Quan điểm: 222 Tác giả: Leah Publish Time: 2025-02-18 Nguồn gốc: Địa điểm
Menu nội dung
● Hiểu các cảm biến căng thẳng
>> Các loại cảm biến căng thẳng
>> Những cân nhắc chính để chọn cảm biến căng thẳng
● Hệ thống dây điện và kết nối
● Ứng dụng
● Cải tiến và hướng dẫn trong tương lai
>> 1. Cảm biến căng thẳng là gì?
>> 2. Máy đo căng thẳng hoạt động như thế nào?
>> 3. Tôi có thể sử dụng cảm biến flex để đo độ căng không?
>> 4. Vai trò của bộ khuếch đại HX711 là gì?
>> 5. Làm cách nào để hiệu chỉnh cảm biến căng thẳng?
Đo lường căng thẳng là một khía cạnh quan trọng trong nhiều ứng dụng, từ robot và công nghệ đeo được đến giám sát sức khỏe và thiết bị thể thao. Khả năng đo lường chính xác lực căng hoặc lực kéo là rất cần thiết để đảm bảo an toàn, tối ưu hóa hiệu suất và ngăn ngừa thất bại. Với sự ra đời của các vi điều khiển như Arduino, xây dựng một đơn giản Hệ thống đo căng thẳng đã trở nên dễ tiếp cận và hiệu quả hơn. Bài viết này khám phá các thành phần, kỹ thuật và cân nhắc liên quan đến việc tạo ra một hệ thống như vậy.
Cảm biến căng thẳng là các thiết bị được thiết kế đặc biệt để đo lực kéo tác dụng trên cáp, chuỗi hoặc bất kỳ vật liệu linh hoạt nào. Không giống như các cảm biến nén đo lực đẩy, các cảm biến căng thẳng phản ứng với các lực kéo dài hoặc kéo dài phần tử cảm biến. Hiểu các sắc thái của các cảm biến này là điều cần thiết để thu thập và giải thích dữ liệu chính xác.
Một số loại cảm biến có thể được sử dụng để đo căng thẳng với Arduino, mỗi loại cung cấp các đặc điểm và khả năng độc đáo:
- Các ô tải: Các tế bào tải được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng cân nhưng cũng có thể được điều chỉnh để đo độ căng. Chúng hoạt động theo nguyên tắc đồng hồ đo biến dạng, thay đổi điện trở khi kéo dài. Khi một lực kéo được áp dụng, một chút tế bào tải biến dạng, khiến các đồng hồ đo biến dạng thay đổi điện trở. Những thay đổi điện trở này sau đó được chuyển đổi thành tín hiệu điện tỷ lệ với lực ứng dụng. Các tế bào tải được biết đến với độ mạnh và độ chính xác của chúng, làm cho chúng phù hợp cho các ứng dụng đòi hỏi.
- Đồng hồ đo biến dạng: Đồng hồ đo biến dạng là các cảm biến điện trở đo biến dạng (biến dạng) của vật liệu khi chịu căng thẳng. Chúng thường được liên kết với bề mặt của vật thể dưới độ căng bằng cách sử dụng chất kết dính chuyên dụng. Khi vật thể chịu lực kéo, nó biến dạng, khiến đồng hồ đo biến dạng cũng biến dạng. Biến dạng này làm thay đổi điện trở của máy đo biến dạng, có thể được đo bằng mạch cầu Wheatstone. Sự thay đổi điện trở tỷ lệ thuận với biến dạng, cho phép đo chính xác lực căng.
- Lực điện trở nhạy cảm (FSRS): FSR là các điện trở thay đổi có điện trở thay đổi với lực ứng dụng. Chúng đơn giản để sử dụng nhưng thường kém chính xác hơn so với các ô tải hoặc đồng hồ đo biến dạng. FSRS bao gồm một màng polymer dẫn điện thay đổi điện trở khi áp suất được áp dụng lên bề mặt của nó. Khi lực kéo tăng, điện trở giảm. Sự thay đổi điện trở này có thể được đo lường dễ dàng bằng cách sử dụng mạch chia điện áp, biến FSRS thành một tùy chọn thuận tiện để tạo mẫu nhanh và các ứng dụng đơn giản trong đó độ chính xác cao không quan trọng.
