Vizualizări: 222 Autor: Leah Publicare Ora: 2025-02-18 Originea: Site
Meniu de conținut
● Înțelegerea senzorilor de tensiune
>> Tipuri de senzori de tensiune
>> Considerații cheie pentru selectarea unui senzor de tensiune
● Îmbunătățiri și direcții viitoare
● FAQ
>> 1. Ce este un senzor de tensiune?
>> 2. Cum funcționează calibrele de tulpini?
>> 3. Pot folosi senzori Flex pentru măsurarea tensiunii?
>> 4. Care este rolul amplificatorului HX711?
>> 5. Cum calibrez un senzor de tensiune?
● Citări:
Măsurarea tensiunii este un aspect critic în numeroase aplicații, de la robotică și tehnologie purtabilă până la monitorizarea structurală a sănătății și echipamentele sportive. Capacitatea de a măsura cu exactitate tensiunea sau forța de tragere este esențială pentru asigurarea siguranței, optimizarea performanței și prevenirea defecțiunilor. Odată cu apariția microcontrolerelor precum Arduino, construind un simplu Sistemul de măsurare a tensiunii a devenit mai accesibil și mai rentabil. Acest articol explorează componentele, tehnicile și considerațiile implicate în crearea unui astfel de sistem.
Senzorii de tensiune sunt dispozitive special concepute pentru a măsura forța de tragere exercitată pe un cablu, șir sau orice material flexibil. Spre deosebire de senzorii de compresie care măsoară forțele împingătoare, senzorii de tensiune răspund la forțele care întind sau alungesc elementul de detectare. Înțelegerea nuanțelor acestor senzori este esențială pentru colectarea și interpretarea exactă a datelor.
Mai multe tipuri de senzori pot fi utilizate pentru măsurarea tensiunii cu Arduino, fiecare oferind caracteristici și capacități unice:
- Celulele de încărcare: Celulele de încărcare sunt utilizate pe scară largă în aplicațiile de cântărire, dar pot fi, de asemenea, adaptate pentru măsurarea tensiunii. Ele operează pe principiul calibrelor de tulpini, care schimbă rezistența atunci când sunt întinse. Când se aplică o forță de tracțiune, celula de încărcare se deformează ușor, determinând modificarea rezistenței. Aceste modificări de rezistență sunt apoi transformate într -un semnal electric proporțional cu forța aplicată. Celulele de încărcare sunt cunoscute pentru robustetea și exactitatea lor, ceea ce le face potrivite pentru aplicații solicitante.
- Calibrele de tulpini: Calibrele de tulpini sunt senzori rezistivi care măsoară tulpina (deformarea) unui material atunci când sunt supuse stresului. De obicei, sunt legate de suprafața obiectului sub tensiune folosind un adeziv specializat. Când obiectul este supus unei forțe de tracțiune, acesta se deformează, determinând deformarea gabaritului de tulpină. Această deformare modifică rezistența gabaritului de tulpină, care poate fi măsurată folosind un circuit de punte de grâu. Modificarea rezistenței este direct proporțională cu tulpina, permițând măsurarea precisă a tensiunii.
- Rezistențe sensibile la forță (FSR): FSR -urile sunt rezistențe variabile a căror rezistență se schimbă cu forța aplicată. Sunt simple de utilizat, dar, în general, mai puțin precise decât celulele de încărcare sau calibrele de tulpini. FSR -urile constau dintr -o peliculă polimerică conductoare care schimbă rezistența atunci când se aplică presiunea pe suprafața sa. Pe măsură ce forța de tracțiune crește, rezistența scade. Această modificare a rezistenței poate fi măsurată cu ușurință folosind un circuit de divizor de tensiune, făcând FSRS o opțiune convenabilă pentru prototiparea rapidă și aplicații simple în care o precizie ridicată nu este critică.
- Senzori capacitivi: senzorii capacitivi detectează modificările capacității cauzate de tensiunea într -un cablu sau material. Acestea pot fi integrate în diverse materiale, oferind o metodă fără contact pentru detectarea tensiunii. Acești senzori funcționează prin măsurarea schimbării capacității dintre două plăci conductoare, deoarece distanța dintre ele se modifică din cauza tensiunii. Acestea pot fi deosebit de utile în aplicațiile în care contactul fizic cu materialul sub tensiune este nedorit.
Atunci când alegeți un senzor pentru detectarea tensiunii cu Arduino, luați în considerare următorii factori:
- Gama de măsurare: Asigurați -vă că senzorul poate măsura intervalul preconizat de forțe de tensiune fără a depăși capacitatea maximă. Supraîncărcarea unui senzor îl poate deteriora sau duce la lecturi inexacte.
