Vues: 222 Auteur: Leah Publish Heure: 2025-02-18 Origine: Site
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● Comprendre les capteurs de tension
>> Types de capteurs de tension
>> Considérations clés pour sélectionner un capteur de tension
● Améliorations et orientations futures
● FAQ
>> 1. Qu'est-ce qu'un capteur de tension?
>> 2. Comment fonctionnent les jauges de contrainte?
>> 3. Puis-je utiliser des capteurs flexibles pour mesurer la tension?
>> 4. Quel est le rôle de l'amplificateur HX711?
>> 5. Comment puis-je calibrer un capteur de tension?
La mesure des tensions est un aspect essentiel dans de nombreuses applications, allant de la robotique et de la technologie portable à la surveillance de la santé structurelle et aux équipements sportifs. La capacité de mesurer avec précision la tension ou la force de traction est essentielle pour assurer la sécurité, l'optimisation des performances et la prévention des échecs. Avec l'avènement des microcontrôleurs comme Arduino, construisant un simple Le système de mesure des tensions est devenu plus accessible et plus rentable. Cet article explore les composants, les techniques et les considérations impliqués dans la création d'un tel système.
Les capteurs de tension sont des appareils spécialement conçus pour mesurer la force de traction exercée sur un câble, une corde ou tout matériau flexible. Contrairement aux capteurs de compression qui mesurent les forces de poussée, les capteurs de tension réagissent aux forces qui s'étendent ou allongent l'élément de détection. Il est essentiel de comprendre les nuances de ces capteurs pour la collecte et l'interprétation précises des données.
Plusieurs types de capteurs peuvent être utilisés pour la mesure de la tension avec Arduino, chacun offrant des caractéristiques et des capacités uniques:
- Cellules de charge: les cellules de charge sont largement utilisées dans les applications de pesée mais peuvent également être adaptées pour la mesure de la tension. Ils opèrent sur le principe des jauges de contrainte, qui changent de résistance lorsqu'ils sont étirés. Lorsqu'une force de traction est appliquée, la cellule de charge se déforme légèrement, ce qui fait que les jauges de contrainte modifient la résistance. Ces changements de résistance sont ensuite convertis en un signal électrique proportionnel à la force appliquée. Les cellules de chargement sont connues pour leur robustesse et leur précision, ce qui les rend adaptées aux applications exigeantes.
- Gauges de contrainte: les jauges de contrainte sont des capteurs résistifs qui mesurent la déformation (déformation) d'un matériau lorsqu'ils sont soumis à une contrainte. Ils sont généralement liés à la surface de l'objet sous tension à l'aide d'un adhésif spécialisé. Lorsque l'objet est soumis à une force de traction, il se déforme, provoquant également une déformation de la jauge de déformation. Cette déformation modifie la résistance de la jauge de déformation, qui peut être mesurée à l'aide d'un circuit de pont de blé. Le changement de résistance est directement proportionnel à la déformation, permettant une mesure précise de la tension.
- Force des résistances sensibles (FSRS): les FSR sont des résistances variables dont la résistance change avec la force appliquée. Ils sont simples à utiliser mais généralement moins précis que les cellules de charge ou les jauges de contrainte. Les FSR sont constitués d'un film polymère conducteur qui modifie la résistance lorsque la pression est appliquée à sa surface. À mesure que la force de traction augmente, la résistance diminue. Ce changement de résistance peut être facilement mesuré à l'aide d'un circuit de diviseur de tension, faisant des FSR une option pratique pour le prototypage rapide et des applications simples où une grande précision n'est pas critique.
- Capteurs capacitifs: les capteurs capacitifs détectent les modifications de la capacité causées par la tension dans un câble ou un matériau. Ils peuvent être intégrés dans divers matériaux, fournissant une méthode sans contact pour la détection de tension. Ces capteurs fonctionnent en mesurant le changement de capacité entre deux plaques conductrices à mesure que la distance entre elles change due à la tension. Ils peuvent être particulièrement utiles dans les applications où le contact physique avec le matériau sous tension n'est pas souhaitable.
Lorsque vous choisissez un capteur de détection de tension avec Arduino, considérez les facteurs suivants:
- Plage de mesure: Assurez-vous que le capteur peut mesurer la plage attendue des forces de tension sans dépasser sa capacité maximale. La surcharge d'un capteur peut l'endommager ou entraîner des lectures inexactes.