- Cảm biến điện dung: Cảm biến điện dung phát hiện những thay đổi về điện dung gây ra do căng thẳng trong cáp hoặc vật liệu. Chúng có thể được tích hợp vào các vật liệu khác nhau, cung cấp một phương pháp không tiếp xúc để phát hiện căng thẳng. Các cảm biến này hoạt động bằng cách đo lường sự thay đổi điện dung giữa hai tấm dẫn điện khi khoảng cách giữa chúng thay đổi do căng thẳng. Chúng có thể đặc biệt hữu ích trong các ứng dụng trong đó tiếp xúc vật lý với vật liệu dưới sự căng thẳng là không mong muốn.
Khi chọn cảm biến để phát hiện căng thẳng với Arduino, hãy xem xét các yếu tố sau:
- Phạm vi đo: Đảm bảo cảm biến có thể đo phạm vi lực căng dự kiến mà không vượt quá công suất tối đa của nó. Quá tải một cảm biến có thể làm hỏng nó hoặc dẫn đến các bài đọc không chính xác.
- Độ nhạy: Độ nhạy cao hơn cho phép các phép đo chính xác hơn, đặc biệt là khi xử lý các lực căng nhỏ. Độ nhạy đề cập đến sự thay đổi tín hiệu đầu ra trên mỗi đơn vị thay đổi lực lượng đầu vào.
- Độ chính xác: Xác định mức độ chính xác cần thiết cho ứng dụng của bạn. Độ chính xác đề cập đến mức độ đọc của cảm biến với giá trị thực của lực căng.
- Hiệu chuẩn: Một số cảm biến yêu cầu hiệu chuẩn để đảm bảo đọc chính xác. Hiệu chuẩn liên quan đến việc điều chỉnh đầu ra của cảm biến để phù hợp với các giá trị lực căng đã biết.
- Độ phức tạp tích hợp: Chọn một cảm biến dễ dàng tích hợp với thiết lập Arduino hiện có của bạn. Xem xét các yêu cầu về hệ thống của cảm biến, nhu cầu điều hòa tín hiệu và các thư viện có sẵn.
- Chi phí: Cân bằng chi phí của cảm biến với hiệu suất và tính năng của nó. Các cảm biến hiệu suất cao hơn thường đi kèm với một thẻ giá cao hơn.
Để xây dựng một hệ thống đo căng thẳng đơn giản với Arduino, bạn sẽ cần các thành phần sau:
1. Bảng Arduino: Một arduino uno hoặc bảng tương tự đóng vai trò là vi điều khiển để xử lý dữ liệu cảm biến và kiểm soát hệ thống. Arduino cung cấp năng lượng xử lý, bộ nhớ và chân đầu vào/đầu ra cần thiết để giao tiếp với cảm biến căng thẳng và các thành phần khác.
2. Cảm biến căng thẳng: Chọn một cảm biến căng thẳng thích hợp dựa trên các yêu cầu ứng dụng của bạn (ví dụ: ô tải, đồng hồ đo biến dạng hoặc FSR). Việc lựa chọn cảm biến sẽ phụ thuộc vào phạm vi đo lường, yêu cầu chính xác và độ phức tạp tích hợp của dự án của bạn.
3. Bộ khuếch đại tín hiệu (nếu cần): Một số cảm biến căng thẳng, như các tế bào tải, tạo ra những thay đổi điện áp rất nhỏ đòi hỏi phải khuếch đại. Một bộ khuếch đại HX711 thường được sử dụng cho mục đích này. HX711 là một bộ khuếch đại chuyên dụng được thiết kế để khuếch đại các tín hiệu tương tự nhỏ từ các ô tải và chuyển đổi chúng thành tín hiệu kỹ thuật số có thể dễ dàng đọc bởi Arduino.
4. Điện trở: Cần thiết để tạo các bộ chia điện áp hoặc mạch thiên vị cho một số loại cảm biến như FSR. Các điện trở được sử dụng để tạo mạch chia điện áp, chuyển đổi sự thay đổi điện trở của FSR thành tín hiệu điện áp có thể được đọc bằng đầu vào tương tự của Arduino.
5. Dây nối và dây nhảy: Để tạo mẫu và kết nối các thành phần. Một bảng điều khiển cung cấp một cách thuận tiện cho các mạch nguyên mẫu mà không cần hàn, trong khi dây nhảy được sử dụng để tạo kết nối điện giữa các thành phần.