- Sensibilitate: Sensibilitate mai mare permite măsurători mai precise, în special atunci când se ocupă de forțe de tensiune mici. Sensibilitatea se referă la modificarea semnalului de ieșire pe unitatea de modificare a forței de intrare.
- Precizie: Determinați nivelul de precizie necesar pentru aplicația dvs. Precizia se referă la cât de apropiate sunt citirile senzorului de adevărata valoare a forței de tensiune.
- Calibrare: Unii senzori necesită calibrare pentru a asigura citiri precise. Calibrarea implică reglarea ieșirii senzorului pentru a se potrivi cu valorile de tensiune cunoscute.
- Complexitate de integrare: Alegeți un senzor ușor de integrat cu configurația dvs. Arduino existentă. Luați în considerare cerințele de cablare ale senzorului, nevoile de condiționare a semnalului și bibliotecile disponibile.
- Cost: Echilibrați costul senzorului cu performanțele și caracteristicile sale. Senzorii cu performanțe mai mari vin adesea cu un preț mai mare.
Pentru a construi un sistem simplu de măsurare a tensiunii cu Arduino, veți avea nevoie de următoarele componente:
1. Board Arduino: o placă Arduino Uno sau similară servește ca microcontroller pentru a prelucra datele senzorului și a controla sistemul. Arduino oferă pin -uri de procesare, memorie și intrare/ieșire necesare pentru interfațarea cu senzorul de tensiune și alte componente.
2. Senzor de tensiune: Selectați un senzor de tensiune adecvat pe baza cerințelor de aplicație (de exemplu, celula de încărcare, ecartamentul de tulpină sau FSR). Alegerea senzorului va depinde de intervalul de măsurare, de cerințele de precizie și de complexitatea de integrare a proiectului dvs.
3. Amplificator de semnal (dacă este necesar): Unii senzori de tensiune, cum ar fi celulele de încărcare, produc modificări de tensiune foarte mici care necesită amplificare. Un amplificator HX711 este utilizat în mod obișnuit în acest scop. HX711 este un amplificator specializat conceput pentru a amplifica micile semnale analogice din celulele de încărcare și pentru a le transforma în semnale digitale care pot fi citite cu ușurință de către Arduino.
4. Rezistențe: necesare pentru crearea de divizoare de tensiune sau circuite de prejudecată pentru anumite tipuri de senzori precum FSR. Rezistențele sunt utilizate pentru a crea un circuit de divizor de tensiune, care transformă modificarea rezistenței FSR într -un semnal de tensiune care poate fi citit de intrarea analogică a lui Arduino.
5. Panoul de pâine și firele de jumper: pentru prototipare și conectarea componentelor. O bordură oferă o modalitate convenabilă la circuitele prototipului fără lipire, în timp ce firele de jumper sunt utilizate pentru a face conexiuni electrice între componente.
6. Sursa de alimentare: pentru a alimenta bordul Arduino și senzorul de tensiune. O sursă de alimentare stabilă și fiabilă este esențială pentru asigurarea măsurătorilor precise și consistente.
7. Afișare (opțional): Un ecran LCD sau un monitor de serie poate fi utilizat pentru a afișa măsurătorile tensiunii. Un ecran LCD oferă un afișaj vizual al citirilor de tensiune, în timp ce monitorul în serie vă permite să vizualizați datele de pe computer.
Cablajul și conexiunile vor varia în funcție de tipul de senzor de tensiune pe care îl alegeți. Iată un exemplu despre cum să conectați un rezistor sensibil la forță (FSR) la un Arduino:
1. Conectați un capăt al FSR la o alimentare de 5V.
2. Conectați celălalt capăt al FSR la un pin de intrare analog pe Arduino (de exemplu, A0).
3. Conectați un rezistor (de exemplu, 10kΩ) de la pinul de intrare analog la sol pentru a crea un divizor de tensiune.
FSR ----> Arduino A0
|
Rezistență de 10kΩ
|
GND
În această configurație, FSR și rezistența de 10kΩ formează un divizor de tensiune. Pe măsură ce rezistența FSR se modifică cu forța aplicată, tensiunea la pinul de intrare analogic se modifică proporțional. Arduino poate apoi să citească această tensiune și să o transforme într -o măsurare a tensiunii.
Pentru celulele de încărcare, conexiunile implică de obicei un amplificator HX711:
| Celula de încărcare | HX711 |
|---|---|
| Roșu (E+) | E+ |
| Negru (E-) | E- |
| Alb (a-) | O- |
| Verde (a+) | A+ |
Conectați HX711 la Arduino după cum urmează:
| Hx711 | Arduino |
|---|---|
| Dt | Pin 2 |
| SCK | Pinul 3 |
| VCC | 5V |
| GND | GND |
HX711 comunică cu Arduino folosind o interfață serială. Pinul DT (date) transmite datele senzorului amplificat și digitalizat, în timp ce pinul SCK (ceas serial) oferă semnalul de sincronizare pentru comunicare. Prin conectarea acestor pini la Arduino, puteți citi măsurătorile de tensiune din celula de încărcare.
