Bekeken: 222 Auteur: Leah Publicatietijd: 2025-02-18 Herkomst: Locatie
Inhoudsmenu
>> Belangrijke overwegingen bij het selecteren van een spanningssensor
● Verbeteringen en toekomstige richtingen
>> 1. Wat is een spanningssensor?
>> 2. Hoe werken rekstrookjes?
>> 3. Kan ik flexsensoren gebruiken voor het meten van spanning?
>> 4. Wat is de rol van de HX711-versterker?
>> 5. Hoe kalibreer ik een spanningssensor?
Spanningsmeting is een cruciaal aspect in tal van toepassingen, variërend van robotica en draagbare technologie tot structurele gezondheidsmonitoring en sportuitrusting. Het vermogen om spanning of trekkracht nauwkeurig te meten is essentieel voor het garanderen van de veiligheid, het optimaliseren van de prestaties en het voorkomen van storingen. Met de komst van microcontrollers zoals Arduino is het bouwen van een eenvoudig Het spanningsmeetsysteem is toegankelijker en kosteneffectiever geworden. In dit artikel worden de componenten, technieken en overwegingen onderzocht die betrokken zijn bij het creëren van een dergelijk systeem.
Spanningssensoren zijn apparaten die speciaal zijn ontworpen om de trekkracht te meten die wordt uitgeoefend op een kabel, koord of ander flexibel materiaal. In tegenstelling tot compressiesensoren die duwkrachten meten, reageren spanningssensoren op krachten die het sensorelement uitrekken of verlengen. Het begrijpen van de nuances van deze sensoren is essentieel voor het nauwkeurig verzamelen en interpreteren van gegevens.
Er kunnen verschillende soorten sensoren worden gebruikt voor spanningsmetingen met Arduino, die elk unieke kenmerken en mogelijkheden bieden:
- Loadcellen: Loadcellen worden veel gebruikt in weegtoepassingen, maar kunnen ook worden aangepast voor spanningsmetingen. Ze werken volgens het principe van rekstrookjes, die de weerstand veranderen wanneer ze worden uitgerekt. Wanneer er een trekkracht wordt uitgeoefend, vervormt de load cell enigszins, waardoor de rekstrookjes de weerstand veranderen. Deze weerstandsveranderingen worden vervolgens omgezet in een elektrisch signaal dat evenredig is met de uitgeoefende kracht. Loadcellen staan bekend om hun robuustheid en nauwkeurigheid, waardoor ze geschikt zijn voor veeleisende toepassingen.
- Rekstrookjes: Rekstrookjes zijn resistieve sensoren die de rek (vervorming) van een materiaal meten wanneer het aan spanning wordt blootgesteld. Ze worden doorgaans met behulp van een speciale lijm aan het oppervlak van het voorwerp dat onder spanning staat, gebonden. Wanneer het voorwerp wordt blootgesteld aan een trekkracht, vervormt het, waardoor ook het rekstrookje vervormt. Deze vervorming verandert de weerstand van het rekstrookje, die kan worden gemeten met behulp van een Wheatstone-brugcircuit. De verandering in weerstand is recht evenredig met de spanning, waardoor een nauwkeurige meting van de spanning mogelijk is.
- Force Sensitive Resistors (FSR's): FSR's zijn variabele weerstanden waarvan de weerstand verandert met de uitgeoefende kracht. Ze zijn eenvoudig te gebruiken, maar over het algemeen minder nauwkeurig dan loadcellen of rekstrookjes. FSR's bestaan uit een geleidende polymeerfilm die de weerstand verandert wanneer er druk op het oppervlak wordt uitgeoefend. Naarmate de trekkracht toeneemt, neemt de weerstand af. Deze verandering in weerstand kan eenvoudig worden gemeten met behulp van een spanningsdelercircuit, waardoor FSR's een handige optie zijn voor snelle prototyping en eenvoudige toepassingen waarbij hoge nauwkeurigheid niet kritisch is.
