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>> 張力センサーの種類
● 配線と接続
● 較正
● 高度なテクニック
● アプリケーション
● 強化と将来の方向
● 結論
● よくある質問
>> 3.張力を測定するためにフレックスセンサーを使用できますか？
● 引用：
緊張測定は、ロボット工学やウェアラブルテクノロジーから構造的な健康監視やスポーツ用品に至るまで、多数のアプリケーションで重要な側面です。安全性を確保し、パフォーマンスを最適化し、故障を防ぐためには、緊張または引っ張りの力を正確に測定する能力が不可欠です。 Arduinoのようなマイクロコントローラーの出現により、シンプルな構築 張力測定システムは、 よりアクセスしやすく、費用対効果が高くなりました。この記事では、そのようなシステムの作成に伴うコンポーネント、テクニック、および考慮事項について説明します。
張力センサーは、ケーブル、弦、または柔軟な材料に加えられた引っ張り力を測定するように特別に設計されたデバイスです。押す力を測定する圧縮センサーとは異なり、張力センサーは、センシング要素を伸ばすか伸ばす力に応答します。これらのセンサーのニュアンスを理解することは、正確なデータ収集と解釈に不可欠です。
Arduinoを使用した張力測定には、いくつかのタイプのセンサーを使用できます。それぞれがユニークな特性と機能を提供します。
- 荷重セル：荷重セルは、計量用途で広く使用されていますが、張力測定にも適応できます。それらは、ひずみゲージの原理で動作します。これは、伸ばしたときに抵抗を変化させます。引張力が適用されると、負荷セルがわずかに変形し、ひずみゲージが抵抗を変化させます。これらの抵抗の変化は、適用された力に比例する電気信号に変換されます。負荷セルは、堅牢性と精度で知られているため、アプリケーションを要求するのに適しています。
- ひずみゲージ：ひずみゲージは、ストレスにさらされたときの材料のひずみ（変形）を測定する抵抗センサーです。それらは通常、特殊な接着剤を使用して張力の下でオブジェクトの表面に結合されます。オブジェクトが引張力にさらされると、それは変形し、ひずみゲージも変形します。この変形は、ホイートストーンブリッジ回路を使用して測定できるひずみゲージの抵抗を変化させます。抵抗の変化はひずみに直接比例し、張力の正確な測定を可能にします。
- 力に敏感な抵抗器（FSR）：FSRは、抵抗が適用された力とともに変化する可変抵抗です。それらは簡単に使用できますが、一般に負荷セルやひずみゲージよりも正確ではありません。 FSRは、その表面に圧力がかかると抵抗を変化させる導電性ポリマー膜で構成されています。引張力が増加すると、抵抗が減少します。この抵抗の変化は、電圧分割回路を使用して簡単に測定でき、高精度が重要でない迅速なプロトタイピングと簡単なアプリケーションのためのFSRSを便利なオプションにします。
- 容量性センサー：静電容量センサーは、ケーブルまたは材料の張力によって引き起こされる容量の変化を検出します。それらはさまざまな材料に統合でき、張力検出のための非接触方法を提供します。これらのセンサーは、2つの導電性プレート間の静電容量の変化を測定することにより機能し、それらの間の距離が張力により変化します。それらは、緊張下の材料との物理的な接触が望ましくないアプリケーションで特に役立ちます。
Arduinoを使用して張力検出用のセンサーを選択するときは、次の要因を検討してください。
- 測定範囲：最大容量を超えることなく、センサーが張力力の予想範囲を測定できることを確認します。センサーを過負荷にすると、それを損傷したり、測定値が不正確になったりする可能性があります。
- 感度：感度が高いと、特に小さな緊張力を扱う場合、より正確な測定が可能になります。感度とは、入力力の単位変化あたりの出力信号の変化を指します。
- 精度：アプリケーションに必要な精度のレベルを決定します。精度とは、センサーの測定値が張力の真の価値にどれだけ近いかを指します。
- キャリブレーション：一部のセンサーでは、正確な測定値を確保するためにキャリブレーションが必要です。キャリブレーションには、既知の張力値と一致するようにセンサーの出力を調整することが含まれます。
- 統合の複雑さ：既存のArduinoセットアップと簡単に統合できるセンサーを選択します。センサーの配線要件、信号条件付けのニーズ、および利用可能なライブラリを検討してください。
