Vistas: 222 Autor: Leah Publish Hora: 2025-02-18 Origen: Sitio
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● Comprender los sensores de tensión
>> Tipos de sensores de tensión
>> Consideraciones clave para seleccionar un sensor de tensión
● Mejoras y direcciones futuras
>> 1. ¿Qué es un sensor de tensión?
>> 2. ¿Cómo funcionan los medidores de tensión?
>> 3. ¿Puedo usar sensores flexibles para medir la tensión?
>> 4. ¿Cuál es el papel del amplificador HX711?
>> 5. ¿Cómo calibro un sensor de tensión?
● Citas:
La medición de la tensión es un aspecto crítico en numerosas aplicaciones, desde robótica y tecnología portátil hasta monitoreo de salud estructural y equipos deportivos. La capacidad de medir con precisión la tensión o la fuerza de extracción es esencial para garantizar la seguridad, optimizar el rendimiento y prevenir fallas. Con el advenimiento de los microcontroladores como Arduino, construyendo un simple El sistema de medición de tensión se ha vuelto más accesible y rentable. Este artículo explora los componentes, técnicas y consideraciones involucradas en la creación de dicho sistema.
Los sensores de tensión son dispositivos diseñados específicamente para medir la fuerza de tracción ejercida sobre un cable, una cadena o cualquier material flexible. A diferencia de los sensores de compresión que miden las fuerzas de empuje, los sensores de tensión responden a las fuerzas que estiran o alargan el elemento de detección. Comprender los matices de estos sensores es esencial para la recopilación e interpretación de datos precisas.
Se pueden usar varios tipos de sensores para la medición de la tensión con Arduino, cada uno que ofrece características y capacidades únicas:
- Celdas de carga: las celdas de carga se usan ampliamente en aplicaciones de pesaje, pero también se pueden adaptar para la medición de la tensión. Operan en el principio de los medidores de tensión, que cambian la resistencia cuando se estiran. Cuando se aplica una fuerza de tracción, la celda de carga se deforma ligeramente, lo que hace que los medidores de tensión cambien la resistencia. Estos cambios de resistencia se convierten en una señal eléctrica proporcional a la fuerza aplicada. Las células de carga son conocidas por su robustez y precisión, lo que las hace adecuadas para aplicaciones exigentes.
- Medidores de tensión: los medidores de tensión son sensores resistivos que miden la tensión (deformación) de un material cuando se someten a estrés. Por lo general, se unen a la superficie del objeto bajo tensión utilizando un adhesivo especializado. Cuando el objeto se somete a una fuerza de tracción, se deforma, lo que hace que el medidor de tensión también se deforma. Esta deformación altera la resistencia del medidor de deformación, que se puede medir utilizando un circuito de puente de piedra de trigo. El cambio en la resistencia es directamente proporcional a la tensión, lo que permite una medición precisa de la tensión.
- Resistencias sensibles de fuerza (FSR): los FSR son resistencias variables cuya resistencia cambia con la fuerza aplicada. Son fáciles de usar pero generalmente menos precisos que las celdas de carga o los medidores de tensión. Los FSR consisten en una película de polímero conductor que cambia la resistencia cuando la presión se aplica a su superficie. A medida que aumenta la fuerza de tracción, la resistencia disminuye. Este cambio en la resistencia se puede medir fácilmente utilizando un circuito de divisor de voltaje, lo que hace que los FSR sean una opción conveniente para prototipos rápidos y aplicaciones simples donde la alta precisión no es crítica.
- Sensores capacitivos: los sensores capacitivos detectan cambios en la capacitancia causados por la tensión en un cable o material. Se pueden integrar en varios materiales, proporcionando un método sin contacto para la detección de tensión. Estos sensores funcionan midiendo el cambio de capacitancia entre dos placas conductoras a medida que la distancia entre ellos cambia debido a la tensión. Pueden ser particularmente útiles en aplicaciones donde el contacto físico con el material bajo tensión no es deseable.
Al elegir un sensor para la detección de tensión con Arduino, considere los siguientes factores:
- Rango de medición: asegúrese de que el sensor pueda medir el rango esperado de fuerzas de tensión sin exceder su capacidad máxima. La sobrecarga de un sensor puede dañarlo o conducir a lecturas inexactas.
- Sensibilidad: una mayor sensibilidad permite mediciones más precisas, especialmente cuando se trata de pequeñas fuerzas de tensión. La sensibilidad se refiere al cambio en la señal de salida por unidad de cambio en la fuerza de entrada.