- Capacitieve sensoren: Capacitieve sensoren detecteren veranderingen in de capaciteit veroorzaakt door spanning in een kabel of materiaal. Ze kunnen in verschillende materialen worden geïntegreerd, waardoor een contactloze methode voor spanningsdetectie ontstaat. Deze sensoren werken door de verandering in capaciteit tussen twee geleidende platen te meten naarmate de afstand daartussen verandert als gevolg van spanning. Ze kunnen bijzonder nuttig zijn in toepassingen waarbij fysiek contact met het onder spanning staande materiaal ongewenst is.
Houd bij het kiezen van een sensor voor spanningsdetectie met Arduino rekening met de volgende factoren:
- Meetbereik: Zorg ervoor dat de sensor het verwachte bereik van spankrachten kan meten zonder de maximale capaciteit te overschrijden. Overbelasting van een sensor kan deze beschadigen of leiden tot onnauwkeurige metingen.
- Gevoeligheid: een hogere gevoeligheid maakt nauwkeurigere metingen mogelijk, vooral bij kleine spankrachten. Gevoeligheid verwijst naar de verandering in het uitgangssignaal per eenheid verandering in ingangskracht.
- Nauwkeurigheid: Bepaal het nauwkeurigheidsniveau dat vereist is voor uw toepassing. Nauwkeurigheid verwijst naar hoe dicht de metingen van de sensor bij de werkelijke waarde van de spankracht liggen.
- Kalibratie: Sommige sensoren vereisen kalibratie om nauwkeurige metingen te garanderen. Bij kalibratie wordt de uitvoer van de sensor aangepast aan bekende spanningswaarden.
- Integratiecomplexiteit: Kies een sensor die eenvoudig te integreren is met uw bestaande Arduino-installatie. Houd rekening met de bedradingsvereisten van de sensor, de signaalconditioneringsbehoeften en de beschikbare bibliotheken.
- Kosten: breng de kosten van de sensor in evenwicht met zijn prestaties en functies. Sensoren met hogere prestaties hebben vaak een hoger prijskaartje.
Om een eenvoudig spanningsmeetsysteem met Arduino te bouwen, heb je de volgende componenten nodig:
1. Arduino-bord: een Arduino Uno of vergelijkbaar bord dient als microcontroller om sensorgegevens te verwerken en het systeem te besturen. De Arduino biedt de nodige verwerkingskracht, geheugen en invoer-/uitvoerpinnen voor interface met de spanningssensor en andere componenten.
2. Spanningssensor: Selecteer een geschikte spanningssensor op basis van uw toepassingsvereisten (bijvoorbeeld load cell, rekstrookje of FSR). De keuze van de sensor hangt af van het meetbereik, de nauwkeurigheidseisen en de integratiecomplexiteit van uw project.
3. Signaalversterker (indien nodig): Sommige spanningssensoren, zoals loadcellen, produceren zeer kleine spanningsveranderingen die versterking vereisen. Hiervoor wordt doorgaans een HX711-versterker gebruikt. De HX711 is een gespecialiseerde versterker die is ontworpen om de kleine analoge signalen van loadcellen te versterken en deze om te zetten in digitale signalen die gemakkelijk door de Arduino kunnen worden gelezen.
4. Weerstanden: vereist voor het maken van spanningsdelers of voorspanningscircuits voor bepaalde typen sensoren, zoals FSR's. Weerstanden worden gebruikt om een spanningsdelercircuit te creëren, dat de verandering in weerstand van de FSR omzet in een spanningssignaal dat kan worden gelezen door de analoge ingang van de Arduino.
5. Breadboard- en verbindingsdraden: voor het maken van prototypen en het verbinden van de componenten. Een breadboard biedt een handige manier om prototypes van circuits te maken zonder te solderen, terwijl verbindingsdraden worden gebruikt om elektrische verbindingen tussen de componenten te maken.
