Visualizzazioni: 222 Autore: Leah Publish Time: 2025-02-18 Origine: Sito
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● Comprensione dei sensori di tensione
>> Tipi di sensori di tensione
>> Considerazioni chiave per la selezione di un sensore di tensione
● Miglioramenti e direzioni future
● FAQ
>> 1. Cos'è un sensore di tensione?
>> 2. Come funzionano i calibri?
>> 3. Posso usare i sensori flessibili per misurare la tensione?
>> 4. Qual è il ruolo dell'amplificatore HX711?
>> 5. Come calibro un sensore di tensione?
La misurazione della tensione è un aspetto fondamentale in numerose applicazioni, che vanno dalla robotica e alla tecnologia indossabile al monitoraggio della salute strutturale e alle attrezzature sportive. La capacità di misurare accuratamente la tensione o la forza di trazione è essenziale per garantire la sicurezza, ottimizzare le prestazioni e prevenire i guasti. Con l'avvento di microcontrollori come Arduino, costruendo un semplice Il sistema di misurazione della tensione è diventato più accessibile ed economico. Questo articolo esplora i componenti, le tecniche e le considerazioni coinvolte nella creazione di tale sistema.
I sensori di tensione sono dispositivi specificamente progettati per misurare la forza di trazione esercitata su un cavo, una corda o qualsiasi materiale flessibile. A differenza dei sensori di compressione che misurano le forze di spinta, i sensori di tensione rispondono alle forze che allungano o allungano l'elemento di rilevamento. Comprendere le sfumature di questi sensori è essenziale per una raccolta e un'interpretazione accurate dei dati.
Diversi tipi di sensori possono essere utilizzati per la misurazione della tensione con Arduino, ciascuno che offre caratteristiche e capacità uniche:
- CELLE DI CARICA: le celle di carico sono ampiamente utilizzate nelle applicazioni di pesatura ma possono anche essere adattate per la misurazione della tensione. Operano sul principio dei calibri di deformazione, che cambiano resistenza quando si estendono. Quando viene applicata una forza di trazione, la cella di carico si deforma leggermente, causando la variazione dei manometri. Questi cambiamenti di resistenza vengono quindi convertiti in un segnale elettrico proporzionale alla forza applicata. Le celle di carico sono note per la loro robustezza e precisione, rendendole adatte a applicazioni esigenti.
- Mintegri di deformazione: gli indicatori di deformazione sono sensori resistivi che misurano la deformazione (deformazione) di un materiale quando sono sottoposti a stress. Sono in genere legati alla superficie dell'oggetto sotto tensione usando un adesivo specializzato. Quando l'oggetto è sottoposto a una forza di trazione, si deforma, causando deformarsi anche l'indicatore di deformazione. Questa deformazione altera la resistenza del calibro di deformazione, che può essere misurata usando un circuito del ponte di grano. La variazione della resistenza è direttamente proporzionale alla deformazione, consentendo una misurazione precisa della tensione.
- Resistori sensibili alla forza (FSR): gli FSR sono resistori variabili la cui resistenza cambia con la forza applicata. Sono semplici da usare ma generalmente meno accurati delle celle di carico o dei calibri. Gli FSR sono costituiti da un film polimerico conduttivo che cambia resistenza quando viene applicata la pressione sulla sua superficie. All'aumentare della forza di trazione, la resistenza diminuisce. Questa variazione di resistenza può essere facilmente misurata utilizzando un circuito del divisore di tensione, rendendo gli FSR un'opzione conveniente per prototipazione rapida e applicazioni semplici in cui un'elevata precisione non è critica.
- Sensori capacitivi: i sensori capacitivi rilevano le variazioni della capacità causate dalla tensione in un cavo o materiale. Possono essere integrati in vari materiali, fornendo un metodo senza contatto per il rilevamento della tensione. Questi sensori funzionano misurando la variazione della capacità tra due piastre conduttive quando la distanza tra loro cambia a causa della tensione. Possono essere particolarmente utili nelle applicazioni in cui il contatto fisico con il materiale in tensione è indesiderabile.
Quando si sceglie un sensore per il rilevamento della tensione con Arduino, considerare i seguenti fattori:
- Intervallo di misurazione: assicurarsi che il sensore possa misurare l'intervallo previsto delle forze di tensione senza superare la massima capacità. Il sovraccarico di un sensore può danneggiarlo o portare a letture imprecise.
- Sensibilità: una maggiore sensibilità consente misurazioni più precise, specialmente quando si tratta di piccole forze di tensione. La sensibilità si riferisce alla variazione del segnale di uscita per unità di variazione della forza di ingresso.