Codul Arduino va depinde de tipul de senzor și de funcționalitatea dorită. Iată un exemplu de cod pentru citirea unui FSR și afișarea valorilor de pe monitorul serial:
const int sensorpin = a0; // pin analog conectat la FSR
const int rezistentValue = 10000; // Rezistența rezistenței seriei
void setup () {
Serial.begin (9600); // inițializează comunicarea în serie
}
void loop () {
int sensorValue = analogread (sensorpin); // Citiți valoarea analogică din senzor
Serial.print ( 'valoarea senzorului: ');
Serial.println (SensorValue);
întârziere (100); // întârziere pentru stabilitate
}
Acest cod citește valoarea analogică din FSR conectat la pinul de intrare analog al Arduino (A0). Funcția `analogread ()` returnează o valoare între 0 și 1023, ceea ce reprezintă tensiunea la pinul de intrare analog. Această valoare este apoi tipărită pe monitorul în serie.
Pentru o celulă de încărcare cu un amplificator HX711, puteți utiliza biblioteca HX711:
#include 'hx711.h '
Scara HX711;
const int dt_pin = 2;
const int ssck_pin = 3;
void setup () {
Serial.begin (9600);
scale.begin (dt_pin, sck_pin);
scale.set_scale ();
scale.tar ();
}
void loop () {
Serial.print ( 'greutate: ');
Serial.print (scale.get_units (), 1);
Serial.println ( 'g ');
întârziere (1000);
}
Acest cod folosește biblioteca HX711 pentru a interfața cu amplificatorul HX711. Scara `HX711;` linia creează o instanță a clasei HX711. `Scale.Begin (DT_PIN, SCK_PIN);` linia inițializează HX711 cu pinii de date și ceas. Linia `scale.set_scale ();` setează factorul de calibrare pentru celula de încărcare. Linia `scale.tar ();` stabilește punctul zero pentru celula de încărcare. Funcția `scale.get_units ()` returnează greutatea în grame.
Calibrarea este crucială pentru obținerea măsurătorilor exacte de tensiune. Procesul de calibrare implică compararea ieșirii senzorului cu valorile de tensiune cunoscute și reglarea codului pentru a compensa orice erori. Fără o calibrare adecvată, citirile senzorului pot să nu reflecte cu exactitate forța de tensiune adevărată.
Pentru FSRS, puteți calibra înregistrând valorile senzorului la diferite forțe cunoscute și creând o mapare între valori și forțele corespunzătoare. Această mapare poate fi implementată folosind un tabel de căutare sau o formulă matematică.
Pentru celulele de încărcare, calibrarea implică de obicei utilizarea greutăților cunoscute. Înregistrați citirile brute din celula de încărcare fără greutate aplicată (TARE). Apoi, puneți greutăți cunoscute pe celula de încărcare și înregistrați citirile corespunzătoare. Utilizați aceste puncte de date pentru a calcula un factor de calibrare (raportul dintre greutate și citire). Aplicați acest factor de calibrare în codul dvs. Arduino pentru a converti citirile brute în măsurători de forță exacte. Cu cât utilizați mai multe puncte de date, cu atât va fi mai precisă calibrarea.
- Filtrare: Aplicarea filtrelor digitale la datele senzorului poate reduce zgomotul și poate îmbunătăți precizia. Filtrele medii în mișcare și filtrele Kalman sunt utilizate în mod obișnuit în acest scop.
- Compensarea temperaturii: Schimbările de temperatură pot afecta citirile senzorului. Implementarea tehnicilor de compensare a temperaturii poate îmbunătăți precizia pe o gamă mai largă de temperaturi.
- jurnal de date: înregistrarea datelor senzorului pe un card SD sau o platformă cloud permite monitorizarea și analiza pe termen lung.
- Comunicare fără fir: Adăugarea unui modul de comunicare fără fir (de exemplu, Bluetooth sau WiFi) permite monitorizarea la distanță a măsurătorilor de tensiune.
Sistemele de măsurare a tensiunii cu Arduino au o gamă largă de aplicații:
- Robotică: Monitorizarea încărcării pe brațele robotice pentru a asigura funcționarea în siguranță și a preveni supraîncărcarea. Prin monitorizarea tensiunii în cablurile sau îmbinările unui braț robotizat, vă puteți asigura că brațul nu depășește capacitatea maximă de încărcare.
- Tehnologie purtabilă: integrarea în îmbrăcăminte pentru a monitoriza activitatea fizică sau valorile de sănătate. De exemplu, senzorii de tensiune pot fi integrați în îmbrăcăminte atletică pentru a măsura tensiunea musculară în timpul exercițiilor fizice sau reabilitării.