6. Voeding: om het Arduino-bord en de spanningssensor van stroom te voorzien. Een stabiele en betrouwbare stroomvoorziening is essentieel voor het garanderen van nauwkeurige en consistente metingen.
7. Display (optioneel): Een LCD-scherm of seriële monitor kan worden gebruikt om de spanningsmetingen weer te geven. Een LCD-scherm geeft een visuele weergave van de spanningsmetingen, terwijl u via de seriële monitor de gegevens op uw computer kunt bekijken.
De bedrading en aansluitingen variëren afhankelijk van het type spanningssensor dat u kiest. Hier is een voorbeeld van hoe u een krachtgevoelige weerstand (FSR) op een Arduino aansluit:
1. Sluit het ene uiteinde van de FSR aan op een 5V-voeding.
2. Sluit het andere uiteinde van de FSR aan op een analoge ingangspin op de Arduino (bijvoorbeeld A0).
3. Sluit een weerstand (bijvoorbeeld 10 kΩ) aan tussen de analoge ingangspin en de aarde om een spanningsdeler te creëren.
FSR ----> Arduino A0
|
10kΩ-weerstand
|
GND
In deze configuratie vormen de FSR en de weerstand van 10 kΩ een spanningsdeler. Naarmate de weerstand van de FSR verandert met de uitgeoefende kracht, verandert de spanning op de analoge ingangspin proportioneel. De Arduino kan deze spanning vervolgens uitlezen en omzetten in een spanningsmeting.
Voor loadcellen omvatten de verbindingen doorgaans een HX711-versterker:
| Laadcel | HX711 |
|---|---|
| Rood (E+) | E+ |
| Zwart (E-) | E- |
| Wit (A-) | A- |
| Groen (A+) | EEN+ |
Sluit de HX711 als volgt aan op de Arduino:
| HX711 | Arduino |
|---|---|
| DT | Pin 2 |
| SCK | Pin 3 |
| VCC | 5V |
| GND | GND |
De HX711 communiceert met de Arduino via een seriële interface. De DT (Data) pin verzendt de versterkte en gedigitaliseerde sensorgegevens, terwijl de SCK (Serial Clock) pin het timingsignaal voor de communicatie levert. Door deze pinnen op de Arduino aan te sluiten, kun je de spanningsmetingen van de load cell aflezen.
De Arduino-code is afhankelijk van het type sensor en de gewenste functionaliteit. Hier is een voorbeeld van code voor het lezen van een FSR en het weergeven van de waarden op de seriële monitor:
const int sensorPin = A0; // Analoge pin aangesloten op de FSR
const int weerstandswaarde = 10000; // Weerstand van de serieweerstand
ongeldige setup() {
Serieel.begin(9600); // Initialiseer seriële communicatie
}
lege lus() {
int sensorWaarde = analogRead(sensorPin); // Lees de analoge waarde van de sensor
Serial.print('Sensorwaarde: ');
Serieel.println(sensorwaarde);
vertraging(100); // Vertraging voor stabiliteit
}
Deze code leest de analoge waarde van de FSR die is aangesloten op de analoge ingangspin van de Arduino (A0). De functie `analogRead()` retourneert een waarde tussen 0 en 1023, die de spanning op de analoge ingangspin vertegenwoordigt. Deze waarde wordt vervolgens afgedrukt op de seriële monitor.
Voor een loadcel met een HX711-versterker kunt u de HX711-bibliotheek gebruiken:
#include 'HX711.h'
HX711 schaal;
const int DT_PIN = 2;
const int SCK_PIN = 3;
ongeldige setup() {
Serieel.begin(9600);
schaal.begin(DT_PIN, SCK_PIN);
schaal.set_scale();
schaal.tare();
}
lege lus() {
Serieel.print('Gewicht: ');
Serieel.print(scale.get_units(), 1);
Serieel.println(' g');
vertraging(1000);
}
Deze code gebruikt de HX711-bibliotheek om te communiceren met de HX711-versterker. De regel `HX711 scale;` creëert een exemplaar van de klasse HX711. De regel `scale.begin(DT_PIN, SCK_PIN);` initialiseert de HX711 met de data- en klokpinnen. De regel `scale.set_scale();` stelt de kalibratiefactor voor de load cell in. De lijn `scale.tare();` stelt het nulpunt voor de load cell in. De functie `scale.get_units()` retourneert het gewicht in grammen.
