Visualizações: 222 Autor: Leah Publicar Tempo: 2025-02-18 Origem: Site
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● Entendendo sensores de tensão
>> Tipos de sensores de tensão
>> Considerações importantes para selecionar um sensor de tensão
● Aprimoramentos e direções futuras
>> 1. O que é um sensor de tensão?
>> 2. Como funcionam os medidores de tensão?
>> 3. Posso usar sensores flexíveis para medir a tensão?
>> 4. Qual é o papel do amplificador HX711?
>> 5. Como faço para calibrar um sensor de tensão?
A medição de tensão é um aspecto crítico em inúmeras aplicações, variando de robótica e tecnologia vestível a monitoramento de saúde estrutural e equipamentos esportivos. A capacidade de medir com precisão a força de tensão ou puxar é essencial para garantir a segurança, otimizar o desempenho e prevenir falhas. Com o advento de microcontroladores como Arduino, construindo um simples O sistema de medição de tensão se tornou mais acessível e econômico. Este artigo explora os componentes, técnicas e considerações envolvidas na criação desse sistema.
Os sensores de tensão são dispositivos projetados especificamente para medir a força de tração exercida em um cabo, corda ou qualquer material flexível. Ao contrário dos sensores de compressão que medem forças empurradas, os sensores de tensão respondem a forças que se estendem ou alonjam o elemento de detecção. Compreender as nuances desses sensores é essencial para a coleta e interpretação precisas dos dados.
Vários tipos de sensores podem ser usados para medição de tensão com Arduino, cada um oferecendo características e recursos exclusivos:
- células de carga: as células de carga são amplamente utilizadas na pesagem de aplicações, mas também podem ser adaptadas para medição de tensão. Eles operam com o princípio dos medidores de tensão, que mudam de resistência quando esticados. Quando uma força de tração é aplicada, a célula de carga se deforma levemente, fazendo com que os medidores de tensão mudem a resistência. Essas alterações de resistência são então convertidas em um sinal elétrico proporcional à força aplicada. As células de carga são conhecidas por sua robustez e precisão, tornando -as adequadas para aplicações exigentes.
- Garas de deformação: os manuais de tensão são sensores resistivos que medem a tensão (deformação) de um material quando submetidos a estresse. Eles são tipicamente ligados à superfície do objeto sob tensão usando um adesivo especializado. Quando o objeto é submetido a uma força de tração, ele se deforma, fazendo com que o medidor de deformação também se deforme. Essa deformação altera a resistência do manômetro, que pode ser medido usando um circuito da ponte de Wheatstone. A mudança na resistência é diretamente proporcional à tensão, permitindo uma medição precisa da tensão.
- Resistores sensíveis à força (FSRs): FSRs são resistores variáveis cuja resistência muda com a força aplicada. Eles são simples de usar, mas geralmente menos precisos que as células de carga ou medidores de tensão. Os FSRs consistem em um filme de polímero condutor que muda a resistência quando a pressão é aplicada à sua superfície. À medida que a força de tração aumenta, a resistência diminui. Essa mudança na resistência pode ser facilmente medida usando um circuito de divisor de tensão, tornando o FSRS uma opção conveniente para prototipagem rápida e aplicações simples, onde alta precisão não é crítica.
- Sensores capacitivos: sensores capacitivos detectam alterações na capacitância causadas pela tensão em um cabo ou material. Eles podem ser integrados a vários materiais, fornecendo um método sem contato para detecção de tensão. Esses sensores funcionam medindo a mudança na capacitância entre duas placas condutivas como a distância entre elas muda devido à tensão. Eles podem ser particularmente úteis em aplicações em que o contato físico com o material sob tensão é indesejável.
Ao escolher um sensor para detecção de tensão com Arduino, considere os seguintes fatores:
- Faixa de medição: verifique se o sensor pode medir a faixa esperada de forças de tensão sem exceder sua capacidade máxima. A sobrecarga de um sensor pode danificá -lo ou levar a leituras imprecisas.
- Sensibilidade: Sensibilidade mais alta permite medições mais precisas, especialmente ao lidar com pequenas forças de tensão. A sensibilidade refere -se à mudança no sinal de saída por unidade de alteração na força de entrada.
- Precisão: determine o nível de precisão necessário para o seu aplicativo. A precisão refere -se à proximidade das leituras do sensor do verdadeiro valor da força de tensão.
