Vizualizări: 222 Autor: Leah Data publicării: 2025-02-18 Origine: Site
Meniul 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 extensometrele?
>> 3. Pot folosi senzori de flexibilitate pentru măsurarea tensiunii?
>> 4. Care este rolul amplificatorului HX711?
>> 5. Cum calibrez un senzor de tensiune?
● Citate:
Măsurarea tensiunii este un aspect critic în numeroase aplicații, de la robotică și tehnologie portabilă până la monitorizarea sănătății structurale și echipamente sportive. Capacitatea de a măsura cu precizie tensiunea sau forța de tragere este esențială pentru asigurarea siguranței, optimizarea performanței și prevenirea defecțiunilor. Odată cu apariția microcontrolerelor precum Arduino, construirea unui 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 asupra unui cablu, sfoară sau orice material flexibil. Spre deosebire de senzorii de compresie care măsoară forțele de împingere, senzorii de tensiune răspund la forțele care întind sau alungesc elementul senzor. Înțelegerea nuanțelor acestor senzori este esențială pentru colectarea și interpretarea corectă a datelor.
Mai multe tipuri de senzori pot fi utilizați pentru măsurarea tensiunii cu Arduino, fiecare oferind caracteristici și capacități unice:
- Celulele de sarcină: Celulele de sarcină sunt utilizate pe scară largă în aplicațiile de cântărire, dar pot fi adaptate și pentru măsurarea tensiunii. Ele funcționează pe principiul extensometrelor, care schimbă rezistența atunci când sunt întinse. Atunci când se aplică o forță de tracțiune, celula de sarcină se deformează ușor, determinând ca extensometrul să modifice rezistența. Aceste modificări de rezistență sunt apoi convertite într-un semnal electric proporțional cu forța aplicată. Celulele de sarcină sunt cunoscute pentru robustețea și acuratețea lor, făcându-le potrivite pentru aplicații solicitante.
- Extensometre: Extensometrele sunt senzori rezistivi care măsoară deformarea (deformarea) unui material atunci când este supus la stres. Ele sunt de obicei lipite de suprafața obiectului sub tensiune folosind un adeziv specializat. Atunci când obiectul este supus unei forțe de tracțiune, acesta se deformează, determinând și ea deformarea tensometrului. Această deformare modifică rezistența extensometrului, care poate fi măsurată folosind un circuit de punte Wheatstone. Modificarea rezistenței este direct proporțională cu deformarea, permițând măsurarea precisă a tensiunii.
- Rezistoare sensibile la forță (FSR): FSR-urile sunt rezistențe variabile a căror rezistență se modifică odată cu forța aplicată. Sunt simplu de utilizat, dar în general mai puțin precise decât celulele de sarcină sau extensometrele. FSR-urile constau dintr-un film polimeric conductiv care își schimbă rezistența atunci când se aplică presiune pe suprafața sa. Pe măsură ce forța de tracțiune crește, rezistența scade. Această modificare a rezistenței poate fi măsurată cu ușurință folosind un circuit divizor de tensiune, făcând FSR-urile o opțiune convenabilă pentru prototipare rapidă și aplicații simple în care precizia ridicată nu este critică.
- Senzori capacitivi: Senzorii capacitivi detectează modificări ale capacității cauzate de tensiunea dintr-un cablu sau material. Ele pot fi integrate în diverse materiale, oferind o metodă fără contact pentru detectarea tensiunii. Acești senzori funcționează prin măsurarea modificării capacității dintre două plăci conductoare pe măsură ce distanța dintre ele se modifică din cauza tensiunii. Ele pot fi deosebit de utile în aplicații în care contactul fizic cu materialul sub tensiune este nedorit.
Când alegeți un senzor pentru detectarea tensiunii cu Arduino, luați în considerare următorii factori:
- Interval de măsurare: Asigurați-vă că senzorul poate măsura intervalul așteptat de forțe de tensiune fără a-și depăși capacitatea maximă. Supraîncărcarea unui senzor îl poate deteriora sau duce la citiri inexacte.
- Sensibilitate: Sensibilitatea mai mare permite măsurători mai precise, mai ales atunci când aveți de-a face cu forțe mici de tensiune. Sensibilitatea se referă la modificarea semnalului de ieșire per unitate de modificare a forței de intrare.
- Precizie: Determinați nivelul de precizie necesar pentru aplicația dvs. Precizia se referă la cât de aproape sunt citirile senzorului de valoarea reală a forței de tensiune.
- Calibrare: Unii senzori necesită calibrare pentru a asigura citiri precise. Calibrarea implică ajustarea ieșirii senzorului pentru a se potrivi cu valorile de tensiune cunoscute.
- Complexitatea integrării: alegeți un senzor care este 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: echilibrează costul senzorului cu performanța și caracteristicile acestuia. Senzorii de performanță mai mare 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. Placă Arduino: O placă Arduino Uno sau o placă similară servește drept microcontroler pentru a procesa datele senzorului și a controla sistemul. Arduino oferă puterea de procesare, memoria și pinii de intrare/ieșire necesare pentru interfața cu senzorul de tensiune și alte componente.
