX711 k propojení se zesilovačem HX711. Měřítko `HX711;` `line vytváří instanci třídy HX711. `Scale.begin (dt_pin, SCK_PIN);` řádek inicializuje HX711 daty a hodinovými kolíky. `Scale.set_Scale ();` `řádek nastaví kalibrační faktor pro zatížení buňky. `Scale.tare ();` `` nastavuje nulový bod pro zatížení buňky. Funkce `Scale.get_units ()` vrací hmotnost v gramech.
Kalibrace je zásadní pro získání přesného měření napětí. Proces kalibrace zahrnuje porovnání výstupu senzoru se známými hodnotami napětí a nastavení kódu tak, aby kompenzovalo jakékoli chyby. Bez správné kalibrace nemusí hodnoty senzoru přesně odrážet skutečnou napěťovou sílu.
Pro FSRS můžete kalibrovat zaznamenáním hodnot senzoru v různých známých silách a vytvořením mapování mezi hodnotami a odpovídajícími silami. Toto mapování lze implementovat pomocí vyhledávací tabulky nebo matematického vzorce.
U zatížení buněk kalibrace obvykle zahrnuje použití známých hmotností. Zaznamenejte prvotní hodnoty z zatížení buňky bez použité hmotnosti (TARE). Poté položte známé hmotnosti na zatížení a zaznamenejte odpovídající hodnoty. Pomocí těchto datových bodů vypočítejte kalibrační faktor (poměr hmotnosti k čtení). Použijte tento kalibrační faktor ve vašem kódu Arduino k přeměně surových hodnot na přesná měření síly. Čím více datových bodů použijete, tím přesnější bude vaše kalibrace.
- Filtrování: Použití digitálních filtrů na data senzoru může snížit šum a zlepšit přesnost. K tomuto účelu se běžně používají pohyblivé průměrné filtry a filtry Kalman.
- Kompenzace teploty: Změny teploty mohou ovlivnit hodnoty senzoru. Implementace technik kompenzace teploty může zlepšit přesnost v širším rozsahu teplot.
- Protokolování dat: Protokolování dat senzoru na SD kartu nebo cloudovou platformu umožňuje dlouhodobé monitorování a analýzu.
- Bezdrátová komunikace: Přidání bezdrátového komunikačního modulu (např. Bluetooth nebo WiFi) umožňuje vzdálené monitorování měření napětí.
Systémy měření napětí s Arduino mají širokou škálu aplikací:
- Robotika: Sledování zátěže robotických zbraní, aby bylo zajištěno bezpečné provoz a zabránilo přetížení. Sledováním napětí v kabelech nebo kloubech robotického ramene můžete zajistit, aby rameno nepřekročilo jeho maximální zatížení.
- Nositelná technologie: Integrace do oděvů pro sledování fyzické aktivity nebo metrik zdraví. Například senzory napětí mohou být integrovány do atletického oblečení pro měření svalového napětí během cvičení nebo rehabilitace.
- Monitorování strukturálního zdraví: Detekce stresu v mostech a budovách, aby se zabránilo selhání. Senzory napětí mohou být nainstalovány na kritických strukturálních prvcích pro sledování úrovní stresu a detekování potenciálních problémů, než vedou k katastrofickým selháním.
- Sportovní vybavení: Měření metrik výkonu, jako je síla přilnavosti nebo svalové napětí. Senzory napětí mohou být použity ve sportovním vybavení, jako jsou tenisové rakety nebo golfové kluby k měření síly aplikované sportovcem.
- Průmyslová automatizace: Monitorování zátěže na strojích, aby se zabránilo přetížení a zajistilo bezpečnost. Senzory napětí mohou být použity ke sledování zátěže na dopravních pásech, jeřáby a dalších průmyslových strojích, aby se zabránilo přetížení a zajištění bezpečného provozu.
Základní systém měření napětí popsaný v tomto článku může být dále vylepšen a rozšířen tak, aby vyhovoval konkrétnějším potřebám. Například integrace více senzorů může poskytnout komplexnější pochopení distribuce napětí v systému. Přidání mechanismů řízení zpětné vazby může umožnit systému automaticky upravit úrovně napětí na základě hodnot senzoru. Začlenění algoritmů strojového učení může dále umožnit systému učit se z historických dat a předpovídat budoucí trendy napětí.
Jak technologický pokrok, můžeme očekávat, že uvidíme ještě sofistikovanější systémy měření napětí založené na Arduino a dalších mikrokontrolérech. Tyto systémy budou hrát stále důležitější roli v široké škále aplikací, od zajištění bezpečnosti naší infrastruktury až po zlepšení výkonu našich sportovců.
Budování jednoduchého systému měření napětí s Arduinem je všestranným a nákladově efektivním řešením pro měření síly v různých aplikacích. Pochopením principů provozu, správným nastavením hardwaru a pečlivým kalibrací senzoru můžete dosáhnout přesných a spolehlivých měření síly. Ať už stavíte digitální měřítko, robotickou rameno nebo soupravu pro testování materiálů, kombinace napínacích senzorů a Arduino poskytuje pro vaše projekty výkonnou platformu.
Senzor napětí je zařízení, které měří tahovou sílu vyvíjenou na kabel, řetězec nebo jiný flexibilní materiál. Na rozdíl od kompresních senzorů reagují napínací senzory na síly, které protahují nebo prodlužují snímací prvek.
Měřiče deformace fungují na základě principu, že se jejich elektrická odpor mění, když jsou vystaveny mechanickému napětí nebo napětí. Obvykle jsou spojeny s povrchem objektu pod napětím a jak se objekt deformuje, deformuje také měřič deformace, což způsobuje změnu odporu, kterou lze měřit.
Senzory Flex se obvykle používají k měření ohýbání nebo ohýbání, ale mohou být přizpůsobeny pro měření napětí v určitých aplikacích. Připevněním ohybového senzoru k flexibilnímu materiálu pod napětím může senzor detekovat množství ohybu způsobeného napěťovou silou.
HX711 je specializovaný zesilovač navržený pro zatížení buněk. Zatížení buňky produkují velmi malé změny napětí v reakci na aplikovanou sílu, často v rozsahu Millivolt. HX711 zesiluje tuto změnu malého napětí, takže Arduino je čitelný. Poskytuje také stabilní a přesný digitální výstup, snižuje hluk a zlepšuje celkovou přesnost měření síly.
K kalibraci senzoru napětí připojeného k Arduino budete potřebovat známé hmotnosti nebo síly. Nejprve zaznamenejte surové hodnoty ze senzoru bez použité síly (TARE). Poté aplikujte na senzor známé hmotnosti nebo síly a zaznamenejte odpovídající hodnoty. Pomocí těchto datových bodů vypočítejte kalibrační faktor (poměr síly k čtení). Použijte tento kalibrační faktor ve vašem kódu Arduino k přeměně surových hodnot na přesná měření síly.
[1] https://www.youtube.com/watch?v=R7OWTCE6QQC
[2] https://www.fibossensor.com/what-sensors-work-with-arduino-for-detection.html
[3] https://www.youtube.com/watch?v=vqwjzteggc4
[4] https://www.fibossensor.com/how-can-use-ase-sensor-with-with-arduino-for-force-measurement.html
[5] https://www.youtube.com/watch?v=AZMDRSYML_O
[6] https://forum.arduino.cc/t/looking-for-ate-Sensor-not-load-sensor/1017088
[7] https://www.instructables.com/arduino-pressure-sensor-fsr-with-lcd-display/
[8] https://forum.arduino.cc/t/tension-sensor-selection/564801