- コスト：センサーのコストとパフォーマンスと機能のバランスをとります。高性能センサーには、多くの場合、より高い値札が付いています。
Arduinoを使用して単純な張力測定システムを構築するには、次のコンポーネントが必要です。
1。Arduinoボード：Arduino UNOまたは同様のボードは、センサーデータを処理してシステムを制御するためのマイクロコントローラーとして機能します。 Arduinoは、張力センサーやその他のコンポーネントとのインターフェースに必要な処理能力、メモリ、および出力ピンを提供します。
2。張力センサー：アプリケーション要件（荷重セル、ひずみゲージ、またはFSRなど）に基づいて適切な張力センサーを選択します。センサーの選択は、プロジェクトの測定範囲、精度要件、統合の複雑さによって異なります。
3。信号アンプ（必要な場合）：荷重セルなどの一部の張力センサーは、増幅を必要とする非常に小さな電圧の変化を生成します。 HX711アンプは、この目的に一般的に使用されます。 HX711は、ロードセルからの小さなアナログ信号を増幅し、それらをArduinoが簡単に読むことができるデジタル信号に変換するように設計された特殊なアンプです。
4。抵抗器：FSRなどの特定のタイプのセンサーの電圧分割またはバイアス回路の作成に必要です。抵抗器は、FSRの抵抗の変化をArduinoのアナログ入力で読み取ることができる電圧信号に変換する電圧分割回路を作成するために使用されます。
5。ブレッドボードとジャンパーワイヤ：コンポーネントのプロトタイピングと接続用。ブレッドボードは、はんだ付けせずに回路をプロトタイプする便利な方法を提供しますが、ジャンパーワイヤはコンポーネント間の電気接続を行うために使用されます。
6。電源：Arduinoボードと張力センサーに電力を供給します。安定した信頼性の高い電源は、正確で一貫した測定を確保するために不可欠です。
7。ディスプレイ（オプション）：LCD画面またはシリアルモニターを使用して、張力測定を表示できます。 LCD画面は張力測定値の視覚的な表示を提供しますが、シリアルモニターを使用すると、コンピューターのデータを表示できます。
配線と接続は、選択した張力センサーの種類によって異なります。力に敏感な抵抗器（FSR）をArduinoに接続する方法の例は次のとおりです。
1. FSRの一方の端を5V電源に接続します。
2。FSRのもう一方の端をArduinoのアナログ入力ピンに接続します（例：A0）。
3.アナログ入力ピンから抵抗器（例：10kΩ）を地面に接続して、電圧仕切りを作成します。
FSR ----> Arduino A0
|
10kΩ抵抗器
|
GND
この構成では、FSRと10kΩ抵抗器が電圧分割を形成します。 FSRの抵抗が適用された力とともに変化すると、アナログ入力ピンの電圧が比例して変化します。 Arduinoはこの電圧を読み取り、張力測定に変換できます。
負荷セルの場合、接続には通常、HX711アンプが含まれます。
| ロードセル | HX711 |
|---|---|
| 赤（e+） | E+ |
| 黒（e-） | e- |
| 白（a-） | a- |
| 緑（a+） | A+ |
次のようにHX711をArduinoに接続します：
| HX711 | Arduino |
|---|---|
| dt | ピン2 |
| SCK | ピン3 |
| VCC | 5V |
| GND | GND |
HX711は、シリアルインターフェイスを使用してArduinoと通信します。 DT（データ）ピンは増幅されたデジタル化されたセンサーデータを送信し、SCK（シリアルクロック）ピンは通信のタイミング信号を提供します。これらのピンをArduinoに接続することにより、荷重セルからの張力測定値を読むことができます。
Arduinoコードは、センサーのタイプと目的の機能に依存します。 FSRを読み取り、シリアルモニターに値を表示するためのコードの例を次に示します。
const int sensorpin = a0; // FSRに接続されたアナログピン
const int rosterValue = 10000; //シリーズ抵抗の抵抗
void setup（）{
serial.begin（9600）; //シリアル通信を初期化します
}
void loop（）{