2. Senzor de tensiune: Selectați un senzor de tensiune adecvat în funcție de cerințele aplicației dvs. (de exemplu, celulă de sarcină, tensiometru sau FSR). Alegerea senzorului va depinde de domeniul de măsurare, cerințele de precizie și complexitatea integrării proiectului dumneavoastră.
3. Amplificator de semnal (dacă este necesar): Unii senzori de tensiune, cum ar fi celulele de sarcină, produc modificări foarte mici de tensiune care necesită amplificare. Un amplificator HX711 este folosit în mod obișnuit în acest scop. HX711 este un amplificator specializat conceput pentru a amplifica semnalele analogice mici de la celulele de sarcină și pentru a le converti în semnale digitale care pot fi citite cu ușurință de către Arduino.
4. Rezistoare: necesare pentru crearea divizoarelor de tensiune sau a circuitelor de polarizare pentru anumite tipuri de senzori, cum ar fi FSR-urile. Rezistoarele sunt folosite pentru a crea un circuit divizor de tensiune, care convertește schimbarea rezistenței FSR într-un semnal de tensiune care poate fi citit de intrarea analogică a Arduino.
5. Breadboard și fire jumper: Pentru prototipare și conectarea componentelor. O placă oferă o modalitate convenabilă de a prototipa circuite fără lipire, în timp ce firele jumper sunt folosite pentru a realiza conexiuni electrice între componente.
6. Alimentare: Pentru alimentarea plăcii Arduino și a senzorului de tensiune. O sursă de alimentare stabilă și fiabilă este esențială pentru a asigura măsurători precise și consecvente.
7. Afișaj (opțional): Un ecran LCD sau un monitor serial poate fi utilizat pentru a afișa măsurătorile de tensiune. Un ecran LCD oferă o afișare vizuală a citirilor de tensiune, în timp ce monitorul serial vă permite să vizualizați datele 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 sursă de 5V.
2. Conectați celălalt capăt al FSR la un pin de intrare analogic de pe Arduino (de exemplu, A0).
3. Conectați un rezistor (de exemplu, 10kΩ) de la pinul de intrare analogic la masă pentru a crea un divizor de tensiune.
FSR ----> Arduino A0
|
Rezistor de 10kΩ
|
GND
În această configurație, FSR și rezistorul de 10 kΩ formează un divizor de tensiune. Pe măsură ce rezistența FSR se modifică odată cu forța aplicată, tensiunea la pinul de intrare analogică se modifică proporțional. Arduino poate citi apoi această tensiune și o poate transforma într-o măsurare a tensiunii.
Pentru celulele de sarcină, conexiunile implică de obicei un amplificator HX711:
| Celulă de sarcină | HX711 |
|---|---|
| Roșu (E+) | E+ |
| Negru (E-) | E- |
| Alb (A-) | O- |
| Verde (A+) | A+ |
Conectați HX711 la Arduino după cum urmează:
| HX711 | Arduino |
|---|---|
| DT | Pinul 2 |
| SCK | Pinul 3 |
| VCC | 5V |
| GND | GND |
HX711 comunică cu Arduino folosind o interfață serială. Pinul DT (Date) transmite datele senzorului amplificate și digitizate, în timp ce pinul SCK (Serial Clock) furnizează semnalul de sincronizare pentru comunicare. Prin conectarea acestor pini la Arduino, puteți citi măsurătorile tensiunii de la celula de sarcină.
Codul Arduino va depinde de tipul de senzor și de funcționalitatea dorită. Iată un exemplu de cod pentru citirea unui FSR și afișarea valorilor pe monitorul serial:
const int sensorPin = A0; // Pin analog conectat la FSR
const int resistorValue = 10000; // Rezistența rezistenței în serie
void setup() {
Serial.begin(9600); // Inițializați comunicarea în serie
}
void loop() {
int sensorValue = analogRead(sensorPin); // Citiți valoarea analogică de la senzor
Serial.print('Valoarea senzorului: ');
Serial.println(sensorValue);
întârziere (100); // Întârziere pentru stabilitate
}
Acest cod citește valoarea analogică de la FSR conectat la pinul de intrare analogic al Arduino (A0). Funcția `analogRead()` returnează o valoare între 0 și 1023, care reprezintă tensiunea la pinul de intrare analogică. Această valoare este apoi imprimată pe monitorul serial.
Pentru o celulă de sarcină cu un amplificator HX711, puteți utiliza biblioteca 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);
scale.set_scale();
scale.tare();
}
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. Linia `HX711 scale;` creează o instanță a clasei HX711. Linia `scale.begin(DT_PIN, SCK_PIN);` inițializează HX711 cu pinii de date și de ceas. Linia `scale.set_scale();` setează factorul de calibrare pentru celula de sarcină. Linia `scale.tare();` setează punctul zero pentru celula de sarcină. Funcția `scale.get_units()` returnează greutatea în grame.