- Sensibilité: une sensibilité plus élevée permet des mesures plus précises, en particulier lorsqu'elles traitent de petites forces de tension. La sensibilité fait référence au changement de signal de sortie par unité de changement de force d'entrée.
- Précision: déterminez le niveau de précision requis pour votre application. La précision fait référence à la proximité des lectures du capteur à la valeur réelle de la force de tension.
- Calibrage: certains capteurs nécessitent un étalonnage pour assurer des lectures précises. L'étalonnage consiste à régler la sortie du capteur pour correspondre aux valeurs de tension connues.
- Complexité d'intégration: choisissez un capteur facile à intégrer à votre configuration Arduino existante. Considérez les exigences de câblage du capteur, les besoins de conditionnement du signal et les bibliothèques disponibles.
- Coût: équilibrez le coût du capteur avec ses performances et ses fonctionnalités. Les capteurs plus performants sont souvent livrés à un prix plus élevé.
Pour construire un système de mesure de tension simple avec Arduino, vous aurez besoin des composants suivants:
1. Board Arduino: un Arduino Uno ou une carte similaire sert de microcontrôleur pour traiter les données des capteurs et contrôler le système. L'Arduino fournit la puissance de traitement, la mémoire et les broches d'entrée / sortie nécessaires pour l'interfaçage avec le capteur de tension et d'autres composants.
2. Capteur de tension: sélectionnez un capteur de tension approprié en fonction de vos exigences d'application (par exemple, cellule de charge, jauge de déformation ou FSR). Le choix du capteur dépendra de la plage de mesure, des exigences de précision et de la complexité d'intégration de votre projet.
3. Amplificateur de signal (si nécessaire): certains capteurs de tension, comme les cellules de charge, produisent de très petites changements de tension qui nécessitent une amplification. Un amplificateur HX711 est couramment utilisé à cette fin. Le HX711 est un amplificateur spécialisé conçu pour amplifier les petits signaux analogiques des cellules de charge et les convertir en signaux numériques qui peuvent être facilement lus par l'Arduino.
4. Résistances: requise pour créer des diviseurs de tension ou des circuits de biais pour certains types de capteurs comme les FSR. Les résistances sont utilisées pour créer un circuit de diviseur de tension, qui convertit le changement de résistance du FSR en un signal de tension qui peut être lu par l'entrée analogique d'Arduino.
5. Fils de planche à pain et de cavalier: pour le prototypage et la connexion des composants. Une planche à pain offre un moyen pratique de prototyper les circuits sans soudure, tandis que les fils de cavalier sont utilisés pour établir des connexions électriques entre les composants.
6. Alimentation électrique: pour alimenter la carte Arduino et le capteur de tension. Une alimentation stable et fiable est essentielle pour assurer des mesures précises et cohérentes.
7. Affichage (facultatif): un écran LCD ou un moniteur série peut être utilisé pour afficher les mesures de tension. Un écran LCD fournit un affichage visuel des lectures de tension, tandis que le moniteur série vous permet d'afficher les données de votre ordinateur.
Le câblage et les connexions varieront en fonction du type de capteur de tension que vous choisissez. Voici un exemple de la façon de connecter une résistance sensible à la force (FSR) à un arduino:
1. Connectez une extrémité du FSR à une alimentation 5V.
2. Connectez l'autre extrémité du FSR à une broche d'entrée analogique sur l'Arduino (par exemple, A0).
3. Connectez une résistance (par exemple, 10kΩ) de la broche d'entrée analogique au sol pour créer un diviseur de tension.
FSR ----> Arduino A0
|
Résistance de 10 kΩ
|
GND
Dans cette configuration, le FSR et la résistance de 10kΩ forment un diviseur de tension. À mesure que la résistance du FSR change avec la force appliquée, la tension à la broche d'entrée analogique change proportionnellement. L'Arduino peut ensuite lire cette tension et la convertir en une mesure de tension.
Pour les cellules de charge, les connexions impliquent généralement un amplificateur HX711:
| Cellule de chargement | HX711 |
|---|---|
| Rouge (e +) | E + |
| Noir (e-) | E- |
| Blanc (a-) | UN- |
| Vert (a +) | A + |
Connectez le HX711 à l'Arduino comme suit:
| HX711 | Arduino |
|---|---|
| Dt | PIN 2 |
| SCK | PIN 3 |
| VCC | 5V |
| GND | GND |
Le HX711 communique avec l'Arduino à l'aide d'une interface série. La broche DT (données) transmet les données de capteur amplifiées et numérisées, tandis que la broche SCK (horloge série) fournit le signal de synchronisation de la communication. En connectant ces épingles à l'Arduino, vous pouvez lire les mesures de tension à partir de la cellule de charge.