int sensorvalue = alalogread（sensorpin）; //センサーからアナログ値を読み取ります
serial.print（ 'センサー値：'）;
serial.println（sensorvalue）;
遅延（100）; //安定性の遅延
}
このコードは、Arduinoのアナログ入力ピン（A0）に接続されたFSRのアナログ値を読み取ります。 `analogread（）`関数は0〜1023の値を返します。これは、アナログ入力ピンの電圧を表します。この値は、シリアルモニターに印刷されます。
HX711アンプを備えたロードセルの場合、HX711ライブラリを使用できます。
#include 'hx711.h '
HX711スケール;
const int dt_pin = 2;
const int sck_pin = 3;
void setup（）{
serial.begin（9600）;
scale.begin（dt_pin、sck_pin）;
scale.set_scale（）;
scale.tare（）;
}
void loop（）{
serial.print（ 'weight：'）;
serial.print（scale.get_units（）、1）;
serial.println（ 'g '）;
遅延（1000）;
}
このコードは、HX711ライブラリを使用して、HX711アンプとのインターフェースです。 `HX711スケール;`ラインは、HX711クラスのインスタンスを作成します。 `scale.begin（dt_pin、sck_pin）;` lineは、hx711をデータとクロックピンで初期化します。 `scale.set_scale（）;`ラインは、ロードセルのキャリブレーション係数を設定します。 `scale.tare（）;`ラインは、ロードセルのゼロポイントを設定します。 `scale.get_units（）`関数はグラムで重量を返します。
正確な張力測定を取得するには、キャリブレーションが重要です。キャリブレーションプロセスでは、センサーの出力を既知の張力値と比較し、コードを調整してエラーを補正することが含まれます。適切なキャリブレーションがなければ、センサーの測定値は真の張力力を正確に反映していない場合があります。
FSRの場合、異なる既知の力でセンサー値を記録し、値と対応する力との間にマッピングを作成することにより、キャリブレーションできます。このマッピングは、ルックアップテーブルまたは数学式を使用して実装できます。
負荷セルの場合、キャリブレーションには通常、既知の重みの使用が含まれます。重量が適用されていないロードセルからの生の読み取り値（テア）を記録します。次に、既知のウェイトを荷重セルに配置し、対応する測定値を記録します。これらのデータポイントを使用して、キャリブレーション係数（重量と読み取りの比率）を計算します。 Arduinoコードにこのキャリブレーション係数を適用して、生の読み取り値を正確な力測定に変換します。使用するデータポイントが多いほど、キャリブレーションがより正確になります。
- フィルタリング：センサーデータにデジタルフィルターを適用すると、ノイズを減らし、精度を向上させることができます。移動平均フィルターとカルマンフィルターは、この目的に一般的に使用されます。
- 温度補償：温度の変化は、センサーの測定値に影響を与える可能性があります。温度補償技術の実装は、より広い範囲の温度にわたって精度を向上させることができます。
- データロギング：センサーデータをSDカードまたはクラウドプラットフォームにログすると、長期的な監視と分析が可能になります。
- ワイヤレス通信：ワイヤレス通信モジュール（BluetoothまたはWiFiなど）を追加すると、張力測定のリモート監視が可能になります。
Arduinoを使用した張力測定システムには、幅広いアプリケーションがあります。
- ロボット工学：安全な操作を確保し、過負荷を防ぐために、ロボットアームの負荷を監視します。ロボットアームのケーブルまたはジョイントの張力を監視することにより、アームが最大負荷容量を超えないようにすることができます。
- ウェアラブルテクノロジー：身体活動や健康指標を監視するために衣類に統合します。たとえば、張力センサーを運動アパレルに統合して、運動またはリハビリテーション中の筋肉の緊張を測定できます。