- Precisión: determine el nivel de precisión requerido para su aplicación. La precisión se refiere a cuán cerca están las lecturas del sensor al verdadero valor de la fuerza de tensión.
- Calibración: algunos sensores requieren calibración para garantizar lecturas precisas. La calibración implica ajustar la salida del sensor para que coincidan con los valores de tensión conocidos.
- Complejidad de integración: elija un sensor que sea fácil de integrar con su configuración de Arduino existente. Considere los requisitos de cableado del sensor, las necesidades de acondicionamiento de la señal y las bibliotecas disponibles.
- Costo: equilibrar el costo del sensor con su rendimiento y características. Los sensores de mayor rendimiento a menudo vienen con un precio más alto.
Para construir un sistema de medición de tensión simple con Arduino, necesitará los siguientes componentes:
1. Tablero de Arduino: un arduino uno o una placa similar sirve como microcontrolador para procesar los datos del sensor y controlar el sistema. El Arduino proporciona la potencia de procesamiento, la memoria y los pines de entrada/salida necesarios para la interfaz con el sensor de tensión y otros componentes.
2. Sensor de tensión: seleccione un sensor de tensión apropiado basado en los requisitos de su aplicación (por ejemplo, celda de carga, calibre de deformación o FSR). La elección del sensor dependerá del rango de medición, los requisitos de precisión y la complejidad de integración de su proyecto.
3. Amplificador de señal (si es necesario): algunos sensores de tensión, como las celdas de carga, producen cambios de voltaje muy pequeños que requieren amplificación. Un amplificador HX711 se usa comúnmente para este propósito. El HX711 es un amplificador especializado diseñado para amplificar las pequeñas señales analógicas de las celdas de carga y convertirlas en señales digitales que el Arduino puede leer fácilmente.
4. Resistencias: requeridas para crear divisores de voltaje o circuitos de sesgo para ciertos tipos de sensores como FSRS. Las resistencias se utilizan para crear un circuito divisor de voltaje, que convierte el cambio en la resistencia de la FSR en una señal de voltaje que puede ser leída por la entrada analógica del Arduino.
5. Cabinos de placa y jersey: para prototipos y conexión de los componentes. Una placa de pan proporciona una forma conveniente de prototipos de circuitos sin soldar, mientras que los cables de jersey se usan para hacer conexiones eléctricas entre los componentes.
6. Fuente de alimentación: para alimentar la placa Arduino y el sensor de tensión. Una fuente de alimentación estable y confiable es esencial para garantizar mediciones precisas y consistentes.
7. Pantalla (opcional): se puede usar una pantalla LCD o un monitor en serie para mostrar las mediciones de tensión. Una pantalla LCD proporciona una visualización visual de las lecturas de tensión, mientras que el monitor en serie le permite ver los datos en su computadora.
El cableado y las conexiones variarán según el tipo de sensor de tensión que elija. Aquí hay un ejemplo de cómo conectar una resistencia sensible a la fuerza (FSR) a un Arduino:
1. Conecte un extremo de la FSR a un suministro de 5V.
2. Conecte el otro extremo de la FSR a un pin de entrada analógica en el Arduino (por ejemplo, A0).
3. Conecte una resistencia (por ejemplo, 10kΩ) desde el pin de entrada analógica al suelo para crear un divisor de voltaje.
FSR ----> Arduino A0
|
Resistencia de 10kΩ
|
Gnd
En esta configuración, el FSR y la resistencia de 10kΩ forman un divisor de voltaje. A medida que la resistencia de la FSR cambia con la fuerza aplicada, el voltaje al pin de entrada analógica cambia proporcionalmente. El Arduino puede leer este voltaje y convertirlo en una medición de tensión.
Para las celdas de carga, las conexiones generalmente involucran un amplificador HX711:
| Carga de celda | HX711 |
|---|---|
| Rojo (E+) | E+ |
| Negro (e-) | MI- |
| Blanco (a-) | A- |
| Verde (a+) | A+ |
Conecte el HX711 al Arduino de la siguiente manera:
| HX711 | Arduino |
|---|---|
| Dt | Pin 2 |
| Sck | Pin 3 |
| VCC | 5V |
| Gnd | Gnd |
El HX711 se comunica con el Arduino usando una interfaz serie. El pin DT (Datos) transmite los datos del sensor amplificados y digitalizados, mientras que el pin SCK (reloj en serie) proporciona la señal de sincronización para la comunicación. Al conectar estos pines al Arduino, puede leer las mediciones de tensión de la celda de carga.