Le code Arduino dépendra du type de capteur et des fonctionnalités souhaitées. Voici un exemple de code pour lire un FSR et afficher les valeurs du moniteur série:
const int capnorpin = a0; // Pin analogique connecté au FSR
const int résistorvalue = 10000; // Résistance de la résistance de la série
void setup () {
Serial.begin (9600); // Initialiser la communication série
}
VOID LOOP () {
int caporValue = analogread (SensorPin); // Lire la valeur analogique du capteur
Serial.print ( 'Valeur du capteur: ');
Serial.println (SensorValue);
retard (100); // retard de stabilité
}
Ce code lit la valeur analogique à partir du FSR connecté à la broche d'entrée analogique d'Arduino (A0). La fonction `analograad ()` renvoie une valeur entre 0 et 1023, qui représente la tension à la broche d'entrée analogique. Cette valeur est ensuite imprimée au moniteur série.
Pour une cellule de charge avec un amplificateur HX711, vous pouvez utiliser la bibliothèque HX711:
#include 'hx711.h '
Échelle HX711;
const int dt_pin = 2;
const int sk_pin = 3;
void setup () {
Serial.begin (9600);
Scale.Begin (DT_PIN, SCK_PIN);
scale.set_scale ();
scale.tare ();
}
VOID LOOP () {
Serial.print ( 'poids: ');
Serial.print (scale.get_units (), 1);
Serial.println ( 'g ');
retard (1000);
}
Ce code utilise la bibliothèque HX711 pour s'interfacer avec l'amplificateur HX711. L'échelle `HX711;` Line crée une instance de la classe HX711. Le `Scale.Begin (DT_PIN, SCK_PIN);` Ligne initialise le HX711 avec les données et les broches d'horloge. La ligne `scale.set_scale ();` définit le facteur d'étalonnage pour la cellule de charge. La ligne `Scale.tare ();` définit le point zéro pour la cellule de charge. La fonction `scale.get_units ()` renvoie le poids en grammes.
L'étalonnage est crucial pour obtenir des mesures de tension précises. Le processus d'étalonnage consiste à comparer la sortie du capteur aux valeurs de tension connues et à ajuster le code pour compenser toute erreur. Sans étalonnage approprié, les lectures du capteur peuvent ne pas refléter avec précision la véritable force de tension.
Pour les FSR, vous pouvez calibrer en enregistrant les valeurs du capteur à différentes forces connues et en créant un mappage entre les valeurs et les forces correspondantes. Ce mappage peut être mis en œuvre à l'aide d'une table de recherche ou d'une formule mathématique.
Pour les cellules de charge, l'étalonnage implique généralement l'utilisation de poids connus. Enregistrez les lectures brutes de la cellule de charge sans poids appliqué (tare). Ensuite, placez des poids connus sur la cellule de charge et enregistrez les lectures correspondantes. Utilisez ces points de données pour calculer un facteur d'étalonnage (le rapport de poids à la lecture). Appliquez ce facteur d'étalonnage dans votre code Arduino pour convertir les lectures brutes en mesures de force précises. Plus vous utilisez de points de données, plus votre étalonnage sera précis.
- Filtrage: l'application de filtres numériques aux données du capteur peut réduire le bruit et améliorer la précision. Les filtres moyens mobiles et les filtres Kalman sont couramment utilisés à cette fin.
- Compensation de température: les changements de température peuvent affecter les lectures du capteur. La mise en œuvre des techniques de compensation de température peut améliorer la précision sur une gamme plus large de températures.
- Enregistrement des données: la journalisation des données du capteur à une carte SD ou à une plate-forme cloud permet une surveillance et une analyse à long terme.
- Communication sans fil: l'ajout d'un module de communication sans fil (par exemple, Bluetooth ou WiFi) permet la surveillance à distance des mesures de tension.
Les systèmes de mesure de la tension avec Arduino ont une large gamme d'applications:
- Robotique: surveillance de la charge sur les bras robotiques pour assurer un fonctionnement sûr et empêcher la surcharge. En surveillant la tension dans les câbles ou les articulations d'un bras robotique, vous pouvez vous assurer que le bras ne dépasse pas sa capacité de charge maximale.
- Technologie portable: intégrer dans les vêtements pour surveiller l'activité physique ou les mesures de santé. Par exemple, les capteurs de tension peuvent être intégrés dans les vêtements de sport pour mesurer la tension musculaire pendant l'exercice ou la réhabilitation.