Calibrarea este crucială pentru obținerea unor măsurători precise ale tensiunii. Procesul de calibrare presupune compararea ieșirii senzorului cu valorile de tensiune cunoscute și ajustarea codului pentru a compensa eventualele erori. Fără o calibrare adecvată, este posibil ca citirile senzorului să nu reflecte cu exactitate adevărata forță de tensiune.
Pentru FSR, 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 sarcină, calibrarea implică de obicei utilizarea greutăților cunoscute. Înregistrați citirile brute de la celula de sarcină fără greutate aplicată (tara). Apoi, plasați greutățile cunoscute pe celula de sarcină 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 precise de forță. Cu cât folosiți mai multe puncte de date, cu atât calibrarea dvs. va fi mai precisă.
- Filtrare: aplicarea filtrelor digitale la datele senzorului poate reduce zgomotul și poate îmbunătăți acuratețea. Filtrele de medie mobilă 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 acuratețea într-o gamă mai largă de temperaturi.
- Înregistrarea datelor: înregistrarea datelor senzorului pe un card SD sau pe 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 de la distanță a măsurătorilor de tensiune.
Sistemele de măsurare a tensiunii cu Arduino au o gamă largă de aplicații:
- Robotică: Monitorizarea sarcinii pe brațele robotizate pentru a asigura funcționarea în siguranță și a preveni supraîncărcarea. Prin monitorizarea tensiunii în cablurile sau îmbinările unui braț robot, vă puteți asigura că brațul nu își depășește capacitatea maximă de încărcare.
- Tehnologie purtabilă: Integrare în îmbrăcăminte pentru a monitoriza activitatea fizică sau valorile de sănătate. De exemplu, senzorii de tensiune pot fi integrați în îmbrăcămintea de atletism pentru a măsura tensiunea musculară în timpul exercițiilor sau reabilitării.
- Monitorizarea sănătății structurale: Detectarea stresului în poduri și clădiri pentru a preveni defecțiunile. Senzorii de tensiune pot fi instalați pe elemente structurale critice pentru a monitoriza nivelurile de stres și pentru a detecta potențiale probleme înainte ca acestea să conducă la defecțiuni catastrofale.
- Echipament sportiv: Măsurarea parametrilor de performanță, cum ar fi forța de prindere sau tensiunea musculară. Senzorii de tensiune pot fi utilizați în echipamentele sportive precum rachete de tenis sau crose de golf pentru a măsura forța aplicată de sportiv.
- Automatizare industrială: Monitorizarea sarcinii pe utilaje pentru a preveni supraîncărcarea și pentru a asigura siguranța. Senzorii de tensiune pot fi utilizați pentru a monitoriza sarcina pe benzile transportoare, macarale și alte mașini industriale pentru a preveni suprasarcina și pentru a asigura funcționarea în siguranță.
Sistemul de bază de măsurare a tensiunii descris în acest articol poate fi îmbunătățit și extins în continuare pentru a satisface nevoi mai specifice. De exemplu, integrarea mai multor senzori poate oferi o înțelegere mai cuprinzătoare a distribuției tensiunii într-un sistem. Adăugarea de mecanisme de control al feedback-ului poate permite sistemului să ajusteze automat nivelurile de tensiune pe baza citirilor senzorului. În plus, 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 sisteme de măsurare a tensiunii și 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 diverse aplicații. Prin înțelegerea principiilor 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 cântar digitală, un braț robotizat sau o instalație 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 asupra unui cablu, sfoară sau alt material flexibil. Spre deosebire de senzorii de compresie, senzorii de tensiune răspund la forțele care întind sau alungesc elementul senzor.
Extensometrele funcționează pe baza principiului că rezistența lor electrică se modifică atunci când sunt supuse la solicitări sau deformari mecanice. Ele sunt de obicei lipite de suprafața obiectului sub tensiune și, pe măsură ce obiectul se deformează, și extensometrul se deformează, provocând o modificare a rezistenței care poate fi măsurată.
Senzorii de flexibilitate sunt utilizați de obicei pentru a măsura îndoirea sau îndoirea, dar pot fi adaptați pentru măsurarea tensiunii în anumite aplicații. Prin atașarea unui senzor de îndoire la un material flexibil sub tensiune, senzorul poate detecta cantitatea de îndoire cauzată de forța de tensiune.
HX711 este un amplificator specializat conceput pentru celule de sarcină. Celulele de sarcină produc schimbări de tensiune foarte mici ca răspuns la forța aplicată, adesea în intervalul milivoltilor. HX711 amplifică această mică schimbare de tensiune, făcând-o lizibilă de către 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. Mai întâi, înregistrați citirile brute de la senzor fără forță aplicată (tara). Apoi, aplicați greutăți sau forțe cunoscute senzorului 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 precise de forță.
[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-pressure-sensor-FSR-with-LCD-display/
[8] https://forum.arduino.cc/t/tension-sensor-selection/564801