El código Arduino dependerá del tipo de sensor y de la funcionalidad deseada. Aquí hay un ejemplo de código para leer un FSR y mostrar los valores en el monitor en serie:
const int sensorPin = a0; // Pin analógico conectado al FSR
const int resistenteValue = 10000; // Resistencia de la resistencia de la serie
setup () void {
Serial.Begin (9600); // Inicializar la comunicación en serie
}
bucle void () {
int sensorValue = Analogread (sensorPin); // Lea el valor analógico del sensor
Serial.print ( 'Valor del sensor: ');
Serial.println (SensorValue);
retraso (100); // retraso para la estabilidad
}
Este código lee el valor analógico del FSR conectado al pin de entrada analógica del Arduino (A0). La función `anicoGread ()` devuelve un valor entre 0 y 1023, que representa el voltaje en el pin de entrada analógica. Este valor se imprime luego en el monitor en serie.
Para una celda de carga con un amplificador HX711, puede usar la biblioteca HX711:
#include 'hx711.h '
Escala HX711;
const int dt_pin = 2;
const int sck_pin = 3;
setup () void {
Serial.Begin (9600);
scale.begin (dt_pin, sck_pin);
scale.set_scale ();
escala.tare ();
}
bucle void () {
Serial.print ( 'peso: ');
Serial.print (scale.get_units (), 1);
Serial.println ( 'g ');
retraso (1000);
}
Este código utiliza la biblioteca HX711 para interactuar con el amplificador HX711. La escala `Hx711;` la línea crea una instancia de la clase HX711. La `escala.begin (dt_pin, sck_pin);` La línea inicializa el HX711 con los pasadores de datos y reloj. La línea `escala.set_scale ();` establece el factor de calibración para la celda de carga. La línea `scale.tare ();` establece el punto cero para la celda de carga. La función `escala.get_units ()` devuelve el peso en gramos.
La calibración es crucial para obtener mediciones de tensión precisas. El proceso de calibración implica comparar la salida del sensor con los valores de tensión conocidos y ajustar el código para compensar cualquier error. Sin la calibración adecuada, las lecturas del sensor pueden no reflejar con precisión la verdadera fuerza de tensión.
Para los FSR, puede calibrar registrando los valores del sensor en diferentes fuerzas conocidas y creando un mapeo entre los valores y las fuerzas correspondientes. Esta asignación se puede implementar utilizando una tabla de búsqueda o una fórmula matemática.
Para las células de carga, la calibración generalmente implica el uso de pesos conocidos. Registre las lecturas sin procesar desde la celda de carga sin peso aplicado (TARE). Luego, coloque pesos conocidos en la celda de carga y registre las lecturas correspondientes. Use estos puntos de datos para calcular un factor de calibración (la relación de peso para la lectura). Aplique este factor de calibración en su código Arduino para convertir las lecturas sin procesar en mediciones de fuerza precisas. Cuantos más puntos de datos use, más precisa será su calibración.
- Filtrado: la aplicación de filtros digitales a los datos del sensor puede reducir el ruido y mejorar la precisión. Los filtros de promedio móvil y los filtros de Kalman se usan comúnmente para este propósito.
- Compensación de temperatura: los cambios de temperatura pueden afectar las lecturas del sensor. La implementación de técnicas de compensación de temperatura puede mejorar la precisión en un rango más amplio de temperaturas.
- Registro de datos: registrar los datos del sensor en una tarjeta SD o plataforma en la nube permite un monitoreo y análisis a largo plazo.
- Comunicación inalámbrica: agregar un módulo de comunicación inalámbrica (por ejemplo, Bluetooth o WiFi) permite el monitoreo remoto de las mediciones de tensión.
Los sistemas de medición de tensión con Arduino tienen una amplia gama de aplicaciones:
- Robótica: monitorear la carga en brazos robóticos para garantizar un funcionamiento seguro y evitar la sobrecarga. Al monitorear la tensión en los cables o juntas de un brazo robótico, puede asegurarse de que el brazo no exceda su capacidad de carga máxima.
- Tecnología portátil: integrarse en la ropa para monitorear la actividad física o las métricas de salud. Por ejemplo, los sensores de tensión pueden integrarse en la ropa deportiva para medir la tensión muscular durante el ejercicio o la rehabilitación.