6. Cung cấp năng lượng: Để cung cấp năng lượng cho bảng Arduino và cảm biến căng thẳng. Một nguồn cung cấp năng lượng ổn định và đáng tin cậy là rất cần thiết để đảm bảo các phép đo chính xác và nhất quán.
7. Hiển thị (tùy chọn): Màn hình LCD hoặc màn hình nối tiếp có thể được sử dụng để hiển thị các phép đo căng thẳng. Màn hình LCD cung cấp màn hình hiển thị trực quan về các bài đọc căng thẳng, trong khi màn hình nối tiếp cho phép bạn xem dữ liệu trên máy tính của mình.
Các hệ thống dây điện và kết nối sẽ thay đổi tùy thuộc vào loại cảm biến căng thẳng bạn chọn. Dưới đây là một ví dụ về cách kết nối điện trở nhạy cảm lực (FSR) với Arduino:
1. Kết nối một đầu của FSR với nguồn cung cấp 5V.
2. Kết nối đầu kia của FSR với chân đầu vào tương tự trên Arduino (ví dụ: A0).
3. Kết nối một điện trở (ví dụ, 10kΩ) từ chân đầu vào tương tự với mặt đất để tạo ra một bộ chia điện áp.
FSR ----> Arduino A0
|
Điện trở 10kΩ
|
GND
Trong cấu hình này, điện trở FSR và 10kΩ tạo thành một bộ chia điện áp. Khi điện trở của FSR thay đổi với lực ứng dụng, điện áp ở chân đầu vào tương tự thay đổi theo tỷ lệ. Arduino sau đó có thể đọc điện áp này và chuyển đổi nó thành một phép đo căng thẳng.
Đối với các ô tải, các kết nối thường liên quan đến bộ khuếch đại HX711:
| Tải ô | HX711 |
|---|---|
| Đỏ (E+) | E+ |
| Đen (E-) | Điện tử |
| Màu trắng (a-) | MỘT- |
| Màu xanh lá cây (a+) | A+ |
Kết nối HX711 với Arduino như sau:
| HX711 | Arduino |
|---|---|
| Dt | Chân 2 |
| SCK | Chân 3 |
| VCC | 5V |
| GND | GND |
HX711 giao tiếp với Arduino bằng giao diện nối tiếp. PIN DT (dữ liệu) truyền dữ liệu cảm biến được khuếch đại và số hóa, trong khi chân SCK (đồng hồ nối tiếp) cung cấp tín hiệu thời gian cho giao tiếp. Bằng cách kết nối các chân này với Arduino, bạn có thể đọc các phép đo căng thẳng từ ô tải.
Mã Arduino sẽ phụ thuộc vào loại cảm biến và chức năng mong muốn. Dưới đây là một ví dụ về mã để đọc FSR và hiển thị các giá trị trên màn hình nối tiếp:
const int cảm biến = a0; // pin analog kết nối với FSR
const int electorValue = 10000; // điện trở của điện trở loạt
void setup () {
Serial.begin (9600); // Khởi tạo giao tiếp nối tiếp
}
void loop () {
cảm biến int = analogread (cảm biến); // Đọc giá trị tương tự từ cảm biến
Serial.print ( 'giá trị cảm biến: ');
Serial.println (cảm biến);
độ trễ (100); // Độ trễ cho sự ổn định
}
Mã này đọc giá trị tương tự từ FSR được kết nối với chân đầu vào tương tự của Arduino (A0). Hàm `analograd ()` trả về giá trị từ 0 đến 1023, đại diện cho điện áp tại chân đầu vào tương tự. Giá trị này sau đó được in vào màn hình nối tiếp.
Đối với một ô tải có bộ khuếch đại HX711, bạn có thể sử dụng thư viện HX711:
#include 'hx711.h '
Thang đo HX711;
const int dt_pin = 2;
const int sck_pin = 3;
void setup () {
Serial.begin (9600);
tỷ lệ.begin (dt_pin, sck_pin);
tỷ lệ.set_scale ();
tỷ lệ.tare ();
}
void loop () {
Serial.print ( 'Trọng lượng: ');
Serial.print (scale.get_units (), 1);
Serial.println ( 'g ');
Độ trễ (1000);
}
Mã này sử dụng thư viện HX711 để giao diện với bộ khuếch đại HX711. Thang đo `HX711;` Dòng tạo ra một thể hiện của lớp HX711. `Scale.begin (dt_pin, sck_pin);` dòng khởi tạo hx711 với dữ liệu và chân đồng hồ. `Scale.set_scale ();` Dòng đặt hệ số hiệu chuẩn cho ô tải. `Scale.tare ();` Dòng đặt điểm 0 cho ô tải. Hàm `scale.get_units ()` trả về trọng lượng tính bằng gram.