- Calibração: alguns sensores requerem calibração para garantir leituras precisas. A calibração envolve o ajuste da saída do sensor para corresponder aos valores de tensão conhecidos.
- Complexidade de integração: escolha um sensor fácil de integrar à sua configuração Arduino existente. Considere os requisitos de fiação do sensor, necessidades de condicionamento de sinalização e bibliotecas disponíveis.
- Custo: equilibre o custo do sensor com seu desempenho e recursos. Os sensores de maior desempenho geralmente vêm com um preço mais alto.
Para construir um sistema de medição de tensão simples com o Arduino, você precisará dos seguintes componentes:
1. Arduino Board: Uma placa Arduino UNO ou similar serve ao microcontrolador para processar dados do sensor e controlar o sistema. O Arduino fornece os pinos necessários de poder, memória e entrada/saída para interface com o sensor de tensão e outros componentes.
2. Sensor de tensão: selecione um sensor de tensão apropriado com base nos requisitos de aplicativo (por exemplo, célula de carga, medidor de deformação ou FSR). A escolha do sensor dependerá da faixa de medição, requisitos de precisão e complexidade de integração do seu projeto.
3. Amplificador de sinal (se necessário): Alguns sensores de tensão, como células de carga, produzem alterações de tensão muito pequenas que requerem amplificação. Um amplificador HX711 é comumente usado para esse fim. O HX711 é um amplificador especializado projetado para amplificar os pequenos sinais analógicos das células de carga e convertê -los em sinais digitais que podem ser facilmente lidos pelo Arduino.
4. Resistores: necessário para a criação de divisores de tensão ou circuitos de viés para certos tipos de sensores como FSRs. Os resistores são usados para criar um circuito de divisor de tensão, que converte a mudança na resistência do FSR em um sinal de tensão que pode ser lido pela entrada analógica do Arduino.
5. fios de placa de pão e jumper: para prototipagem e conexão dos componentes. Uma placa de ensaio fornece uma maneira conveniente de protótipos de circuitos sem solda, enquanto os fios do jumper são usados para fazer conexões elétricas entre os componentes.
6. Fonte de alimentação: Para alimentar a placa Arduino e o sensor de tensão. Uma fonte de alimentação estável e confiável é essencial para garantir medições precisas e consistentes.
7. Exibição (opcional): Uma tela LCD ou monitor serial pode ser usada para exibir as medições de tensão. Uma tela LCD fornece uma exibição visual das leituras de tensão, enquanto o monitor serial permite visualizar os dados no seu computador.
A fiação e as conexões variam dependendo do tipo de sensor de tensão que você escolher. Aqui está um exemplo de como conectar um resistor sensível à força (FSR) a um Arduino:
1. Conecte uma extremidade do FSR a uma fonte de 5V.
2. Conecte a outra extremidade do FSR a um pino de entrada analógico no Arduino (por exemplo, A0).
3. Conecte um resistor (por exemplo, 10kΩ) do pino de entrada analógico ao solo para criar um divisor de tensão.
FSR ----> Arduino a0
|
Resistor de 10kΩ
|
Gnd
Nesta configuração, o FSR e o resistor de 10kΩ formam um divisor de tensão. À medida que a resistência do FSR muda com a força aplicada, a tensão no pino de entrada analógica muda proporcionalmente. O Arduino pode então ler esta tensão e convertê -la em uma medição de tensão.
Para células de carga, as conexões geralmente envolvem um amplificador HX711:
| Célula de carga | HX711 |
|---|---|
| Vermelho (e+) | E+ |
| Preto (e-) | E- |
| Branco (a-) | UM- |
| Verde (A+) | A+ |
Conecte o HX711 ao Arduino da seguinte forma:
| HX711 | Arduino |
|---|---|
| Dt | Pino 2 |
| Sck | Pino 3 |
| VCC | 5V |
| Gnd | Gnd |
O HX711 se comunica com o Arduino usando uma interface serial. O pino DT (Data) transmite os dados de sensores amplificados e digitalizados, enquanto o pino SCK (relógio serial) fornece o sinal de tempo para a comunicação. Ao conectar esses pinos ao Arduino, você pode ler as medições de tensão da célula de carga.