- 構造的健康監視：故障を防ぐための橋や建物のストレスの検出。張力センサーは、壊滅的な障害につながる前に、ストレスレベルを監視し、潜在的な問題を検出するために、重要な構造要素にインストールできます。
- スポーツ用品：グリップ強度や筋肉の緊張などのパフォーマンスメトリックの測定。テンションセンサーは、テニスラケットやゴルフクラブなどのスポーツ用品で使用して、アスリートが適用した力を測定できます。
- 産業自動化：過負荷を防ぎ、安全を確保するための機械の監視負荷。張力センサーを使用して、コンベアベルト、クレーン、その他の工業機械の負荷を監視して、過負荷を防ぎ、安全な動作を確保することができます。
この記事で説明する基本的な緊張測定システムをさらに強化および拡張して、より具体的なニーズを満たすことができます。たとえば、複数のセンサーを統合すると、システム内の張力分布をより包括的な理解を提供できます。フィードバック制御メカニズムを追加すると、システムがセンサーの測定値に基づいて張力レベルを自動的に調整できるようになります。さらに、機械学習アルゴリズムを組み込むことで、システムが履歴データから学習し、将来の緊張の傾向を予測できるようになります。
技術が進むにつれて、Arduinoや他のマイクロコントローラーに基づいたさらに洗練された緊張測定システムが見られることが期待できます。これらのシステムは、インフラストラクチャの安全性の確保からアスリートのパフォーマンスの向上まで、幅広いアプリケーションでますます重要な役割を果たします。
Arduinoを使用して単純な張力測定システムを構築することは、さまざまな用途での力測定のための多用途で費用対効果の高いソリューションです。動作原理を理解し、ハードウェアを適切にセットアップし、センサーを慎重に調整することにより、正確で信頼できる力測定を実現できます。デジタルスケール、ロボットアーム、または材料テストリグを構築するかどうかにかかわらず、Tension SensorsとArduinoの組み合わせは、プロジェクトに強力なプラットフォームを提供します。
張力センサーは、ケーブル、弦、またはその他の柔軟な材料に加えられた引っ張り力を測定するデバイスです。圧縮センサーとは異なり、張力センサーは、センシング要素を伸ばすか伸ばす力に応答します。
ひずみゲージは、機械的応力または株にさらされると電気抵抗が変化するという原理に基づいて動作します。それらは通常、張力下でオブジェクトの表面に結合され、オブジェクトが変形すると、ひずみゲージも変形し、測定できる抵抗の変化を引き起こします。
フレックスセンサーは通常、曲げまたは曲げを測定するために使用されますが、特定の用途での張力測定に適応できます。フレックスセンサーを張力下の柔軟な材料に取り付けることにより、センサーは張力によって引き起こされる曲げの量を検出できます。
HX711は、負荷セル向けに設計された特殊なアンプです。負荷セルは、多くの場合、ミリボルト範囲で、適用力に応答して非常に小さな電圧の変化を生成します。 HX711はこの小さな電圧の変化を増幅し、Arduinoが読みやすくします。また、安定した正確なデジタル出力を提供し、ノイズを減らし、力測定の全体的な精度を改善します。
Arduinoに接続された張力センサーを調整するには、既知の重みまたは力が必要です。まず、力をかけない（テア）を使用してセンサーからの生の測定値を記録します。次に、既知の重みまたは力をセンサーに適用し、対応する測定値を記録します。これらのデータポイントを使用して、キャリブレーション係数（力と読み取りの比）を計算します。 Arduinoコードにこのキャリブレーション係数を適用して、生の読み取り値を正確な力測定に変換します。
[1] https://www.youtube.com/watch?v=r7owtce6qcc
[2] https://www.fibossensor.com/what-sensors-work-best-with-arduino-for-tension-setection.html
[3] https://www.youtube.com/watch?v=vqwjztegg4
[4] https://www.fibossensor.com/how-can-iuse-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-with-lcd-display/
[8] https://forum.arduino.cc/t/tension-sensor-selection/564801