Hiệu chuẩn là rất quan trọng để có được các phép đo căng thẳng chính xác. Quá trình hiệu chuẩn liên quan đến việc so sánh đầu ra của cảm biến với các giá trị căng thẳng đã biết và điều chỉnh mã để bù cho bất kỳ lỗi nào. Nếu không có hiệu chuẩn thích hợp, các bài đọc của cảm biến có thể không phản ánh chính xác lực căng thực sự.
Đối với FSR, bạn có thể hiệu chỉnh bằng cách ghi lại các giá trị cảm biến ở các lực khác nhau và tạo ánh xạ giữa các giá trị và các lực tương ứng. Ánh xạ này có thể được thực hiện bằng cách sử dụng bảng tra cứu hoặc công thức toán học.
Đối với các tế bào tải, hiệu chuẩn thường liên quan đến việc sử dụng các trọng số đã biết. Ghi lại các bài đọc thô từ ô tải không có trọng lượng được áp dụng (TARE). Sau đó, vị trí trọng lượng đã biết trên ô tải và ghi lại các bài đọc tương ứng. Sử dụng các điểm dữ liệu này để tính toán một hệ số hiệu chuẩn (tỷ lệ trọng lượng để đọc). Áp dụng yếu tố hiệu chuẩn này trong mã Arduino của bạn để chuyển đổi các bài đọc thô thành các phép đo lực chính xác. Bạn càng sử dụng nhiều điểm dữ liệu, hiệu chuẩn của bạn sẽ càng chính xác.
- Lọc: Áp dụng các bộ lọc kỹ thuật số vào dữ liệu cảm biến có thể làm giảm nhiễu và cải thiện độ chính xác. Bộ lọc trung bình di chuyển và bộ lọc Kalman thường được sử dụng cho mục đích này.
- Bồi thường nhiệt độ: Thay đổi nhiệt độ có thể ảnh hưởng đến số đọc của cảm biến. Thực hiện các kỹ thuật bù nhiệt độ có thể cải thiện độ chính xác trong phạm vi nhiệt độ rộng hơn.
- Ghi nhật ký dữ liệu: Đăng nhập dữ liệu cảm biến vào thẻ SD hoặc nền tảng đám mây cho phép giám sát và phân tích dài hạn.
- Giao tiếp không dây: Thêm mô -đun giao tiếp không dây (ví dụ: Bluetooth hoặc WiFi) cho phép giám sát từ xa các phép đo căng thẳng.
Các hệ thống đo căng thẳng với Arduino có một loạt các ứng dụng:
- Robotics: Theo dõi tải trọng trên cánh tay robot để đảm bảo hoạt động an toàn và ngăn ngừa quá tải. Bằng cách theo dõi độ căng trong cáp hoặc khớp của một cánh tay robot, bạn có thể đảm bảo rằng cánh tay không vượt quá khả năng tải tối đa của nó.
- Công nghệ đeo được: Tích hợp vào quần áo để theo dõi hoạt động thể chất hoặc số liệu sức khỏe. Ví dụ, các cảm biến căng thẳng có thể được tích hợp vào trang phục thể thao để đo căng cơ trong quá trình tập thể dục hoặc phục hồi chức năng.
- Giám sát sức khỏe cấu trúc: Phát hiện căng thẳng trong cầu và các tòa nhà để ngăn ngừa thất bại. Các cảm biến căng thẳng có thể được cài đặt trên các yếu tố cấu trúc quan trọng để theo dõi mức độ căng thẳng và phát hiện các vấn đề tiềm ẩn trước khi chúng dẫn đến những thất bại thảm khốc.
- Thiết bị thể thao: Đo lường các số liệu hiệu suất như sức mạnh nắm hoặc căng cơ. Các cảm biến căng thẳng có thể được sử dụng trong các thiết bị thể thao như vợt tennis hoặc câu lạc bộ golf để đo lực được áp dụng bởi vận động viên.
- Tự động hóa công nghiệp: Giám sát tải trên máy móc để ngăn chặn quá tải và đảm bảo an toàn. Các cảm biến căng thẳng có thể được sử dụng để theo dõi tải trọng trên băng tải, cần cẩu và máy móc công nghiệp khác để ngăn chặn quá tải và đảm bảo hoạt động an toàn.