O código Arduino dependerá do tipo de sensor e da funcionalidade desejada. Aqui está um exemplo de código para ler um FSR e exibir os valores no monitor serial:
const int sensorpin = a0; // pino analógico conectado ao FSR
const int resistorValue = 10000; // Resistência do resistor da série
Void Setup () {
Serial.begin (9600); // Inicialize a comunicação serial
}
Void Loop () {
int sensorValue = analogread (sensorpina); // Leia o valor analógico do sensor
Serial.print ( 'Valor do sensor: ');
Serial.println (sensorValue);
atraso (100); // atraso para estabilidade
}
Este código lê o valor analógico do FSR conectado ao pino de entrada analógico do Arduino (A0). A função `analogread ()` retorna um valor entre 0 e 1023, que representa a tensão no pino de entrada analógica. Este valor é então impresso no monitor serial.
Para uma célula de carga com um amplificador HX711, você pode usar a biblioteca HX711:
#include 'hx711.h '
Escala HX711;
const int dt_pin = 2;
const int sck_pin = 3;
Void Setup () {
Serial.begin (9600);
Scale.Begin (dt_pin, sck_pin);
escala.set_scale ();
escala.tare ();
}
Void Loop () {
Serial.print ( 'Peso: ');
Serial.print (scale.get_units (), 1);
Serial.println ( 'g ');
atraso (1000);
}
Este código usa a biblioteca HX711 para interface com o amplificador HX711. A linha `hx711;` linha cria uma instância da classe HX711. A linha `scale.Begin (dt_pin, sck_pin);` inicializa o HX711 com os pinos de dados e relógio. A linha `scale.set_scale ();` define o fator de calibração para a célula de carga. A linha `scale.tare ();` define o ponto zero para a célula de carga. A função `scale.get_units ()` retorna o peso em gramas.
A calibração é crucial para obter medições precisas de tensão. O processo de calibração envolve comparar a saída do sensor com os valores de tensão conhecidos e ajustar o código para compensar qualquer erro. Sem calibração adequada, as leituras do sensor podem não refletir com precisão a verdadeira força de tensão.
Para o FSRS, você pode calibrar registrando os valores do sensor em diferentes forças conhecidas e criando um mapeamento entre os valores e as forças correspondentes. Esse mapeamento pode ser implementado usando uma tabela de pesquisa ou uma fórmula matemática.
Para células de carga, a calibração normalmente envolve o uso de pesos conhecidos. Registre as leituras brutas da célula de carga sem peso aplicado (TARE). Em seguida, coloque pesos conhecidos na célula de carga e registre as leituras correspondentes. Use esses pontos de dados para calcular um fator de calibração (a proporção de peso e a leitura). Aplique esse fator de calibração em seu código Arduino para converter as leituras brutas em medições de força precisas. Quanto mais pontos de dados você usar, mais precisa será sua calibração.
- Filtragem: Aplicar filtros digitais aos dados do sensor pode reduzir o ruído e melhorar a precisão. Filtros de média móvel e filtros Kalman são comumente usados para esse fim.
- Compensação de temperatura: as alterações de temperatura podem afetar as leituras do sensor. A implementação de técnicas de compensação de temperatura pode melhorar a precisão em uma faixa mais ampla de temperaturas.
- Registro de dados: registrar os dados do sensor a um cartão SD ou plataforma em nuvem permite monitoramento e análise de longo prazo.
- Comunicação sem fio: Adicionar um módulo de comunicação sem fio (por exemplo, Bluetooth ou WiFi) permite o monitoramento remoto das medições de tensão.
Os sistemas de medição de tensão com Arduino têm uma ampla gama de aplicações:
- Robótica: monitorar a carga em braços robóticos para garantir uma operação segura e evitar a sobrecarga. Ao monitorar a tensão nos cabos ou juntas de um braço robótico, você pode garantir que o braço não esteja excedendo sua capacidade máxima de carga.
- Tecnologia vestível: integrando em roupas para monitorar a atividade física ou métricas de saúde. Por exemplo, os sensores de tensão podem ser integrados ao vestuário atlético para medir a tensão muscular durante o exercício ou a reabilitação.
- Monitoramento da Saúde Estrutural: Detectar o estresse em pontes e edifícios para evitar falhas. Os sensores de tensão podem ser instalados em elementos estruturais críticos para monitorar os níveis de estresse e detectar possíveis problemas antes que levem a falhas catastróficas.