Kalibratie is cruciaal voor het verkrijgen van nauwkeurige spanningsmetingen. Het kalibratieproces omvat het vergelijken van de uitvoer van de sensor met bekende spanningswaarden en het aanpassen van de code om eventuele fouten te compenseren. Zonder de juiste kalibratie geven de metingen van de sensor mogelijk niet nauwkeurig de werkelijke spankracht weer.
Voor FSR's kunt u kalibreren door de sensorwaarden bij verschillende bekende krachten vast te leggen en een mapping te maken tussen de waarden en de overeenkomstige krachten. Deze mapping kan worden geïmplementeerd met behulp van een opzoektabel of een wiskundige formule.
Voor loadcellen omvat de kalibratie doorgaans het gebruik van bekende gewichten. Noteer de ruwe meetwaarden van de loadcel zonder dat er gewicht op is toegepast (tarra). Plaats vervolgens bekende gewichten op de loadcel en noteer de bijbehorende meetwaarden. Gebruik deze gegevenspunten om een kalibratiefactor te berekenen (de verhouding tussen gewicht en meetwaarde). Pas deze kalibratiefactor toe in uw Arduino-code om de ruwe metingen om te zetten in nauwkeurige krachtmetingen. Hoe meer datapunten u gebruikt, hoe nauwkeuriger uw kalibratie zal zijn.
- Filteren: het toepassen van digitale filters op de sensorgegevens kan ruis verminderen en de nauwkeurigheid verbeteren. Voor dit doel worden doorgaans voortschrijdend-gemiddeldefilters en Kalman-filters gebruikt.
- Temperatuurcompensatie: temperatuurveranderingen kunnen de metingen van de sensor beïnvloeden. Het implementeren van temperatuurcompensatietechnieken kan de nauwkeurigheid over een groter temperatuurbereik verbeteren.
- Datalogging: het loggen van de sensorgegevens op een SD-kaart of cloudplatform maakt langdurige monitoring en analyse mogelijk.
- Draadloze communicatie: Door een draadloze communicatiemodule toe te voegen (bijv. Bluetooth of WiFi) is het op afstand monitoren van de spanningsmetingen mogelijk.
Spanningsmeetsystemen met Arduino hebben een breed scala aan toepassingen:
- Robotica: monitoring van de belasting op robotarmen om een veilige werking te garanderen en overbelasting te voorkomen. Door de spanning in de kabels of gewrichten van een robotarm te monitoren, kun je ervoor zorgen dat de arm zijn maximale draagvermogen niet overschrijdt.
- Draagbare technologie: integratie in kleding om fysieke activiteit of gezondheidsgegevens te monitoren. Spanningssensoren kunnen bijvoorbeeld in sportkleding worden geïntegreerd om de spierspanning te meten tijdens inspanning of revalidatie.
- Structurele gezondheidsmonitoring: het detecteren van stress in bruggen en gebouwen om storingen te voorkomen. Spanningssensoren kunnen op kritische structurele elementen worden geïnstalleerd om spanningsniveaus te monitoren en potentiële problemen te detecteren voordat deze tot catastrofale storingen leiden.
- Sportuitrusting: het meten van prestatiegegevens zoals grijpkracht of spierspanning. Spanningssensoren kunnen worden gebruikt in sportuitrusting zoals tennisrackets of golfclubs om de kracht te meten die door de atleet wordt uitgeoefend.
- Industriële automatisering: monitoring van de belasting van machines om overbelasting te voorkomen en de veiligheid te garanderen. Spanningssensoren kunnen worden gebruikt om de belasting op transportbanden, kranen en andere industriële machines te bewaken om overbelasting te voorkomen en een veilige werking te garanderen.