- Precisione: determinare il livello di precisione richiesto per l'applicazione. L'accuratezza si riferisce a quanto sono vicine le letture del sensore al vero valore della forza di tensione.
- Calibrazione: alcuni sensori richiedono la calibrazione per garantire letture accurate. La calibrazione comporta la regolazione dell'uscita del sensore per abbinare i valori di tensione noti.
- Complessità di integrazione: scegli un sensore facile da integrare con la configurazione di Arduino esistente. Considera i requisiti di cablaggio del sensore, le esigenze di condizionamento del segnale e le librerie disponibili.
- Costo: bilanciare il costo del sensore con le sue prestazioni e caratteristiche. I sensori a prestazioni più elevate spesso hanno un prezzo più elevato.
Per creare un semplice sistema di misurazione della tensione con Arduino, avrai bisogno dei seguenti componenti:
1. Scheda Arduino: un Arduino UNO o una scheda simile funge da microcontrollore per elaborare i dati del sensore e controllare il sistema. Arduino fornisce la necessaria potenza di elaborazione, memoria e pin di input/output per l'interfaccia con il sensore di tensione e altri componenti.
2. Sensore di tensione: selezionare un sensore di tensione appropriato in base ai requisiti dell'applicazione (ad es. Cella di carico, misurazione di deformazione o FSR). La scelta del sensore dipenderà dall'intervallo di misurazione, dai requisiti di accuratezza e dalla complessità di integrazione del progetto.
3. Amplificatore del segnale (se necessario): alcuni sensori di tensione, come celle di carico, producono cambiamenti di tensione molto piccoli che richiedono l'amplificazione. Un amplificatore HX711 è comunemente usato per questo scopo. HX711 è un amplificatore specializzato progettato per amplificare i piccoli segnali analogici dalle celle di carico e convertirli in segnali digitali che possono essere facilmente letti dall'Arduino.
4. Resistori: richiesto per la creazione di divisori di tensione o circuiti di polarizzazione per determinati tipi di sensori come gli FSR. I resistori vengono utilizzati per creare un circuito del divisore di tensione, che converte la variazione della resistenza dell'FSR in un segnale di tensione che può essere letto dall'ingresso analogico di Arduino.
5. Fili per breadboard e jumper: per la prototipazione e la connessione dei componenti. Una breadboard fornisce un modo conveniente per prototipo di circuiti senza saldatura, mentre i fili dei jumper vengono utilizzati per stabilire collegamenti elettrici tra i componenti.
6. Alimentazione: alimentare la scheda Arduino e il sensore di tensione. Un alimentatore stabile e affidabile è essenziale per garantire misurazioni accurate e coerenti.
7. Display (opzionale): è possibile utilizzare uno schermo LCD o un monitor seriale per visualizzare le misurazioni della tensione. Una schermata LCD fornisce una visualizzazione visiva delle letture di tensione, mentre il monitor seriale consente di visualizzare i dati sul computer.
Il cablaggio e le connessioni varieranno a seconda del tipo di sensore di tensione scelto. Ecco un esempio di come collegare una resistenza sensibile alla forza (FSR) a un Arduino:
1. Collegare un'estremità dell'FSR a una fornitura da 5 V.
2. Collegare l'altra estremità dell'FSR a un perno di ingresso analogico su Arduino (EG, A0).
3. Collegare un resistore (ad es. 10kΩ) dal pin di ingresso analogico a terra per creare un divisore di tensione.
Fsr ------> Arduino A0
|
Resistenza da 10kΩ
|
GND
In questa configurazione, l'FSR e il resistore da 10kΩ formano un divisore di tensione. Poiché la resistenza dell'FSR cambia con la forza applicata, la tensione sul pin di ingresso analogico cambia proporzionalmente. Arduino può quindi leggere questa tensione e convertirla in una misurazione di tensione.
Per le celle di carico, le connessioni coinvolgono in genere un amplificatore HX711:
| Carica cella | HX711 |
|---|---|
| Rosso (e+) | E+ |
| Nero (e-) | E- |
| Bianco (a-) | UN- |
| Verde (a+) | A+ |
Collega l'HX711 all'Arduino come segue:
| HX711 | Arduino |
|---|---|
| Dt | Pin 2 |
| SCK | Pin 3 |
| VCC | 5v |
| GND | GND |
L'HX711 comunica con l'Arduino usando un'interfaccia seriale. Il pin DT (dati) trasmette i dati del sensore amplificato e digitalizzato, mentre il pin SCK (clock seriale) fornisce il segnale di temporizzazione per la comunicazione. Collegando questi pin all'Arduino, è possibile leggere le misurazioni della tensione dalla cella di carico.