- Monitorizarea sănătății structurale: detectarea stresului la poduri și clădiri pentru a preveni defecțiunile. Senzorii de tensiune pot fi instalați pe elemente structurale critice pentru a monitoriza nivelul de stres și pentru a detecta problemele potențiale înainte de a duce la eșecuri catastrofale.
- Echipament sportiv: măsurarea valorilor de performanță precum rezistența la prindere sau tensiunea musculară. Senzorii de tensiune pot fi folosiți în echipamente sportive, cum ar fi rachete de tenis sau cluburi de golf pentru a măsura forța aplicată de sportiv.
- Automatizare industrială: Monitorizarea încărcării pe utilaje pentru a preveni supraîncărcarea și asigurarea siguranței. Senzorii de tensiune pot fi folosiți pentru a monitoriza încărcarea pe centuri transportoare, macarale și alte utilaje industriale pentru a preveni supraîncărcarea și a asigura o funcționare în siguranță.
Sistemul de măsurare a tensiunii de bază descris în acest articol poate fi îmbunătățit și extins pentru a răspunde nevoilor mai specifice. De exemplu, integrarea mai multor senzori poate oferi o înțelegere mai cuprinzătoare a distribuției tensiunii într -un sistem. Adăugarea mecanismelor de control al feedback -ului poate permite sistemului să ajusteze automat nivelurile de tensiune pe baza citirilor senzorului. Mai mult, încorporarea algoritmilor de învățare automată poate permite sistemului să învețe din datele istorice și să prezică tendințele viitoare de tensiune.
Pe măsură ce tehnologia avansează, ne putem aștepta să vedem și mai multe sisteme de măsurare a tensiunii mai sofisticate bazate pe Arduino și alte microcontrolere. Aceste sisteme vor juca un rol din ce în ce mai important într -o gamă largă de aplicații, de la asigurarea siguranței infrastructurii noastre până la îmbunătățirea performanței sportivilor noștri.
Construirea unui sistem simplu de măsurare a tensiunii cu Arduino este o soluție versatilă și rentabilă pentru măsurarea forței în diferite aplicații. Înțelegând principiile de funcționare, configurarea corectă a hardware -ului și calibrarea cu atenție a senzorului, puteți obține măsurători de forță precise și fiabile. Indiferent dacă construiți o scară digitală, un braț robotizat sau o platformă de testare a materialelor, combinația de senzori de tensiune și Arduino oferă o platformă puternică pentru proiectele dvs.
Un senzor de tensiune este un dispozitiv care măsoară forța de tragere exercitată pe un cablu, șir sau alt material flexibil. Spre deosebire de senzorii de compresie, senzorii de tensiune răspund la forțele care întind sau alungesc elementul de detectare.
Calibrele de tulpini funcționează pe baza principiului că rezistența lor electrică se schimbă atunci când sunt supuse stresului mecanic sau tulpinii. Ele sunt de obicei legate de suprafața obiectului sub tensiune și, pe măsură ce obiectul se deformează, gabaritul de tulpină se deformează, determinând o modificare a rezistenței care poate fi măsurată.
Senzorii Flex sunt de obicei utilizați pentru a măsura îndoirea sau flexiunea, dar pot fi adaptați pentru măsurarea tensiunii în anumite aplicații. Prin atașarea unui senzor Flex la un material flexibil sub tensiune, senzorul poate detecta cantitatea de îndoire cauzată de forța de tensiune.
HX711 este un amplificator specializat conceput pentru celulele de încărcare. Celulele de încărcare produc modificări de tensiune foarte mici ca răspuns la forța aplicată, adesea în intervalul milivolt. HX711 amplifică această mică schimbare de tensiune, ceea ce o face lizibilă de Arduino. De asemenea, oferă o ieșire digitală stabilă și precisă, reducând zgomotul și îmbunătățind precizia generală a măsurării forței.
Pentru a calibra un senzor de tensiune conectat la un Arduino, veți avea nevoie de greutăți sau forțe cunoscute. În primul rând, înregistrați citirile brute de la senzor fără nicio forță aplicată (TARE). Apoi, aplicați greutăți sau forțe cunoscute pe senzor și înregistrați citirile corespunzătoare. Utilizați aceste puncte de date pentru a calcula un factor de calibrare (raportul dintre forță și citire). Aplicați acest factor de calibrare în codul dvs. Arduino pentru a converti citirile brute în măsurători de forță exacte.
[1] https://www.youtube.com/watch?v=R7OWTCE6QQC
]
[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-pressure-sensor-fsr-with-lcd-display/
[8] https://forum.arduino.cc/t/tension-sensor-seelection/564801