- Monitoreo de salud estructural: detección de estrés en puentes y edificios para prevenir fallas. Los sensores de tensión se pueden instalar en elementos estructurales críticos para monitorear los niveles de estrés y detectar problemas potenciales antes de que conduzcan a fallas catastróficas.
- Equipo deportivo: medición de métricas de rendimiento como la fuerza de agarre o la tensión muscular. Los sensores de tensión se pueden usar en equipos deportivos como raquetas de tenis o clubes de golf para medir la fuerza aplicada por el atleta.
- Automatización industrial: monitoreo de carga en maquinaria para evitar sobrecarga y garantizar la seguridad. Se pueden usar sensores de tensión para monitorear la carga en cintas transportadoras, grúas y otra maquinaria industrial para evitar sobrecarga y garantizar una operación segura.
El sistema básico de medición de tensión descrito en este artículo puede mejorarse y ampliarse para satisfacer las necesidades más específicas. Por ejemplo, la integración de múltiples sensores puede proporcionar una comprensión más completa de la distribución de tensión en un sistema. Agregar mecanismos de control de retroalimentación puede permitir que el sistema ajuste automáticamente los niveles de tensión en función de las lecturas del sensor. Además, la incorporación de algoritmos de aprendizaje automático puede permitir que el sistema aprenda de los datos históricos y predice las tendencias de tensión futuras.
A medida que avanza la tecnología, podemos esperar ver sistemas de medición de tensión aún más sofisticados basados en Arduino y otros microcontroladores. Estos sistemas desempeñarán un papel cada vez más importante en una amplia gama de aplicaciones, desde garantizar la seguridad de nuestra infraestructura hasta mejorar el rendimiento de nuestros atletas.
Construir un sistema de medición de tensión simple con Arduino es una solución versátil y rentable para la medición de la fuerza en diversas aplicaciones. Al comprender los principios de operación, configurar adecuadamente el hardware y calibrar cuidadosamente el sensor, puede lograr mediciones de fuerza precisas y confiables. Ya sea que esté construyendo una escala digital, un brazo robótico o una plataforma de prueba de materiales, la combinación de sensores de tensión y Arduino proporciona una plataforma poderosa para sus proyectos.
Un sensor de tensión es un dispositivo que mide la fuerza de tracción ejercida sobre un cable, una cuerda u otro material flexible. A diferencia de los sensores de compresión, los sensores de tensión responden a las fuerzas que se extienden o alargan el elemento de detección.
Los medidores de deformación funcionan en función del principio de que su resistencia eléctrica cambia cuando están sujetos a estrés o tensión mecánica. Por lo general, se unen a la superficie del objeto bajo tensión, y a medida que el objeto se deforma, el medidor de deformación también se deforma, causando un cambio en la resistencia que se puede medir.
Los sensores flexibles se usan típicamente para medir la flexión o la flexión, pero se pueden adaptar para la medición de la tensión en ciertas aplicaciones. Al unir un sensor flexible a un material flexible bajo tensión, el sensor puede detectar la cantidad de flexión causada por la fuerza de tensión.
El HX711 es un amplificador especializado diseñado para celdas de carga. Las células de carga producen cambios de voltaje muy pequeños en respuesta a la fuerza aplicada, a menudo en el rango de milivoltios. El HX711 amplifica este pequeño cambio de voltaje, lo que lo hace legible por el Arduino. También proporciona una salida digital estable y precisa, reduciendo el ruido y mejorando la precisión general de la medición de la fuerza.
Para calibrar un sensor de tensión conectado a un Arduino, necesitará pesas o fuerzas conocidas. Primero, registre las lecturas sin procesar del sensor sin fuerza aplicada (TARE). Luego, aplique pesas o fuerzas conocidas al sensor y registre las lecturas correspondientes. Use estos puntos de datos para calcular un factor de calibración (la relación de fuerza con la lectura). Aplique este factor de calibración en su código Arduino para convertir las lecturas sin procesar en mediciones de fuerza precisas.
[1] https://www.youtube.com/watch?v=r7owtce6qqc
[2] https://www.fibossensor.com/what-sensors-work-best-with-arduino-for-tension-detection.html
[3] https://www.youtube.com/watch?v=vqwjzteggc4
[4] https://www.fibossensor.com/how-can-i-use-a-sensor-tension-with-arduino-for-force-measurement.html
[5] https://www.youtube.com/watch?v=azmdrsyml_o
[6] https://forum.arduino.cc/t/looking-for-a-tension-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