- Equipamento esportivo: medir métricas de desempenho como força de preensão ou tensão muscular. Os sensores de tensão podem ser usados em equipamentos esportivos, como raquetes de tênis ou tacos de golfe para medir a força aplicada pelo atleta.
- Automação industrial: monitorar a carga em máquinas para evitar sobrecarga e garantir a segurança. Os sensores de tensão podem ser usados para monitorar a carga em correias transportadoras, guindastes e outras máquinas industriais para evitar sobrecarga e garantir uma operação segura.
O sistema básico de medição de tensão descrito neste artigo pode ser aprimorado e expandido para atender às necessidades mais específicas. Por exemplo, a integração de vários sensores pode fornecer uma compreensão mais abrangente da distribuição de tensão em um sistema. Adicionar mecanismos de controle de feedback pode permitir que o sistema ajuste automaticamente os níveis de tensão com base nas leituras do sensor. Além disso, a incorporação de algoritmos de aprendizado de máquina pode permitir ao sistema aprender com dados históricos e prever tendências futuras de tensão.
À medida que a tecnologia avança, podemos esperar ver sistemas de medição de tensão ainda mais sofisticados baseados em Arduino e outros microcontroladores. Esses sistemas desempenharão um papel cada vez mais importante em uma ampla gama de aplicações, desde a segurança de nossa infraestrutura até a melhoria do desempenho de nossos atletas.
Construir um sistema de medição de tensão simples com Arduino é uma solução versátil e econômica para medição de força em várias aplicações. Ao entender os princípios da operação, configurar corretamente o hardware e calibrar cuidadosamente o sensor, você pode obter medições de força precisas e confiáveis. Esteja você construindo uma escala digital, um braço robótico ou uma plataforma de teste de materiais, a combinação de sensores de tensão e Arduino fornece uma plataforma poderosa para seus projetos.
Um sensor de tensão é um dispositivo que mede a força de tração exercida em um cabo, corda ou outro material flexível. Ao contrário dos sensores de compressão, os sensores de tensão respondem a forças que se estendem ou alonjam o elemento de detecção.
Os medidores de tensão operam com base no princípio de que sua resistência elétrica muda quando está submetida a tensão ou tensão mecânica. Eles são tipicamente ligados à superfície do objeto sob tensão e, à medida que o objeto se deforma, o medidor de deformação também se deforma, causando uma mudança na resistência que pode ser medida.
Os sensores flexíveis são normalmente usados para medir a flexão ou flexão, mas podem ser adaptados para medição de tensão em determinadas aplicações. Ao conectar um sensor flexível a um material flexível sob tensão, o sensor pode detectar a quantidade de flexão causada pela força de tensão.
O HX711 é um amplificador especializado projetado para células de carga. As células de carga produzem alterações de tensão muito pequenas em resposta à força aplicada, geralmente na faixa de milivolt. O HX711 amplifica essa pequena mudança de tensão, tornando -a legível pelo Arduino. Ele também fornece uma saída digital estável e precisa, reduzindo o ruído e melhorando a precisão geral da medição de força.
Para calibrar um sensor de tensão conectado a um arduino, você precisará de pesos ou forças conhecidas. Primeiro, registre as leituras brutas do sensor sem força aplicada (tare). Em seguida, aplique pesos ou forças conhecidas ao sensor e registre as leituras correspondentes. Use esses pontos de dados para calcular um fator de calibração (a razão da força para a leitura). Aplique esse fator de calibração em seu código Arduino para converter as leituras brutas em medições de força precisas.
[1] https://www.youtube.com/watch?v=r7owtce6qc
[2] https://www.fibossensor.com/what-sensors-work-best-with-ardoino-for-tension-detecção.html
[3] https://www.youtube.com/watch?v=vqwjzteggc4
[4] https://www.fibossensor.com/how-can-i-use-esensor-tension-with-arino-for-force-measurement.html
[5] https://www.youtube.com/watch?v=azmdrsyml_o
[6] https://forum.arduino.cc/t/looking-for-ansensor-sensor-not-load-sensor/1017088
[7] https://www.instructables.com/ardeino-pressure-sensor-fsr-with-lcd-display/
[8] https://forum.arduino.cc/t/tension-sensor-selection/564801