- Surveillance de la santé structurelle: détection de stress dans les ponts et les bâtiments pour éviter les échecs. Les capteurs de tension peuvent être installés sur des éléments structurels critiques pour surveiller les niveaux de stress et détecter les problèmes potentiels avant de conduire à des défaillances catastrophiques.
- Équipement sportif: mesurer les mesures de performance comme la force de l'adhérence ou la tension musculaire. Les capteurs de tension peuvent être utilisés dans des équipements sportifs tels que les raquettes de tennis ou les clubs de golf pour mesurer la force appliquée par l'athlète.
- Automatisation industrielle: surveillance de la charge sur les machines pour éviter la surcharge et assurer la sécurité. Les capteurs de tension peuvent être utilisés pour surveiller la charge sur les ceintures, les grues et autres machines industrielles afin d'éviter la surcharge et d'assurer un fonctionnement sûr.
Le système de mesure de base de tension décrit dans cet article peut être encore amélioré et élargi pour répondre aux besoins plus spécifiques. Par exemple, l'intégration de plusieurs capteurs peut fournir une compréhension plus complète de la distribution de tension dans un système. L'ajout de mécanismes de contrôle de rétroaction peut permettre au système d'ajuster automatiquement les niveaux de tension en fonction des lectures du capteur. En outre, l'intégration des algorithmes d'apprentissage automatique peut permettre au système d'apprendre des données historiques et de prédire les tendances futures de tension.
À mesure que la technologie progresse, nous pouvons nous attendre à voir des systèmes de mesure de tension encore plus sophistiqués basés sur Arduino et d'autres microcontrôleurs. Ces systèmes joueront un rôle de plus en plus important dans un large éventail d'applications, de la sécurité de notre infrastructure à l'amélioration des performances de nos athlètes.
La construction d'un système de mesure de tension simple avec Arduino est une solution polyvalente et rentable pour la mesure de la force dans diverses applications. En comprenant les principes de fonctionnement, en configurant correctement le matériel et en calibrant soigneusement le capteur, vous pouvez obtenir des mesures de force précises et fiables. Que vous construisiez une échelle numérique, un bras robotique ou une plate-forme de test de matériaux, la combinaison de capteurs de tension et Arduino fournit une plate-forme puissante pour vos projets.
Un capteur de tension est un appareil qui mesure la force de traction exercée sur un câble, une corde ou un autre matériau flexible. Contrairement aux capteurs de compression, les capteurs de tension réagissent aux forces qui s'étendent ou allongent l'élément de détection.
Les jauges de contrainte fonctionnent en fonction du principe que leur résistance électrique change lorsqu'elles sont soumises à une contrainte ou une contrainte mécanique. Ils sont généralement liés à la surface de l'objet sous tension, et à mesure que l'objet se déforme, la jauge de déformation se déforme également, provoquant un changement de résistance qui peut être mesuré.
Les capteurs flexibles sont généralement utilisés pour mesurer la flexion ou la flexion, mais ils peuvent être adaptés pour la mesure de la tension dans certaines applications. En fixant un capteur flexible à un matériau flexible sous tension, le capteur peut détecter la quantité de flexion causée par la force de tension.
Le HX711 est un amplificateur spécialisé conçu pour les cellules de charge. Les cellules de charge produisent de très petites changements de tension en réponse à la force appliquée, souvent dans la gamme Millivolt. Le HX711 amplifie ce changement de petite tension, le rendant lisible par l'Arduino. Il fournit également une sortie numérique stable et précise, réduisant le bruit et améliorant la précision globale de la mesure de la force.
Pour calibrer un capteur de tension connecté à un arduino, vous aurez besoin de poids ou de forces connues. Tout d'abord, enregistrez les lectures brutes du capteur sans force appliquée (tare). Ensuite, appliquez des poids ou des forces connues au capteur et enregistrez les lectures correspondantes. Utilisez ces points de données pour calculer un facteur d'étalonnage (le rapport de la force à la lecture). Appliquez ce facteur d'étalonnage dans votre code Arduino pour convertir les lectures brutes en mesures de force précises.
[1] https://www.youtube.com/watch?v=R7OWTCE6QQC
[2] https://www.fibossensor.com/what-sensors-work-best-with-arduino-for-tension-dection.html
[3] https://www.youtube.com/watch?v=vqwjzteggc4
[4] https://www.fibossensor.com/how-can-i-ise-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