Il codice Arduino dipenderà dal tipo di sensore e dalla funzionalità desiderata. Ecco un esempio di codice per la lettura di un FSR e la visualizzazione dei valori sul monitor seriale:
const int sensorpin = a0; // Pin analogico collegato all'FSR
const int resistorValue = 10000; // Resistenza della resistenza in serie
void setup () {
Serial.begin (9600); // Inizializza la comunicazione seriale
}
void loop () {
int sensorValue = analogread (sensorpin); // Leggi il valore analogico dal sensore
Serial.print ( 'Valore del sensore: ');
Serial.println (sensorvalue);
ritardo (100); // ritardo per la stabilità
}
Questo codice legge il valore analogico dall'FSR collegato al pin di ingresso analogico di Arduino (A0). La funzione `analogread ()` restituisce un valore compreso tra 0 e 1023, che rappresenta la tensione sul pin di ingresso analogico. Questo valore viene quindi stampato sul monitor seriale.
Per una cella di carico con un amplificatore HX711, è possibile utilizzare la libreria HX711:
#include 'hx711.h '
Scala HX711;
const int dt_pin = 2;
const int sck_pin = 3;
void setup () {
Serial.begin (9600);
scale.begin (dt_pin, sck_pin);
scala.set_scale ();
scale.tare ();
}
void loop () {
Serial.print ( 'peso: ');
Serial.print (scale.get_units (), 1);
Serial.println ( 'g ');
ritardo (1000);
}
Questo codice utilizza la libreria HX711 per interfacciarsi con l'amplificatore HX711. La riga `Hx711;` Crea un'istanza della classe HX711. `Scale.begin (dt_pin, sck_pin);` riga inizializza l'HX711 con i pin di dati e clock. `Scala.set_scale ();` Line imposta il fattore di calibrazione per la cella di carico. `Scale.tare ();` Line imposta il punto zero per la cella di carico. La funzione `scala.get_units ()` restituisce il peso in grammi.
La calibrazione è cruciale per ottenere misurazioni di tensione accurate. Il processo di calibrazione prevede il confronto dell'uscita del sensore con i valori di tensione noti e la regolazione del codice per compensare eventuali errori. Senza una corretta calibrazione, le letture del sensore potrebbero non riflettere accuratamente la vera forza di tensione.
Per gli FSR, è possibile calibrare registrando i valori del sensore a diverse forze note e creando una mappatura tra i valori e le forze corrispondenti. Questa mappatura può essere implementata usando una tabella di ricerca o una formula matematica.
Per le celle di carico, la calibrazione implica in genere l'uso di pesi noti. Registra le letture grezze dalla cella di carico senza peso applicato (TARE). Quindi, posizionare pesi noti sulla cella di carico e registrare le letture corrispondenti. Utilizzare questi punti dati per calcolare un fattore di calibrazione (il rapporto tra peso e lettura). Applicare questo fattore di calibrazione nel codice Arduino per convertire le letture grezze in misurazioni di forza accurate. Più punti dati usi, più accurata sarà la tua calibrazione.
- Filtraggio: l'applicazione di filtri digitali ai dati del sensore può ridurre il rumore e migliorare la precisione. I filtri in media mobile e i filtri Kalman sono comunemente utilizzati a questo scopo.
- Compensazione della temperatura: le variazioni di temperatura possono influire sulle letture del sensore. L'implementazione di tecniche di compensazione della temperatura può migliorare l'accuratezza su una gamma più ampia di temperature.
- Registrazione dei dati: la registrazione dei dati del sensore su una scheda SD o una piattaforma cloud consente il monitoraggio e l'analisi a lungo termine.
- Comunicazione wireless: l'aggiunta di un modulo di comunicazione wireless (EG, Bluetooth o WiFi) consente il monitoraggio remoto delle misurazioni della tensione.
I sistemi di misurazione della tensione con Arduino hanno una vasta gamma di applicazioni:
- Robotica: monitoraggio del carico su bracci robotici per garantire un funzionamento sicuro e prevenire il sovraccarico. Monitorando la tensione nei cavi o nelle articolazioni di un braccio robotico, è possibile garantire che il braccio non stia superando la massima capacità di carico.