Hệ thống đo căng thẳng cơ bản được mô tả trong bài viết này có thể được tăng cường và mở rộng hơn nữa để đáp ứng các nhu cầu cụ thể hơn. Ví dụ, việc tích hợp nhiều cảm biến có thể cung cấp sự hiểu biết toàn diện hơn về phân phối căng thẳng trong một hệ thống. Thêm các cơ chế kiểm soát phản hồi có thể cho phép hệ thống tự động điều chỉnh các mức độ căng dựa trên các bài đọc cảm biến. Hơn nữa, việc kết hợp các thuật toán học máy có thể cho phép hệ thống học hỏi từ dữ liệu lịch sử và dự đoán xu hướng căng thẳng trong tương lai.
Khi công nghệ tiến bộ, chúng ta có thể mong đợi sẽ thấy các hệ thống đo căng thẳng tinh vi hơn nữa dựa trên Arduino và các bộ vi điều khiển khác. Các hệ thống này sẽ đóng một vai trò ngày càng quan trọng trong một loạt các ứng dụng, từ việc đảm bảo sự an toàn của cơ sở hạ tầng của chúng tôi đến cải thiện hiệu suất của các vận động viên của chúng tôi.
Xây dựng một hệ thống đo căng thẳng đơn giản với Arduino là một giải pháp linh hoạt và hiệu quả về chi phí để đo lực trong các ứng dụng khác nhau. Bằng cách hiểu các nguyên tắc hoạt động, thiết lập đúng phần cứng và hiệu chỉnh cẩn thận cảm biến, bạn có thể đạt được các phép đo lực chính xác và đáng tin cậy. Cho dù bạn đang xây dựng một thang đo kỹ thuật số, một cánh tay robot hoặc giàn thử nghiệm vật liệu, sự kết hợp của các cảm biến căng thẳng và Arduino cung cấp một nền tảng mạnh mẽ cho các dự án của bạn.
Cảm biến căng thẳng là một thiết bị đo lực kéo tác dụng trên cáp, chuỗi hoặc vật liệu linh hoạt khác. Không giống như các cảm biến nén, các cảm biến căng thẳng phản ứng với các lực kéo dài hoặc kéo dài phần tử cảm biến.
Đồng hồ đo căng thẳng hoạt động dựa trên nguyên tắc rằng điện trở của chúng thay đổi khi chúng bị căng thẳng cơ học hoặc căng thẳng. Chúng thường được liên kết với bề mặt của vật thể dưới sức căng và do các biến dạng đối tượng, đồng hồ đo biến dạng cũng biến dạng, gây ra sự thay đổi điện trở có thể đo được.
Các cảm biến flex thường được sử dụng để đo uốn hoặc uốn, nhưng chúng có thể được điều chỉnh để đo độ căng trong các ứng dụng nhất định. Bằng cách gắn cảm biến uốn vào vật liệu linh hoạt dưới độ căng, cảm biến có thể phát hiện lượng uốn do lực căng.
HX711 là một bộ khuếch đại chuyên dụng được thiết kế cho các ô tải. Các tế bào tải tạo ra những thay đổi điện áp rất nhỏ để đáp ứng với lực ứng dụng, thường là trong phạm vi Millivolt. HX711 khuếch đại sự thay đổi điện áp nhỏ này, làm cho nó có thể đọc được bởi Arduino. Nó cũng cung cấp một đầu ra kỹ thuật số ổn định và chính xác, giảm nhiễu và cải thiện độ chính xác chung của phép đo lực.
Để hiệu chỉnh một cảm biến căng thẳng được kết nối với Arduino, bạn sẽ cần các trọng lượng hoặc lực đã biết. Đầu tiên, ghi lại các bài đọc thô từ cảm biến không có lực được áp dụng (Tare). Sau đó, áp dụng các trọng số hoặc lực đã biết cho cảm biến và ghi lại các bài đọc tương ứng. Sử dụng các điểm dữ liệu này để tính toán hệ số hiệu chuẩn (tỷ lệ lực để đọc). Áp dụng yếu tố hiệu chuẩn này trong mã Arduino của bạn để chuyển đổi các bài đọc thô thành các phép đo lực chính xác.
[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=VQwjzTegc4
[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
.
[8] https://forum.arduino.cc/t/tension-sensor-selection/564801