Het basisspanningsmeetsysteem dat in dit artikel wordt beschreven, kan verder worden verbeterd en uitgebreid om aan meer specifieke behoeften te voldoen. Het integreren van meerdere sensoren kan bijvoorbeeld een uitgebreider inzicht verschaffen in de spanningsverdeling in een systeem. Door feedbackcontrolemechanismen toe te voegen, kan het systeem de spanningsniveaus automatisch aanpassen op basis van de sensormetingen. Bovendien kan het integreren van machine learning-algoritmen het systeem in staat stellen te leren van historische gegevens en toekomstige spanningstrends te voorspellen.
Naarmate de technologie vordert, kunnen we nog geavanceerdere spanningsmeetsystemen verwachten, gebaseerd op Arduino en andere microcontrollers. Deze systemen zullen een steeds belangrijkere rol spelen in een breed scala aan toepassingen, van het garanderen van de veiligheid van onze infrastructuur tot het verbeteren van de prestaties van onze atleten.
Het bouwen van een eenvoudig spanningsmeetsysteem met Arduino is een veelzijdige en kosteneffectieve oplossing voor krachtmeting in verschillende toepassingen. Door de werkingsprincipes te begrijpen, de hardware op de juiste manier in te stellen en de sensor zorgvuldig te kalibreren, kunt u nauwkeurige en betrouwbare krachtmetingen uitvoeren. Of u nu een digitale weegschaal, een robotarm of een materiaaltestinstallatie bouwt, de combinatie van spanningssensoren en Arduino biedt een krachtig platform voor uw projecten.
Een spanningssensor is een apparaat dat de trekkracht meet die wordt uitgeoefend op een kabel, touwtje of ander flexibel materiaal. In tegenstelling tot compressiesensoren reageren spanningssensoren op krachten die het sensorelement uitrekken of verlengen.
Rekstrookjes werken op basis van het principe dat hun elektrische weerstand verandert wanneer ze worden blootgesteld aan mechanische spanning of spanning. Ze zijn doorgaans gebonden aan het oppervlak van het object dat onder spanning staat, en naarmate het object vervormt, vervormt ook het rekstrookje, waardoor een verandering in de weerstand ontstaat die kan worden gemeten.
Flexsensoren worden doorgaans gebruikt om buiging of buiging te meten, maar ze kunnen in bepaalde toepassingen worden aangepast voor spanningsmeting. Door een flexsensor aan een flexibel materiaal onder spanning te bevestigen, kan de sensor de mate van buiging detecteren die door de spankracht wordt veroorzaakt.
De HX711 is een gespecialiseerde versterker ontworpen voor loadcellen. Loadcellen produceren zeer kleine spanningsveranderingen als reactie op uitgeoefende kracht, vaak in het millivoltbereik. De HX711 versterkt deze kleine spanningsverandering, waardoor deze leesbaar wordt door de Arduino. Het biedt ook een stabiele en nauwkeurige digitale uitvoer, waardoor ruis wordt verminderd en de algehele nauwkeurigheid van de krachtmeting wordt verbeterd.
Om een spanningssensor die op een Arduino is aangesloten te kalibreren, heb je bekende gewichten of krachten nodig. Registreer eerst de ruwe meetwaarden van de sensor zonder dat er kracht wordt uitgeoefend (tarra). Breng vervolgens bekende gewichten of krachten aan op de sensor en noteer de bijbehorende meetwaarden. Gebruik deze gegevenspunten om een kalibratiefactor te berekenen (de verhouding tussen kracht en aflezing). Pas deze kalibratiefactor toe in uw Arduino-code om de ruwe metingen om te zetten in nauwkeurige krachtmetingen.
[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-druksensor-FSR-met-LCD-display/
[8] https://forum.arduino.cc/t/tension-sensor-selection/564801