- Tecnologia indossabile: integrazione in abbigliamento per monitorare l'attività fisica o le metriche di salute. Ad esempio, i sensori di tensione possono essere integrati nell'abbigliamento atletico per misurare la tensione muscolare durante l'esercizio o la riabilitazione.
- Monitoraggio della salute strutturale: rilevare lo stress nei ponti ed edifici per prevenire i guasti. I sensori di tensione possono essere installati su elementi strutturali critici per monitorare i livelli di stress e rilevare potenziali problemi prima di portare a fallimenti catastrofici.
- Equipaggiamento sportivo: misurazione di metriche delle prestazioni come la forza di presa o la tensione muscolare. I sensori di tensione possono essere utilizzati in attrezzature sportive come racchette da tennis o mazze da golf per misurare la forza applicata dall'atleta.
- Automazione industriale: monitoraggio del carico sui macchinari per prevenire il sovraccarico e garantire sicurezza. I sensori di tensione possono essere utilizzati per monitorare il carico sulle cinture del trasportatore, le gru e altri macchinari industriali per prevenire il sovraccarico e garantire un funzionamento sicuro.
Il sistema di misurazione della tensione di base descritto in questo articolo può essere ulteriormente migliorato e ampliato per soddisfare esigenze più specifiche. Ad esempio, l'integrazione di più sensori può fornire una comprensione più completa della distribuzione della tensione in un sistema. L'aggiunta di meccanismi di controllo del feedback può consentire al sistema di regolare automaticamente i livelli di tensione in base alle letture del sensore. Inoltre, l'integrazione di algoritmi di apprendimento automatico può consentire al sistema di apprendere dai dati storici e prevedere le tendenze di tensione future.
Con l'avanzare della tecnologia, possiamo aspettarci di vedere sistemi di misurazione della tensione ancora più sofisticati basati su Arduino e altri microcontrollori. Questi sistemi svolgeranno un ruolo sempre più importante in una vasta gamma di applicazioni, dalla sicurezza della nostra infrastruttura al miglioramento delle prestazioni dei nostri atleti.
Costruire un semplice sistema di misurazione della tensione con Arduino è una soluzione versatile ed economica per la misurazione della forza in varie applicazioni. Comprendendo i principi operativi, impostando correttamente l'hardware e calibrando attentamente il sensore, è possibile ottenere misurazioni di forza accurate e affidabili. Che tu stia costruendo una scala digitale, un braccio robotico o un impianto di test dei materiali, la combinazione di sensori di tensione e Arduino fornisce una potente piattaforma per i tuoi progetti.
Un sensore di tensione è un dispositivo che misura la forza di trazione esercitata su un cavo, una corda o altro materiale flessibile. A differenza dei sensori di compressione, i sensori di tensione rispondono alle forze che allungano o allungano l'elemento di rilevamento.
Gli indicatori di deformazione funzionano in base al principio secondo cui la loro resistenza elettrica cambia quando sono soggetti a sollecitazione meccanica o deformazione. Sono in genere legati alla superficie dell'oggetto sotto tensione e, man mano che l'oggetto si deforma, si deforma anche il calibro di deformazione, causando una variazione di resistenza che può essere misurata.
I sensori flessibili vengono generalmente utilizzati per misurare la flessione o la flessione, ma possono essere adattati per la misurazione della tensione in alcune applicazioni. Collegando un sensore flessibile a un materiale flessibile in tensione, il sensore può rilevare la quantità di flessione causata dalla forza di tensione.
HX711 è un amplificatore specializzato progettato per le celle di carico. Le celle di carico producono variazioni di tensione molto piccola in risposta alla forza applicata, spesso nell'intervallo di millittolt. L'HX711 amplifica questa piccola modifica della tensione, rendendolo leggibile dall'Arduino. Fornisce inoltre una produzione digitale stabile e accurata, riducendo il rumore e migliorando la precisione complessiva della misurazione della forza.
Per calibrare un sensore di tensione collegato a un Arduino, avrai bisogno di pesi o forze conosciute. Innanzitutto, registrare le letture grezze dal sensore senza forza applicata (tara). Quindi, applica pesi o forze note al sensore e registra le letture corrispondenti. Utilizzare questi punti dati per calcolare un fattore di calibrazione (il rapporto tra forza e lettura). Applicare questo fattore di calibrazione nel codice Arduino per convertire le letture grezze in misurazioni di forza accurate.
[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-use-a-sensor-tension-with-duino-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-moad-sensor/1017088
[7] https://www.instructables.com/arduino-pressure-sensor-fsr-with-lcd-display/
[8] https://forum.arduino.cc/t/tension-sensor-selection/564801
